低影響開發技術控制雨水徑流重金屬污染研究進展

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(南京工業大學，江蘇南京211816)

隨著城市化進程的不斷加快，不透水下墊面面積快速增加，不透水地表累積的大量營養物質、懸浮物、碳氫化合物和重金屬等污染物，在降雨淋溶、沖刷等作用下隨雨水徑流進入受納水體，造成城市水體的嚴重污染[1]。Wu等[2]研究表明，降雨徑流帶入水體的Zn、Cu、Pb和Cd分別占水體總含量的13%、78%、47%和46%。李敦柱[3]研究發現，城市雨水徑流排放的Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的負荷分別為97.8、112.6、29.6、181.8和723.4 kg/a，其中道路徑流排放的重金屬負荷占比高達58%。與N、P、COD和TSS等污染物相比，重金屬污染物在水體中具有高穩定性和難降解性，不僅會破壞水生生態系統，還會通過食物鏈富積作用危害人類健康[4]。研究顯示[5]，國內外大部分城市降雨徑流中重金屬濃度普遍高于GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅲ類標準，以城市雨水徑流為載體的重金屬污染已成為地表水環境重金屬污染的重要來源。

近年來，為了能有效控制城市雨水徑流污染，各國都在積極尋求新型的雨洪管理措施。低影響開發技術(LID)采用源頭、分散式的措施通過滲、滯、蓄、凈、用和排等方式可以有效控制暴雨徑流量和徑流污染，從而減小場地開發前后的水文特征變化。目前國內外應用較為廣泛的LID措施主要包括透水鋪裝系統、生物滯留池和綠色屋頂等，其中國外對低影響開發技術在控制暴雨徑流量和城市面源污染方面的研究比較深入，而國內對在控制城市面源污染方面的研究則相對滯后，尤其是對重金屬的去除效果、凈化機理及影響因素的研究。因此，研究上述3種低影響開發技術對雨水徑流中重金屬的凈化效果及優化措施，對于高效控制城市雨水徑流重金屬污染具有重要意義。

1 透水鋪裝系統控制重金屬污染

Laurent等[6]研究表明，透水路面對常規重金屬污染物具有良好的凈化效果，其中對Pb、Zn和Ca的去除率達到了74%～99%、73%～99%和98%～99%，而對Cu的去除效果不穩定，去除率在20%～99%之間。Wang等[7]研究顯示，經透水磚和透水網格處理后的重金屬出水濃度均達標，但透水網格對重金屬的去除率低于透水磚。Wang等[8]研究顯示，透水混凝土面層和多孔隙水泥穩定基層對Zn、Pb和Cu 的去除起到主導作用，透水混凝土面層對Zn、Pb和Cu去除率分別為43%、47%和49%，多孔隙水泥穩定基層對Zn、Pb和Cu去除率分別為34%、30%和29%，級配碎石基層對Zn、Pb和Cu 的去除貢獻最小。Wang等[9]試驗表明，以硝酸鐵浸泡過的石英砂作為基層改性材料的透水路面對徑流中Zn、Cd、Pb、Ni、Mn和Cu具有顯著的削減效果，平均削減率在80%以上，而對Ca、Mg的削減效果不理想，其出水濃度反而高于進水，認為是基層材料中Ca、Mg出現了溶出現象，還發現以煤矸石作為基層材料的透水路面也發生了金屬離子的溶出現象，而以石灰石、礫石和花崗巖為基層材料的透水路面則沒有出現這種現象。

王俊嶺等[10]研究陶粒基層、沸石基層、膨潤土礫石基層和粉煤灰礫石基層對重金屬的凈化效果，結果表明，膨潤土礫石基層對重金屬的吸附效果遠遠大于其他3種基層，其次為沸石基層﹥陶粒基層﹥粉煤灰礫石基層。Baden等[11]選擇20 mm粒徑的石英巖和白云石作為透水混凝土基層材料并將基層厚度設置為380 mm，結果表明，優化后的系統對重金屬的去除效果穩定且高效，平均去除率高達94%～99%。Giridhar等[12]采用天然沸石、方解石、砂石和鐵粉作為面層和基層的改性材料，改良后的系統對重金屬的去除率最高達到了100%，最低也在60%以上。王俊嶺等[13]試驗顯示，陶粒、沸石和礫石對Cu的吸附能力強弱依次為：沸石﹥陶粒﹥礫石，沸石對Cu的飽和吸附量達到了7.032 mg/g，沸石和陶粒比礫石對于Cu的吸附量分別提高了87%和58%，因此可選擇沸石或陶粒作為優化透水路面去除重金屬的材料。

