張澤乾，賈 佳

（1.山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司，山西 太原 030012；2.太原核清環(huán)境工程設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

近年來，隨著我國高速公路的飛速發(fā)展，穿越敏感水體的高速公路也越來越多。并不完善、合理的橋面徑流處理設(shè)施使得相應(yīng)路段在降水、?；沸孤r(shí)，無法得到及時(shí)、有效處理，含有重金屬、碳?xì)浠衔锖腿剂咸砑觿┑臉蛎鎻搅髋湃胫苓吅恿鞯让舾兴w之中，導(dǎo)致河流水質(zhì)惡臭、水生生態(tài)破壞。因此，對(duì)高速公路橋面徑流處理策略的研究對(duì)于維系周邊生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有十分重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)橋面徑流水質(zhì)成分、污染物特性及污染物生態(tài)環(huán)境效應(yīng)、收集系統(tǒng)等方面進(jìn)行了廣泛探討，并取得了較為豐碩的成果[1-3]。然而針對(duì)如何快速區(qū)分橋面徑流水質(zhì)，并對(duì)橋面徑流進(jìn)行及時(shí)有效處理的研究尚不充分，本文擬對(duì)橋面徑流水質(zhì)水量特性及處理現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)、分析，提出橋面徑流處理的設(shè)計(jì)方案。

1 橋面徑流的水質(zhì)特性

橋面徑流污染主要是指在降水過程中，有機(jī)物、顆粒物、油類、營養(yǎng)物質(zhì)等路面污染物由于沖刷、淋洗等作用，對(duì)周圍地表敏感水體所造成的面源污染，它具有如下特點(diǎn)：

a）水質(zhì)成分較為復(fù)雜。Furumai H研究發(fā)現(xiàn)[4]，橋面徑流主要由SS、重金屬、氮、磷等無機(jī)物組成，各污染物來源見表1。

表1 橋面徑流污染物成分及其主要來源

b）對(duì)我國部分高速公路橋面徑流各污染物濃度進(jìn)行整理分析，樣本平均值與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）Ⅲ類水質(zhì)對(duì)比見表2[5-8]。由表2可知，主要橋面徑流污染物大部分均超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值，超標(biāo)污染物主要以SS、COD為主，BOD、NH4+-N等污染物次之。其中，SS平均濃度達(dá)到370.37 mg/L，超過《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）一級(jí) B標(biāo)準(zhǔn) 18.5倍，單位水體下污染物負(fù)荷占比達(dá)到66.7%；COD平均濃度達(dá)到151.63 mg/L，超過地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)7.58倍，單位水體下污染物負(fù)荷占比達(dá)到27.3%。簡麗[9]通過對(duì)新疆伊犁河大橋橋面徑流研究發(fā)現(xiàn)，沉淀出水的SS所攜帶的結(jié)合態(tài)Zn、Cu、Pb等，對(duì)敏感水體構(gòu)成了不可忽視的污染。而上清液中顆粒結(jié)合態(tài)的COD占到徑流的30%～70%，橋面徑流COD主要以非溶解性污染為主，這一點(diǎn)同趙劍強(qiáng)等[10]研究一致。因此，對(duì)于由于降水而產(chǎn)生的橋面徑流需考慮COD，尤其是顆粒物的處理處置。

此外，在危化品車輛泄漏條件下，還存在相應(yīng)?；穼?duì)敏感水體的污染風(fēng)險(xiǎn)，該部分因突發(fā)事故而產(chǎn)生的污染具有時(shí)間上的突發(fā)性及污染成分的不確定性。

表2 橋面徑流主要污染物濃度及排放指標(biāo)對(duì)比表 mg/L

c）橋面徑流具有污染物濃度變化大、降水初期效應(yīng)強(qiáng)、濃度變化范圍大等特征。此外，受公路所處自然環(huán)境特征、降雨強(qiáng)度、橋面集雨面積、路面溫度等多方面因素影響，導(dǎo)致不同地區(qū)、不同路面及不同時(shí)間的同一橋面徑流污染物濃度及種類變化較大。

d）基于微生物吸附、代謝的傳統(tǒng)生物處理工藝無法滿足處理要求。

（a）橋面徑流所產(chǎn)生的污水只有在降水及?；奋囕v罐體泄漏情況下才會(huì)隨之產(chǎn)生，且會(huì)受路面溫度、透水性的影響使水質(zhì)水量均具有突發(fā)性及不確定性，無法同城市污水廠一樣有持續(xù)的水量來源。

