道路雨水径流多环芳烃污染现状及其降解技术研究进展.pdf
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1、第53卷第2 期2024年2 月(1.上海应用技术大学生态技术与工程学院,上海2 0 1418;2.上海城市路域生态工程技术研究中心,上海2 0 1418)摘要:我国部分道路污染水平与国外污染水平相差较小。但华南、华东区域与华北、华中区域差异明显,其中以上海、深圳、天津等城市污染最为严重,这与城市发展水平、人口数量、气候等相关。目前水体多环芳烃污染降解研究热点可分为生物与非生物技术。最新研究多集中于微生物降解多环芳烃,其中以筛选微生物菌株和微生物刺激研究为主。微生物修复效果与适用性远超植物修复、物理化学修复。但未来研究热点更倾向于微生物联合植物、微生物联合微生物、微生物联合物理材料等方向。通过
2、收集国内外道路多环芳烃污染相关研究数据,梳理了部分城市道路多环芳烃污染负荷、来源、特征及其分布情况,总结了目前水体多环芳烃治理技术与雨水径流治理设施适用性,旨在为今后我国道路多环芳烃污染治理提供参考。关键词:雨水径流;交通道路;多环芳烃;污染水平;修复技术中图分类号:TQ09;TQ209;TQ520.99文献标识码:A文章编号:16 7 1-32 0 6(2 0 2 4)0 2-0 48 9-0 5Research progress of pollution status and degradationtechnology of PAHs in road stormwater runoff应用
3、化工Applied Chemical Industry道路雨水径流多环芳烃污染现状及其降解技术研究进展欧阳鹏武1-2,王玮12,李法云1-2,王康1-2Vol.53 No.2Feb.2024(1.School of Ecological Technology&Engineering,Shanghai Institute of Technology,Shanghai 201418,China;2.Shanghai Engineering Research Center of Urban Road Ecological Technology,Shanghai 201418,China)Abstra
4、ct:The pollution level of some roads in China is little different from that of foreign countries,butthe difference between South and East China and North and central China is obvious,which is related tothe level of urban development,population and climate,among which Shanghai,Shenzhen,Tianjin andoth
5、er cities are the most polluted.At present,the research hotspots of PAHS pollution degradation in watercan be divided into biological and non-biological technologies.Most of the latest researches focus on mi-crobial degradation of PAHs,which mainly focus on screening microbial strains and microbial
6、stimulation.The effect and applicability of microbial remediation are far superior to phytoremediation and physico-chemical remediation.However,the future research focus is more inclined to microbial combined plants,microbial combined microorganisms,microbial combined physical materials and other di
