生物滞留设施运行常见问题及调控措施研究进展

周 媛，张立秋，杨 龙，马金元，刘永泽，储杨阳

(1.中国城市建设研究院有限公司，北京 100120；2.清华大学环境学院,环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京 100084；3.北京林业大学环境科学与工程学院，北京 100083)

生物滞留设施主要通过植物、微生物、基质等共同作用进行雨水蓄渗、雨水净化，具有调节城市径流、净化水质、缓解城市内涝等作用，是海绵城市建设的重要技术手段[1-2]。根据使用位置、设施外观大小的不同，生物滞留设施主要包括生物滞留带、雨水花园、高位花坛、生物滤沟、生态树池等[2]。典型的生物滞留设施一般由蓄水层、覆盖层、种植层、填料层和砾石层等构成，结构如图1所示。雨水径流中含有多种污染物，如悬浮固体(SS)、氮磷营养物、致病菌、重金属、融雪剂、杀虫剂和除草剂等[3-4]，这些污染物进入排水管网或排入河湖等水体会导致水质恶化，威胁人类健康。当污染物逐步累积到一定程度后，生物滞留设施就会变成新的“污染源”，不仅不能实现海绵设施预期的“绿色”功能，还会对水体和土壤环境造成污染，影响植物生长和景观生态。在生物滞留设施的长期运行过程中，还存在污染物累积、基质堵塞、植物死亡、过度冲刷侵蚀等问题[5-7]，是影响海绵城市生物滞留设施运行、维护和管理的瓶颈。

图1 典型生物滞留设施结构示意图Fig.1 Schematic Diagram of Typical BRF Structure

目前，国内外学者在生物滞留设施的净化能力、渗滤性能、填料组成、植物选取、模型模拟等方面开展了较多研究[8-10]。姜登岭等[9]对生物滞留设施的结构、水文效应和污染物去除机理进行归纳总结，阐明了生物滞留设施主要通过沉淀、过滤、吸附、离子交换等作用实现对污染物的去除。李澄等[10]从结构组成、建设步骤方面对生物滞留设施在建设过程中出现的施工与图纸不符、排水不畅等问题进行改进并提出管理建议。但对于生物滞留设施在运行过程中的问题和调控手段的研究比较分散，缺乏对主要问题的归纳及优化方式的全面分析。本文对生物滞留设施运行的常见问题、解决途径和优化调控措施进行全面归纳，并从源头减量、工艺设计、运维管理3个方面对生物滞留设施提出建议，旨在为生物滞留设施的实际运行提供参考。

1 生物滞留设施运行的主要问题

生物滞留设施经过长期运行，存在内部堵塞、污染物积存、植物长势差、季节景观差别大、过滤层表面冲刷侵蚀等诸多问题，最终导致植物死亡、雨水净化能力和生物滞留性能削减，影响其景观生态效益。

1.1 基质堵塞

表1展示了不同生物滞留设施运行的堵塞时间及使用特点。由表1可知，基质堵塞问题已经成为生物滞留设施运行过程的通病，生物滞留带、雨水花园等设施运行5～8年就会发生基质堵塞与污染累积，对设施的水质净化能力和使用寿命有很大影响[11-13]。对运行4年的生物滞留设施进行实地调查时发现，设施运行过程中有40%的时间存在基质堵塞问题，无法达到设计要求的渗透性能[11]。引起基质堵塞的原因和过程比较复杂，水力压实、沉积物、植物、微生物、填料等都会导致生物滞留设施不同程度的堵塞。郝岩[12]研究了基质种类、植物品种、设施结构特点(如有无淹没区、进水负荷)等对生物滞留设施堵塞的影响，结果表明，较高的基质初始渗透性能和基质层厚度、淹没区设置、低进水颗粒物浓度等都可以降低设施的堵塞风险。还有研究表明，降雨径流的时空分布差异、污染物浓度及降雨特征(强度、历时、频率)对设施堵塞影响较大，高浓度进水和较高的降雨强度更容易导致设施堵塞[13]。

表1 不同生物滞留设施运行的堵塞时间和使用特点Tab.1 Clogging Time and Used Characteristics of Different BRFs

