海綿城市生物滯留設施關鍵技術研究進展

李家科，張兆鑫，蔣春博，王書敏

(1.西安理工大學省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048；2.重慶文理學院環境材料與修復技術重慶市重點實驗室，重慶 402160)

我國城市化進程加快,導致城市內澇、水資源短缺、水環境惡化以及生態退化等問題日益凸顯。加強城市雨水徑流的控制和利用，可以有效緩解這些問題[1]。城市雨水徑流中含有大量的污染物[2-3]，必須重視對雨水徑流污染物的控制，這與合理利用雨水資源、生態環境建設與可持續發展直接相關[4-5]。如何應用雨水管理設施回用雨水資源，是當前雨水調控應用研究中的熱點問題[6]。海綿城市生物滯留設施是適用于分散式雨水處理與利用的代表性生態設施[7-9]，但目前仍舊存在一些問題制約其運行效率及壽命，國內外學者針對這些問題開展了相關研究。本文從填料改良、工藝參數設計、填料污染修復等方面進行總結并就其發展方向進行展望。

1 生物滯留設施填料改良研究進展

生物滯留設施中填料對地表徑流水量削減和水質凈化起到關鍵作用，是發揮生物滯留設施功能的關鍵因素。為提高生物滯留設施運行效果的填料改良,已成為國內外研究的熱點問題。現有的生物滯留設施填料主要分為分層填料和混合填料兩類。國外在填料的選取方面已開展了大量研究，且大多采用混合填料的方式設計建造生物滯留設施[10]，國內大多數填料的設計則都是基于國外的研究經驗。在生物滯留設施填料改良中，需綜合考慮填料對雨水徑流水量削減和水質凈化的能力。

1.1 生物滯留設施填料改良對水量削減作用

生物滯留設施可通過土壤蓄滯以及截留作用使城市降雨徑流的流速降低，削減洪峰流量，從而使進入城市雨水管網的水量減少，起到保護老舊城市雨水管網、緩解下游管網壓力和城市內澇的作用[11]。近年來，國內外對改良填料生物滯留設施的水量控制研究主要集中在填料的滲透性、持水能力和成本等方面。Jay等[12]選取60%～80%砂質土壤、5%～10%有機質及小于5%黏土作為生物滯留設施的填料，研究表明該填料具有較好的滲透性能，且成本較低。Coustumer等[13]通過試驗發現，隨著水力負荷的增加，土壤/填料的滲透率存在快速降低—穩定—快速降低3個階段，同時由于水力壓實和沉積物等的聯合作用而出現堵塞現象，最終土壤滲透系數減小。高曉麗[14]研究了添加不同改良劑對生物滯留設施填料持水性的影響，結果表明，蛭石、草炭土及珍珠巖等改良劑的添加能有效提升填料的持水性，同時，填料的持水性直接影響填料儲水量及植物生長狀況。Jiang等[15]對中試規模的生物滯留設施進行研究，發現50%粉煤灰+50%砂具有相對穩定的水量和峰值流量削減率，可作為生物滯留設施改良填料用于降雨徑流水量削減。可見，生物滯留設施中填料對水量的削減起到關鍵作用，在生物滯留設施的提效關鍵技術研究中，必須考慮填料改良對水量削減的效果。

1.2 生物滯留設施填料改良對水質凈化作用

生物滯留設施中，填料對水體中懸浮物、油脂類有機物、重金屬、營養物(氮、磷)和其他特殊性污染物(病原微生物、有機微污染物)的去除起到關鍵作用[16]。傳統生物滯留填料BSM(bioretention soil media)配比為30%～60%沙、20%～30%表層土以及20%～40%的有機物質，凈化效果不太理想。傳統生物滯留設施填料的水質凈化效果并不穩定，國外已開展大量改良填料的研究，即通過改良劑的投加來提升設施的水質凈化效果。改良劑的篩選應遵循易于獲取、成本適中、本地適用性等原則，且能夠增加生物滯留填料的通透性、比表面積、吸附能力，其中，目前應用較廣的改良劑有給水廠污泥WTR(water treatment residuals)、蒙脫石MMT(montmorillonite)、海綿鐵、草炭土等[17-19]。

