低影响开发技术控制雨水径流重金属污染研究进展

，

(南京工业大学，江苏南京211816)

随着城市化进程的不断加快，不透水下垫面面积快速增加，不透水地表累积的大量营养物质、悬浮物、碳氢化合物和重金属等污染物，在降雨淋溶、冲刷等作用下随雨水径流进入受纳水体，造成城市水体的严重污染[1]。Wu等[2]研究表明，降雨径流带入水体的Zn、Cu、Pb和Cd分别占水体总含量的13%、78%、47%和46%。李敦柱[3]研究发现，城市雨水径流排放的Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的负荷分别为97.8、112.6、29.6、181.8和723.4 kg/a，其中道路径流排放的重金属负荷占比高达58%。与N、P、COD和TSS等污染物相比，重金属污染物在水体中具有高稳定性和难降解性，不仅会破坏水生生态系统，还会通过食物链富积作用危害人类健康[4]。研究显示[5]，国内外大部分城市降雨径流中重金属浓度普遍高于GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准，以城市雨水径流为载体的重金属污染已成为地表水环境重金属污染的重要来源。

近年来，为了能有效控制城市雨水径流污染，各国都在积极寻求新型的雨洪管理措施。低影响开发技术(LID)采用源头、分散式的措施通过渗、滞、蓄、净、用和排等方式可以有效控制暴雨径流量和径流污染，从而减小场地开发前后的水文特征变化。目前国内外应用较为广泛的LID措施主要包括透水铺装系统、生物滞留池和绿色屋顶等，其中国外对低影响开发技术在控制暴雨径流量和城市面源污染方面的研究比较深入，而国内对在控制城市面源污染方面的研究则相对滞后，尤其是对重金属的去除效果、净化机理及影响因素的研究。因此，研究上述3种低影响开发技术对雨水径流中重金属的净化效果及优化措施，对于高效控制城市雨水径流重金属污染具有重要意义。

1 透水铺装系统控制重金属污染

Laurent等[6]研究表明，透水路面对常规重金属污染物具有良好的净化效果，其中对Pb、Zn和Ca的去除率达到了74%～99%、73%～99%和98%～99%，而对Cu的去除效果不稳定，去除率在20%～99%之间。Wang等[7]研究显示，经透水砖和透水网格处理后的重金属出水浓度均达标，但透水网格对重金属的去除率低于透水砖。Wang等[8]研究显示，透水混凝土面层和多孔隙水泥稳定基层对Zn、Pb和Cu 的去除起到主导作用，透水混凝土面层对Zn、Pb和Cu去除率分别为43%、47%和49%，多孔隙水泥稳定基层对Zn、Pb和Cu去除率分别为34%、30%和29%，级配碎石基层对Zn、Pb和Cu 的去除贡献最小。Wang等[9]试验表明，以硝酸铁浸泡过的石英砂作为基层改性材料的透水路面对径流中Zn、Cd、Pb、Ni、Mn和Cu具有显著的削减效果，平均削减率在80%以上，而对Ca、Mg的削减效果不理想，其出水浓度反而高于进水，认为是基层材料中Ca、Mg出现了溶出现象，还发现以煤矸石作为基层材料的透水路面也发生了金属离子的溶出现象，而以石灰石、砾石和花岗岩为基层材料的透水路面则没有出现这种现象。

王俊岭等[10]研究陶粒基层、沸石基层、膨润土砾石基层和粉煤灰砾石基层对重金属的净化效果，结果表明，膨润土砾石基层对重金属的吸附效果远远大于其他3种基层，其次为沸石基层﹥陶粒基层﹥粉煤灰砾石基层。Baden等[11]选择20 mm粒径的石英岩和白云石作为透水混凝土基层材料并将基层厚度设置为380 mm，结果表明，优化后的系统对重金属的去除效果稳定且高效，平均去除率高达94%～99%。Giridhar等[12]采用天然沸石、方解石、砂石和铁粉作为面层和基层的改性材料，改良后的系统对重金属的去除率最高达到了100%，最低也在60%以上。王俊岭等[13]试验显示，陶粒、沸石和砾石对Cu的吸附能力强弱依次为：沸石﹥陶粒﹥砾石，沸石对Cu的饱和吸附量达到了7.032 mg/g，沸石和陶粒比砾石对于Cu的吸附量分别提高了87%和58%，因此可选择沸石或陶粒作为优化透水路面去除重金属的材料。