1.2 污染物累积

砂砾、落叶、灰尘、食品残渣、纸屑、塑料袋等都会成为污染物，随雨水径流进入设施，造成生物滞留设施堵塞、处理负荷增加、二次污染等问题。可溶性的氮、磷、有机质、重金属等污染物进入设施后，会不断积累逐渐达到饱和状态并下渗转移至填料内部。污染物累积不仅会影响生物滞留设施的正常运行，还会对周围的土壤和地下水造成潜在风险[18]。多项研究发现，生物滞留设施对颗粒态有机氮、氨氮、亚硝态氮的去除率超过83%，但对溶解性有机氮和硝态氮的去除率较低,甚至是负值[19-20]。施用农药、杀虫剂、除草剂等会增加径流中水溶性和持久性有机污染物的浓度，其残留物会持续存在于生物滞留设施中，对城市水体造成严重危害。Costello等[14]调查了25个不同运行年限(0～7年)的生物滞留设施，发现设施中的铜、铅、锌等重金属含量会随着运行时间的增加不断累积并达到植物承受的阈值。

1.3 季节性差异

我国地域广阔，地形地貌、水文地质和气候特征差别较大，不同城市也面临不同的问题和需求[21-22]。比如，北方地区冬季寒冷，其生物滞留设施运行效果受温度影响较大，因此，冬季常采用喷撒炭渣、粗砂、融雪剂等方式预防道路结冰，而融雪剂会对径流污染物的类型和浓度产生很大影响，成为生物滞留设施中的重要污染物。王奇凯[23]通过对融雪剂在道路绿化带中的分布规律进行研究，发现大部分融雪剂累积在0～20 cm的表层土壤，并会在生物滞留设施中达到一定程度的富集，对植物产生侵害。融雪剂的使用还会造成土壤盐渍化、板结，含融雪剂的融雪径流会排入道路下沉式绿化带中，造成植物侵蚀死亡、污染地下水等问题[16]。邹笛等[24]对比了氯化钠和醋酸钙镁(CMA)两种常用融雪剂对土壤重金属形态的影响，发现CMA环保融雪剂对重金属锌和铜结合态的影响更小，可用于道路除雪并根除氯害。

2 源头调控措施

由于钢铁和化工等生产活动、大气沉降、道路老化、轮胎磨损、尾气排放，以及杀虫剂、除草剂、融雪剂等的使用，大量污染物会随雨水径流进入生物滞留设施，造成严重的水体污染。因此，对污染物的源头减量是首要的调控措施。根据设施的外观、大小、建造位置和适用范围等不同，生物滞留设施的服务对象主要包括建筑与小区、道路、停车场、公园绿地等[15,25-28]。进入生物滞留设施的污染成分主要包括SS、TN、TP、金属离子、有机污染物等，而不同用地类型所采用的生物滞留设施及其接纳污染物的来源、成分和浓度均有差别，如表2所示。建筑、居民区雨水径流中污染物主要来源于两个方面：一是屋面径流的冲刷，其中污染物的浓度与屋面材料有关[26]；二是大气沉降带来的污染物，包括溶解性物质和颗粒沉降物。相较于建筑屋面，道路等径流污染的程度更重、随机性更大，在道路、停车场、机场等区域的雨水径流中，产生最多的污染物是SS和COD，而石油类、重金属和难降解有机物是其主要的污染物来源[15,27-28]。根据不同的污染物类型、雨水滞蓄能力及场地位置，并结合表1可知，雨水花园、生物滞留带对雨水的滞蓄能力强，但占地面积较大、维护难，而生物滤沟、高位花坛、树池等设施占地小、维护相对容易，但滞蓄能力有限，适用于雨水径流较小的区域。

表2 不同用地类型中生物滞留设施接纳的污染物组成Tab.2 Pollutant Compositions of BRFs in Different Types of Land Use

由此，可依据不同类型用地及滞留设施的适用范围进行污染物的源头控制，建议采取以下措施。(1)节能减排。规范餐厨废水的排放、严禁随意倾倒垃圾、选用环保建筑材料、优化车辆管控以降低道路移动源污染等。(2)选择合适药剂。进行绿地养护，选用环保药剂，如生物农药、生物型诱杀剂等，有效降低生物滞留设施的污染风险；通过精准施药和精准灌溉等手段，依据土壤养分和植物的生长状况，调节施肥量和施用时间，减少除草剂等药剂施用量。(3)合理选择融雪剂。为减少融雪剂对雨水径流和海绵设施的影响，应根据道路状况、温度等合理选用不同种类的融雪剂材料，进行预处理导流和弃流等设计，实现道路融雪的优先排放和渗滤；开发环保型融雪剂以提高其自身降解性，降低设施中融雪剂的累积量和融雪径流对地表水的污染。