研究表明[2]，降雨徑流中的顆粒態重金屬在隨雨水下滲過程中，易被截留在透水路面面層和基層材料的孔隙中，而溶解態金屬離子易與透水路面材料發生化學吸附、化學反應和同晶置換等作用并被截留在系統結構層中。總的來說，透水鋪裝系統對徑流中的大部分重金屬有顯著的凈化效果，基層和面層材料可以增加對重金屬的去除率，但同時也可能成為重金屬的釋放源。因此選擇合適的面層或基層材料并優化其組合方式可以大幅度增加對重金屬的去除率。

2 生物滯留系統控制重金屬污染

錢佳歡等[14]試驗表明，生物滯留系統對道路徑流中Cu、Zn和Pb有較好的去除效果，去除率分別為70.9%～98.1%、77.6%～98.5%和71.7%～98.6%，出水濃度均優于GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅰ類標準，且去除率受進水濃度和植物的影響不大，土壤層對重金屬平均去除率最高，對Cu、Zn和Pb 的去除率分別為73.3%、85.2%和61.2%，添加沸石層可增加40%的去除效率。Yin等[15]研究顯示，生物滯留系統對重金屬的平均去除率高達90%，對重金屬的的削減率由大到小依次為：Zn﹥Cu﹥Pb﹥Cd，其中對Cu的削減效果不穩定，削減率在25%～96%之間，還發現系統中有機質與重金屬有較好的正相關性，添加碳源或有機質可以提高重金屬的去除率。 Georgina等[16]研究表明，壤土、硬木、松樹、鋸末和硅沙等覆蓋物可以有效滯留Cu、Pb等重金屬，且覆蓋物對重金屬的削減效果由小到大依次為：硅沙﹤壤土﹤鋸末﹤松樹﹤硬木。Wang等[17]研究以細沙、沸石、砂土和石英砂分別與木質素混合組成的復合生物滯留系統對重金屬的削減效果，結果表明，4種復合介質對Pb2 +的削減率均超過98%，且削減率較穩定，細沙復合介質對重金屬的削減能力大小順序為Pb2+﹥Cu2+﹥Zn2+﹥Cd2+，沸石復合介質為Pb2+﹥Cd2+﹥Cu2+﹥Zn2+，沙土復合介質為Pb2+﹥Cd2+﹥Zn2+﹥Cu2+，石英砂復合介質對Pb2+、Zn2+和Cd2+的去除率均超過99%，降雨徑流中重金屬濃度、介質厚度和降雨歷時對系統去除重金屬的影響較小，pH對系統去除重金屬的影響較大，酸性條件下，4種復合介質均存在明顯的重金屬溶出過程，且pH越低，重金屬溶出量越多。

Qiu等[18]研究表明，TSS與重金屬有較好的相關性，進水中含有較多TSS的生物滯留系統對Pb的去除率比進水中沒有TSS的系統提高了32%，當進水中含有較多的TSS時，系統對Pb的去除率高達98%，還發現溫度對Pb的去除率影響較小，而對Cu的去除影響較大，系統在8月份對Cu的去除率比4月份提高了12%。Guo等[19]試驗顯示，粗砂、細沙和黏土對Cd的去除率為77.2%，對Cu、Pb、Cr和Zn 的去除率均在92.9%以上，且介質類型、介質填裝方式和粒徑級配等因素對重金屬的凈化效果影響較小。高曉麗等[20]研究表明，設置淹沒區并添加碳源的生物滯留系統可以提高對Cu 的去除率，但對Pb和Zn的去除率影響不大，與未設置淹沒區的生物滯留系統相比，設置600 mm淹沒區的系統對Cu的去除率提高了8%，去除率高達98%。李平等[21]研究顯示，設計浸潤區的生物滯留系統能減小旱天的負面影響，使Cu2+的去除率增加12%，Pb2+濃度基本低于檢測值，還發現大多數生物滯留系統都能有效去除重金屬污染物，認為出現重金屬去除率低的情況可能是由于缺少對系統的日常運營維護和管理。阮添舜等[22]研究表明，砂壤土、珍珠巖及蛭石組成混合填料的生物滯留系統對重金屬有較好的去除效果，還發現微生物對重金屬的去除有顯著影響，黑根霉可大量快速地吸附Cu2+、Ni2+、Pb2+、Zn2+和Cd2+等多種重金屬離子，大腸桿菌、枯草桿菌和酵母菌可以有效吸收徑流的Cu2+和Cd2+。

研究表明[23]，生物滯留系統通過填料和土壤的過濾、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徑流中的重金屬污染物，同時通過改良填料基質及優化組合配比、添加碳源、設置淹沒區和配置植物等方法可以增加系統對重金屬的削減率。