從目前來看，在懸浮物、油脂類有機物和重金屬的去除上，生物滯留設施表現出較為穩定的運行效率。降雨徑流中的總懸浮固體TSS主要通過填料的過濾、沉淀和吸附等作用被滯留，Jiang等[20]對生物滯留設施進行現場監測，結果發現植生滯留槽、雨水花園對徑流中的TSS負荷削減率均不小于90%，且保持穩定。生物滯留設施對可生物降解的油脂類有機物也有很好的去除效果，Hong等[21]發現有機碳在生物滯留設施中可被有效去除，去除率達到 83%～97%，有機碳在被填料吸附后3～10 d可被生物降解。生物滯留設施對重金屬的凈化研究一般選擇Cu、Zn、Cd、Pb作為代表。Li等[22]研究不同改良填料的生物滯留柱，發現BSM+10%WTR、BSM+10%綠沸石和BSM+10%麥飯石對Cu和Zn的平均負荷削減率大于80%。

同時，還必須考慮其他特殊性污染物,如病原微生物及有機微污染物。生物滯留設施能夠有效地降低雨水中病原微生物的數量[32]。Lau等[33]采用生物炭作為改良劑，對生物滯留設施填料進行改良，結果表明在進水大腸桿菌濃度為0.3×106～3.2×106CFU/mL(CFU為菌落形成單位)時，去除率達到了98%以上；Chandrasena等[34]研究發現生物滯留設施對大腸桿菌的去除率可達到90%以上。但根據目前報道，生物滯留設施對病原微生物的去除效果具有不一致性，需要進一步對填料進行改良以滿足雨水徑流的病原體去除標準[35]。降雨徑流中有機微污染物(organic micro-pollutants)主要包括持久性有機污染物(persistent organic pollutants, POPs)，如多環芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)[36]、多氯聯苯(polychlorinated biphenyls, PCBs)[37]、有機氯農藥(organochlorine pesticides, OCPs)等。目前，對生物滯留設施填料與有機微污染物的去除已開展了一定研究。Boving[38]通過現場試驗研究了不同設計條件下生物濾溝對10種PAHs的去除效果，結果表明，溶解相PAHs的平均去除率可達67%，與濾料量呈正相關關系；LeFevre等[39]的研究結果表明，生物滯留設施中填料的吸附對萘的去除貢獻可達總去除率的一半以上。這也就意味著在生物滯留設施提效研究中，必須重視填料改良，提高生物滯留設施對上述兩類特殊性污染物的去除效果。

綜上所述，在填料改良方面，國外研究起步較早，相關設計規范也較為完善，而國內對于填料的選擇標準都基于國外的經驗[13]。但是，由于國內外存在地理差異，國內外土壤類型、水文氣象、交通條件等不同，徑流特征也大不相同，國外的填料選擇標準在國內難以直接應用。結合目前關于生物滯留設施水量削減、水質凈化的研究來看，對于填料及其改良研究還存在很大空間，國內外大多數研究多偏向于生物滯留設施對常規污染物的凈化效果，對特殊性污染物(病原微生物及有機微污染物)去除的研究鮮見；大多數研究只是偏向于各類污染物的短期凈化效果，缺乏對改良填料生物滯留設施長期水質凈化效果的研究。深化這方面的研究，可為該技術更好地應用于城市面源污染控制提供參考。