3 工艺调控措施

3.1 工艺优化

为防止生物滞留设施堵塞和污染物积累，主要从工艺结构设计和运行方式两个方面考虑解决方案[17,30]。表3为常见的生物滞留设施优化方式，在选择生物滞留设施时，需要根据其结构特点、功能和下垫面类型，综合考虑降雨重现期、汇流比、污染物负荷、水力停留时间、运行方式、蓄水层高度、雨前干燥期及是否设置淹没区等因素[31-33]。研究发现，通过设置淹没区，可以提高基质的渗透性能和水力传导系数，缓解堵塞问题，还可以创造缺氧环境，提高系统对硝态氮的去除效果[31]。添加预处理设施如前置塘、涡流池等，可以提前去除径流中的大颗粒沉淀物，减缓流速并降低设施的维护负担，便于雨季清淤，也可防止冬季融雪径流直接进入蓄渗区。对于严重污染和可能造成土壤盐碱化的雨水径流区域，可以采取弃流和排盐措施[21]，通过合理的导流路径设计，使雨水经沉淀池或渗排渠等收集后排入市政雨水管，同时应考虑尽量选择抗盐的植物。在运行方式方面，Zhang等[4]提出了上流式和混流式的生物滞留设施结构，通过延长径流路径和水力停留时间以延缓堵塞。张军等[34]采用“干湿交替”的设施运行方式和混合填料填充，提高了填料的饱和导水率和滞水能力，减缓设施堵塞和氮磷淋失。

表3 生物滞留设施工艺结构与运行优化Tab.3 Processes Structure and Operation Optimization of BRFs

3.2 填料优化

填料是影响生物滞留设施中污染控制效果和堵塞问题的关键因素。为了改善生物滞留设施的堵塞问题和截污效果，目前国内外学者主要从填料的组合与配比、有机碳源添加、填充方式等方面进行优化[35-39]。表4中列出了国内外常见的填料优化方式与配比，并对不同填料的优化方式、填料组分、使用特点、进水水质等进行了梳理归纳。在填料的组合与配比方面，早期生物滞留设施的填料种类比较单一，主要为天然砂土，其渗透性能较好，成本也相对较低，但对污染物的去除效果欠佳。对于黏度较高的黏土，虽然其对污染物的去除效果好，但渗透性差且容易堵塞。因此，常需要改良填料的配比或添加改良剂。改良剂选择时应遵循简单易得、成本适中、本土适用等原则，且需要具有较好的渗透性能、较大的比表面积和较强的除污能力，常选用沸石、蛭石、粉煤灰、珍珠岩、铝污泥、河道底泥等，也有研究采用新型功能填料(如芦苇和玉米芯生物炭、建筑垃圾再生骨料等)以提高设施的渗透性能[35-36,39]。

表4 常见的生物滞留设施填料优化方式Tab.4 Common Methods of Packings Optimization for BRFs

在有机碳源添加方面，通过将木屑、秸秆、落叶堆肥、生物炭、活性炭等有机质作为外加碳源[37,39]，可以增强生物滞留设施的反硝化脱氮效果。Tian等[39]通过在填料中添加生物炭，一方面增加了生物滞留设施对有机碳、氨氮和大肠杆菌的去除效果，另一方面为加快反硝化作用提供碳源。适当添加碳源如木屑等，可以提高生物滞留设施的渗透系数，有效缓解基质堵塞[10]。但也有研究指出，碳源添加过多会使磷的本底值升高，导致磷酸盐释放，使水质恶化[1]。因此，需要严格控制有机质的投加量，美国的设计手册建议在填料中有机质含量不超过5%(质量分数)。

另外，改良填料的填充方式也可以提高生物滞留设施的运行效率。研究发现，采用分层架构进行填料优化，可以有效延长设施出现堵塞的时间，同时，填料的分层结构还有助于在生物滞留设施中形成好氧-厌氧条件，促进反硝化作用充分进行，提高氮的去除效果[17]。但也有研究表明，相比分层的填充方式，混合填充可以增强整体孔隙的连通性，提高设施整体的导水率[34]。李红珍[40]采用向基质内人工通气的方式在填料内部增加穿孔导管，提高系统内溶解氧量和基质的渗透系数，缓解堵塞问题。

