祁婺高速公路桥面径流处理滤料材料分析.pdf
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1、 doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2023.04.027 祁婺高速公路桥面径流处理滤料材料分析 刘 安 1,2,苗 乾3,闵红文2,张 帆3(1.江西交通投资集团有限责任公司,江西 南昌 330025;2.江西交通咨询有限公司,江西 南昌 330108;3.中交公路规划设计院有限公司,北京 100088)摘要:公路桥面径流载体基质材料的选择至关重要。试制碳基铁合金催化载体对水体中的常见污染物和重金属具有高效的净化作用。本课题比较了四种高速公路桥面径流处理滤料材料(生物陶粒、生物沸石、铁碳微电解填料和特制碳基铁合金催化载体),并评估它们的净化能力。根据不同比例组合渗碳体
2、稳定型、催化增强型、微电极活化型和吸附调整型材料,设计了 10 种组合体载体。通过真实模拟情况的实验,明确了具有良好净化性能和环保效益的最佳组合体载体是渗碳体稳定型、催化增强型、微电极活化型、吸附调整型材料的比例为 25%、15%、10%、50%的组合体载体滤料材料。关键词:高速公路;径流处理;生态滤料材料;污染物去除性能 中图分类号:X522 文献标识码:A 文章编号:1673-6478(2023)04-0115-06 Analysis of Filter Material for Runoff Treatment on Bridge Deck of Qi-Wu Expressway LIU
3、 An1,2,MIAO Qian3,MIN Hongwen2,ZHANG Fan3(1.Jiangxi Communications Investment Group Co.,Ltd.,Nanchang Jiangxi 330025,China;2.Jiangxi Transportation Consulting Co.,Ltd.,Nanchang Jiangxi 330108,China;3.CCCC Highway Consultants Co.,Ltd.,Beijing 100088,China)Abstract:The choice of substrate material for
4、 road bridge runoff carriers is crucial.The pilot carbon-based iron alloy catalytic carrier is highly effective for the purification of common pollutants and heavy metals in water bodies.Four highway bridge runoff treatment media materials(biotite,bio-zeolite,iron-carbon micro-electrolytic filler an
5、d a special carbon-based ferro-alloy catalytic carrier)were compared and their purification capacity was evaluated.Ten combinatorial carriers were designed based on different combinations of carburate-stabilised,catalytically enhanced,microelectrode activated and adsorption adjusted materials in dif
6、ferent proportions.Through experiments with realistic simulated situations,it was determined that the best combination carriers with good purification performance and environmental benefits are those with 25%,15%,10%and 50%of carburite-stabilised,catalytically enhanced,micro-electrode activated and
7、adsorption-adjusted materials.Key words:expressway;runoff treatment;ecological filter material;pollutant removal performance 0 引言 公路交通网络的不断完善使得高速公路建设成为国家重点发展项目之一。然而,高速公路建设桥梁 收稿日期:2023-05-01 作者简介:刘安(1988-),男,江西九江人,硕士,高级工程师,研究方向为公路工程.()和路面等基础设施时也带来了一些环境问题,其中之一就是桥面径流的处理问题1-3。桥面径流是指在下雨等降水天气中,雨水从桥面流下而形成的
