专题调研
2018年第55期:关于我省融雪剂使用及积雪处置问题的研究报告
2018年12月24日 点击 [172]


关于我省融雪剂使用及

雪处置问题的研报告


省科顾委宏观经济专家组


在我国北方和世界许多寒冷地区,冬季常有大量降雪,对人们的出行造成了许多不便,路面结冰极易发生交通事故。为了保证道路的畅通,使积雪快速融化,许多地区选择在积雪上撒布融雪剂。融雪剂溶于水后会降低水的蒸气压,但冰的蒸气压保持不变,为达到冰水混和物蒸气压相等的状态,冰雪将加速融化,从而达到融雪化冰的目的。从各地的经验来看,在城市坡路、机场、高速公路使用融雪剂是必要的。随着冬季大范围使用融雪剂,也出现了一些负面影响。融雪剂对路面和一些基础设施造成腐蚀,影响道路两旁植物的生长,投放过融雪剂的雪清运后不加处理的堆放也会导致土壤和地下水的污染。为此,针对我省融雪剂使用及雪处置问题展开调研,提出了我省融雪剂使用对策的研究报告。

一、我省融雪剂的使用现状

我省位于中国最北端,不仅冬季气候寒冷,降雪较多,而且降雪期长,平均可达5-6个月之久。当出现持续低温天气时,积雪很难融化,因此融雪剂的需求量很大,下雪时撒播融雪剂是必要的恢复交通安全顺畅的手段。为保障雪天城市道路交通的畅通,在城市部分坡路、桥梁、弯道、高架桥梁等重要交通节点需要适度撒布环保型融雪剂。

(一)使用融雪剂的类型

常用的氯盐类融雪剂主要有氯化钙,氯化钠,氯化镁等,此类融雪剂价格便宜且能够快速融雪化冰,在20世纪60年代开始得到广泛应用。第二类是非氯盐型融雪剂,主要是醋酸钙镁等醋酸类,成本较高,一般只用在机场等地方。由于传统的氯盐型融雪剂价格便宜,来源范围广、融雪化冰能力强,因此被广泛使用,是国内外公路融雪化冰的主流产品。目前我省使用的融雪剂主要是氯盐类融雪剂,主要成分为氯化钙、氯化镁和氯化钠,价格相对较低,三种氯盐融雪剂交替使用或者搭配着使用,以适应各种冰点的要求。

融雪剂的撒布使用情况

我省各地的融雪剂使用,经历了从大量使用到严格限定撒布街道范围、严格控制撒布量的发展过程。目前,哈尔滨市严格按照《黑龙江省城市清除冰雪条例》规定,结合哈市实际,制定了《清冰雪方案》。其中明确提到坚持“绿色清冰雪”原则,即除定点坡路、桥梁、引道及重要交通节点需在哈市清冰雪办的统筹组织下,科学、适度撒布环保型融雪剂外,坚决不允许任何单位和个人擅自使用融雪剂,确保绿色、环保目标。哈尔滨市城管部门严把融雪剂使用关,融雪剂管理采取市清冰雪办统一采购、统一储备的方式。必须使用时,由哈市清冰雪办调集各区现有的20台融雪剂撒布机统一组织撒布;撒布范围限定在147个坡路和重要交通节点,其它任何路段不得使用融雪剂。对每个坡路撒布范围设定明显的撒布起始点标识,并划分为小雪、中雪、大雪的撒布范围。一般情况下,降小雪只对50个点位进行撒布,中雪只对70个点位进行撒布,大雪只对107个点位进行撒布。这些区域基本是坡路和弯道。坡路和弯道也不是全覆盖撒布,距坡路前30米开始撒布,距坡路结束前30米停止,根据降雪量每平方米控制在30克至50克;距弯路拐弯处前50米开始撒布,弯路结束前10米结束。遇有灾害性降雪,将启动应急预案,融雪剂使用范围由清冰雪指挥部结合实际情况进行决策。坚决不允许任何单位和个人擅自在其他区域使用融雪剂。