3.3 植物选取

植物在生物滞留设施中有着不可替代的作用，一方面可以减缓设施中径流的水流速度，过滤沉积物，降低SS；另一方面，植物根系的生长还可以促进不同微生物菌群的繁殖，影响根际微生物活动，有利于降解雨水径流中污染物，维持渗透速率，防止堵塞[31,40]。研究表明，生物滞留设施中的植物，尤其是主根粗壮纵深发达的植物，对保持设施渗透性能有重要作用[41-42]。表5总结了生物滞留设施中常见的植物及适用范围，不同种类植物的种植特性、适用区域、服务对象对污染物的去除效果有很大差异。南北方的植物选择也存在区别，北方适宜选择耐盐碱、耐寒的植物，如芦苇、马蔺等，南方地区则需要考虑优选耐涝、耐旱的植物，如灯芯草、千屈菜等。美人蕉、香蒲、鸢尾等则适应性强，可以适用于更为广泛区域的滞留设施。

表5 常见的生物滞留设施植物及适用范围Tab.5 Common Selection and Application Ranges of Plants in BRFs

总的来讲， 生物滞留设施中的植物应根据其不同生长区域的耐寒和耐旱特性、土壤的渗透性能与类型、设施的规模和结构，结合径流水质合理配置。在选取不同生物滞留设施的植物时应注意以下几方面：尽量以本地物种为主，合理搭配其余品种，优选适应能力强的植物；优先选择根系发达、茎叶茂盛、能够穿透种植土层的植物；应具有较强的耐寒、抗旱、耐涝能力；具有较强的净化能力，优选能够富集污染物如重金属等的植物；选取生物量大、生长周期短的植物；维护成本低，有一定的经济价值和景观效果，适当考虑植物的层次和形态，考虑不同季节植物景观的多样性。

4 运维管理措施

4.1 运行维护

生物滞留设施在实际运行中，由于缺乏有效的日常维护，同时受到气候和运行时间的影响[16,22]，很难达到预期的水质净化效果。目前，我国海绵城市建设的相关设计和施工建造标准基本完善，但对于生物滞留设施等的运行维护管理经验不足[50-53]。为了保证生物滞留设施对雨水径流的处理效果，预防生物滞留设施基质堵塞、污染物富集、植物长势较差甚至枯萎等情况，实现设施运行维护长期稳定，建议采取如下运行维护措施，具体内容如表6所示。另外，对于设施的管理，还需明确运行维护的主体和目标，探索市场化社会化的管理模式，明细责任与分工，配备专业人员维护，同时加强公众参与配合监管。

表6 生物滞留设施运行维护主要措施与维护周期Tab.6 Measures and Maintenance Periods of BRFs

4.2 动态监测

加强对生物滞留设施的水质水量监测，针对不同气候和降雨特征进行设施的全生命周期数据监测与运行维护。对于具备监控条件的设施类型，比如生物滞留带等，建议推行动态监测体系，依据雨水径流的汇流过程对生物滞留设施进行全程布点监测，通过数采仪、无线网络、水质水压表等在线监测和数字信息化平台了解生物滞留设施的运行和污染物分布情况[54-55]，最终目标达到动态监测与智能管理。动态监测主要分为源头监测、过程监测和末端监测，对监测点位进行合理布设。源头检测需要对不同用地类型，如建筑小区、道路边、停车场和公园绿地等区域，对进入生物滞留设施的雨水径流水质、液位和流量进行监测；过程监测主要对生物滞留设施中的不同分区、填料层、排水层等进行监测，通过传感器实时监测水质变化、污染物浓度、养分含量等，掌握各段雨水径流污染及设施状况，及时、准确地做出灌溉、堵塞等预警；末端监测即对受纳水体的水量和水质监测，由此实现全流程动态监测与实时反馈。

5 结论

生物滞留系统作为海绵城市建设中的代表性措施，随着时间的推移，生物滞留设施均会出现诸多运行、维护上的问题，所以对其长期运行过程中的问题进行总结并提出相应的解决措施具有一定的指导意义。本文对生物滞留设施从工艺设计到运行维护进行梳理，概括了其在运行过程中存在的基质堵塞、污染物累积、季节景观差异等问题。针对以上问题，进一步提出了由源头减量、工艺优化、运行管理相结合的调控措施与建议：①在道路养护中采用环保型药剂、新型融雪剂以及合理削减污染物排放量等源头控制措施；②通过优化设施的工艺构造、比选填料和植被，合理种植来改善设施性能，强化处理效果并控制处理成本；③建立良好的运行维护体系以及动态监测系统，推动生物滞留设施在海绵城市建设的推广与应用。在生物滞留设施应对季节变化、堵塞机理、智能监管等方面，仍需进一步深入研究。