8、一种污染水体。桥面径流中常常含有大116 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 量的悬浮颗粒物、有机物质、营养物质等污染物质,对周边的水环境和生态环境都造成了一定的影响4-5。因此,如何对桥面径流进行处理,成了一个亟待解决的问题。本研究以祁婺高速公路为研究对象,针对桥面径流的处理问题,进行了一系列的实验和分析,旨在筛选出适合祁婺高速公路桥面径流处理的滤料材料,并评估其处理效果,为祁婺高速公路及其他类似地区的桥面径流治理提供一种可行的解决方案。1 基质材料筛选 公路桥面径流处理系统基质材料对污染物的去除过程包括物理过滤、离子交换、专性与非专性吸附、络合作用和沉降反应等6。基质材料是公路桥面径
9、流处理系统的载体,它支撑着公路桥面径流处理系统污水处理微生物的生命过程,基质对污染物的成功截留为后续吸附处理创造良好条件,是出水水质的保证。目前,高速公路桥(路)面径流处理技术所依赖的基质材料主要有砾石、石英砂、陶粒、活性炭、沸石,以及相关的改性材料等7。本课题初步选取生物陶粒、生物沸石、常规的铁碳微电解填料、特制碳基铁合金催化载体作为对比载体材料,针对德州至上饶高速公路赣皖界至婺源段新建工程高速公路桥(路)面径流处理系统所采用的载体基质材料进行技术比选。1.1 生物陶粒 陶粒中含有一定的 CaO、Al2O3和 Fe2O3等。CaO对磷有沉淀作用,Al2O3和 Fe2O3具有吸收磷的功能。陶粒
10、滤料表面有利于硝化菌的生长繁殖,可以高效地去除污水中的氨氮8-9。高效挂膜轻质陶粒在物理微观结构方面表现为表面粗糙多微孔,比表面积大,适合微生物的生长、繁殖,在其表面形成稳定、高活性的生物膜,处理出水水质高8。1.2 生物沸石 该基质材料是以沸石为微生物生长的载体,借助沸石内部大量的空穴和孔道,通过吸附富集极性分子和细菌,创造微生物生长条件,使沸石表面生长一层生物膜,同时发挥沸石的吸附性能和生物膜的作用,去除水中的污染物10。1.3 常规铁碳微电解填料 铁碳微电解就是利用金属腐蚀原理法,形成原电池对废水进行处理的良好工艺,又称内电解法11。1.4 试制碳基铁合金催化载体 载体组合有:碳基铁(钴
11、钛)合金催化载体;碳基铁(锶锆)合金催化载体;碳基铁(铜钡)合金催化载体;碳基铁(铈铌)合金催化载体。2 基质材料去除效果比选研究 2.1 试验用水水质分析 本次室内试验方案采用的污水用水其原水取自八达岭高速桥面径流。取样地点:水屯桥。取样时间:2021 年 7 月 2 日。原水水质指标见表 1。表 1 原水水质指标 Tab.1 Raw water quality index 污染物 氨氮 总氮 COD 总磷 SS Cd Cr Pb Hg Cu Mg 单位 mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L g/L g/L g/L g/L g/L g/L 数值 6.5 7.2 35.6 0.52
12、 27.8 0.81 2.62 2.91 0.53 3.90 15.2 2.2 不同载体去除试验结果(1)生物陶粒 经过生物陶粒载体处理的出水水质指标见表 2。生物陶粒具有较大的比表面积,对污染物有一定的吸附能力。但吸附饱和后不再进行吸附,也就失去了对污水的净化能力。在污染物的去除试验中,生物陶粒对 SS 的去除效果最好,分析其原因应为其具有更大的比表面积和较大的孔径。(2)生物沸石 经过生物沸石载体处理的出水水质指标见表 3。生物沸石的出水水质指标与生物陶粒的出水指标相似。生物沸石同样具备对污染物的吸附能力,但在吸附一定程度后,污染物去除率保持不变。与生物陶粒相同,生物沸石对 SS 的去除效
13、果最优。(3)铁碳微电解填料 经过铁碳微电解填料载体处理的出水水质指标见表 4。铁碳微电解填料,对污水中常见的氨氮、总氮、COD、SS 都具备较好的净化效果,但对总磷及重金属的净化效果一般。其原因为铁碳微电解填料自身通过原电池反应、氧化还原等反应消除水中的污染物及金属离子。由于铁碳微电解填料对不同污染物的去除机理不同,所以导致了铁碳微电解填料的净化作用是有选择性的。然而,随着化学反应的发生,铁碳填料容易板结钝化,长期运行后净化效率降低,无法达到对污染物的高效净化。(4)试制生态滤料载体 经过试制生态滤料(碳基铁合金催化)载体处理的出水水质指标见表 5。生态滤料对污水中常见污染第 4 期 刘安等
14、,祁婺高速公路桥面径流处理滤料材料分析 117 物和重金属均具有较好的净化效果。在四种基质材料中,生态滤料对污染物净化效果最好。由此可见,铁碳填料可以通过添加化合物、金属的方法去除常规铁碳微电解填料无法净化的水中污染物、重金属。此外,碳基铁合金催化载体材料呈空心球型,增大了填料的比表面积,使净化效率得到提高。表 2 生物陶粒出水水质指标 Tab.2 Biotite effluent water quality index 停留 时间 污染物 氨氮 总氮 COD 总磷 SS Cd Cr Pb Hg Cu Mg 单位 mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L g/L g/L g/L g/L
15、 g/L g/L 12h 出水浓度 5.1 6.8 22.8 0.46 4.8 0.76 1.75 1.56 0.47 3.22 9.2 去除率/%21.5 4 5.56 35.96 11.54 82.73 6.17 33.21 46.39 11.32 17.44 39.47 24h 出水浓度 4.2 6.2 20.5 0.42 3.8 0.46 1.38 1.45 0.45 2.91 8.6 去除率/%35.3 8 13.89 42.42 19.23 86.33 43.21 47.33 50.17 15.09 25.38 43.42 36h 出水浓度 3.5 5.2 18.4 0.36 3.
