净水技术 | 生物滞留设施对城市面源污染控制的研究进展
生物滞留设施不仅具有调控雨水径流量和径流峰值的作用，还能在一定程度上控制城市面源污染。为进一步研究生物滞留技术对城市面源污染的净化效果，本文结合实际应用案例和模拟试验研究，对生物滞留技术去除雨水径流中主要污染物的机理和处理效果进行了总结分析，指出目前具体应用中存在的问题，以期为我国海绵城市建设和该项技术的推广应用提供参考。
生物滞留设施概述
生物滞留设施指在地势低洼区域，通过土壤-植物-微生物系统蓄渗、净化径流雨水，削减径流总量和峰值的设施。生物滞留设施分为简易型和复杂型，其典型构造如图1所示。
生物滞留设施各层功能及其适用性、优缺点如表1所示。此外，根据设施结构、建造位置和适用范围，生物滞留设施可分为雨水花园、生物滞留带、滞留花坛和生态树池等。
图1 生物滞留设施典型结构
通过生物滞留设施控制面源污染的过程中，植物、填料、微生物是主要影响其运行效果的因素。
表1 生物滞留设施构成
植物对生物滞留设施起着重要作用。植物根系可直接吸收径流雨水中的营养物质、重金属，降解有机物。其中，吸收的磷元素可通过收割植物植接去除；植物根系为微生物提供有机物和生长附着场所；可减少雨水径流量及减缓雨水流速；使土壤长期保持疏松多孔状态。因此，生物滞留设施中植被的选择、设计、养护对其处理面源污染的效果至关重要。植物种类、生长状况的不同都会在一定程度上影响生物滞留设施污染物去除效果。应根据植物的生长习性、生理结构特性，选择能满足生物滞留设施功能需求的植物，需综合考虑景观效果、气候、土壤、降雨条件等因素。植被设计也需要充分考虑植物布局、种植密度、种植时间等。
填料的选取是污染物去除的关键因素，对保证植物正常生长、营养元素的去除尤为重要。填料需要有较好的过滤、吸附、沉淀等性能，且需满足植物需要的生长深度要求，提供微生物附着生长表面。最初填料的选取较为单一，随着对生物滞留设施研究的深入，各类组合型填料和添加改良剂以改善填料性能的研究得到了发展。较理想的填料应具有孔隙度高、通透性好、比表面积大、结构稳定的特点。同时，在对填料进行筛选时，应综合考虑填料的渗透系数及其对污染物的去除效果，需结合当地的实际情况，而不是照搬别处成功案例。
微生物在生物滞留设施去除污染物的过程中，参与了众多反应，如氨化、硝化、反硝化、摄取富集磷等，达到了脱氮除磷的目的。微生物代谢作用能固定重金属或使其毒性降低，能降解部分难降解有机有毒污染物。但目前生物滞留系统污染物净化效率与系统中微生物群落的相关性研究仍较少。
生物滞留对污染物净化机理和效果
城市水环境污染可分为点源污染和面源污染。城市面源污染主要是降水和径流冲刷使污染物汇集在水体中，从而导致水体污染，也称城市雨水径流污染，具有量大面广、突发性强、污染较重等特点。雨水径流中的污染物主要来源于大气降尘和地表累积污染物，按照理化性质的不同，可分为悬浮固体、重金属、营养物、有机类物质、病原微生物。生物滞留对污染物的净化机理主要依靠生物滞留设施各层发生的物理、化学、生物作用，包括沉淀、吸附、过滤、截留、离子交换、植物根系的吸附作用和微生物降解作用等。
