典型低影响开发技术控制城市面源污染研究进展

许浩浩，吕伟娅

(南京工业大学，江苏 南京 211816)

随着中国城市化的快速发展，渗水地表被硬化的不透水地面所替代，加剧了城市面源污染，城市水环境恶化已成为制约中国城市可持续发展的核心问题。据美国环保局的报告显示：美国江河湖海中三分之二的污染负荷来自于面源污染，其中55%的首要污染源就是城市雨水径流污染，雨水径流成为造成全美水体污染的第三大污染源[1]。中国2016年水资源公报指出：118个湖泊水质评价中低于Ⅲ类水质标准的湖泊占比高达76.3%；湖泊营养状况评价结果显示，三分之二以上湖泊为富营养湖泊，城市水环境面临严峻挑战。目前，虽然点源污染得到了有效的控制，但以雨水径流为主的面源污染已成为中国城市水体污染的主要来源[2]。为解决城市化带来的水环境污染、水生态破坏和水资源短缺等一系列的突出水问题，中国相继引入国外多种现代城市雨水管理的设计理念和技术措施，例如美国的低冲击开发模式和暴雨最佳管理措施、澳大利亚的水敏性城市设计以及英国的可持续城市排水系统等[3]。

为了有效控制城市内涝、削减雨水径流污染和实现雨水资源化，在借鉴国外发达国家对城市雨水径流控制方面成熟的理论成果和实践经验的基础上，我国实行低影响开发的建设模式，提出了建设海绵型城市。但是目前主要集中于低影响开发技术削减雨水径流量和削减洪峰方面的研究，对于运用低影响开发技术控制城市面源污染的效果及影响因素等方面研究较少，有待进一步的研究以发挥低影响开发技术对城市雨水水量和水质的综合控制效果。

1 低影响开发技术概述

低影响开发(LID)是在暴雨最佳管理措施的基础上逐步完善发展而来的，其核心理念是维持城市场地开发前后的水文特征保持不变，减少对环境的冲击和破坏，主要通过构建分散的、多样化的和小规模的源头控制措施对雨水径流进行滞蓄、渗透、存蓄、净化[1]，以达到削减暴雨径流量峰值、延缓峰值时间、改善雨水径流水质和补给地下水、促进雨水资源利用和水生态环境保护的目的。目前，中国应用较为广泛的LID措施主要包括透水铺装系统、绿色屋顶和生物滞留池等，均是通过减少不透水面积、增加雨水渗透和净化来实现对城市雨洪的可持续管理。

2 低影响开发技术控制径流污染

2.1 透水铺装系统控制径流污染

表1 透水铺装系统净化径流污染效果 %

王俊岭等[9]研究陶粒、沸石、膨润土和粉煤灰对污染物的削减效果，结果表明，沸石对TN的削减效果最佳，膨润土对TP、COD和Cu2+的削减效果最好。因此建议将沸石作为骨料，膨润土作为添加剂制成改性基层，这样可以大幅度提高去污能力。试验显示[10]，相比石英砂和碎石，水泥对COD、TP和TN的吸附作用显著，最大吸附量分别达到了2.00、0.65、1.45 mg/g，因此水泥可作为面层或基层的改性材料。Giridhar等[11]采用砂、沸石、铁粉和方解石等材料改性透水路面面层，结果表明，优化后的系统对氮磷的去除效率稳定而高效。Seung等[12]研究显示，采用10%人工沸石、10%硅灰和3%玻璃纤维制作面层的透水路面对氮和磷的去除率高达85.71%和89.29%。

上述研究表明，透水铺装系统通过面层及基层的过滤、吸附和截留以及微生物的吸收等作用可以有效去除径流中多种污染物，但对氮磷的去除率较低，因此可以通过改良面层和基层材料及优化其组合配比来强化系统脱氮除磷的效果。