7、rections.By col-lecting related research data of PAHS pollution on roads at home and abroad,the load,sources,character-istics and distribution of PAHS pollution on roads were reviewed,and the applicability of current PAHStreatment technology in water and rainwater runoff treatment facilities was sum
8、marized,aiming at providingreference for future PAHS pollution control on roads in China.Key words:rainwater runoff;traffic road;polycyclic aromatic hydrocarbons;pollution load;repair tech-nique近年来,随着城市化进程的发展,污染物种类及其数量在不断上升。道路表面中污染物的危害不容小视,其中多环芳烃是一种具有致癌、致畸、致突变的“三致”效应的污染物 ,主要来源于煤炭燃烧、石油燃烧、生物质的燃烧以及油类泄露
9、等过程 2 。道路环境中多环芳烃的人为来源可分为交通排放源、工业排放源。其中机动车尾气排放与机动车泄露排放,是道路多环芳烃沉积的主要原因。此外化工行收稿日期:2 0 2 3-0 5-10修改稿日期:2 0 2 3-0 6-30基金项目:上海市青年科技英才扬帆计划(2 1YF1446500)作者简介:欧阳鹏武(1997),男,湖南郴州人,在读硕士,师从李法云教授、王玮副教授。电话:132 57 312 2 7 8,Em a i l:117 58 148 通信作者:王玮(1990),女,山东淄博人,副教授,博士。Ema i l:w a n g w e i s i t.e d u.c n业、燃煤电厂
10、等工业活动所产生的有机废气、油类泄露等,会导致附近道路多环芳烃污染加重。雨水径流中的多环芳烃未经处理直接排放,不仅会对城市生态环境造成破坏,且在生物富集作用下,通过食物链传递,进一步影响人体健康。因此,如何控制城市道路雨水径流中的石油类污染,是建设海绵城市迫在眉睫的要求。为此本文统计近年来国内外道路多环芳烃污染研究的相关文献,开展490相关论述。并基于VOSviewer计量工具,探究国内外水体多环芳烃降解技术研究进展。同时介绍了三种雨水径流措施结构特点和性能,及其适用范围。1城市道路表面多环芳烃污染现状道路沉积物是雨水径流中多环芳烃的主要载体,因此,道路雨水径流多环芳烃污染负荷可以从雨水径流和
11、道路沉积物两个方面进行调查。根据当前的研究结果来看,全球各城市道路都受到了不同程度的多环芳烃污染。目前我国对道路多环芳烃污染的研究比国外要多,研究区域热点侧重于人口密集或环境敏感区域,包括但不限于化工区、主要交通干线、普通居民区、生态保护区等。但也有少部分研究对整个国家或地区进行了整体调查。国内外所报道的各城市道路多环芳烃污染水平存在较大差异,从36 2 50 0 0 0 ng/g不等(表1),这可能与各采样地区土地利用类型、交通量、气候、道路表面粗糙度、雨水径流大小、街道清扫频率程度等相关 3。大部分研究表明,在高速公路、城市主干道、火力发电厂、加油站等区域的多环芳烃污染相对严重。有研究者对
12、德国德累斯顿市主要交通道路(车辆流量 10 0 0 0 辆/d)的沉积物进行了多环芳烃检测。结果显示,多环芳烃污染最大值可达2 7 8 30 ng/g,而低交通量(车辆流量 10 0 0 辆/d)仅为148 0 ng/g。交通量是导致该区域多环芳烃污染差异的主要因素,而瑞典、伊朗等国家,多环芳烃污染水平普遍较低。与国外相比,我国部分城市污染相对较高。郑州市的130 个道路沉积物采样点位的检测结果显示,多环芳烃污染最高值为1156 5ng/g,其平均浓度约18 7 9ng/g。北京市主城区某机动车专用高架桥雨水径流多环芳烃污染均值为1923ng/L,最大污染值为2 0 7 7 ng/L。其他研究