悬浮固体在降雨过程中的含量很低，但经过降雨冲刷屋面、城市道路等，雨水径流中的含量升高。悬浮固体不仅能使水体变混浊，同时由于粒径极小，极易吸附污染物，也易造成更严重的污染问题。当雨水径流流入生态滞留设施后，悬浮固体通过沉淀和过滤作用被截留在生态滞留设施表面。研究表明，生物滞留设施对悬浮固体的去除效果显著。胡爱兵等模拟生物滞留池净化道路雨水径流发现，采用不同填料对SS均具有较好的去除效果，去除率均在90%以上，最高可达98.5%。Zinger等对饱和带进行改造优化后的生物滞留池进行试验发现，TSS去除率大于95%，然而，在运行过程中仍存在一些问题，如设施中截留的悬浮固体该如何处置和填料发生堵塞现象等。Li等通过实验室试验和现场观察，研究了生物滞留设施中固相颗粒过滤现象。结果表明：填料在吸附悬浮物过程中，沿径流渗透深度变化，填料会出现分层，且会由于悬浮物沉积在具有细小滤料晶体颗粒的填料上层，发生堵塞，导致渗透率降低，限制了生物滞留设施的使用寿命。因此，需要定期更换表面滤料。不过，仍有许多由于物理堵塞导致生物滞留设施运行失败的案例。
近年来，我国对径流重金属污染控制的研究逐渐增多，研究发现城市雨水径流中含有较高浓度的重金属排放到环境水体并不断富集，已成为水生态环境中重金属污染的重要来源。重金属污染与其他污染物的不同之处在于，其在环境中难以降解，具有毒性，污染时间持久，能通过食物链等方式在生物体内富集，治理难度大。重金属污染的主要来源是汽车尾气释放、工厂排放、化石燃料燃烧等。城市雨水径流中的重金属可分为溶解态和颗粒态，主要以颗粒态存在。生物滞留技术去除重金属主要通过介质的截留和物理吸附作用，各净化能力的大小为：内部滞留介质吸附>表面颗粒物拦截>植物吸收。大量研究表明，生物滞留设施对城市雨水径流中重金属的去除效率较好，如表2所示。
生物滞留设施去除雨水径流中氮、磷营养元素是研究的热点。雨水径流中的氮元素可分为有机氮和无机氮，其中有机氮可分为颗粒有机氮(particulate organic nitrogen，PON)和溶解有机氮(dissolved organic nitrogen，DON)；无机氮主要有
和
生物滞留设施对雨水径流中氮的去除机理主要为截留、过滤、沉淀、吸附、植物吸收和微生物降解等作用。颗粒有机氮主要通过过滤、沉淀和吸附作用有效去除。生物滞留设施中雨水径流氮的转化去除过程如图2所示。溶解有机氮可通过氨化、硝化、反硝化作用去除，氨化作用将DON转化成
由于土壤颗粒带负电荷，
容易被吸附。部分
可在生物滞留设施的好氧区经硝化作用转化成
然而，常规的生物滞留设施不易形成缺氧环境，所以
较难发生反硝化作用被还原。此外，生物滞留设施还可能存在
异化还原为
的反应。
图2 生物滞留设施中雨水径流氮的转化去除过程
植物对氮的去除意义重大。陈垚等研究发现，在生物滞留系统中，植物同化作用对氮素去除的贡献最大，同时氮可以按“同化-矿化-释放”的顺序迁移转化，且植物对氮的去除效果受到植物种类、干湿条件、季节性气候变化、植物与根际微生物协同作用等因素的影响。此外，目前已有越来越多的针对在生物滞留设施内建立内部蓄水层去除氮的研究和试验。如朱越等通过中试试验发现，内部蓄水层可以促使生物滞留设施产生厌氧区域，形成反硝化区，可有效提高
的去除效率，对
的去除效果影响不大。但建立内部蓄水层对氮的去除效果仍存在争议，李明翰等分析得出的结果与以往研究中内部蓄水层的处理效果不一致，可能是因为内部蓄水层持水困难，渗透使得生物滞留系统大部分时间不饱和。多数研究结果也表明，生物滞留设施对城市雨水径流中氮的去除效果不稳定。孟莹莹等在对采用生物滞留技术滞蓄净化城市道路雨水的试验研究中发现，生物滞留系统对径流中
的平均质量浓度去除率分别为77.9%、73.9%。李坤娜等对传统砂土填料的生物滞留槽进行污染物削减特性试验研究发现，砂土填料生物滞留槽对
的平均浓度削减率为22.57%、-118.55%，对TN的削减效果最差且最不稳定。Davis等对生物滞留改善水质的研究发现，其除总凯氏氮(total kjeldahl nitrogen，TKN)的效果好(55%～65%)，对硝酸盐的还原效果差(<20%)，且还会产生另外的