2 生物滯留設施工藝參數設計研究進展

在海綿城市建設中，各地所處地理環境不同及對雨水控制效果的要求不同，建立生物滯留設施水量和水質模擬模型，可得到最佳設計參數[40]。

2.1 生物滯留設施污染物遷移轉化機理

2.2 生物滯留設施模型模擬

目前較為典型的低影響開發(LID)單項設施模擬模型有RECARGA、DRAINMOD和HYDRUS等，國內外基于這些模型開展了一定的研究。孫艷偉等[43]利用RECARGA模型，模擬了生物滯留設施的水文特性，發現徑流削減幅度、地下水補給幅度和積水時間受生物滯留池面積的影響最為顯著。Brown等[44]應用DRAINMOD模型對美國兩地的生物滯留設施進行模擬，結果表明，兩處生物滯留池排水和蒸散發模擬效果良好。唐雙成等[45]利用DRAINMOD模型，建立了雨水花園蓄水層深度與其長期運行效果之間的關聯，發現蓄水層深度與雨水花園的水量削減和水質凈化呈正相關關系。Li等[46]通過生物滯留設施中試和HYDRUS-1D軟件，構建了不同填料生物滯留池中水分運移及溶質遷移轉化模型，明確了不同情景下生物滯留池對水量和水質的調控效果。殷瑞雪等[47]應用HYDRUS模型模擬了水分、污染物在生物滯留設施中的運移特征以及生物滯留池的產流過程。但是，這些現有模型均存在一定的局限性，如RECARGA模型是專門用于生物滯留設施水力模擬的模型，不能對溶質的運移情況進行模擬；DRAINMOD模型只能模擬氮素和鹽分的運移情況，不能模擬重金屬等其他污染物在土壤/填料中的運移情況；HYDRUS模型是一種物理模型，對生物滯留設施中化學反應和生化反應的模擬能力存在不足。

同時，相關學者也提出了一些模型。Li等[48]對生物滯留設施中磷素的吸附機理進行了研究，發現磷素的吸附作用主要分為兩步：快速吸附及慢速吸附，前者主要集中發生在磷素進入設施后通過高度可逆的靜電離子交換反應進行吸附；后者是基質內部慢速不可逆的單/雙配位體吸附反應，快速吸附的污染物逐漸轉移到內部的慢速吸附位上。在降雨徑流入流期間，快速吸附起主導作用，而在非降雨期間，慢速吸附起主導作用。在此基礎上，Li等[46]建立了基于填料平衡濃度Ceq假設的出水磷濃度預測模型，但在具體實踐中，仍舊需要對該模型進行進一步檢驗。B?ckstr?m[49]雖然根據生物滯留設施水力停留時間和顆粒沉降速度之間的關聯性提出了經驗性公式，但該公式必須遵循較為嚴苛的使用條件。Deng等[50]基于可變的停留時間模型，建立了VART-DN(variable residence time)模型，該模型在設施處理初期雨水反硝化過程方面具有較好的模擬效果?？梢?，在水質模擬方面，現有的生物滯留設施水質模型大多只能對有限的污染物運移過程進行模擬，針對污染物遷移轉化及歸趨的模型相對較少，并且多使用基于監測數據分析的經驗公式。因此，亟須通過模型深度開發模擬生物滯留設施中污染物的遷移轉化過程。

總之，從目前的相關研究來看，在明確生物滯留設施污染物遷移轉化機理的基礎上，建立精度高、靈敏度強、使用范圍廣、適用于多種污染物水質水量耦合機理的模型是今后研究的重點。

2.3 生物滯留設施設計參數優化

生物滯留設施現有設計方法主要包括：基于達西定律的滲濾法、蓄水層有效容積法、基于匯水面積的比例估算法、基于水量平衡分析的設計方法、基于單場次降雨分析的生物滯留設施規模設計方法和基于長系列降雨統計的生物滯留設施規模設計方法[51]等?？傮w而言，這些方法都存在一定的局限性，在選擇使用時要分析生物滯留設施的結構特點、功能側重、設計標準和所在地的土壤特性等因素，同時，要考慮設計優化。因此，優化生物滯留設施內外部因素如重現期、匯流比、進水濃度、蓄水層厚度、種植土層厚度、人工填料厚度、淹沒區高度等，提升對徑流污染物的去除效果，是提升生物滯留設施運行效率的關鍵技術。目前，國內外對生物滯留設施設計參數優化開展了一定研究。Jiang等[52]研究表明重現期及匯流比的設計對污染物負荷削減至關重要，當重現期從0.5 a增加為3 a時，TN的負荷削減率降低15%，當匯流比從10∶1增加至20∶1時，TN負荷削減率降低12%。蔣春博等[9]通過大量模擬降雨試驗并結合數值模擬與理論分析方法，研究了內外部因素對生物滯留設施水質水量調控效果的影響，建立了水質、水量調控效果與填料組合方式、填料厚度、淹沒區深度及植物條件等各因素之間的多元偏最小二乘回歸模型。王書敏等[53]針對山地城市暴雨徑流污染特性和山地城市地形特點，提出一種山地城市道路徑流階梯式脫氮裝置，研究表明植物類型、外加碳源、系統流態3個因子對系統運行的效能均有一定影響。蔣春博等[9]研究表明，生態濾溝在150 mm淹沒區高度條件下的綜合去除率(各污染物去除率的平均值)優于沒有淹沒區條件和淹沒區高度為350 mm下的去除率。但是，在生物滯留設施中，由于影響其去除效率的因素較多，針對目前的研究而言，這些實際的試驗結果存在許多不確定性。因此，在利用數學模型對水分和溶質的運移進行數值模擬基礎上，通過模型和試驗相結合的方法來研究生物滯留設施的填料類型、填料層厚度、降水量大小、污染物濃度等對凈化效果的影響，探討適宜的運行條件，優化設計參數，可為生物滯留設施的提效提供依據。