研究表明[2]，降雨径流中的颗粒态重金属在随雨水下渗过程中，易被截留在透水路面面层和基层材料的孔隙中，而溶解态金属离子易与透水路面材料发生化学吸附、化学反应和同晶置换等作用并被截留在系统结构层中。总的来说，透水铺装系统对径流中的大部分重金属有显著的净化效果，基层和面层材料可以增加对重金属的去除率，但同时也可能成为重金属的释放源。因此选择合适的面层或基层材料并优化其组合方式可以大幅度增加对重金属的去除率。

2 生物滞留系统控制重金属污染

钱佳欢等[14]试验表明，生物滞留系统对道路径流中Cu、Zn和Pb有较好的去除效果，去除率分别为70.9%～98.1%、77.6%～98.5%和71.7%～98.6%，出水浓度均优于GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅰ类标准，且去除率受进水浓度和植物的影响不大，土壤层对重金属平均去除率最高，对Cu、Zn和Pb 的去除率分别为73.3%、85.2%和61.2%，添加沸石层可增加40%的去除效率。Yin等[15]研究显示，生物滞留系统对重金属的平均去除率高达90%，对重金属的的削减率由大到小依次为：Zn﹥Cu﹥Pb﹥Cd，其中对Cu的削减效果不稳定，削减率在25%～96%之间，还发现系统中有机质与重金属有较好的正相关性，添加碳源或有机质可以提高重金属的去除率。 Georgina等[16]研究表明，壤土、硬木、松树、锯末和硅沙等覆盖物可以有效滞留Cu、Pb等重金属，且覆盖物对重金属的削减效果由小到大依次为：硅沙﹤壤土﹤锯末﹤松树﹤硬木。Wang等[17]研究以细沙、沸石、砂土和石英砂分别与木质素混合组成的复合生物滞留系统对重金属的削减效果，结果表明，4种复合介质对Pb2 +的削减率均超过98%，且削减率较稳定，细沙复合介质对重金属的削减能力大小顺序为Pb2+﹥Cu2+﹥Zn2+﹥Cd2+，沸石复合介质为Pb2+﹥Cd2+﹥Cu2+﹥Zn2+，沙土复合介质为Pb2+﹥Cd2+﹥Zn2+﹥Cu2+，石英砂复合介质对Pb2+、Zn2+和Cd2+的去除率均超过99%，降雨径流中重金属浓度、介质厚度和降雨历时对系统去除重金属的影响较小，pH对系统去除重金属的影响较大，酸性条件下，4种复合介质均存在明显的重金属溶出过程，且pH越低，重金属溶出量越多。

Qiu等[18]研究表明，TSS与重金属有较好的相关性，进水中含有较多TSS的生物滞留系统对Pb的去除率比进水中没有TSS的系统提高了32%，当进水中含有较多的TSS时，系统对Pb的去除率高达98%，还发现温度对Pb的去除率影响较小，而对Cu的去除影响较大，系统在8月份对Cu的去除率比4月份提高了12%。Guo等[19]试验显示，粗砂、细沙和黏土对Cd的去除率为77.2%，对Cu、Pb、Cr和Zn 的去除率均在92.9%以上，且介质类型、介质填装方式和粒径级配等因素对重金属的净化效果影响较小。高晓丽等[20]研究表明，设置淹没区并添加碳源的生物滞留系统可以提高对Cu 的去除率，但对Pb和Zn的去除率影响不大，与未设置淹没区的生物滞留系统相比，设置600 mm淹没区的系统对Cu的去除率提高了8%，去除率高达98%。李平等[21]研究显示，设计浸润区的生物滞留系统能减小旱天的负面影响，使Cu2+的去除率增加12%，Pb2+浓度基本低于检测值，还发现大多数生物滞留系统都能有效去除重金属污染物，认为出现重金属去除率低的情况可能是由于缺少对系统的日常运营维护和管理。阮添舜等[22]研究表明，砂壤土、珍珠岩及蛭石组成混合填料的生物滞留系统对重金属有较好的去除效果，还发现微生物对重金属的去除有显著影响，黑根霉可大量快速地吸附Cu2+、Ni2+、Pb2+、Zn2+和Cd2+等多种重金属离子，大肠杆菌、枯草杆菌和酵母菌可以有效吸收径流的Cu2+和Cd2+。

研究表明[23]，生物滞留系统通过填料和土壤的过滤、物理截留和吸附或微生物和植物的吸收作用可以有效去除径流中的重金属污染物，同时通过改良填料基质及优化组合配比、添加碳源、设置淹没区和配置植物等方法可以增加系统对重金属的削减率。