（b）由表2可知，若橋面徑流僅由降水產(chǎn)生，BOD/COD值僅為0.19，遠(yuǎn)小于B/C為0.45的生化處理最佳條件；若橋面徑流由?；沸孤┊a(chǎn)生，則?；繁旧硭鶖y帶的有毒有害物質(zhì)同樣會(huì)使得水處理系統(tǒng)內(nèi)微生物死亡、污泥裂解。以上兩種情況，不僅會(huì)對(duì)水處理系統(tǒng)造成不可逆的破壞，而且由于微生物死亡、裂解而釋放的氨氮、有機(jī)物會(huì)進(jìn)入受納水體，加劇水體污染。

（c）跨敏感水體橋面徑流通常遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)，監(jiān)管難度較大，傳統(tǒng)生物水處理系統(tǒng)設(shè)備眾多、流程復(fù)雜，不易運(yùn)行維護(hù)。

2 現(xiàn)有橋面徑流收集處理方式及分析

通過對(duì)部分橋面徑流處理處置方式進(jìn)行調(diào)查總結(jié)[5,11-12]，對(duì)部分典型跨敏感水體高速公路橋面徑流收集系統(tǒng)進(jìn)行整理，如表3所示。

表3 部分跨敏感水體橋面徑流收集系統(tǒng)一覽表

由上可見，現(xiàn)有跨敏感水體高速公路橋面徑流收集處理方式主要以事故收集池為主，還有部分采用氧化塘、人工濕地、生態(tài)濾池的處理方式，該種方式造價(jià)相對(duì)較低，但有以下不足：

a）現(xiàn)有設(shè)施無遠(yuǎn)程預(yù)警功能，無法對(duì)橋面徑流處理設(shè)施進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并對(duì)動(dòng)態(tài)變化做出及時(shí)有效的識(shí)別及響應(yīng)。

b）現(xiàn)有設(shè)施無法對(duì)已存徑流及時(shí)處理。收集池僅采用蒸發(fā)方式對(duì)所收集橋面徑流進(jìn)行處理，在雨季或?；沸孤r(shí)，可能會(huì)因?yàn)榍捌谑占爻貪M，而造成新增橋面徑流溢流出池體，處理設(shè)施應(yīng)急儲(chǔ)存功能失效。

c）未對(duì)雨水進(jìn)行有效處理，對(duì)橋面徑流因雨水“沖淋效應(yīng)”而攜帶的含顆粒物、COD、石油類等污染物質(zhì)未設(shè)置有效處理設(shè)施，相應(yīng)污染物質(zhì)易外溢而造成生態(tài)環(huán)境污染。

d）對(duì)突發(fā)事故而隨之產(chǎn)生的危化品泄漏缺乏有效的處理處置設(shè)施，無法對(duì)危化品徑流及時(shí)處理處置。

e）對(duì)于山西等部分冬季寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)，冬季植物處于休眠狀態(tài)，水易結(jié)冰，土地易凍脹，以人工濕地或土地凈化為處理工藝的處理設(shè)施，其處理效能會(huì)減弱甚至喪失。此外，若遇到?；沸孤r(shí)，相應(yīng)事故徑流也會(huì)對(duì)該類處理單元構(gòu)成不可逆破壞。

綜上，現(xiàn)有橋面徑流處理設(shè)施存在著未充分考慮受納池體徑流處置，處理工藝對(duì)當(dāng)?shù)貧夂驐l件適應(yīng)性不足，未對(duì)徑流進(jìn)行“分類甄別及對(duì)應(yīng)施策”等問題，這些問題對(duì)于及時(shí)有效處理橋面徑流，防止橋面徑流尤其是涉及危化品徑流的應(yīng)急處理提出了更高要求。

3 橋面徑流處理設(shè)施設(shè)計(jì)

3.1 處理處置設(shè)施工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)上述跨敏感流域橋面徑流水質(zhì)特點(diǎn)及現(xiàn)有設(shè)施存在缺陷，防止處理設(shè)施在冬季及?；沸孤r(shí)造成不可逆失效，橋面徑流宜采用物化工藝進(jìn)行處理。由于雨水徑流及?；窂搅魉廴疚镔|(zhì)不同，應(yīng)對(duì)橋面雨水徑流及?；窂搅骷皶r(shí)甄別、分別處理處置；同時(shí)，應(yīng)確保所選工藝操作簡單、日常管理方便、自動(dòng)化程度高。因此，本研究提出如下工藝，流程圖如圖1所示。

圖1 橋面徑流處理系統(tǒng)工藝流程圖

3.1.1 預(yù)處理工藝的設(shè)計(jì)

