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高速公路通道集水净化渗透系统及其水质分析 秦仁杰 张宝静 刘朝晖 长沙理工大学交通运输工程学院, 长沙 410076 摘要 结合河北省大广高速公路衡大段实体工程, 针对路表径流污染物的种类及处理机理, 提出了通道集水净化渗透 系统的好氧兼氧消化-沉淀-人工材料吸附-土壤渗滤一元化的复合工艺, 该工艺主要采用蛭石作为过滤材料, 将路 表径流的污染物控制在饮用水水质标准范围内, 不仅有效地解决了通道积水问题, 还使得地下水得到补充。 关键词 通道集水净化渗透系统; 雨水渗入; 补充地下水; 蛭石过滤; 效果分析 PASSAGE COLLECTING POOL PURIFYING FILTRATION SYSTEM OF FREEWAY AND ANALYSIS OF ITS WATER QUALITY Qin Renjie Zhang Baojing Liu Zhaohui College of Traffic and Transport Engineering, Changsha University of Science and Engineering, Changsha 410076, China Abstract According to the project of Hengda Section belonging to Daguang Freeway Bureau in Hebei Province, aiming at the type and the processing mechanism of the pollutants in the flowing water on the pavement, it is put forward a composite process for passage collecting pool purifying filtration system, whichincludes aerobic digestion -precipitation -adsorption of artificialmaterials -soil filtration. The processmainly uses vermiculite as a filter material, and the pollutants of the flowing water on the pavement are controlled in drinking water quality standards, which not only solves the problem of catchment of passage effectively, but also makes groundwater be added. Keywords passage collecting pool purifying filtration system;rainwater infiltration; add groundwater; vermiculite filter; analysis of effect 0 引言 目前, 在我国平原地区所建的高速公路中, 由于 预留通道太多, 在雨季通道内积水很难排出去 。在已 建的京石高速上 ,虽然采用了渗井及蒸发池排水设计 方案使路堤高度降了下来 ,但通道排水及路面雨水过 滤效果不甚理想。本文结合河北省大广高速公路衡 大段实体工程, 针对华北平原地区高速公路采用低路 堤时所面临的下穿式被交道路与通道排水问题,根据 华北平原地区的气候 、 地质、 水文地质等特点 ,利用该 地区地下水埋深约 20 ～ 30 m、地层存在较厚的砂性 土层、年平均降水量543 mm , 全年降水量集中在 69 月、 饮用水埋深约为200 m的特征, 提出了通道集水净 化渗透系统的排水设计方案。 1 国内外路表径流研究概况 对于路表径流的处理 ,在欧、 美 、 日等国已有较多 的成功应用实例 ,主要是使用污水土地处理法 ,该方 法是一种人工强化的污水生态工程处理技术 ,将污水 有控制地投放到土壤中并通过土壤的物理过滤 、吸 附、 生物降解和化学反应等过程使污水得以净化, 它 具有净化效果好、运行经济、操作简便等优点。但是 我国绝大多数的已建成和在建的高速公路,对于路表 径流都没有采取有效的治污措施,而是任由路表径流 通过排水设施进入受纳水体或者任其自由下渗 [ 1- 2] 。 1. 1 路表径流主要污染物 暴雨情况下路表径流包含多种污染物,这些污染 物可分为下面几类 悬浮固体 、 好氧物质、重金属、富 营养化物质 、 细菌和病毒 、油脂类物质 、 酸类物质等。 交通对于城市或邻近公路地区污染物的沉积率影响 很大 ,污染物来源于车辆排气 、 车辆部件磨损 、 路面磨 损、 运输物洒落及大气降尘,主要成分为固体物质 、 有 机物 、 重金属和无机盐等 。