13、者也在上海某高速路段2 个点位采样,高速道路最高污染负荷可达347 90 ng/L,可能由于该道路临近工城市污染浓度范围上海雨水径流北京雨水径流太原雨水径流哥德堡中部(瑞典)雨水径流上海道路沉积物天津道路沉积物深圳道路沉积物32 000 250 000 ng/g香港道路沉积物郑州道路沉积物淮南道路沉积物德累斯顿市(德国)道路沉积物日本全国道路沉积物阿瓦士大都市区(伊朗)道路沉积物应用化工业区以及附近居民使用煤炭类燃料较多,因此沉积了较多的多环芳烃,此外其他研究者也在上海区域进行了采样,污染平均值在40 0 0 ng/L以上,远超北京市。综合来看,我国华南、华东地区污染较华北地区污染更严重。但大
14、部分研究只在几个区域道路进行了检测,无法评估整个城市的污染情况。仅少数研究者对整个城市进行了污染调查,Liu、Ni n g等先后在深圳全市采集了共132 个道路沉积物样品。结果显示,道路沉积物多环芳烃污染最低值为32000ng/g,但最高检测值可达2 50 0 0 0 ng/g,远超目前国内外研究数据,且二者研究结论均表明,深圳道路多环芳烃污染严重是车辆排放以及工业排放所致。与之类似的是,有研究者在天津市采集了87个道路沉积物样品并进行检测,结果显示多环芳烃污染范围在538 3432 0 ng/g之间。天津与深圳道路多环芳烃污染相差较大,这可能与深圳机动车数量、工业活动远多于天津相关。国外目前
15、也有类似研究者对整体区域进行道路沉积物多环芳烃污染风险研究。OZAKI等对日本全国进行了调查采样,其污染最大值为6 32 5ng/g,其均值在48 4ng/g。日本由于化工行业少、人口基数小等缘故,全国道路多环芳烃污染水平相对较低。综合来看,我国部分地区污染水平与国外相较不大,但在我国人口集中、工业发达等城市,道路多环芳烃较为严重。目前国内外学者除了对道路沉积物和雨水径流中多环芳烃的污染状况进行调查外,同时会对多环芳烃污染特征进行分析。虽然各城市污染浓度差异大,但多环芳烃污染特征均有较大的相似度,研究表明,道路多环芳烃单体多集中于NAP、PH E、FLA、Ba A、Ba P、C H R等,而上
16、述多环芳烃单体是机动车排放源、油类泄露源、工业排放源、煤炭燃烧源等的代表性物质 4。且在污染负荷较高地区普遍存在车流量大、工业企业多、人口集中等特点。表1国内外道路多环芳烃污染现状Table 1 PAHs pollution status on roads at home and abroad样品第53卷总样本数污染来源152.4 34 790 ng/L111 085 2 077 ng/L73316.8 6 272 ng/L89200 6 400 ng/L1336 28 700 ng/g72538 34 320 ng/g87132600 24 700 ng/g4649.9 11 565 ng/
17、g130605.5 25 374 ng/g601 480 27 830 ng/g2262 6 325 ng/g32549.3 16 645 ng/g10来源汽车尾气、油类泄露、工业排放5-7汽车尾气、油类泄露、生物质燃烧8-9 汽车尾气、油类泄露、生物质燃烧10汽车尾气、油类泄露、工业排放11汽车尾气、油类泄露、工业排放、生物质燃烧12 汽车尾气、生物质燃烧、工业排放13 汽车尾气、油类泄露、生物质燃烧、工业排放3,14 汽车尾气、油类泄露、生物质燃烧15 汽车尾气、油类泄露、生物质燃烧16 汽车尾气、油类泄露、工业排放、生物质燃烧17汽车尾气、油类泄露、工业排放18 汽车尾气、油类泄露、生物
18、质燃烧、自然源19汽车尾气、油类泄露、工业排放、自然源20第2 期2水体多环芳烃污染净化技术研究热点为探究水体多环芳烃污染修复研究现状,本文基于“Web of Science”数据库,以“water AND PAHsremediation”为检索主题词,检索相关文献共计50 9余篇,手动剔除无关文献后,导出检索结果。利用VOSviewer计量工具,阈值设置为10。根据聚类结果筛选出现频次较高的关键词,关键词主要包括多环芳烃、生物降解、原油、降解细菌、生物强化、植物修复、生物表面活性剂、高级氧化、吸附等。通过关键词共现分析发现,该领域研究方向主要包括生物修复与非生物修复。因此本文以生物修复与非生
