海绵城市生物滞留设施关键技术研究进展

李家科，张兆鑫，蒋春博，王书敏

(1.西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 710048；2.重庆文理学院环境材料与修复技术重庆市重点实验室，重庆 402160)

我国城市化进程加快,导致城市内涝、水资源短缺、水环境恶化以及生态退化等问题日益凸显。加强城市雨水径流的控制和利用，可以有效缓解这些问题[1]。城市雨水径流中含有大量的污染物[2-3]，必须重视对雨水径流污染物的控制，这与合理利用雨水资源、生态环境建设与可持续发展直接相关[4-5]。如何应用雨水管理设施回用雨水资源，是当前雨水调控应用研究中的热点问题[6]。海绵城市生物滞留设施是适用于分散式雨水处理与利用的代表性生态设施[7-9]，但目前仍旧存在一些问题制约其运行效率及寿命，国内外学者针对这些问题开展了相关研究。本文从填料改良、工艺参数设计、填料污染修复等方面进行总结并就其发展方向进行展望。

1 生物滞留设施填料改良研究进展

生物滞留设施中填料对地表径流水量削减和水质净化起到关键作用，是发挥生物滞留设施功能的关键因素。为提高生物滞留设施运行效果的填料改良,已成为国内外研究的热点问题。现有的生物滞留设施填料主要分为分层填料和混合填料两类。国外在填料的选取方面已开展了大量研究，且大多采用混合填料的方式设计建造生物滞留设施[10]，国内大多数填料的设计则都是基于国外的研究经验。在生物滞留设施填料改良中，需综合考虑填料对雨水径流水量削减和水质净化的能力。

1.1 生物滞留设施填料改良对水量削减作用

生物滞留设施可通过土壤蓄滞以及截留作用使城市降雨径流的流速降低，削减洪峰流量，从而使进入城市雨水管网的水量减少，起到保护老旧城市雨水管网、缓解下游管网压力和城市内涝的作用[11]。近年来，国内外对改良填料生物滞留设施的水量控制研究主要集中在填料的渗透性、持水能力和成本等方面。Jay等[12]选取60%～80%砂质土壤、5%～10%有机质及小于5%黏土作为生物滞留设施的填料，研究表明该填料具有较好的渗透性能，且成本较低。Coustumer等[13]通过试验发现，随着水力负荷的增加，土壤/填料的渗透率存在快速降低—稳定—快速降低3个阶段，同时由于水力压实和沉积物等的联合作用而出现堵塞现象，最终土壤渗透系数减小。高晓丽[14]研究了添加不同改良剂对生物滞留设施填料持水性的影响，结果表明，蛭石、草炭土及珍珠岩等改良剂的添加能有效提升填料的持水性，同时，填料的持水性直接影响填料储水量及植物生长状况。Jiang等[15]对中试规模的生物滞留设施进行研究，发现50%粉煤灰+50%砂具有相对稳定的水量和峰值流量削减率，可作为生物滞留设施改良填料用于降雨径流水量削减。可见，生物滞留设施中填料对水量的削减起到关键作用，在生物滞留设施的提效关键技术研究中，必须考虑填料改良对水量削减的效果。

1.2 生物滞留设施填料改良对水质净化作用

生物滞留设施中，填料对水体中悬浮物、油脂类有机物、重金属、营养物(氮、磷)和其他特殊性污染物(病原微生物、有机微污染物)的去除起到关键作用[16]。传统生物滞留填料BSM(bioretention soil media)配比为30%～60%沙、20%～30%表层土以及20%～40%的有机物质，净化效果不太理想。传统生物滞留设施填料的水质净化效果并不稳定，国外已开展大量改良填料的研究，即通过改良剂的投加来提升设施的水质净化效果。改良剂的筛选应遵循易于获取、成本适中、本地适用性等原则，且能够增加生物滞留填料的通透性、比表面积、吸附能力，其中，目前应用较广的改良剂有给水厂污泥WTR(water treatment residuals)、蒙脱石MMT(montmorillonite)、海绵铁、草炭土等[17-19]。