路面的污染物还与城市的 工业种类以及附近地区的地质条件有关 [ 3-4] 。 29 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 1. 2 路面径流主要处理措施 国内外针对路面径流中的污染物, 在渗入土壤前 采取的一些有效的污染控制措施主要有植被控制 、 滞 留池 、 渗滤系统 、 湿地等 [ 5] 。 1. 3 雨水回灌水质标准及措施 雨水径流具有一定的污染性。在降雨过程中 ,雨 水淋洗空气 、 冲刷降落表面 ,使得雨水中的污染物质 较为复杂 。不仅含有各种阴阳离子 ,还含有少量的重 金属和有机化合物等 。为防止地下水污染,提供清洁 水链, 地下水回灌水质必须满足微生物指标 、 总无机 物量 、 重金属、 难降解有机物等指标要求 [ 6-7] 。 美国制定的地下水回灌指标较为严格和科学 ,得 到广泛认可。美国回灌水的水质标准如表 1所示。 表 1 美国回灌水的水质标准 ρ CODMn mgL-1 ρ TOC mgL- 1 ρ 硝酸盐 mgL- 1 ρ 总氮 mgL - 1 大肠杆菌 个mL- 1 5 . 0 3. 045100 . 022 对利用回灌井直接回灌地下储水层的方式,回灌 中水的水质在生物和化学特性方面要相当于或不劣 于现有的地下水水质 ,混合后的地下水质应接近饮用 水标准 GB5749-1985生活饮用水卫生标准 ; 对于流 域水体漫流下渗方式 ,回灌水质应有地表水Ⅲ类标准 GB3838 -2002地表水环境质量标准 。污水处理厂 处理后的二级出水, 经过进一步处理即可到达地表水 饮用水质标准 GB3838 -2002 中 Ⅱ类水质标准 , 符合 国家标准化管理委员会对于回灌地下水源的水质标 准,可以作为回灌地下的水源 。 2 通道集水净化渗透系统设计方案 根据华北平原地区高速公路下穿式被交道实体 工程情况 ,拟定下穿式被交道路排水设计方案如下 方案一 集水井 横向排水管 渗透池 该种方案适合于整条线路大多数渗透池 排除方 案二中地下水位较浅的情况 , 设计时将渗透池底部 放在地下水位之上 最好是放在砂性土中 ,渗透池主 要起储水和渗水作用 ,渗透池所用材料可选为钢筋混 凝土或波纹管。根据现场的调查情况, 如沉淀井的作 用不大 ,建议可以取消 , 将汇集到边沟底部集水井中 的水流,通过横向排水管直接汇集到渗透池中 。在横 向排水管的入口处利用铁丝网进行初步过滤 双层铁 丝网进行过滤 ,防止过多漂浮物进入渗透池 ,渗透池 底部采用过滤材料进行过滤。方案设计如图 1 所示 。 图 1 排水方案一示意 方案二 集水井 横向排水管封底的沉淀池 小渗井 该种方案主要是针对 3 个标段地下水位较浅 ,汇 水量又比较大 在这种情况下, 设计出的渗透池深度 较浅 ,半径较大 ,不太合理 的情况设计的 。沉淀池结 构材料仍采用钢筋混凝土或波纹管 ,沉淀池下沉到设 计标高后, 要进行封底处理。在横向排水管的入口处 利用铁丝网进行初步过滤 双层铁丝网进行过滤 ,防 止过多漂浮物进入沉淀池。小渗井采用内径 直径 为10 cm的钢管,置于沉淀池底部, 外露1 m, 外露部分 在井壁上布孔, 孔隙率不小于 30,然后用过滤材料 如土工布或孔径不超过0. 5 mm 0. 5 mm的钢丝网 包覆 包括小渗井顶部 , 最后用蛭石 2 m 2 m 1. 5 m 隔栅包覆。小渗井隔水层以下部分井壁上布 孔,孔隙率不小于 30, 外层用砂网过滤, 砂网孔隙 直径为1 mm 100 目 。方案设计如图 2 所示 。 图 2 排水方案二示意 方案三 集水井 横向排水管 不封底的渗透 池小渗井 该种方案主要是针对 3 个标段地下水位较深 ,汇 水量又比较大 主要是针对主线下穿的位置 ,在这种 情况下,设计出的渗透池深度较深, 半径较大 ,个数较 多,不太合理 的情况设计的。渗透池结构材料仍采 30 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 用钢筋混凝土或波纹管, 渗透池下沉到设计标高后, 不需要进行封底处理 , 在渗透池底部填上0. 5 m厚的 蛭石隔栅 。在横向排水管的入口处利用铁丝网进行 初步过滤 双层铁丝网进行过滤 , 防止过多漂浮物进 入渗透池 ,在渗透池底部铺 2层蛭石隔栅 1 m ,隔栅 内部填满蛭石, 小渗井采用内径 直径 为10 cm的钢 管,置于渗透池底部, 外露1 m, 外露部分在井壁上布 孔,孔隙率不小于 30, 然后用过滤材料 如土工布 或孔径不超过0. 5 mm 0. 5 mm的钢丝网 包覆 包括 小渗井顶部 , 最后用2 m 2 m 1 m的蛭石隔栅包 覆。小渗井隔水层以下部分井壁上布孔 ,孔隙率不小 于30,外层用砂网过滤 ,砂网孔隙直径为1 mm 100 目 。方案设计如图 3 所示 。 图 3 排水方案三示意 3 通道雨水净化渗透系统可行性分析 通道集水净化排水系统对路表径流的处置采用 的是好氧兼氧消化-沉淀 -人工材料吸附 -土壤渗 滤一元化的复合工艺 。