哈尔滨市关于融雪剂的使用量也是有明确规定的,在允许使用融雪剂的地方,使用量规定如下:在零下5摄氏度至零下15摄氏度的天气条件下,下小雪允许每平方米撒5-10克;中雪撒10-15克;大雪撒20-30克。在零下15摄氏度至25摄氏度天气条件下,小雪撒10-15克,中雪撒15-25克;大雪撒30-50克。如果天气再冷,撒融雪剂的量可再增加,大雪情况下,每平方米使用融雪剂的量不准超过70克。

根据哈尔滨环卫办的负责人统计,从2014年实施“绿色清冰雪”的理念起,融雪剂的使用量大大减少,2014开始,哈尔滨每年融雪剂的使用量大约在3000余吨。

齐齐哈尔市城市管理委员会2018年10月23日宣布了齐齐哈尔市2018-2019年度清冰雪工作实施方案:“1.融雪剂管理采取市清冰雪指挥部统一采购、各区结算、储备的方式。由各区清冰雪指挥部按照规范统一组织撒布。2.清除冰雪坚持少用或者不用融雪剂,最大限度保持半融状态。必要时,城市快速路、主要干路以及坡路、引桥、环岛、公交站点可以使用融雪剂,其它路段未经批准不得使用融雪剂。使用融雪剂的道路和区域应当在4小时内完成清扫。含有融雪剂的冰雪,应当单独堆放,并运送到政府指定的场所集中处理,不得堆放在树木、花坛、绿地等周围。遇有灾害性降雪,将启动应急预案,融雪剂使用范围由市清冰雪指挥部结合实际情况进行决策。3.任何单位和个人不得在任何路段擅自使用融雪剂。违者将被问责。

2014年起,牡丹江市、大庆等城市也转变除雪方式,全面推行“绿色清冰雪”理念,不允许任何单位和个人擅自使用融雪剂。2014年10月29日佳木斯市人民政府关于印发佳木斯市城市清除冰雪实施办法的通知,“清除冰雪应少用或者不用融雪剂,实行绿色清除冰雪。使用融雪剂的道路和区域应当在4小时内完成清扫。融雪剂的撒播区域应当设置明显标志。各区政府可自行确定融雪剂使用范围。融雪剂由各区政府统一采购。采购的融雪剂及其使用,应当符合国家和省相关技术标准。”

二、 常用的融雪剂对环境的影响

(一) 融雪剂对混凝土的影响

目前常用的融雪剂为氯盐类融雪剂,氯盐类融雪剂溶液可以通过毛细吸附作用和内部扩散渗入混凝土内部,当混凝土孔隙中的盐溶液由于过饱和结晶时,由此产生的结晶膨胀压力会导致混凝土表面的剥蚀和开裂。当混凝土中的水在寒冷地区冻结时,会产生结冰压力,这也会增加对混凝土的损害。在一些寒冷地区,混凝土会受到盐腐蚀和冻融破坏的双重影响。同时,氯盐溶液会与混凝土结构中的氢氧化钙或其他物质发生反应,也会导致混凝土结构坍塌。融雪剂溶液对混凝土的破坏是物理和化学作用共同作用的结果。影响混凝土抗盐冻的因素还有氯盐的类型,浓度和温度等,有研究者在相同的条件下比较了氯化镁,氯化钙和氯化钠几种物质对混凝土的腐蚀情况,结果表明,氯化镁对混凝土的腐蚀比氯化钙和氯化钠更严重。有研究者探索了不同氯盐融雪剂在冻融条件下对混凝土的腐蚀情况,结果表明几种融雪剂都会对混凝土造成腐蚀。因此,使用氯盐融雪剂时,必须采取措施保护路面。