从目前来看，在悬浮物、油脂类有机物和重金属的去除上，生物滞留设施表现出较为稳定的运行效率。降雨径流中的总悬浮固体TSS主要通过填料的过滤、沉淀和吸附等作用被滞留，Jiang等[20]对生物滞留设施进行现场监测，结果发现植生滞留槽、雨水花园对径流中的TSS负荷削减率均不小于90%，且保持稳定。生物滞留设施对可生物降解的油脂类有机物也有很好的去除效果，Hong等[21]发现有机碳在生物滞留设施中可被有效去除，去除率达到 83%～97%，有机碳在被填料吸附后3～10 d可被生物降解。生物滞留设施对重金属的净化研究一般选择Cu、Zn、Cd、Pb作为代表。Li等[22]研究不同改良填料的生物滞留柱，发现BSM+10%WTR、BSM+10%绿沸石和BSM+10%麦饭石对Cu和Zn的平均负荷削减率大于80%。

同时，还必须考虑其他特殊性污染物,如病原微生物及有机微污染物。生物滞留设施能够有效地降低雨水中病原微生物的数量[32]。Lau等[33]采用生物炭作为改良剂，对生物滞留设施填料进行改良，结果表明在进水大肠杆菌浓度为0.3×106～3.2×106CFU/mL(CFU为菌落形成单位)时，去除率达到了98%以上；Chandrasena等[34]研究发现生物滞留设施对大肠杆菌的去除率可达到90%以上。但根据目前报道，生物滞留设施对病原微生物的去除效果具有不一致性，需要进一步对填料进行改良以满足雨水径流的病原体去除标准[35]。降雨径流中有机微污染物(organic micro-pollutants)主要包括持久性有机污染物(persistent organic pollutants, POPs)，如多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)[36]、多氯联苯(polychlorinated biphenyls, PCBs)[37]、有机氯农药(organochlorine pesticides, OCPs)等。目前，对生物滞留设施填料与有机微污染物的去除已开展了一定研究。Boving[38]通过现场试验研究了不同设计条件下生物滤沟对10种PAHs的去除效果，结果表明，溶解相PAHs的平均去除率可达67%，与滤料量呈正相关关系；LeFevre等[39]的研究结果表明，生物滞留设施中填料的吸附对萘的去除贡献可达总去除率的一半以上。这也就意味着在生物滞留设施提效研究中，必须重视填料改良，提高生物滞留设施对上述两类特殊性污染物的去除效果。

综上所述，在填料改良方面，国外研究起步较早，相关设计规范也较为完善，而国内对于填料的选择标准都基于国外的经验[13]。但是，由于国内外存在地理差异，国内外土壤类型、水文气象、交通条件等不同，径流特征也大不相同，国外的填料选择标准在国内难以直接应用。结合目前关于生物滞留设施水量削减、水质净化的研究来看，对于填料及其改良研究还存在很大空间，国内外大多数研究多偏向于生物滞留设施对常规污染物的净化效果，对特殊性污染物(病原微生物及有机微污染物)去除的研究鲜见；大多数研究只是偏向于各类污染物的短期净化效果，缺乏对改良填料生物滞留设施长期水质净化效果的研究。深化这方面的研究，可为该技术更好地应用于城市面源污染控制提供参考。

2 生物滞留设施工艺参数设计研究进展

在海绵城市建设中，各地所处地理环境不同及对雨水控制效果的要求不同，建立生物滞留设施水量和水质模拟模型，可得到最佳设计参数[40]。

2.1 生物滞留设施污染物迁移转化机理

2.2 生物滞留设施模型模拟

目前较为典型的低影响开发(LID)单项设施模拟模型有RECARGA、DRAINMOD和HYDRUS等，国内外基于这些模型开展了一定的研究。孙艳伟等[43]利用RECARGA模型，模拟了生物滞留设施的水文特性，发现径流削减幅度、地下水补给幅度和积水时间受生物滞留池面积的影响最为显著。Brown等[44]应用DRAINMOD模型对美国两地的生物滞留设施进行模拟，结果表明，两处生物滞留池排水和蒸散发模拟效果良好。唐双成等[45]利用DRAINMOD模型，建立了雨水花园蓄水层深度与其长期运行效果之间的关联，发现蓄水层深度与雨水花园的水量削减和水质净化呈正相关关系。Li等[46]通过生物滞留设施中试和HYDRUS-1D软件，构建了不同填料生物滞留池中水分运移及溶质迁移转化模型，明确了不同情景下生物滞留池对水量和水质的调控效果。殷瑞雪等[47]应用HYDRUS模型模拟了水分、污染物在生物滞留设施中的运移特征以及生物滞留池的产流过程。但是，这些现有模型均存在一定的局限性，如RECARGA模型是专门用于生物滞留设施水力模拟的模型，不能对溶质的运移情况进行模拟；DRAINMOD模型只能模拟氮素和盐分的运移情况，不能模拟重金属等其他污染物在土壤/填料中的运移情况；HYDRUS模型是一种物理模型，对生物滞留设施中化学反应和生化反应的模拟能力存在不足。

