生物滞留技术净化城市路面径流研究进展

葛盼颖，李 昂，巢 姣，刘加强，张惠芳，张 慧，李 亮

(1.徐州工程学院，江苏 徐州 221000；2.徐州市水利建筑设计研究院，江苏 徐州 221000)

随着我国城镇化进程的加快和规模的扩大，城市区域内不透水面积亦在不断增加，从而导致暴雨径流量加大且汇流时间缩短[1-2]，由此引发了城市面源污染、城市内涝、雨水资源流失、河流湖泊污染加剧以及自然生态退化等一系列环境问题。一方面，大量雨洪径流通过城市雨洪管道在短时期内排泄到河道，增加了城市排水管网的压力[3]，另一方面，降雨径流中含有的悬浮物、耗氧物质、营养物质、有毒物质、油脂类物质等多种污染物随径流进入江河湖泊，成为城市水环境恶化的重要原因[4]。

1 城市径流的特点及危害

1.1 城市径流的特点

在非点源污染中，城市地表径流是仅次于农业非点源污染的第二大非点源[5]。城市地表径流含有许多污染物，包括固体废物碎片、化学品、空气沉积和车辆排放。城市地表径流中的SS、重金属和烃类污染物浓度与未经处理的城市污水基本相同[6]。由此可见，城市地表径流污染种类繁多，并且不易处理。

1.2 城市径流的危害

根据对滇池、太湖、淮河流域等主要江河湖泊的污染调查和处理的情况，我国深刻认识到非点源污染的危害。滇池富营养化结果表明，工业废水、城市污水和非点源污染的比例分别为9%、24%和67%[7]。根据国外资料，在一些污水(即地表水)经过二次处理的城市，接收水体中每年的BOD负荷有40%～80%来自于地表径流，由降雨产生。在强暴雨期，94%～95%的BOD直接来自路面径流。在城市路面、屋面和绿地三种主要下垫面中，路面径流水质最差，是仅次于农业面源污染的非点源污染[8]。

2 “海绵城市”和低影响开发技术

2.1 “海绵城市”的提出和特点

“海绵城市”是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用，遵循“生态优先”等原则，将人工措施和自然途径相结合，在确保城市排水防涝安全的前提下，最大限度的实现雨水在城市区域的积存、渗透和净化，促进雨水资源的利用和生态环境保护。

2.2 低影响开发技术特点

低影响开发(LID)技术是目前国际社会城市水环境保护和可持续发展的新理念。该技术主要是通过在源头、传输路径、末端等环节采用多种分散式的技术措施蓄滞、缓流、渗透、净化、回用雨水，以达到就地消纳，减少径流产生的目的。该技术主要包括生物滞留、绿色屋顶、可渗透/漏路面铺装系统等措施[9]，通过减少不透水面积、增加雨水渗滤，利用雨水资源实现可持续雨洪管理[10]。

生物滞留措施是一种典型的低影响开发技术，具有削减城市雨洪径流、净化雨水水质以及补给地下水等优点，可划分为雨水花园、生态滤沟/生物滞留带、滞留花坛和树池4种类型[11]。生态滤沟作为生物滞留设施的一种，其常见的组合为“滤料-植物-微生物”，该组合利用植物根系、滤料和附着在生物膜上的微生物三者互相作用来达到对水体净化的目的，是物理、化学和生物三重作用的结果。

3 生物滞留技术在削减城市路面径流、净化污染物方面的研究进展

Hsieh和Davis在2005年发现使用混合填料的柱状滞留系统能够去除城市径流携带的96%以上的有机油[12-13]。由于覆盖层中的原生微生物能在较短的时间内降解捕获的烃类，在新罕布什尔州的现场试验中，柴油中石油烃的去除率达到99%，且除烃主要发生在覆盖层[14]。