在泄水口處采用10 mm孔徑格柵，以防止雜物堵塞泄水管道。

在綜合處理池前設(shè)置調(diào)節(jié)隔油池，一方面可通過調(diào)節(jié)隔油池液位信號(hào)的變化，向監(jiān)控人員報(bào)警，對(duì)橋面徑流進(jìn)行甄別，及時(shí)采取相應(yīng)措施；另一方面，對(duì)因降水所攜帶油類物質(zhì)的橋面徑流進(jìn)行處理處置。綜合考慮含油量、使用頻率、維修成本等因素，隔油設(shè)施宜采用兩格隔油池，不宜設(shè)置氣浮設(shè)施。

3.1.2 主體處理設(shè)施的設(shè)計(jì)

綜合處理池由應(yīng)急事故池、沉淀池、中間池及介質(zhì)過濾系統(tǒng)構(gòu)成。

應(yīng)急事故池以受納雨水徑流及事故徑流為目的，設(shè)藥劑投加口，內(nèi)設(shè)攪拌器，用以對(duì)?；窂搅鬟M(jìn)行化學(xué)消解，其體積應(yīng)符合最大降雨強(qiáng)度下所能受納的徑流量。此外，通過采用沉淀及過濾系統(tǒng)，可有效降低徑流中污染物質(zhì)濃度[10]，也可對(duì)藥劑投加所產(chǎn)生懸浮、有害物質(zhì)進(jìn)行去除。因此，在應(yīng)急事故池后采用沉淀池+中間池+介質(zhì)過濾器工藝共同構(gòu)成對(duì)橋面徑流的處理系統(tǒng)。

3.1.3 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由視頻監(jiān)控系統(tǒng)、液位信號(hào)采集系統(tǒng)及預(yù)警系統(tǒng)組成，用以控制綜合處理池內(nèi)潛水泵、攪拌器的啟動(dòng)，以滿足非?；窂搅骷皶r(shí)處理并排空、?；窂搅髂軌蚣皶r(shí)發(fā)現(xiàn)、貯存處置的要求。采用液位信號(hào)傳輸系統(tǒng)對(duì)綜合處理池內(nèi)液位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在大橋及主體處理設(shè)施處設(shè)立攝像頭，對(duì)橋面徑流及設(shè)施情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)控。上述所有信息傳輸及控制線路均接入智能控制柜，并可與手機(jī)客戶端連接，實(shí)現(xiàn)處理設(shè)施變動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)控及實(shí)時(shí)預(yù)警。

3.2 池體容積設(shè)計(jì)

圖2 橋面徑流處理設(shè)施示意圖

根據(jù)上述工藝流程，橋面徑流處理系統(tǒng)由泄水管道格柵、調(diào)節(jié)隔油池、綜合處理池及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成，示意圖如圖2所示。

3.2.1 管道格柵

管道格柵應(yīng)采用10 mm孔徑格柵，位于跨敏感水體橋面泄水口處，并定期巡查，對(duì)泄水口所隔離雜物進(jìn)行清理。

3.2.2 調(diào)節(jié)隔油池

調(diào)節(jié)隔油池考慮設(shè)計(jì)流量2 h水力停留時(shí)間計(jì)算，設(shè)計(jì)體積見式（1）：

式中：Q為設(shè)計(jì)流量，L/s，其可按照式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中：ψ為徑流系數(shù)，瀝青混凝土路面取0.95；q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/（s·hm2）；F為匯水面積，hm2。

3.2.3 應(yīng)急處理池

應(yīng)急處理池容積計(jì)算考慮常見運(yùn)輸液態(tài)?；奋囕v容積，由于國內(nèi)常見?；愤\(yùn)輸車輛所攜帶罐體在30 m3以下[13]，因此本研究以兩輛車、容積60 m3考慮，所需綜合處理池容積見式（3）：

式中：Q1為降雨徑流量，具體公式參考當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算；t為管渠內(nèi)流行時(shí)間，為60/Q2，其中，Q2為管道泄水流量，為管道平均流速與過水?dāng)嗝婷娣e的乘積。

3.2.4 沉淀池、潛水泵及多介質(zhì)過濾器

沉淀池及各池所選潛水泵處理水量及選用根據(jù)式（1）計(jì)算，具體設(shè)計(jì)為當(dāng)?shù)刈畲蟊┯陱?qiáng)度，并預(yù)留相應(yīng)處理容量；多介質(zhì)過濾設(shè)計(jì)根據(jù)中間池所設(shè)泵型號(hào)的最大流量計(jì)算。

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行邏輯設(shè)計(jì)