同时，相关学者也提出了一些模型。Li等[48]对生物滞留设施中磷素的吸附机理进行了研究，发现磷素的吸附作用主要分为两步：快速吸附及慢速吸附，前者主要集中发生在磷素进入设施后通过高度可逆的静电离子交换反应进行吸附；后者是基质内部慢速不可逆的单/双配位体吸附反应，快速吸附的污染物逐渐转移到内部的慢速吸附位上。在降雨径流入流期间，快速吸附起主导作用，而在非降雨期间，慢速吸附起主导作用。在此基础上，Li等[46]建立了基于填料平衡浓度Ceq假设的出水磷浓度预测模型，但在具体实践中，仍旧需要对该模型进行进一步检验。Bäckström[49]虽然根据生物滞留设施水力停留时间和颗粒沉降速度之间的关联性提出了经验性公式，但该公式必须遵循较为严苛的使用条件。Deng等[50]基于可变的停留时间模型，建立了VART-DN(variable residence time)模型，该模型在设施处理初期雨水反硝化过程方面具有较好的模拟效果。可见，在水质模拟方面，现有的生物滞留设施水质模型大多只能对有限的污染物运移过程进行模拟，针对污染物迁移转化及归趋的模型相对较少，并且多使用基于监测数据分析的经验公式。因此，亟须通过模型深度开发模拟生物滞留设施中污染物的迁移转化过程。

总之，从目前的相关研究来看，在明确生物滞留设施污染物迁移转化机理的基础上，建立精度高、灵敏度强、使用范围广、适用于多种污染物水质水量耦合机理的模型是今后研究的重点。

2.3 生物滞留设施设计参数优化

生物滞留设施现有设计方法主要包括：基于达西定律的渗滤法、蓄水层有效容积法、基于汇水面积的比例估算法、基于水量平衡分析的设计方法、基于单场次降雨分析的生物滞留设施规模设计方法和基于长系列降雨统计的生物滞留设施规模设计方法[51]等。总体而言，这些方法都存在一定的局限性，在选择使用时要分析生物滞留设施的结构特点、功能侧重、设计标准和所在地的土壤特性等因素，同时，要考虑设计优化。因此，优化生物滞留设施内外部因素如重现期、汇流比、进水浓度、蓄水层厚度、种植土层厚度、人工填料厚度、淹没区高度等，提升对径流污染物的去除效果，是提升生物滞留设施运行效率的关键技术。目前，国内外对生物滞留设施设计参数优化开展了一定研究。Jiang等[52]研究表明重现期及汇流比的设计对污染物负荷削减至关重要，当重现期从0.5 a增加为3 a时，TN的负荷削减率降低15%，当汇流比从10∶1增加至20∶1时，TN负荷削减率降低12%。蒋春博等[9]通过大量模拟降雨试验并结合数值模拟与理论分析方法，研究了内外部因素对生物滞留设施水质水量调控效果的影响，建立了水质、水量调控效果与填料组合方式、填料厚度、淹没区深度及植物条件等各因素之间的多元偏最小二乘回归模型。王书敏等[53]针对山地城市暴雨径流污染特性和山地城市地形特点，提出一种山地城市道路径流阶梯式脱氮装置，研究表明植物类型、外加碳源、系统流态3个因子对系统运行的效能均有一定影响。蒋春博等[9]研究表明，生态滤沟在150 mm淹没区高度条件下的综合去除率(各污染物去除率的平均值)优于没有淹没区条件和淹没区高度为350 mm下的去除率。但是，在生物滞留设施中，由于影响其去除效率的因素较多，针对目前的研究而言，这些实际的试验结果存在许多不确定性。因此，在利用数学模型对水分和溶质的运移进行数值模拟基础上，通过模型和试验相结合的方法来研究生物滞留设施的填料类型、填料层厚度、降水量大小、污染物浓度等对净化效果的影响，探讨适宜的运行条件，优化设计参数，可为生物滞留设施的提效提供依据。