李家科[15]以露天试验场为基础，研究6条不同配置方式的生态滤沟对城市路面径流中污染物的净化效果及其影响因素。结果表明以粉煤灰为基质的净化效果较好，氨氮、总氮、可溶性正磷酸盐、总磷的去除率可分别达到30%～45%、25%～30%、90%～95%、60%～90%；在有植被条件下对总氮的去除率可提高5%～30%，而对磷的净化效果相差不大；生态滤沟对污染物的去除率随入流水力负荷的增大而降低。

李家科[16]等设计了多组不同结构的生物滞留小型试验柱，考察填料类型、填料厚度、淹没区深度、植物种类等因素对生态滞留设施水质净化效果的影响。研究表明沙子和粉煤灰混合填料对污染物的综合去除率为85.03%，净化效果最佳；增加人工填料厚度可以提高对污染物浓度的净化效果，填料厚度为60 cm时，综合去除率为56.61%，污染物净化效果最佳；淹没区深度的变化对氮素净化效果的影响比较明显，40 cm淹没区深度时TN去除率为50.84%，净化效果最佳；黄杨和黑麦草植物组合净化效果最佳，在NO3--N的净化效果方面，相比于水蜡+麦冬草，前者可将净化效果提升10%左右。

蒋春博[8]通过研究不同填料组合的生态滤沟中试试验装置影响因素、间歇运行效果等，考察氮素污染物在生态滤沟系统中的运行效果，并探究影响因素与水量削减率和TN去除率之间的相关关系。研究发现以粉煤灰+沙为人工填料层的生态滤沟水量削减率和峰流量削减率比较稳定，分别集中在58.59%～67.93%和71.99%～86.44%，而以高炉渣为人工填料层和填料层为纯种植土的生态滤沟水量削减率和峰流量削减率波动较大。三种填料生态滤沟系统对氮素污染物的负荷削减率较好，均在40%以上。人工填料下渗率是影响生态滤沟水量削减率最重要的影响因素，填料是影响生态滤沟氮素去除效果最重要的影响因素，TN去除率与填料因子大小和淹没区高度成正相关，与雨前干燥期、入流浓度和入流水量成负相关。

杨茗[17]在2017年实验得出混合填装的滤料对COD的去除率明显高于比面填装的滤料，混合填装的滤料中去除率最高是砾石+炉渣，COD去除率达到83.34%。雷婷婷[18]用了三种填料(高炉渣、高炉渣+沙、种植土)来分析除磷效果，结果表明高炉渣作为填料的除磷率最高。赵静[19]等通过生态滤沟土柱模拟径流试验，分析了在3种填料中添加不同有机质的生态滤沟对地表径流中氮磷等物质的去除和水文响应效果，结果表明基质为陶粒+碎木屑的系统有较好且稳定的净化效果，其COD、TN和TP平均去除率分别为86.4%、60.5%和97.9%，且碎木屑优于草炭土；添加草炭土的系统有更高的TP去除率，但相差不大；生态滤沟对模拟径流均有较好的渗透性能，添加草炭土能提高系统削峰减量效果；研究结果还提出在工程应用中，可根据需求在填料中添加10%左右的有机质，以提高生态滤沟对氮磷等物质的去除及洪峰削减效果。

李鹏[20]等根据西安市降雨特征和道路雨水径流水质状况，利用6条不同填料配置的生物滞留槽进行中试实验，探究填料种类、组合方式、厚度、污染物特性、植被条件对生物滞留槽净化效果的影响，并将净化效果与各因素之间的相互关系及协同作用进行集成化模拟，发现以45cm粉煤灰为填料、黄杨+麦冬草为植被的组合形式对污染物的去除效果最好。

4 结语

生物滞留技术以其净化水质的高效性在美国等发达国家得到了广泛的认可和应用，但在我国对生物滞留技术的研究多数仍为模拟实验，主要研究内容多以水量削减效果和水质水量状况、填料选择等设计参数对污染物净化效果的影响以及污染物净化机理的研究，工程实践研究尚少。在今后的研究过程中，如何积累更多充足有效的数据，结合区域气候和城市规划，合理选择设计参数，用于工程实践，以达到良好的环境效益，应该是生物滞留措施研究的热点。