生物滞留系统用于径流污染控制的研究综述

刘蕴哲

摘 要：生物滞留系统是使用较为普遍的一种城市雨水低影响开发技术，其对城市径流中的悬浮物、重金属、油脂类、致病菌以及营养盐等物质均有较好的去除效果。该文阐述了目前国内外生物滞留系统对不同径流污染物去除机理及效果的研究现状，总结并提出了生物滞留系统未来的研究和发展方向。

关键词：生物滞留系统；径流污染；研究现状；展望

中图分类号 X522 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）03-04-80-02

水不仅是生命之源，也是保障社会发展和人类进步的重要资源。中国是一个水资源短缺的国家，与此同时，我国的淡水资源却普遍受到了污染甚至严重污染。治理水环境污染，源头控制是关键。水环境污染源主要可分为点源和面源，在国家大力整治环境的努力下，工业废水和城市生活污水等点源污染已得到了有效控制，面源污染取代点源成为了水环境污染的最重要的来源[1]。作为典型面源污染的城市地表径流，由于地域范围广、随机性强、成因复杂等特点，成为了当今水环境污染研究的重点[2]。用于控制地表径流污染的技术很多，如生物滞留系统、绿色屋顶和渗透路面等，其中生物滞留系统由于其高效的径流持留、水质净化和污染负荷消减等能力而逐渐得到广泛研究与应用[3]。

1 生物滞留系统简介

生物滞留系统主要由表面植被、10～30cm的蓄水层、5～10cm的表面覆盖层、0.7～1m砂、土、有机填料层和用于入流、出流及溢流控制的附属物构成[4-6]。该系统一般设置在居民区和商业区，用来管理小范围已开发地区产生的暴雨径流[5-6]。其主要通过拦截过滤、渗透、沉淀、蒸发蒸腾、挥发、吸附、植物同化、硝化反硝化、分解降解、热衰减等物理、化学和生物的综合作用实现径流污染物的去除，地下水的补给和径流的控制[4，7]。自20世纪90年代首先由美国马里兰州乔治王子郡投入使用以来，经过数十年的研究和试验应用，生物滞留技术目前已快速成为世界上很多国家使用最广泛的暴雨最佳管理措施（BMPs）之一[4]。如在美国低影响开发（LID）和澳大利亚水敏性城市设计（WSUD）中的大量使用。

2 生物滞留池径流污染去除研究

2.1 TSS的去除 生物滞留系统主要通过沉淀和过滤的作用去除总悬浮颗粒（Total suspended solids，简称TSS），去除效果很好，大都能到达95%以上，虽然有可能会出现淋洗现象，但那只是因为初期填料中细骨料被冲出的结果，会随着系统的逐步稳定而消失[4，8-11]。

2.2 重金属的去除 生物滞留系统有很强的重金属去除能力，去除率几乎都在90%以上[6，8-9，12-13]。2003年，Davis通过填料中金属聚集程度判断20a后生物滞留池的土壤将充满毒性，不能使用[12]。2008年，Bratieres等发现Cu的去除波动性最大，这也在以往的研究中有过报道[8，12]。Blecken等于2009年发现增设有碳源的厌氧区对重金属的去除有很大的影响，且碳源只对Cu的去除有很大帮助，因为有机质与Cu的作用最强，能够结合成复合物从而将Cu截留。其还发现在滞留池中是土壤填料而不是植被占据着去除重金属的主导作用，重金属在经过填料上部150mm便能达到很高的去除（>82%），因此，要想有效去除重金属，500mm的填料深度就足够了[13]。

2.3 油脂的去除 Hsieh和Davis于2005年发现使用混合填料的柱状滞留系统能够去除径流携带的96%以上的机油[11，14]。其中烃类的去除主要发生在覆盖层，因为覆盖层中的本土微生物会将捕获的烃类在较短的时间内降解掉。在New Hampshire的现场试验中，柴油中的石油烃类去除率达99%[10]。