如前所述，降水及危化品事故是引發(fā)橋面徑流的兩種主要方式，但兩者所引發(fā)的污染事故卻有顯著差異。因此如何及時(shí)甄別橋面徑流成分，從而快速采用相應(yīng)措施，是該系統(tǒng)如何運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本研究提出如下運(yùn)行策略，運(yùn)行邏輯如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)運(yùn)行邏輯圖

當(dāng)調(diào)節(jié)隔油池液位到達(dá)高液位時(shí)，液位信號(hào)采集系統(tǒng)通過預(yù)警系統(tǒng)將信號(hào)反饋給值班人員，值班人員通過設(shè)在大橋及處理設(shè)施的視頻監(jiān)控系統(tǒng)判斷徑流類型并作出相應(yīng)決策。當(dāng)降水橋面徑流時(shí)，值班人員可開啟自動(dòng)運(yùn)行模式，處理設(shè)施通過沉淀過濾，去除降水所含石油類、重金屬、SS等污染物質(zhì)，以滿足相應(yīng)水體排放標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)保證徑流結(jié)束后，設(shè)施內(nèi)各池體處于低液位。當(dāng)危化品徑流時(shí)，遠(yuǎn)程監(jiān)控人員通知相應(yīng)應(yīng)急人員，應(yīng)急人員緊急抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)并將?；芬后w對(duì)應(yīng)藥劑投加在應(yīng)急事故池中。在將?；窂搅鬟M(jìn)行初步物化消解處理后，將?；窂搅鬟\(yùn)輸?shù)街付ㄌ幚淼攸c(diǎn)進(jìn)行無害化處理，確保危化品徑流不流入敏感水體。

3.4 運(yùn)行管理措施

橋面徑流處理系統(tǒng)建設(shè)完成后，為保證處理系統(tǒng)能夠有效發(fā)揮作用，后期的運(yùn)行管理需注意以下幾點(diǎn)：

a）各高速公路段負(fù)責(zé)單位應(yīng)安排橋面徑流處理系統(tǒng)技術(shù)人員對(duì)相應(yīng)環(huán)節(jié)進(jìn)行巡視。

b）定期檢查排水管路、泄水口格柵、處理設(shè)施池體及池體內(nèi)的攪拌器、水泵等設(shè)備有無損壞、堵塞。

c）定期對(duì)沉淀池內(nèi)斜管填料、介質(zhì)過濾器內(nèi)介質(zhì)濾料進(jìn)行清洗、更換。

d）對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)、液位信號(hào)采集系統(tǒng)、預(yù)警系統(tǒng)及控制柜進(jìn)行檢修，確保物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)各元件可正常使用。

e）在每次徑流結(jié)束時(shí)，確保各池水位處于低位狀態(tài)，并定期對(duì)池內(nèi)污泥、油類等進(jìn)行清運(yùn)。

f）對(duì)各水體敏感段橋梁所經(jīng)?；奋囕v種類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，各路段因地制宜制定不同危化品泄漏應(yīng)急預(yù)案，儲(chǔ)備相應(yīng)配套化學(xué)藥劑，并定期補(bǔ)充更換，保證橋面徑流能夠得到有效、及時(shí)處理處置，確保敏感水體不受污染。

4 結(jié)論

本文針對(duì)跨敏感水體橋面徑流對(duì)周邊環(huán)境污染所帶來的諸多環(huán)境安全問題，對(duì)跨敏感水體橋面徑流特征及處理方式進(jìn)行了總結(jié)、分析、研究，主要得到如下結(jié)論：

a）高速公路跨敏感水體橋面徑流具有開放性、突發(fā)性及不確定性等特點(diǎn)，不宜采用傳統(tǒng)生物處理方式；橋面徑流處理設(shè)施應(yīng)具有雨水徑流同?；窂搅骷皶r(shí)甄別、分別處置、操作簡單、日常管理方便、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。

b）提出基于物聯(lián)網(wǎng)的調(diào)節(jié)隔油池+綜合處理池跨敏感水體橋面徑流處理系統(tǒng)。通過物聯(lián)網(wǎng)對(duì)處理設(shè)施信號(hào)的及時(shí)反饋及預(yù)警，及時(shí)甄別橋面徑流類型，從而緊急啟動(dòng)相應(yīng)應(yīng)急措施，以保護(hù)敏感水體水質(zhì)。

c）為保證跨敏感水體橋面徑流處理系統(tǒng)能夠充分有效發(fā)揮作用，應(yīng)對(duì)跨敏感水體橋面徑流處理設(shè)備進(jìn)行定期檢修維護(hù)，并結(jié)合該路段?；奋囕v種類特點(diǎn)，因地制宜對(duì)有可能發(fā)生的危化品泄漏液體儲(chǔ)備相應(yīng)應(yīng)急化學(xué)處理藥劑。