高速公路服務區徑流污染物排放特性及去除方法研究

關鍵詞：高速公路服務區；徑流污染物排放特性；生物滯留池

中圖分類號：X506 文獻標志碼：B

前言

高速公路服務區是現代交通基礎設施的重要組成部分，為駕駛員和乘客提供了必要的支持和保障，確保在長途旅行中的舒適和安全。作為高速公路的重要組成部分，其環境質量對交通安全和生態保護具有重要影響。然而，高速公路服務區在運營過程中會產生大量的徑流污染物，這些污染物主要來自于服務區的車輛清洗、衛生間沖洗等，對周邊環境和地下水造成潛在威脅。因此，研究高速公路服務區徑流污染物的排放特性及去除方法具有重要意義。

文獻[1]基于收集的數據，建立污水處理站的碳排放模型，模擬不同條件下的碳排放情況。根據模型分析結果，評估不同碳減排策略的可行性，應用于區域徑流污染物的排放特性分析，識別影響區域徑流污染物排放的關鍵因素。文獻[2]以長江經濟帶為主要研究目的地，分析不同功能區的污染物指標。根據分析結果，識別長江經濟帶下墊面降雨徑流污染的主要來源，以及不同功能區的污染濃度差異。利用線性混合模型統計方法，分析污染物降雨徑流平均濃度與經濟發展水平的相關性，建立污染物濃度預測模型，實現污染預測。

綜上所述，開展高速公路服務區徑流污染物排放特性及去除方法的研究具有重要意義，也將為高速公路服務區的可持續發展提供有力支持。

1高速公路服務區徑流污染物排放特性研究

1.1研究區域概況

此次研究選取了位于南方某省的高速公路服務區作為研究區域。該服務區位于高速公路主線兩側，服務區周邊地形復雜，有山地、丘陵和平原等地貌類型。高速公路穿越多個生態敏感區域，如濕地、河流等。該服務區日均車流量約為4000輛次，主要車型為小型客車和貨車。車流量具有一定的季節性變化，節假日和春運期間車流量會增加。該服務區設施較為完善，設有加油站、餐廳、衛生間等服務設施。此外，服務區還配備有污水處理設施和垃圾處理設施。服務區周邊環境較為復雜，與多個村落相鄰，距離最近的人口聚集區約為5公里。周邊有農田、林地和河流等自然環境。

綜上所述，該研究區域具有一定的代表性，能夠為高速公路服務區徑流污染物排放特性及去除方法的研究提供實際案例和數據支持。同時，該區域也面臨著徑流污染物排放的環境問題，亟需采取有效的去除措施。

1.2研究區域采樣

在研究區域通過人工方式實施取樣監測。在排水立管位置，通過等時間間隔法采集路面徑流樣品。采用每日定期灑水的維護方式確保路面的清潔，同時也有助于準確收集路面徑流樣品。具體采樣方法如下：在2022年7月至2022年10月期間，挑選了7場具有代表性的降雨事件，并對徑流實施全程的等時間間隔采樣。具體的采樣間隔如下：在徑流開始后，每隔5分鐘實施一次采樣。每次采集水樣500毫升，并確保每場降雨至少采集10個水樣。將采集的水樣仔細標記和編號，在采樣期間，應用JJFZ-01型數字雨量計來同步觀測降雨的特征，包括降雨量、降雨歷時、降雨強度。每一場降雨結束后，將采集的徑流樣品帶回實驗室實施分析，以確定其水質。

使用清潔的聚乙烯瓶采集水樣，避免使用金屬或塑料管，以防止引入雜質。同時確保水樣具有代表性，避免混入泥沙、懸浮物等雜質。對于各種降雨事件，對其實施降雨類型的劃分，具體劃分結果如下：