2.4 致病菌的去除 生物滞留系统之所以能够去除致病菌，是因为通过过滤、吸附等作用将致病菌截留后，在2场降雨之间的干期内，土壤水分流失让致病菌暴露在干旱和太阳照射的情况下，导致致病菌的死亡[4]。Hunt等发现滞留池对粪大肠杆菌和大肠杆菌的去除率为70%左右[15]，而Rusciano和Obropta则认为粪大肠杆菌的去除平均能达到91.6%[16]。Bratieres等在2008年发现生物滞留池对大肠杆菌、产气荚膜杆菌和F-RNA噬菌体的去除效果分别能达到69%、99%和93%[8]。

2.5 营养盐（N、P）的去除 生物滞留系统对营养盐的去除效果波动比较大。滞留系统主要通过土壤/填料的静电力或离子交换实现对氨氮的去除[6]，去除效果良好，大多在90%以上[6，8-9]。总凯氏氮的去除效率一般在55%～75%[6，17]。然而滞留系统对NO3-的去除效果却很差，Davis在2001年所做的实验中发现NO3-的平均去除率只有24%，甚至有时会出现NO3-的淋洗，Kim在2003年则发现NO3-淋洗的现象还很普遍，这最终导致总氮的去除不甚理想[6，18]。除此之外，总磷的去除效果也不稳定，效果好时可达90%的去除率，差时只有40%，淋洗的情况时有发生[6，8]。

影响磷去除的唯一因素就是土壤和填料种类。Bratieres分析了3种填料的除磷效果（一种含有机质，另外2种不含），发现采用含有机质填料的滞留系统对磷只有40%的去除率，而剩下2种则高达90%，因为有机质中的磷会析出，从而导致除磷效果的变差[8]。因此fawb规定土壤和填料中磷含量必须少于100mg/kg[19]。同时，可以适当增加Ca、Al和Fe的含量以提高其磷的能力。

NO3-的去除效果差是因为其作为阴离子，不能被土壤填料所吸附，在土壤/水的系统中通常是不固定的，加上被截留的氨氮和有机氮在间歇期会被氨化和硝化为NO3-，导致滞留系统中NO3-的含量进一步增加，从而出现在随后的降雨事件中NO3-过量排出的现象[4，18]。为了提高NO3-的去除，有人将生物滞留系统的出水口抬高以使滞留系统底部出现一定高度的淹没区，形成厌氧区域，再于其中投入合适的碳源，人为创造反硝化环境。Kim等于2003年对此方法首次进行了小试和中试，结果发现，有厌氧区的滞留系统对NO3-和NO2-的总去除率达到70%～80%，其中碎报纸是最好的碳源，其效果理论上能维持20a[18]。Zinger和Blecken等人通过实验分别于2007和2009年发现去除NO3-、总氮和重金属的厌氧区最佳深度恰好吻合，都是450mm[13，20]。植物种类不同对NO3-和总氮的去除影响巨大，根系越发达，对氮的摄取越有利，脱氮效果越好[8-9]。

3 思考与展望

虽然生物滞留系统在控制地表径流污染上有着显著的作用，但是以下问题有作待进一步的研究与解决：

（1）厌氧区的设置使得硝态氮的去除得到了提高，但效果并不像氨氮一样稳定，低去除率的情况有时也会出现[13，18，20]。笔者认为，硝态氮不能像氨氮一样在进水时被厌氧区填料吸附，干旱期被反硝化是主要原因。故应进行厌氧区填料的硝态氮吸附能力对硝态氮去除的影响方面的研究。

（2）脱氮和除磷之间的矛盾在生物滞留系统中也依旧存在，如何在设置厌氧区的情况下阻止除磷效果的恶化乃至进一步提高磷的去除值得进一步的研究。

（3）植物的地域性特征显著，不同的植被会导致生物滞留系统径流污染控制效果的显著差异，因此应加强不同地区本土适宜植物类型的筛选研究。

参考文献

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[20]Zinger Y，Fletcher T D，Deletic A，et al.Optimisation of the nitrogen retention capacity of stormwater biofiltration systems[J].Graie，2007. （责编：张宏民）