3 绿色屋顶控制重金属污染

Sarah等[24]研究表明，以黏土和松树皮为基质层的绿色屋顶对降雨径流中Cd、Fe、Ni、Pb和Zn的削减效果不理想，均发生了重金属溶出现象，导致出水浓度明显高于进水。Gnecco等[25]试验表明，绿色屋顶对金属污染物的净化效果较好，其重金属出水浓度普遍低于裸露屋顶。但有研究表明[26]，绿色屋顶能够去除径流中大部分的污染物，但是对重金属的去除效果较差，产流中Cu、Pb、Zn和Fe的浓度高于普通屋顶。Vijayaraghavan等[27]研究显示，绿色屋顶对重金属污染物的净化效果与土壤基质的组成和降雨特征有关，基质重金属含量低的绿色屋顶对重金属的去除率较高，降雨初期大部分金属离子浓度均非常高，但随着降雨历时的延长，绿色屋顶径流中金属离子浓度显著降低。Alar等[28]研究表明，与草皮屋顶相比，绿色屋顶对重金属的去除效果较好，其产流中Ca2+、Mg2+等浓度普遍较低，还发现土壤中有机质含量、降雨量和使用年限等均会对绿色屋顶净化重金属污染的效果产生影响。

Vijayaraghavan等[29]选择珍珠岩、碎砖石、蛭石、砂子及粉煤灰组成的混合基质，研究对重金属的削减效果，结果发现，虽然在运行初期Al、Fe和Zn等金属浓度会上升，但随着时间的延长，Al、Fe、Zn、Cr、Cu、Ni、Pb和Ge等金属的浓度都显著降低，且出水水质优于美国环境保护局的水质标准，改良后的绿色屋顶对重金属的去除率显著增加。Wang等[30]研究表明，以无机质、膨胀珍珠岩和蛭石组成的复合基质的绿色屋顶对重金属有良好的净化效果，其出水浓度显著低于进水。闫立健[31]试验显示，与混合单层基质的绿色屋顶相比，双层基质的绿色屋顶对重金属的去除效果更好，且去除速率较快，受降雨强度的影响很小，其中对Zn、Pb和Mn的去除率分别提高了29%、22%和11%。章茹等[32]研究表明，基质层厚度与污染物去除率存在正相关关系，绿色屋顶对重金属等污染物的吸附作用随基质层厚度的增加而增强，除了基质材料和基质层厚度外，屋顶坡度、季节、植被种类以及运行时间等均会对绿色屋顶的净化效果产生影响。Chen等[33]研究指出，耐旱抗寒、喜光耐瘠、冠幅越大和根系生物量大的植物对重金属的去除具有重要意义，其中草坪的滞蓄净化能力最强，禾本科植物次之，景天科植物最差，且发现植物丰富度对绿色屋顶净化截流的效果影响很小。

研究表明，绿色屋顶通过土壤基质吸附截留、植物和微生物吸收等作用可以有效去除径流中大部分的污染物，但是其净化效果受基质材料、基质厚度、降雨条件、运行时间以及植物类型等因素影响，因而对污染物的去除率波动较大。因此，选择合适的基质材料及厚度、配置净化能力强的植物和增加运行时间等方法可以显著提高绿色屋顶的水质净化效果。

4 结论与展望

随着城市化的快速发展，低影响开发技术因具有快速消纳暴雨径流和控制城市面源污染的特点正在日益得到广泛地使用。目前，中国对低影响开发技术的研究主要集中在降雨径流调控方面，缺乏对低影响开发技术对污染物的去除机理及去除效果方面的研究。因此，为了提高低影响开发技术对径流污染的削减效果，对中国该技术今后的发展提出2点建议：①深入研究各种低影响开发技术对径流污染物的净化效果及机理，从重金属、氮磷和有机物等常规污染物逐渐扩展到特殊污染物(如多环芳烃、病原微生物)，建立相应的水质模型，在确定净化机理的基础上，重点研究优化低影响开发技术净化效果的措施，如对于生物滞留池，可以从填料类型及优化组合配比、植物类型和优化结构设计等方面着手，以期最大化提升低影响开发技术的净化效果；②注重低影响开发技术的层级构建，将透水铺装系统、生物滞留系统、绿色屋顶以及下凹式绿地或其他低影响开发技术相结合起来，共同发挥对污染物的处理能效，同时加强对低影响开发技术的运营管理，保障各项技术能在降雨期间高效稳定的发挥对污染物的削减作用。随着海绵城市的建设，低影响开发技术将在缓解城市内涝、控制城市面源污染等方面发挥更大的作用。