功能型生態濾床技術處理高速公路橋面徑流

□文/苗 乾 張 帆 周 盛

高速公路運營期，在暴雨天氣下，雨水降落在橋面形成地表徑流，沖刷、淋洗、富集、運移一系列污染物，這些污染物排入周邊河流、湖泊、濕地等水體，影響受納水體水質，造成地表水體污染[1～2]。此外，高速公路危險化學品車輛的傾覆，會對傾覆點周邊生態環境造成嚴重影響，因此橋面初期雨水的污染治理尤為必要。

1 主要污染物構成

橋面徑流沖刷、淋洗、富集、運移一系列污染物主要包括有機物、顆粒物、油類、營養物質、重金屬等，見表1。

表1 高速公路橋面徑流的主要污染物濃度 mg/L

另外在北方嚴寒地區，冬季降雪后融雪劑的使用，導致大量無機鹽進入水體或路域土壤中，造成河流、湖泊及水庫的水質下降；這些對公路沿線水資源的破壞和污染一旦產生，就很難恢復[3]。

2 治理目標

通常從降雨初期到形成徑流的30 min 內，雨水中的懸浮物和油類物質的濃度比較高；30 min后，其濃度隨著降雨歷時延長下降較快；降雨歷時40～60 min后，路面基本被沖洗干凈，路面徑流污染物的濃度相對穩定在較低水平；因此，治理的目標主要是前30 min內的初期雨水[4～5]。

國家環保部華南環保所曾對路面徑流污染情況進行過試驗，采用人工降雨方法形成路面徑流，兩次人工降雨間隔時間段為20 d，車流和降雨已知，降雨歷時為1 h，降雨強度為81.6 mm，在1 h 內按不同時間采集水樣，最后測定分析路面污染物變化情況，見表2。

表2 不同時間段路面徑流中污染物濃度測定值mg/L

由表2 可以看出，橋面徑流的治理目標為前30 min之內的徑流，后面的雨水基本不需治理，可以直接進入周圍生態溝或邊坡。

3 傳統治理方法

3.1 沉淀池和應急池組合

此種方案是較早期的一種設計，應急池用來處理事故用，沉淀池的基本作用是通過物理沉淀減少SS和部分COD等污染物，主要依賴自然蒸發來減少橋面徑流對周邊生態環境的影響。但此種方法對初期橋面徑流的污染物去除能力非常有限[6]。

3.2 調節池和人工濕地組合

調節池除可以對橋面徑流進行充分的沉淀和混合外，還可以臨時收納意外泄漏的危險品。人工濕地處理系統凈化主要是通過大型水生植物吸收附著在植物和土壤上的微生物，降解橋面徑流中的污染物，具有處理徑流污水和美化環境等作用。但在北方較為干旱地區，這種方式有極大的局限性。我國北方地區冬季氣溫普遍較南方低，導致人工濕地中水生植物不能存活；此外，低溫環境下濾料和土壤板結嚴重，導致水流不通，最終將導致人工濕地處理失效。見圖1。

圖1 北方地區失效的人工濕地

即使是在雨水較為充沛的南方地區，人工濕地也是需要定期翻曬濾料和更新濾料等維護，后期較高的運營成本。

3.3 生態邊溝和生態種植槽等

生態種植槽從上到下依次由表面綠化植物、種植土壤、配置填料和蓄水塊石層構成，自然降雨和路面匯集的徑流進入種植槽內，經過植被控制、植物根系吸收、土壤吸附、填料過濾和微生物降解達到對凈化效果。見圖2。

圖2 生態種植槽剖面

降雨達到一定量后，進入底層的塊石儲水空間進行靜置、存儲，待缺水時儲存的雨水又供給植物生長需要。此方法是一種兼具排水、凈水、蓄水、節水等功效的方法；缺點同樣來自于北方氣候的不適應性和植物吸收效率的不可控性。

4 功能型生態濾床技術

4.1 原理

功能型生態濾床主要填充材料是功能性催化生物載體，而不是傳統的濾料和砂土。系統對污染物的消除是通過濾床內的填充材料，而不是植物。濾床內主要填充材料是專利技術“鐵基質催化活性生物載體”，見圖3。

圖3 鐵基質催化生物載體的生物膜形態

通過鐵基質催化活性生物載體放熱過程，促進濾床內填料的化學、生物耦合作用，將污水中有機物、氮、磷和重金屬懸浮物等污染物徹底去除。初期雨水經過收集漕流入沉淀池，然后翻過隔墻，經布水管從上至下均勻穿過濾床各層填料，在濾池停留3～5 d 后即可滿足排放，經泵提排入排水邊溝。見圖4。

圖4 功能型生態濾床剖面

此載體可以綜合生物膜的生物降解功能和鐵碳(Fe-C)內電解電化學反應功能，是養與異養耦合的污水深度處理技術，廣泛適用于不同的氣候條件。

主要作用機理為：

1）絡合作用，連續釋放的亞鐵離子成為絡合劑；

2）混凝作用，連續釋放的亞鐵離子成為高效的混凝劑；

3）還原作用，產生的新生態氫使一些顯色基團脫色；

4）氧化作用，產生一定量的新生態氧，具備很強氧化性，可氧化部分有機物。

4.2 工藝流程

工藝主要分三部分：橋面徑流經過導流池至初沉池；經過初沉池后至生態濾床；經過生態濾床處理后至達標后排放。見圖5。

1）導流池：主要作用是將需要處理的橋面徑流導流至橋面徑流處理池中，主要為橋下U型槽。

圖5 橋面徑流處理工藝流程

2）初沉池：主要作用是去除可沉物和漂浮物，減輕后續處理設施的負荷，使細小的固體絮凝成較大的顆粒，強化固液分離效果；對膠體物質具有一定的吸附去除作用。一定程度上，初沉池可起到調節池的作用，對水質起到一定程度的均質效果，減緩水質變化對后續生化系統的沖擊。

3）生態濾床：由鐵基質填料、火山巖、透水箅子和布水管組成。鐵基質填料和火山巖的在放熱過程中，促進濾床內填料的化學、生物耦合作用并將污水中有機物、氮、磷和重金屬懸浮物等污染物徹底去除。透水箅和布水管則使得橋面徑流和鐵基質填料和火山巖充分接觸。

5 結論

功能型生態濾床處系統內高效水處理填料催化反應及微生物新陳代謝的作用，去除受污染雨水中的有機物。通過工程實際應用顯示效果良好，該項技術經濟效益和環境效益顯著，主要結論如下：

1）功能型生態濾床處系統運行成本低，不需要人工加藥或更換濾料、翻曬等維護；

2）后期維護方便高效，無需派人值守，除了正常的提升泵放空外，無其他動力設備；

3）載體壽命長，損耗很小，5 a 之內不需要對載體進行補充和更換；

4）占地較小，是人工濕地占地面積的1/2；

5）出水水質符合相關標準中pH、COD、氨氮、總磷、總氮、石油類等物質的排放限值要求。