Blecken等研究发现，生物滞留去除TN、DN(dissolved nitrogen)和NOx-N的效果不佳；只有
的去除量较高，尤其是在较高的温度下。多数研究结果表明，生物滞留设施对城市雨水径流中氮的去除效果不稳定。因此，如何改善生物滞留设施以提高对氮的去除效果，仍是今后研究中值得思考的问题。
雨水径流中的磷按存在形态不同可分为颗粒态磷(particulate phosphorus，PP)和溶解态磷(dissolved phosphorus，DP)。利用生物滞留设施去除磷主要是通过反应介质过滤、吸附、沉淀、植物吸收固定和微生物摄取等作用实现。颗粒态磷主要通过过滤、沉淀、吸附作用去除。溶解态磷通过介质吸附、植物的吸收、微生物摄取等作用去除，其还可与填料或土壤中带正电荷的Fe3+、Al3+、Ca2+等金属离子发生吸附反应生成磷酸盐沉淀。微生物的摄取作用对雨水径流中磷的去除意义重大，如聚磷菌(phosphorus accumulating organisms，PAOs)可以摄取溶解态的正磷酸盐，以多聚磷酸盐的形式积累在细胞内，但PAOs在厌氧条件下会释放出储存在体内的磷，从而影响磷的去除效果。生物滞留设施中雨水径流磷的迁移转化过程如图3所示。对生物滞留设施进行优化后，其对城市雨水径流中磷的去除效果明显改善，如表3所示。
图3 生物滞留设施中雨水径流磷的迁移转化过程
雨水中的有机物污染物包括碳氢化合物(如油和油脂、多环芳烃PAHs)、缓蚀剂、防冻剂(如乙二醇)、农药和新型污染物。目前，利用生物滞留设施去除雨水径流中的有机污染物可以通过介质吸附、沉淀、过滤、植物吸收、生物降解作用来实现。城市环境中，PAHs主要来源于沥青道路磨损和汽油过程燃烧，可从水体和土壤中挥发至空气中，附着在颗粒表面，随雨水进入地表径流，具有长期残留性、半挥发性和高毒性等特点，严重危害人类健康和生态环境。PAHs的去除机制可分为挥发扩散、填料吸附、微生物降解和植物吸收。Lefevre等的试验研究发现，植物对萘的总去除率为93%，土壤吸附是去除萘的主要因素，生物滞留设施能有效地从雨水中可持续地去除石油烃。Hong等研究生物滞留设施对雨水径流中油脂的去除效果发现，被覆盖层吸附的约90%的萘、甲苯、油和颗粒状萘分别在3、4、8、2 d内被生物降解。由于绝大部分油脂和重金属都能在覆盖层被吸附滞留，应考虑两者在生物滞留设施中的处理效果。目前，我国对生物滞留设施去除有机污染物的研究还十分有限，对于其去除机理和效果还需进行大量深入的试验。
目前，我国对去除雨水径流中病原微生物的研究很少。水中的病原微生物主要包括病毒、病原菌、原生动物和寄生虫，被病原微生物污染的水会对人体健康和水体环境产生严重威胁。水中常见病原菌有致病性大肠杆菌、沙门氏菌、志贺氏菌等；而易引发疾病的病毒则有肠道病毒、肝炎病毒、腺病毒等；贾第虫和隐孢子虫的检测常用于对原生动物的研究。生物滞留设施去除雨水径流中的病原微生物主要是通过过滤、填料吸附截留、微生物群落间的竞争和捕食关系、太阳辐射和温度变化等作用。
生物滞留设施应用中存在的问题及解决措施
生物滞留设施作为一种低影响开发技术，对城市面源污染控制的优势日益显现。然而，在其具体的实施和应用过程中，仍面临着诸多问题，主要表现如下。
(1)填料选取不当
填料的选取对设施渗透系数、植物正常生长、污染物的去除具有重要意义。现已有诸多研究表明，采用单一的填料往往难以达到理想的雨水净化和处理效果，且大多数填料存在结构稳定性差、比表面积小等缺点。故各类组合型改良型的填料得以发展，综合兼顾各不同类别填料的优良性能，以达到最佳的渗透速率和净化处理效果。此外还应注意，不仅需要充分考虑填料的选取、填料的结构设置，在填料设计时，也要满足植物需要的生长深度，保证植物的存活率，确保植物根系、填料层和土壤之间形成稳定的生物膜，提高污染物去除效果。