3 生物滞留设施填料污染修复研究进展

目前，国内外研究人员已经针对生物滞留设施去除TSS、TN、TP、COD等常规污染物的效果开展研究，但对有机微污染物特别是持久性有机污染物在生物滞留设施中去除过程、生态毒性及修复方面的研究较为鲜见。

3.1 生物滞留设施有机微污染物去除过程

城市建设开发后，雨水径流中的污染物由开发前的面上整体消纳，逐渐转变为开发后的点上集中入渗，进而被生物滞留设施去除[54]。由于雨水径流中的有机微污染物都具有生物蓄积性、持久性、长距离迁移性等特征，对生物滞留设施去除有机微污染物的过程需要进行深入研究。研究表明，生物滞留系统主要通过填料吸附、植物吸收、微生物降解和挥发等作用去除径流中有机微污染物[55-56]。但是，关于生物滞留系统去除雨水径流中典型有机微污染物的具体过程及机制的研究并不多见，或只局限于小型试验研究，如LeFevre等[39]就在实验室模拟生物滞留系统进行研究，明确了不同途径对PAHs的去除贡献率，生物滞留系统对PAHs的去除率可达到80%左右，其中填料吸附贡献率为56%～73%，生物降解的贡献率为12%～18%，植物吸收贡献率为2%～23%，而挥发几乎不起作用(贡献率低于1%)。Diblasi等[55]通过对雨水花园的长期监测，发现雨水花园对降雨径流中的PAHs有很好的去除效果，年平均负荷削减率可达87%。刘梁[57]对生物滞留池中累积的PAHs进行了监测，结果表明，接纳道路雨水径流的生物滞留池土壤中有12种PAHs超标，最高超标倍数更是达到了979.4倍，且PAHs浓度在设施入流口处的土壤中最高。目前，生物滞留系统去除有机微污染物的研究仅针对PAHs(如萘、芘等)，对其他有机微污染物PCBs、OCPs等的研究较少，对于降雨径流中新型污染物(emerging contaminants, ECs)的研究更少。同时，相关研究也多局限于小型试验研究，对于生物滞留设施去除有机微污染物的实际运行效果研究鲜见。因此，针对以上问题，需对生物滞留设施去除有机微污染物开展系统性研究，提升其对有机微污染物的生物降解效率，防止有机微污染物在土壤累积并进入地下水，造成进一步污染。

3.2 生物滞留设施有机微污染物生态毒性

虽然雨水径流中有机微污染物能够有效被生物滞留设施去除，但大多数是被土壤/填料所吸附截留。有机微污染物的累积不仅存在污染风险，也威胁生物滞留设施的使用寿命。有关有机微污染物累积对生物滞留设施土壤生态系统影响的研究还较为少见，因此，开展生物滞留设施有机微污染物累积的生态毒理性方面的研究很有必要。目前，主要采用土壤生物特性诊断法来评价土壤污染的生态毒理性，主要包括土壤生物量、土壤呼吸、酶活性、硝化势、群落结构和多样性等指标[58-59]。其中，土壤酶活性能反映土壤生物化学反应程度，Maliszewska-Kordybach等[60]比较了土壤中PAHs对脱氢酶、脲酶和微生物生物量等生理指标的影响，发现敏感性最高的是脱氢酶。土壤微生物群落结构和多样性是评价土壤健康的重要指标，通过对土壤中微生物活性、多样性及群落结构进行分析，可以揭示土壤中微生物对土壤中污染物累积的响应关系。Hong等[61]研究了雨水花园中微生物群落结构的变化，结果表明，进水水质特征、设施生物稳定性、植被类型是影响雨水花园中微生物生长的重要因素。同时，生态毒理基因组学是探索化学物质毒性作用分子机制的有效工具，为研究生物体对污染物的耐受性提供了新的视角[62]。在生态毒理基因组学研究领域中，群落和种群基因组学可以为研究不同地区物种组成以及与环境污染的潜在关系提供新思路[63]。