16、6 0.35 1.21 1.10 0.38 2.61 5.3 去除率/%46.15 27.78 48.31 30.77 87.05 56.79 53.82 62.20 28.30 33.08 65.13 48h 出水浓度 3.5 5.2 18.4 0.36 3.6 0.65 1.21 1.10 0.38 2.61 5.3 去除率/%46.15 27.78 48.31 30.77 87.05 19.75 53.82 62.20 28.30 33.08 65.13 表 3 生物沸石出水水质指标 Tab.3 Bio-zeolite effluent water quality indicators
17、项目 名称 污染物 氨氮 总氮 COD 总磷 SS Cd Cr Pb Hg Cu Mg 单位 mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L g/L g/L g/L g/L g/L g/L 12h 出水浓度 4.8 6.7 17.2 0.45 4.2 0.74 1.65 1.38 0.47 2.72 6.8 去除率/%26.15 6.94 51.69 13.46 84.89 8.64 37.02 52.58 11.32 30.26 55.26 24h 出水浓度 4.2 6.4 16.2 0.42 2.6 0.58 1.12 1.03 0.30 2.46 6.5 去除率/%35.38 11.1
18、1 54.49 19.23 90.65 28.40 57.25 64.60 43.40 36.92 57.24 36h 出水浓度 3.8 5.8 15.1 0.38 2.5 0.52 0.98 0.82 0.24 2.12 4.2 去除率/%41.54 19.44 57.58 26.92 91.01 35.80 62.60 71.82 54.72 45.64 72.37 48h 出水浓度 3.8 5.8 15.1 0.38 2.5 0.52 0.98 0.82 0.24 2.12 4.2 去除率/%41.54 19.44 57.58 26.92 91.01 35.80 62.60 71.82
19、54.72 45.64 72.37 表 4 铁碳微电解填料出水水质指标 Tab.4 Iron carbon micro-electrolytic filler water quality indicators 项目 名称 污染物 氨氮 总氮 COD 总磷 SS Cd Cr Pb Hg Cu Mg 单位 mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L g/L g/L g/L g/L g/L g/L 12h 出水浓度 2.9 3.45 18.6 0.38 6.1 0.72 1.59 1.34 0.46 2.68 7.2 去除率/%55.38 52.08 47.75 26.92 78.06 11.
20、11 39.31 53.95 13.21 31.28 52.63 24h 出水浓度 2.5 2.69 12.4 0.31 4.3 0.62 1.34 1.03 0.44 2.36 6.8 去除率/%61.54 62.64 65.17 40.38 84.53 23.46 48.85 64.60 16.98 39.49 55.26 36h 出水浓度 2.1 2.42 10.2 0.29 3.9 0.55 1.12 0.92 0.42 2.16 5.6 去除率/%67.69 66.39 71.35 44.23 85.97 32.10 57.25 68.38 20.75 44.62 63.16 48h
21、 出水浓度 2.1 1.54 10.2 0.29 3.9 0.55 1.12 0.92 0.42 2.16 5.6 去除率/%67.69 78.61 71.35 44.23 85.97 32.10 57.25 68.38 20.75 44.62 63.16 表 5 生态滤料出水水质指标 Tab.5 Eco-filter water quality indicators 项目 名称 污染物 氨氮 总氮 COD 总磷 SS Cd Cr Pb Hg Cu Mg 单位 mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L g/L g/L g/L g/L g/L g/L 12h 出水浓度 1.21 1.36
22、 7.2 0.06 3.6 0.24 0.25 1.02 0.22 0.68 2.02 去除率/%81.38 81.11 79.78 88.46 87.05 70.37 90.46 64.95 58.49 82.56 86.71 24h 出水浓度 0.33 0.67 3.6 0.03 2.8 0.09 0.14 0.35 0.10 0.46 1.68 去除率/%94.92 90.69 89.89 94.23 89.93 88.89 94.66 87.97 81.13 88.21 88.95 36h 出水浓度 0.32 0.65 3.6 0.03 2.8 0.09 0.13 0.33 0.09
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