（1）特大暴雨：以二十四小時內降雨量超過200mm為劃分依據；

（2）大暴雨：以二十四小時內降雨量在100～200mm范圍內為劃分依據；

（3）暴雨：以二十四小時內降雨量≥50 mm或一小時內降雨量≥16mm為劃分依據；

（4）大雨：以二十四小時內降雨量在25.0～49.9mm范圍內或一小時內降雨量在8.1～15.99mm范圍內為劃分依據；

（5）中雨：以二十四小時內降雨量在10.0～24.9mm范圍內或一小時內降雨量在2.6～8.0 mn范圍內為劃分依據；

（6）小雨：以二十四小時內降雨量小于10mm或一小時內降雨量小于2.5mm為劃分依據。

挑選的具有代表性的7場降雨事件的降雨類型統計結果如下：

小雨：

①事件序號：1，降雨歷時：218 min；降雨日期：2022-07-25：

②事件序號：3，降雨歷時：412 min；降雨日期：2022-08-15。

中雨：

①事件序號：2，降雨歷時：388 min；降雨日期：2022-07-28：

②事件序號：4，降雨歷時：220 min；降雨日期：2022-08-15。

大雨：

事件序號：6，降雨歷時：150 min；降雨日期：2022-09-22。

暴雨：

事件序號：5，降雨歷時：82min；降雨日期：2022-09-12。

大暴雨：

事件序號：7，降雨歷時：62min；降雨日期：2022-10-14。

1.3污染指標與測定方法

在研究中，結合相關研究，將徑流污染物測定類型定為重金屬離子、COD、防銹油、總氮、總磷。

其中，重金屬離子包括Cd、Ni、Cr、Cu、Zn、Pb，重金屬離子測定的流程如下：對采集的水樣實施過濾，以去除懸浮物和顆粒物。根據需要測定的重金屬元素種類和濃度，使用硝酸將樣品稀釋至5%的濃度，以便于ICP-MS的測定。將稀釋后的樣品引入ICP-MS儀器中，實施重金屬元素的測定。在測定過程中，應遵循儀器操作規程，控制好儀器參數，以保證測定結果的準確性和可靠性。

COD的測定流程如下：準備充足的催化劑（硫酸銅）和濃硫酸。對采集的樣品實施預處理，去除雜質并進行過濾，便于后續的消解過程。在處理后的樣品中加入濃硫酸和硫酸銅試劑，確保加入的試劑與樣品充分混合。將加入試劑的樣品放人密閉的消解管中實施消解，保持一定的溫度和壓力，確保樣品能夠完全消解。待樣品消解完成后，將消解管冷卻至室溫，然后打開管蓋，使用分光光度計對消解后的樣品實施測量，測定其COD值。

防銹油的測定流程如下：對采集的水樣實施預處理：采用離心分離法去除其中的懸浮物、泥沙等雜質。在預處理后的水樣中加入適量的石油醚作為有機溶劑實施萃取。萃取過程中使用真空泵以提高萃取效率。使用抽濾機對萃取后的水樣實施分離，使有機相與水相分離。使用烘箱對分離后的有機相實施濃縮，去除多余的溶劑。對濃縮后的有機相實施稱重，測量防銹油的重量。

總氮、總磷的測定流程如下：將預處理后的水樣調節至pH 6.0～8.5，以便于后續的離子交換分離。通過離子交換柱對水樣實施分離，使總氮、總磷與其他離子分開。根據總氮、總磷的性質，選擇的分離柱為陰離子交換柱。通過電導檢測器實施總氮、總磷含量檢測，并設置215nm的檢測波長。

針對每條徑流實施了污染指標的測試，結合降雨的特性，對污染物變化的規律和特點實施了深入分析。

1.4徑流污染物排放特性分析

1.4.1重金屬離子排放特性分析

由于小雨與中雨這四個降雨事件具有降雨歷時較長，強度較低的共同點，因此對這四個降雨事件實施綜合性分析。由于暴雨與大暴雨這兩個降雨事件具有降雨歷時較短，強度較高的共同點，因此對這兩個降雨事件實施綜合性分析。重金屬離子的測試結果見圖1。

根據圖1測試結果可知，重金屬離子在徑流初期迅速達到峰值，不受徑流沖刷作用的影響。在整場徑流過程中，濃度隨著降雨量的增大而減小，并不斷波動。在徑流末期重金屬離子的濃度依然較高。可以看出，降雨過程中，重金屬離子的出流受徑流沖刷作用的影響較小。污染物濃度的變化主要與雨強變化導致的徑流量變化的稀釋作用有關。具體來說，重金屬離子總量與雨量呈正相關關系，與降雨強度則呈負相關關系。

1.4.2 COD排放特性分析

對于各類型降雨，COD的測試結果見圖2。

根據圖2可知，COD濃度在徑流初期達到峰值，隨后迅速下降。在整個徑流過程中，濃度隨著徑流量的變化而波動。降雨強度越大，徑流量越大，污染物濃度越低。簡而言之，COD的濃度變化與徑流量和降雨強度密切相關。