通过对有机微污染物累积严重的生物滞留系统中土壤进行生态毒理性诊断，分析土壤中的酶活性、微生物群落结构及多样性，并对其基因毒性进行评估，进而建立生物滞留系统有机微污染物累积的污染风险评价方法，加强生物滞留系统中有机微污染物累积的污染风险管控是很有必要的。

3.3 生物滞留设施生物强化修复技术

随着运行时间的增加，很多因素导致生物滞留设施性能的降低/衰减，这些因素主要包括沉淀累积、管道堵塞、植物入侵、堤岸侵蚀及土壤流失等[64]。其中，降雨径流中大量污染物累积(特别是有机微污染物的累积，包括PAHs、PCBs、OCPs等)造成的土壤板结或堵塞是影响生物滞留设施性能的最直接、最主要因素。在对生物滞留系统中有机微污染物累积的风险进行管控的同时，可以考虑采用提升有机微污染物的生物降解效率的方法对已被污染的土壤进行修复。采用外部修复方法，研究高效的土壤有机污染生物修复技术是当前重点。在土壤生物修复中，国内外采用的主要技术包括微生物修复、植物修复和一些联合修复技术[65]。其中，生物修复技术主要是通过添加具有特定功能微生物的方法来提高原始处理系统的处理效果，促进难降解有机物的去除[66]。目前，关于城市地表径流中有机微污染物降解的研究主要针对单类有机污染物降解菌的构建，其中已筛选分离出许多高效有机微污染物降解菌，如假单胞菌属(Pseudomonas)、芽孢杆菌属(Bacillus)、寡养单胞菌属(Stenotrophomonas)、弧菌属(Vibrio)和解环菌属(Cycloclasticus)等[57,67-68]。对于降雨径流中复杂的有机微污染物，若采用单一的有机微污染物降解菌进行强化，由于降解菌与土壤中原油土著微生物产生竞争，往往不能高效地进行新陈代谢，从而无法达到预想的生物强化效果。混合菌群中的不同菌株可以利用不同的底物来增加底物的利用范围和降解速率[69]。联合修复技术作为一种新兴的土壤污染修复技术，不仅能有效修复单一污染物，还能实现土壤复合污染的修复，是近年来国内外的研究热点。其中，微生物-植物联合修复是较为常用的一种技术，如根瘤菌和菌根真菌双接种能强化紫花苜蓿对多氯联苯的修复作用[70],植物的根系分泌物可以影响细菌菌群数量，达到提高多环芳烃降解效果的目的[71]。

明确有机微污染物的累积对生物滞留设施中土壤/填料微生物群落产生的影响及污染风险，科学制定管控措施，规避有机微污染物累积所存在的风险，应用土壤修复技术，提升生物滞留设施对有机微污染物的降解效率，在非降雨期内对吸附的有机微污染物进行生物降解，可延长生物滞留设施的使用寿命。

4 展 望

a. 改良填料能够很大程度地提升生物滞留设施运行效果，但国内外对于生物滞留系统中的填料及其改良研究还存在很大不足和研究空间，仍未形成一套成熟、系统的设计标准。同时，更应注重研制符合我国实际情况的代表性改良填料，并开展生物滞留设施长期水量水质调控效果的研究。

b. 现有研究大部分只针对生物滞留设施的水量水质调控效果，对于污染物迁移转化机制及相关模型缺乏系统研究，运用模型对生物滞留系统设计参数优化的研究也不足，且理论研究成果缺乏实际工程的验证。通过引入同位素示踪法等，可以进一步研究污染物的迁移转化机制，建立相关数学模型并开展基于区域水文地质条件的设施参数优化研究。

c. 生物滞留设施在有机微污染物去除方面仍存在不足,未来研究可结合分子生物学技术，系统性研究有机微污染物在生物滞留设施累积情况及对填料中微生物的抑制和毒性。同时，还应深入研究土壤有机污染修复技术及其机制，在非降雨期间提高生物滞留设施吸附有机微污染物的降解效率，并延长生物滞留设施的使用寿命。