3 綠色屋頂控制重金屬污染

Sarah等[24]研究表明，以黏土和松樹皮為基質層的綠色屋頂對降雨徑流中Cd、Fe、Ni、Pb和Zn的削減效果不理想，均發生了重金屬溶出現象，導致出水濃度明顯高于進水。Gnecco等[25]試驗表明，綠色屋頂對金屬污染物的凈化效果較好，其重金屬出水濃度普遍低于裸露屋頂。但有研究表明[26]，綠色屋頂能夠去除徑流中大部分的污染物，但是對重金屬的去除效果較差，產流中Cu、Pb、Zn和Fe的濃度高于普通屋頂。Vijayaraghavan等[27]研究顯示，綠色屋頂對重金屬污染物的凈化效果與土壤基質的組成和降雨特征有關，基質重金屬含量低的綠色屋頂對重金屬的去除率較高，降雨初期大部分金屬離子濃度均非常高，但隨著降雨歷時的延長，綠色屋頂徑流中金屬離子濃度顯著降低。Alar等[28]研究表明，與草皮屋頂相比，綠色屋頂對重金屬的去除效果較好，其產流中Ca2+、Mg2+等濃度普遍較低，還發現土壤中有機質含量、降雨量和使用年限等均會對綠色屋頂凈化重金屬污染的效果產生影響。

Vijayaraghavan等[29]選擇珍珠巖、碎磚石、蛭石、砂子及粉煤灰組成的混合基質，研究對重金屬的削減效果，結果發現，雖然在運行初期Al、Fe和Zn等金屬濃度會上升，但隨著時間的延長，Al、Fe、Zn、Cr、Cu、Ni、Pb和Ge等金屬的濃度都顯著降低，且出水水質優于美國環境保護局的水質標準，改良后的綠色屋頂對重金屬的去除率顯著增加。Wang等[30]研究表明，以無機質、膨脹珍珠巖和蛭石組成的復合基質的綠色屋頂對重金屬有良好的凈化效果，其出水濃度顯著低于進水。閆立健[31]試驗顯示，與混合單層基質的綠色屋頂相比，雙層基質的綠色屋頂對重金屬的去除效果更好，且去除速率較快，受降雨強度的影響很小，其中對Zn、Pb和Mn的去除率分別提高了29%、22%和11%。章茹等[32]研究表明，基質層厚度與污染物去除率存在正相關關系，綠色屋頂對重金屬等污染物的吸附作用隨基質層厚度的增加而增強，除了基質材料和基質層厚度外，屋頂坡度、季節、植被種類以及運行時間等均會對綠色屋頂的凈化效果產生影響。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對重金屬的去除具有重要意義，其中草坪的滯蓄凈化能力最強，禾本科植物次之，景天科植物最差，且發現植物豐富度對綠色屋頂凈化截流的效果影響很小。

研究表明，綠色屋頂通過土壤基質吸附截留、植物和微生物吸收等作用可以有效去除徑流中大部分的污染物，但是其凈化效果受基質材料、基質厚度、降雨條件、運行時間以及植物類型等因素影響，因而對污染物的去除率波動較大。因此，選擇合適的基質材料及厚度、配置凈化能力強的植物和增加運行時間等方法可以顯著提高綠色屋頂的水質凈化效果。

4 結論與展望

隨著城市化的快速發展，低影響開發技術因具有快速消納暴雨徑流和控制城市面源污染的特點正在日益得到廣泛地使用。目前，中國對低影響開發技術的研究主要集中在降雨徑流調控方面，缺乏對低影響開發技術對污染物的去除機理及去除效果方面的研究。因此，為了提高低影響開發技術對徑流污染的削減效果，對中國該技術今后的發展提出2點建議：①深入研究各種低影響開發技術對徑流污染物的凈化效果及機理，從重金屬、氮磷和有機物等常規污染物逐漸擴展到特殊污染物(如多環芳烴、病原微生物)，建立相應的水質模型，在確定凈化機理的基礎上，重點研究優化低影響開發技術凈化效果的措施，如對于生物滯留池，可以從填料類型及優化組合配比、植物類型和優化結構設計等方面著手，以期最大化提升低影響開發技術的凈化效果；②注重低影響開發技術的層級構建，將透水鋪裝系統、生物滯留系統、綠色屋頂以及下凹式綠地或其他低影響開發技術相結合起來，共同發揮對污染物的處理能效，同時加強對低影響開發技術的運營管理，保障各項技術能在降雨期間高效穩定的發揮對污染物的削減作用。隨著海綿城市的建設，低影響開發技術將在緩解城市內澇、控制城市面源污染等方面發揮更大的作用。