2.2 绿色屋顶控制径流污染

表2 绿色屋顶净化径流污染效果 %

Chen等[17]研究表明，颗粒物粒径越小，有机质的含量越高，运行时间越长，绿色屋顶对污染物的净化效果越好；夏季和秋季屋顶径流中污染物浓度比春季和冬季污染物浓度要低；根茎细长、抗旱耐涝、适应性强的植物对径流水质有显著的改善，而植物丰富度对绿色屋顶的净化效果没有显著影响。Shen等[18]研究表明，厌氧稳定污泥会造成TP和TN的大量淋失，给水厂污泥能有效控制TP淋失，稻壳炭能有效控制TN淋失。因此，建议以给水厂污泥或稻壳炭为土壤改良剂来达到增强系统脱氮除磷的效果。张彦婷等[19]试验得出当田园土、珍珠岩和椰糠的比例为1∶1∶2时，绿色屋顶的水质净化效果最佳。Shen等[20]试验显示，绿色屋顶对PAHs的平均负荷削减率高达71.76%，设施对PAHs的去除率随基质层厚度的增加而增大。Zhang等[21]研究表明，绿色屋顶本身的基质材料可能会成为氮磷污染物的释放源，提出以珍珠岩、沸石、膨润土、蛭石和粉煤灰等作为改良剂可以提高去除效果。还发现，基质层厚度与污染物去除率存在正相关关系，对污染物的吸附作用随基质层厚度增加而增强。

上述研究表明，绿色屋顶对污染物的去除效果受基质材料及厚度、坡度、季节、降雨强度及植被类型等因素影响，表现出对氮磷的处理效果较差，但通过土壤基质的吸附截留、植物以及微生物的吸收作用可以有效去除径流中的重金属、悬浮物和COD等污染物。因此，为了提高绿色屋顶脱氮除磷的效果，可以从改良土壤基质及优化组合配比、适当增加基质层厚度和延长运行时间等方面进行优化。

2.3 生物滞留池控制径流污染

表3 生物滞留池净化径流污染效果 %

仇付国等[25]研究表明，15%铝污泥和85%沸石作为填料并设计淹没区后的生物滞留池对磷和重金属的控制能力大幅度增加。胡爱兵等[26]试验得出以65%河沙、5%～10%营养土和5%～30%壤质土为填料时，生物滞留池的净化效果最好。罗艳红[27]经过试验，优选出5%粉煤灰、5%有机质和90%河沙组成混合填料的生物滞留池对磷的削减效果最好。Xu等[28]研究表明，当沸石、麦饭石、铝污泥、河砂的配比为3∶1∶1∶5时，系统对污染物的净化效果最佳。钱佳欢等[29]研究表明，生物滞留池对Cu、Zn和Pb等典型重金属的去除效果较好，去除率分别为70.9%～98.1%、77.6%～98.5%、71.7%～98.6%，且去除率受进水浓度影响较小；土壤层对重金属的去除率最高，添加沸石可以增加重金属的去除效果，去除率最高可增加40%，而植物对重金属的去除影响不大。Chen等[30]指出选择植物时应选用常绿的本土植物，注重混合种植和景观协调，同时要多选择功能性植物，其数量不能小于50%，特别是具有脱氮除磷能力的植物。此外，还要注意种植密度及种植时间。

上述研究表明，生物滞留池通过填料、植物和微生物等的过滤、吸附、吸收和降解等作用可以显著去除径流中的重金属、TSS、COD和油脂等污染物，但对氮磷处理效果较差。因此，可以通过基质改良及优化组合配比、设计淹没区和配置植物等提高处理效果。

3 结论与展望

低影响开发技术作为海绵城市建设的核心，可以有效缓解城市内涝以及控制城市面源污染问题。但目前中国对于低影响开发技术主要集中在消纳暴雨径流方面的研究，缺乏对径流污染的削减效果及去除机理的研究。因此，为了能充分发挥低影响开发技术对面源污染的控制效果，今后应从以下两点进行研究：①深入研究各种低影响开发技术对径流污染物的去除机理及影响因素，通过建立水质净化效果与影响因素之间的水质模型，从结构设计、基质改良及优化组合配比和运营维护管理等角度出发，找出优化低影响开发技术对污染物净化效果的方法；②重点研究多种低影响开发技术之间串联的效果，将透水铺装系统、绿色屋顶和生物滞留池等结合起来，共同发挥对污染物的净化效果，尤其是对氮磷的去除，同时运用智慧化管理思想，将物联网、大数据及计算机等现代化信息手段运用在低影响开发技术的日常维护中，使其高效发挥对径流污染的控制能力。