西安市路面径流重金属及PAHs污染特征

摘要

随着城市化进程的加快和点源污染逐步得到有效控制，作为除生活污水和工业废水之外的第二大城市水污染源，城市地表径流这一面污染源逐渐成为城市水环境质量恶化的主要原因。与其它城市下垫面如屋面、绿地相比，路面，尤其是具有较高车流量的城市交通道路路面，其径流污染强度高、污染负荷大、有毒有害物质含量多，是城市地表径流中污染效应最强的部分。路面径流的污染来源包括交通源排污、大气干沉降和大气湿沉降。晴天污染物在路面累积，雨期随径流冲刷排放，对受纳水体造成了较为严重的影响。相关研究表明，路面径流是水体中有毒污染物重金属和PAHs的主要来源。近年来，路面径流污染被国内外学者广泛关注，成为相关研究的热点。
　　本文在西安市南二环路与太白路交汇的太白立交建立路面径流原位采样站，采用自制流量等比例采样装置，对2014年7月~2015年6月的33场降雨径流事件进行采样、测试，对西安市路面径流的污染特征、污染负荷及沉淀特性进行了分析。
　　（1）西安市路面径流污染特征研究
　　①西安市路面径流中SS、COD、Pb、Zn、Cu、Cd、Ni、Cr、∑PAHs的EMC均值分别为1272.12mg/L、493.82mg/L、86.00ug/L、447.50ug/L、109.30ug/L、2.33ug/L、48.27ug/L、58.42ug/L、51624.28ng/L，变异系数分别为0.86、0.74、0.65、0.65、0.73、0.55、0.68、0.61、0.43；溶解态COD、溶解态重金属Pb、Zn、Cu、Cd、Ni、Cr的EMC均值分别为48.96mg/L、0.44mg/L、17.84ug/L、8.87ug/L、0.06ug/L、12.75ug/L、1.58ug/L，变异系数为0.73、1.43、0.68、0.93、0.89、1.32、0.98，表明不同场次路面径流污染浓度呈宽幅变异，这与影响路面径流的随机因素多相关。正因为路面径流污染具有发生的随机性、影响因素的复杂性，污染强度的变异性，使其研究、治理、控制难度较大；
　　②径流污染指标的相关分析结果表明，路面径流中大部分有机物和重金属都附着在颗粒物上，颗粒物是有机物和重金属的重要载体，SS与COD、Pb、Zn、Cu、Cd、Ni、Cr在显著性水平α=0.01时，相关系数分别为0.890，0.892，0.875，0.925，0.708，0.758，0.620；
　　③西安市路面径流中Pb、Zn、Cu、Cd、Ni、Cr主要以颗粒态形式赋存，各种重金属颗粒态含量依次为Pb＞Cd＞Cr＞Zn＞Cu＞Ni；
　　④西安市城市道路路面径流2014-2015年测试结果与2009-2010年相比，颗粒物和有机物的EMC均值减小，污染水平有所降低。但Pb、Zn浓度有所增加，表明加强清扫频率和效率能有效减轻路面径流颗粒物和有机物污染，但常规路面清扫较难去除路面上细小的颗粒物，对附着在细颗粒上的重金属去除作用不明显，随着交通量增大Pb、Zn等重金属浓度增加说明交通源排污对路面径流重金属污染的贡献；
　　⑤西安市路面径流颗粒物、有机物和重金属污染浓度大，污染水平较高，尤其是颗粒物和有机物，浓度均值均超过《污水综合排放标准》的三级标准，是路面径流最主要的污染物，需引起广泛关注；
　　⑥路面径流污染浓度与降雨量、降雨历时、降雨强度均不存在统计意义上的显著相关性，COD浓度在显著性水平为0.01时与前期晴天时间显著相关，相关系数分别为0.608，SS、Zn、Cu、Ni浓度在在显著性水平为0.05时与前期晴天时间显著相关，相关系数分别为0.378、0.358、0.372、0.608，说明路面径流污染排放受多种随机因素影响，复杂多变，影响因素众多；