(二) 融雪剂对金属的腐蚀

由于常用的融雪剂中含有氯离子,进入混凝土内部后在钢筋表面累积,到达临界值后处于钝化状态的钢筋开始活化,氯离子与铁基体发生化学反应生成氢氧化铁,从而破坏钢筋结构。氯离子也会对汽车底部的金属附件造成腐蚀。此外,氯盐融雪剂溶液与金属类的基础设施接触后会引起腐蚀,造成不必要的经济损失。最容易被破坏的就是道路桥梁,美国每年因此付出的修复费用在2.5亿美元到6.5亿美元。中国也存在着此类问题,诸如北京西直门桥,东直门桥和三元桥等,这些都是因为融雪剂的应用导致混凝土路面的剥蚀,钢筋锈蚀。研究发现当混凝土中的[Cl]/[OH]比值低于0.3时,碳钢表面出现缺陷,当[Cl]/[OH]比率在0.6~1的范围内时,碳钢表面发生点蚀。当[Cl]/[OH]比值大于1时,碳钢表面会发生全面腐蚀。

(三) 融雪剂对植物的危害

融雪剂会对植物生长产生不利影响,尤其是道路两旁的植物。据不完全统计,2003年春季北京约有37万株绿篱受到融雪剂的影响,约占全市绿篱总数的5 %~10 %。有研究者分析了融雪剂对植物的影响,发现氯化钠融雪剂中的钠离子可以置换土壤中的钙,钾,镁离子增加土壤的pH值并造成土壤板结。此外,植物对Cl 的吸收速度比Na+快,导致Cl积累产生毒害作用。盐分过多会在很大程度上影响植物的光合作用,呼吸作用和蛋白质代谢会使净光合速度降低,呼吸消耗增多,不利于植物的生长。研究者探明了融雪剂对太湖流域的影响,发现融雪剂对至少19%~55%的树木有负面影响。

(四) 融雪剂对水体的危害

撒布在道路上的融雪剂会融化冰雪,并与雪水一起流入附近水域或渗入地下水造成水体污染。氯盐类融雪剂进入水体后会消耗水体中的溶解氧,Na+会促进水体中的藻类生长,Cl会影响水体中盐浓度分布。醋酸类融雪剂生物降解时也会消耗大量的溶解氧。研究发现多伦多使用的融雪剂的60%会流入地表水,一部分渗入到含水层中,从而污染水体。有学者研究了水体中的氯离子含量与水中铅和汞的释放量间的关系,发现含水层中氯化钠的浓度会增加水体中铅和汞的释放量。融雪剂对地下水的影响主要是造成饮用水污染,被污染的饮用水含盐量高,口感差也可能导致一些疾病。  

三、融雪剂使用后积雪的处置情况

根据《黑龙江省城市清除冰雪条例》第十五条规定,“使用融雪剂的道路和区域应当在4小时内完成清扫。含有融雪剂的冰雪,应当单独堆放,并运送到城市人民政府指定的场所集中处理,不得在树木、花坛、绿地及其周围堆放。”目前,省内各个城市已经按照《黑龙江省城市清除冰雪条例》的要求,由所在区清冰雪指挥部负责规范管理,严禁任何单位和个人将含有融雪剂的积雪堆放到绿地、绿岛和绿篱内,更不允许往下水井和雨水井内推雪。对这部分含有融雪剂的积雪单独用车辆运输,积雪全部运送到城郊的废弃地,运到雪场后与正常积雪区分开,单独堆放,但尚未建设融雪水专门的处理厂或处理设施。含有融雪剂的冰雪,将在天气转暖时将全面的融化,这部分融雪水含有高浓度的氯盐,如果融雪水渗入土壤,将会对土壤造成累积性的腐蚀作用,进而可能影响地下水的水质。如果将融雪水排入市政排水管网,含有大量氯离子的高盐水可能会对金属管道造成腐蚀,这部分水进入污水处理厂后将对微生物净水过程造成不良影响,使微生物活性降低,进而影响污水处理厂的出水水质。