这类复合工艺的特点是在保 留土壤天然净化功能的基础上 ,将人工净化和土体净 化巧妙地揉和在一起 。复合工艺中不同的工艺形式 之间互补不足, 从而提高了净化效率。 对已有的京石高速公路上的渗井进行了水质检 测,取水样时间为 2007 年 8 月 29 日 2007 年 8 月 28 日晚下雨 , 表 2 为渗井水质与 CJ3020-1993生活饮 用水水源水质标准 Ⅰ类标准 、 GB3838-2002 Ⅲ类标准 国家规定地表水回灌标准 、 GB T19772-2005城市 污水再生利用地下水回灌水质标准的比较结果。从 比较结果可以看出, 除K246 号渗井中氨氮 、 高锰酸盐 指数指标超标外 ,其它水质指标都可以满足 CJ3020- 1993 一级的要求 ; K246 号渗井中除氨氮、亚硝酸盐 氮、 总氮外 ,其余指标均达到了 GB T19772- 2005 地表 回灌 标准; K249 号渗井 所有 指标 均达到 了 GB T19772-2005 地表回灌标准 。 表 2 渗井水质与水质标准对比结果mg L 取样地点 K246 渗井 K249 渗井 CJ3020 - 1993 GB3838 - 2002 GB T19772 -2005 种类地表水地表水Ⅰ类标准Ⅲ类标准地表回灌井灌 pH 值87 . 76 . 5～ 8. 56～ 96. 5～ 8. 5 6. 5 ～ 8. 5 总硬度76226350450450 氯化物11. 717. 9250250250 硫酸盐DL54. 1250250250 溶解性总固体1082341 0001 0001 000 氨氮1. 05DL0. 51. 01. 00. 2 亚硝酸盐氮0 . 1DL0. 020. 02 硝酸盐氮0. 814. 64101515 高锰酸盐指数9 . 41 . 336 溶解性铁DLDL0. 30. 30. 3 氟化物0. 750. 9811. 01. 01. 0 总氰化物DL0. 0060. 050. 20. 050. 05 挥发酚DLDL0. 0020 . 0050. 50. 002 六价铬DLDL0. 050. 050. 050. 05 总砷0. 0010. 00120. 050. 050. 050. 05 总汞DLDL0. 0010. 00010 . 0010. 001 总铅0. 020. 020. 050. 050. 050. 05 总镉0. 0020. 0020. 010 . 0050. 010. 01 总铜0. 0020. 0451. 01. 01. 01. 0 总磷0. 290 . 70. 21. 01. 0 溶解氧4 . 53 . 85 BOD5 5 . 97 . 94104 悬浮物1460 非离子氨0. 060. 11 总氮6. 125 . 81. 0 大肠菌群10 0001 0003 总锌1. 01. 01. 0 渗透 沉淀 池底部采用天然蛭石层作过滤材料 进行过滤, 天然蛭石对氨氮具有很强的选择性离子交 换能力 ,对氨氮的去除率达到 73,对重金属离子具 有很强的吸附能力, 并且能够有效的去除水中的有机 物质, 实 验表 明, 蛭 石对 COD 的 去 除率 可达 到 86. 7。在室温条件下 , 蛭石对萘胺、萘酚的去除率 可达 90以上, 对苯胺、苯酚的去除率在 80左右。 通过人工材料吸附, 能够有效滞留路表径流雨水中的 颗粒状污染物 , 去除石油及石油萃取物 、重金属 离子 [ 8-10] 。 过滤后的水通过渗透进入土体 ,99 的重金属通 31 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 过吸附、 沉淀、 离子交换和络合作用被截留在土壤中, 路表径流中的酚 、石油类物质经过2 m的土壤渗透吸 附,基本上可以完全净化 ; 40 cm厚的土壤层即可截留 渗入水中近 90的细菌, 也能够去除雨水中 65～ 95的各种污染物质 包括 COD、 SS 等 。 通过一系列的处置措施, 完全能够保证渗透水的 水质达到GB T19772- 2005 中的地表回灌标准。 4 结论 1试验分析验证表明, 采用通道集水净化渗透 系统后,可以将路表径流中的污染物控制在最低指标 范围内 ,不对地下水质产生影响, 该方案比现有京石 高速公路渗井方案更具优越性 ,可以很好得应用于华 北平原地区,不仅有效地解决高速公路下穿式被交道 路排水,还可使路表雨水回灌地下水。 2同时该方案可有效降低高速公路路基高度, 由此可带来公路用地减少、土石方数量减少 、 借方减 少、 土壤资源的节约 、 边坡防护工程量减少、 交通防护 设施减少等 ,充分体现了“资源节约、环境友好”公路 建设理念 。 参考文献 [ 1] 赵剑强, 闫敏, 刘珊, 等. 城市路面径流污染的调查[ J] . 中国给 水排水, 2001, 17 1 33-35. 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