1.4.3防銹油排放特性分析

對于各類型降雨，防銹油的測試結果見圖3。

根據圖3顯示，防銹油濃度在徑流初期達到峰值，隨后緩慢下降，這是由于油類受雨水沖刷的作用相對較小。并且降雨強度越大，防銹油濃度越低。整體來說，防銹油濃度變化與徑流量和降雨強度相關，其中與降雨強度關聯性更強。

1.4.4總氮、總磷排放特性分析

對于各類型降雨，總氮、總磷的測試結果見圖4。

當降雨量增大，徑流量增大時，總氮、總磷的排放量也隨之增加。這是因為更大的徑流量更容易將總氮、總磷沖刷人排水系統中，從而導致排放量的增加。由于多種因素的影響，如不同時間點的車輛流量、降雨強度和地表覆蓋狀況等，總氮、總磷的排放量會呈現一定的波動性。同時總氮、總磷的排放不隨著降雨徑流量的立即增加而增加，而是存在一定的滯后效應。這可能與地表吸收、化學反應速率和排水系統的響應時間有關，以及總氮、總磷在徑流中會與其他污染物相互作用，產生化學反應或轉化，這種相互作用使總氮、總磷在后期濃度變低。

2高速公路服務區徑流污染物去除方法研究

2.1雙層生物滯留池設計

設計兩種雙層生物滯留池，每層的滲透率不同。測試兩種雙層生物滯留池的徑流污染物去除能力。

第一種雙層生物滯留池的填料鋪設狀況如下：

上層填料：

（1）鋪設厚度：400mm；

（2）填料及配比：砂土（70%）+煤渣（10%）+石英砂（20%）。

下層填料：

（1）鋪設厚度：800 mm；

（2）填料及配比：砂土（65%）+粉煤灰（30%）+發酵報紙（5%）。

碎石過渡層：

（1）鋪設厚度：200 mm；

（2）填料及配比：粒徑8～10 mm碎石。

卵石承托層：

（1）鋪設厚度：150 mm；

（2）填料及配比：粒徑10～20卵石。

第二種雙層生物滯留池的填料鋪設狀況如下：

上層填料：

（1）鋪設厚度：400 mm；

（2）填料及配比：砂土（60%）+煤渣（20%）+石英砂（20%）；

下層填料：

（1）鋪設厚度：800mm；

（2）填料及配比：砂土（65%）+鋁污泥（30%）+發酵報紙（5%）。

碎石過渡層：

（1）鋪設厚度：200 mm；

（2）填料及配比：粒徑8～10 mm碎石。

卵石承托層：

（1）鋪設厚度：150mm；

（2）填料及配比：粒徑10～20卵石。

其中卵石承托層位于最底層，接著鋪設下層，將碎石過渡層作為下層與上層的過渡層，最后鋪設上層。為了促使微生物系統快速形成并發揮穩定的去除效果，采用周圍地區的混合雨水來澆灌雙層生物滯留池，共持續一個半月。在接種微生物期間，按照布水與落千周期比為1：3的比例實施操作，確保每個周期內系統的滲透率和含氧率得到恢復。

2.2徑流污染物去除效果比較

兩種雙層生物滯留池對于重金屬離子、COD、防銹油、總氮、總磷的去除效果見表1。

兩種雙層生物滯留池對于幾種徑流污染物的去除效果均較好，然而對比可見第二種雙層生物滯留池對于重金屬離子、COD、防銹油、總氮、總磷的去除效果更好，特別是對總氮、總磷的去除效果明顯更佳。

3結束語

在高速公路服務區的運營過程中，徑流污染物的排放是一個不可忽視的環境問題。此研究通過實地測定，深入分析了服務區徑流污染物的主要成分與排放規律，并探究了影響因素，提出并驗證了針對性的徑流污染物去除方法。實驗結果表明，重金屬離子在徑流初期迅速達到峰值，在徑流過程中，濃度隨著降雨量的增大而減小。COD濃度在徑流初期達到峰值，隨后迅速下降。防銹油濃度在徑流初期達到峰值，隨后緩慢下降。當降雨量增大，徑流量增大時，總氮、總磷的排放量也隨之增加。第二種雙層生物滯留池對于徑流污染物的去除效果更好。通過此研究期望能夠實現高速公路服務區徑流污染物的有效控制，降低對環境和生態的負面影響。