四、对融雪剂产品及技术发展的建议

(一)缓蚀剂的研究进展

由于氯盐融雪剂对环境有害,对混凝土碳钢结构有比较严重的腐蚀所以许多研究人员通过向氯盐类融雪剂中添加缓蚀剂达到环保要求。有研究者探索了亚硝酸钙、氧化锌对降低氯离子腐蚀金属的作用,实验结果表明这三种缓蚀剂能降低对碳钢的腐蚀率,但是有一定的限值。有研究者以氯化钙和氯化镁为主要原料,添加甲酸钙作为缓蚀剂降低其腐蚀性。将工业蜜糖作为氯盐融雪剂的缓蚀剂,以减少对路面和基础设施的破坏。有研究者分析了一种或几种缓蚀剂加入到融雪剂中的缓蚀效果,通过实验发现在不影响融雪剂融雪化冰能力的情况下,缓蚀剂的加入可以降低融雪剂对碳钢的腐蚀。向氯盐类融雪剂中添加磷酸盐和碳水化合物作为缓蚀成分制备出一种低腐蚀性的融雪剂。缓蚀剂的添加主要是针对减少融雪剂对碳钢的腐蚀,对于减少融雪剂对混凝土的腐蚀研究主要集中在向混凝土中添加一些外加剂。有研究者发现向混凝土中添加矿渣可以提高混凝土的性能,使混凝土结构更加密实耐用。在混凝土中添加粉煤灰后,在冻融条件下的氯离子扩散系数有所降低,发现通过掺加混凝土外加剂可以提高混凝土防腐蚀性能。这些研究主要是在合成混凝土时添加外加剂以提高混凝土性能,对成型后的混凝土没有效果。所以如何在融雪剂撒布后减少其对混凝土路面的腐蚀成为亟待解决的问题。

   (二)研发缓蚀型融雪剂的必要性

虽然目前已有研究及应用的传统缓蚀剂可对氯盐类融雪剂腐蚀碳钢有所缓解,但其成本高,自身并不具备融雪化冰能力,需要在投放融雪剂的同时外加缓蚀剂,增加了投药总量。传统的融雪剂有融雪化冰能力但腐蚀严重,传统的缓蚀剂只能作为辅助药剂缓解对碳钢的腐蚀而本身不能融雪化冰那么,很有必要研发既可以高效融雪化冰又可以同时降低混凝土和碳钢腐蚀的融雪剂,这就是缓蚀型融雪剂。为了降低融雪剂的制造成本,其成分来源应考虑固体废物资源化,变废为宝。融雪剂的关键问题是研发兼具融雪化冰性能和缓蚀性能的新型融雪剂,突破现有融雪剂腐蚀严重及缓蚀剂本身不能融雪化冰的技术局限。以往关于融雪剂的研究主要集中于通过研制高效缓蚀剂抑制融雪剂的腐蚀,未来研制的新型融雪剂着眼于减小融雪剂本身的腐蚀固化氯离子,同时保证有效融雪化冰融雪剂本身就是缓蚀剂,或者说缓蚀剂本身就是冰点较低的融雪剂,研究的基础上,突破现有融雪剂的单一作用,为控制氯盐融雪剂腐蚀提供科学而实用的依据。

(三)对融雪剂技术发展的建议

未来的融雪剂相关技术开发,建议致力于研发以氯盐为主的复合型、低腐蚀、低污染、低成本的缓蚀型融雪剂。建立控制融雪剂腐蚀混凝土和碳钢的理论与方法,突破现有技术仅采用外加缓蚀剂手段的技术局限。新型融雪剂与混凝土和碳钢作用机理为揭示固化氯离子控制腐蚀之间的关系提供直接依据。