(2)植物的配置缺乏未兼顾功能性和景观作用
由于经验匮乏，植物的选择设计中，为达到预期处理效果过分强调选用抗性强、满足设施功能需求的植物，弱化了观赏价值，无法充分发挥植物的景观作用，无法与周围环境相协调。同时，也会出现照搬其他成功案例中植物的配置，忽视对本地植物的选用。这样不仅会造成投资成本的增加，还会存在选用的植物“水土不服”、存活率低或外来植物物种入侵的问题。因此，在选择植物时，应兼顾其功能性和观赏性，可多加考虑选用适应能力强、成本低的本土植物，同时注重植物品种的搭配，提高景观作用。
(3)种植土壤板结，作物生长困难
生物滞留设施的设计中，采用回填的种植土会存在土壤黏重、含砂量低、有机质含量不足等问题，或在设施运行期间，强降雨破坏土壤结构等，这些因素会导致种植土壤板结现象发生。土壤板结后，其孔隙率下降，吸水、渗透和对污染物的吸附能力降低，不仅影响设施的蓄渗能力，还会严重威胁植物根系的生长，使得植物无法存活。故在施工前应确定土壤性质，选用符合设计要求的土壤进行回填。若发生土壤板结，应更换土壤，或采取恰当的改良方法对土壤进行修复。
(4)设施自身的局限性
生物滞留设施应用于海绵城市的建设中，能有效控制小降雨事件以及处理暴雨初期雨水。但在设计中应考虑设施的适用条件，而不是盲目套用各类工程。如将其直接设计用于调节大面积汇水区域的雨水，或者地表污染状况严重的区域，不但无法达到预期的目标效果，反而还会削减其功能性。随着时间的推移，生物滞留设施往往还会因为雨水径流的冲刷作用，令泥沙、杂质等在介质中累积，从而导致功能削减。因此，有必要设置前置处理系统，以避免发生堵塞或污染物富集；其次，生物滞留设施一般占地面积大，对设置的场地面积有一定要求，这就需要结合当地的自然条件，协调好生物滞留设施与周围环境的关系。
(5)施工操作不规范，缺乏稳定运行的维护管理
为使生物滞留设施发挥最大的处理效果，确保规范的施工操作十分重要。然而在实际操作中，换土层内介质混合不均匀，影响渗透能力；透水土工布破损，导致换土层填料泄漏，地下水渗入换土层；施工现场的沉积物或残渣堆积在设施表层，造成过滤介质堵塞，影响渗透效果。此外，由于目前我国对生物滞留设施的研究还处于初期发展的状态，大部分还处于试验条件下，缺乏实际工程资料的积累和长期稳定运行效果的经验总结。生物滞留设施要保证能够长期稳定运行，并保持其良好的蓄渗、净化效果，不仅需要在设计施工阶段按照要求严格进行，后期的维护管理也十分重要。后期的维护管理过程中也存在一系列问题，如：生物滞留设施排空时间设置不合理造成设施长时间积水；设施出现沉积物堵塞问题，需要及时清理垃圾和植物残体，定期检查更换填料；后期监测、养护和评估的机制是否完善等。因此，仍需要进行大量的研究和实际运用，互相结合验证，为海绵城市的建设提供更多有价值的建议。
结论
海绵城市概念的提出，要求突破传统的城市建设模式，为我国城市雨水资源管理带来了新思路。近年来，生物滞留设施作为低影响开发技术的典型技术之一，其改善城市雨水径流水质的研究受到广泛关注。但生物滞留设施对城市面源污染中的悬浮固体、重金属、营养物、毒性有机物、病原微生物等污染物的去除机理还不够明确，需要进一步研究探讨。生物滞留设施具有广阔的发展前景，但我国对生物滞留设施的研究还处于初期发展的状态，应借鉴国外已实施的经验，结合我国各地区降雨特征、植物特点等实际自然条件，设计时对填料选取、植物的种类、主要污染物的类型、后期维护管理等方面综合考虑，确定适合的生物滞留设施类型，为我国海绵城市的建设提供有效的技术指导。