　　⑦西安市路面径流PAHs的EMC浓度范围为19338.59-83117.83ng/L，EMC均值为51624.28ng/L，PAHs主要以颗粒态赋存，颗粒态PAHs的EMC浓度范围为18031.86-82298.83ng/L，且以3环、4环为主，分别占39.72％-85.65%和12.43%-50.86%，各源对颗粒态PAHs的源贡献分别为沥青源（40.45%）＞汽油源（33.75%）＞柴油源（25.8%）；溶解态PAHs的浓度范围为749.86-1306.73ng/L，且以2环为主，各源对溶解态PAHs的源贡献分别为汽油源(50.85%)＞沥青源(32.33%)＞柴油源(16.81%)；
　　⑧西安市路面径流重金属源解析结果表明，路面径流重金属Pb、Zn、Cu、Cr、Ni主要来源于交通源，源贡献率为59.59%，Cd主要来源为大气干湿沉降，源贡献率为21.02%。
　　（2）西安市路面径流污染负荷研究
　　①西安市路面径流次污染负荷变化较大，SS、COD、Pb、Zn、Cu、Cd、Ni、Cr次污染负荷范围分别为1.25kg/hm2-577.97kg/hm2、0.68kg/hm2-151.6kg/hm2、0.15g/hm2-23.41g/hm2、1.50g/hm2-118.76g/hm2、0.23g/hm2-47.99g/hm2、0.012g/hm2-0.656g/hm2、0.08g/hm2-11.31g/hm2、0.045g/hm2-13.11g/hm2；溶解态污染物COD、Pb、Zn、Cu、Cd、Ni、Cr次污染负荷范围分别为0.09kg/hm2-12.87kg/hm2、0.001kg/hm2-0.15kg/hm2、0.08kg/hm2-5.29kg/hm2、0.03g/hm2-3.18g/hm2、0.001g/hm2-0.026g/hm2、0.05g/hm2-1.65g/hm2、0.003g/hm2-1.56g/hm2；
　　②西安市二环路每年每公顷路面经由路面径流输出的SS、COD、Pb、Zn、Cu、Cd、Ni、Cr的量分别为6174.27kg、2396.79kg、0.42kg、2.17kg、0.53kg、0.011kg、0.23kg、0.28kg；溶解态COD、溶解态重金属Pb、Zn、Cu、Cd、Ni、Cr分别为237.64kg、0.0021kg、0.87kg、0.043kg、0.0003kg、0.062kg、0.008kg，污染物排放量可观，远高于国内外相关研究，表明西安市路面径流直接排放对受纳水体的冲击影响大；
　　③随着道路清扫频次和清扫效率的提高，尽管车流量增加较多，但本研究与西安市2009-2010年的年污染负荷相比，每年每公顷路面向受纳水体排放的SS、COD显著减少，重金属负荷有所增加，表明加强道路清扫可有效去除路面沉积的较大颗粒物从而可有效降低路面径流SS负荷，而重金属因主要附着在细小的颗粒物上，常规道路清扫方式难以去除，交通量的增加导致源自交通排污的重金属负荷的增加，故径流重金属污染负荷有所增加；
　　（3）西安市路面径流沉淀特性研究
　　①西安市路面径流SS、COD、Pb、Zn、Cu、Cd、Ni、Cr沉淀2h去除率均值为74.6%、68.1%、61.3%、45.3%、32.1%、40.8%，36.0%，38.1%，且沉淀前30min去除率显著增加，30min后趋于平缓，前30min去除率占2h总去除率的百分比分别是74.4%、79.3%、75.3%、76.2%、72.3%、64.4%，70.1%，68.9%，可见，若需取得良好的污染物去除率，径流沉淀池的水力停留时间应至少保证30min；
　　②污染物去除率与截留沉速成反比，截留沉速越小，沉淀池表面负荷越小，污染物去除率越高。污染物去除率每提高10%，对应截留沉速范围缩小1.25-2.83倍；
　　③西安市路面径流颗粒物主要粒径范围为9-59μm，表明路面径流中颗粒物以淤泥质细颗粒为主。