我国已经制定融雪剂使用的相关标准,如2009年颁布的融雪剂国《道路除冰融雪剂》和黑龙江省2016年发行的地方标准《城市融雪剂》,都限制融雪剂的各项污染指标,鼓励和支持环保型融雪剂的研发和使用,因此缓蚀型融雪剂具有很好的市空间和前景。

与市售的普通氯盐类融雪剂相比,缓蚀型融雪剂应具有价格低、保护生态环境(降低对植物、土壤、地下水的污染)、保护道路桥梁(降低对道路桥梁的腐蚀度)的优势。缓蚀型融雪剂在制备的过程中,可合理利用含有铁铝等金属氧化物固体废弃物的有效成分,实现废物资源化,显著降低成本。在使用过程中,融雪化冰的同时,迅速生成致密的沉淀膜,覆盖在路面上,固定其有害成分防止有害成分的流动,保护生态环境和道桥。缓蚀型融雪剂主要针对东北、西北、华北等降雪较多、期长对融雪剂需求量大对融雪剂质量要求较高的地区,如黑龙江、吉林、辽宁、新疆、北京、天津适用于城市街道、室外公共场所、国省道和高速公路。缓蚀融雪剂形成产品符合市场市场需求,产业化前景广阔。

五、对含融雪剂积雪处置问题的建议

(一)积雪处置场应设置防渗围堰

含融雪剂的积雪,运到雪场后与正常积雪区分开单独存放,由于其中含有融雪剂,这部分积雪基本上是处于冰水混合物状态,融化的雪水具有一定的流动性。即使部分积雪并没有融化,到下一年春天时也会逐渐融化成液体。然而,这部分液体是含有氯化钙、氯化钠等氯盐的含盐水,为了避免这部分具有腐蚀性的含盐水在雪场的土壤中下渗和扩散,避免含盐水污染土壤和地下水,应当对积雪处置场做硬化处理并设置防渗围堰。

(二)含盐融雪水应加以处理

含有融雪剂的积雪中含有大量氯盐,这部分积雪融化后相当于高盐水,如果设置围堰和导流收集后直接排放水体,必将造成水体的污染,甚至破坏水生生态系统,如果排入市政污水管网,也要避免对金属管道造成腐蚀,不影响污水处理厂的水处理效果。因此,对于这部分融雪水,应该去除水中氯盐,进行专门的脱盐处理,然后排入市政排水管网。融雪水的水量不大,且不下雪的季节是没有融雪水的,所以应将城市各区的融雪水收集到一起,集中进行脱盐处理。虽然处理成本可能较高,但脱盐处理回收的氯盐,可考虑提纯回收再次利用,节约资金。

(三)建议制定限制融雪水排放的地方标准

目前,国家对污水中的氯化物浓度没有制定相应的排放标准,《污水综合排放标准》未对氯化物的排放浓度作出相应要求。有部分行业标准对废水中的氯化物排放作出了相关规定,如《钒工业污染物排放标准》、《制革及毛皮加工工业水污染物排放标准》、《皂素工业水污染物排放标准》。现行的地方性氯化物排放标准有河南省、河北省、北京市、辽宁省、贵州省、四川省、湖北省的地方标准。我省尚未制定关于氯化物的黑龙江省地方标准,对钒工业、制革工业、皂素工业以外的工业生产过程中氯化物的排放并无限制,对含有融雪剂的积雪中的氯化物排放也同样未加限制。以哈尔滨为例,每年3000余吨的融雪剂使用量,处理融雪水,限制其中氯化物的排放是意义重大的。    

综上所述,一方面,我省应该对缓蚀型融雪剂及融雪水中氯化物的分离去除技术进行攻关研究,降低融雪剂对混凝土和碳钢的腐蚀,防止融雪剂污染土壤和水体;另一方面,我省应尽快制定出氯化物排放浓度要求的技术指引和地方标准,为今后我省融雪剂的使用大大降低隐患,确保交通安全与环境生态的可持续发展。

 

作者:朱琦  黑龙江大学化学化工与材料教授

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