19、物修复两个方面进行分析。2.1生物修复生物修复研究方向可分为微生物修复与植物修复。其中微生物修复可分为微生物强化与微生物刺激。微生物强化主要研究内容涉及降解菌富集筛选、高效石油烃降解菌复配、设计合成微生物群落等 2 1。Luo 等 2 2 联合微藻(Selenastrum capri-cornutum)与细菌(Mycobacterium sp.strain A1-PYR)强化水环境中芘的降解。与之类似的是,Marc A等 2 3 在地表水环境中筛选了4种能够降解多环芳烃的微生物,并接种于生物膜反应器(MBBR)中。结果表明,均强化了反应器降解多环芳烃的性能。微生物刺激的原理是通过强化微生物代谢
20、,如增加营养元素、电子受体(O,、NO 3-、Fe 3+等)、温度、pH等 2 42 5 方式。如Yan等 2 6 改良了人工湿地基质(铁改性生物碳),该基质为底层微生物提供了丰富的电子受体,与对照组相比多环芳烃去除率提高了20.4%。植物修复也是目前国内外研究热点,通常以筛选高效吸附多环芳烃的植物为主。He 等 2 7 探究了两种水下水生植物(Vallisneria spiralis和Hydrilla verticillata)对芘的降解性能,分别为85.9%,76.3%。此外还有部分研究者探究了植物联合微生物的效果,如Li等 2 8 进行了多种根际微生物与黑麦草和高羊茅植物联合修复的研究,
21、实验表明,所有添加植物根际微生物的实验组对菲去除率显著增加。2.2非生物修复根据关键词出现频率表明,非生物修复研究相较于生物修复研究要更少。该聚类关键词包括生物碳、吸附、光催化、氧化、活性炭、表面活性剂等。目前非生物修复方向研究热点有包括热解法、物理吸附或增融、光催化降解、高级氧化等。微波热解法是降解石油烃的新型技术。陈维等 2 9 探究了微波热解法时间、含水率对多环芳烃降解的影响,在含水率为10%,修复时间为10 min下,石油烃降解率可达31.9%。Topuz等 30 利用静电纺丝聚己内酯(PCL)膜对水体中的葱和菲进行了物理吸附,吸附量分别高达17 3,56 0 g/g。氧化剂主要包括过
22、欧阳鹏武等:道路雨水径流多环芳烃污染现状及其降解技术研究进展3雨水径流污染管控设施目前国内外主流的雨水径流污染控制技术主要有截污装置、雨水塘、雨水湿地、生物滞蓄设施、植被设施及透水铺装等。但适用于多环芳烃污染的控制技术仅有生物滞留池、植草沟、人工湿地。为了解各控制技术的差异,以下介绍了三种措施的性能及其特点,同时比较不同类型的雨水径流污染治理技术对多环芳烃的降解效果以及各措施优缺点(表2)。3.1生物滞留池生物滞留池具有良好的雨水涵养功能,与人工湿地不同的是生物滞留池具有下渗功能,即大部分雨水经生物滞留池净化后渗人地下土壤中。该设施对常规污染物COD、T SS、T P/T N等均有较好的削减效
23、果。生物滞留池也能有效的去除雨水径流中烃类污染物,对PAHs去除率一般为8 5%以上 3O3.2植草沟植草沟是一种开放式的、兼具景观效果的表沟渠排水系统,主要分为传输型浅沟、干式浅沟和湿式浅沟 36 。目前大部分应用于城市道路周边区域,作为雨水径流污染的处理设施。植草沟对低浓度PAHs的去除效率有91.7 3%37 ,对单个多环芳烃NaP、Ph A、FI A 的降解效果在6 9.0%8 7.5%,33.7%72.9%和90.8%96.8%38 之间。植草沟对低浓度PAHs有着良好的降解效果,但其净化效果易受降雨量以及高污染负荷的影响。3.3人工湿地人工湿地可分为表面流、水平潜流和垂直潜流3种类
24、型,该技术通过湿地基质、植物、微生物的物理、化学、生物等多重协同作用使污水得到净化。基质作为人工湿地最重要的组分,是微生物与植物491氧化叔丁醇、双氧水、金属盐等 31,金元宵等 32 研究了金属盐氧化剂对水体石油烃降解效能,硫酸盐氧化技术在最佳反应条件下对石油烃去除率可达89.7%。但物理吸附材料与氧化材料一般价格较高,只适合较小范围且污染浓度高的区域。而目前更倾向于使用表面活性剂等方式,提高多环芳烃在水环境的分散能力,以加强微生物的降解作用。Dai等 3 探究了阳离子表面活性剂对菲的增溶作用,使得更易被生物利用。此修复技术虽能显著提高多环芳烃降解,但容易产生二次污染物。因此还有研究者探究了
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- 道路 雨水 径流 芳烃 污染 现状 及其 降解 技术研究 进展
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