3 生物滯留設施填料污染修復研究進展

目前，國內外研究人員已經針對生物滯留設施去除TSS、TN、TP、COD等常規污染物的效果開展研究，但對有機微污染物特別是持久性有機污染物在生物滯留設施中去除過程、生態毒性及修復方面的研究較為鮮見。

3.1 生物滯留設施有機微污染物去除過程

城市建設開發后，雨水徑流中的污染物由開發前的面上整體消納，逐漸轉變為開發后的點上集中入滲，進而被生物滯留設施去除[54]。由于雨水徑流中的有機微污染物都具有生物蓄積性、持久性、長距離遷移性等特征，對生物滯留設施去除有機微污染物的過程需要進行深入研究。研究表明，生物滯留系統主要通過填料吸附、植物吸收、微生物降解和揮發等作用去除徑流中有機微污染物[55-56]。但是，關于生物滯留系統去除雨水徑流中典型有機微污染物的具體過程及機制的研究并不多見，或只局限于小型試驗研究，如LeFevre等[39]就在實驗室模擬生物滯留系統進行研究，明確了不同途徑對PAHs的去除貢獻率，生物滯留系統對PAHs的去除率可達到80%左右，其中填料吸附貢獻率為56%～73%，生物降解的貢獻率為12%～18%，植物吸收貢獻率為2%～23%，而揮發幾乎不起作用(貢獻率低于1%)。Diblasi等[55]通過對雨水花園的長期監測，發現雨水花園對降雨徑流中的PAHs有很好的去除效果，年平均負荷削減率可達87%。劉梁[57]對生物滯留池中累積的PAHs進行了監測，結果表明，接納道路雨水徑流的生物滯留池土壤中有12種PAHs超標，最高超標倍數更是達到了979.4倍，且PAHs濃度在設施入流口處的土壤中最高。目前，生物滯留系統去除有機微污染物的研究僅針對PAHs(如萘、芘等)，對其他有機微污染物PCBs、OCPs等的研究較少，對于降雨徑流中新型污染物(emerging contaminants, ECs)的研究更少。同時，相關研究也多局限于小型試驗研究，對于生物滯留設施去除有機微污染物的實際運行效果研究鮮見。因此，針對以上問題，需對生物滯留設施去除有機微污染物開展系統性研究，提升其對有機微污染物的生物降解效率，防止有機微污染物在土壤累積并進入地下水，造成進一步污染。

3.2 生物滯留設施有機微污染物生態毒性

雖然雨水徑流中有機微污染物能夠有效被生物滯留設施去除，但大多數是被土壤/填料所吸附截留。有機微污染物的累積不僅存在污染風險，也威脅生物滯留設施的使用壽命。有關有機微污染物累積對生物滯留設施土壤生態系統影響的研究還較為少見，因此，開展生物滯留設施有機微污染物累積的生態毒理性方面的研究很有必要。目前，主要采用土壤生物特性診斷法來評價土壤污染的生態毒理性，主要包括土壤生物量、土壤呼吸、酶活性、硝化勢、群落結構和多樣性等指標[58-59]。其中，土壤酶活性能反映土壤生物化學反應程度，Maliszewska-Kordybach等[60]比較了土壤中PAHs對脫氫酶、脲酶和微生物生物量等生理指標的影響，發現敏感性最高的是脫氫酶。土壤微生物群落結構和多樣性是評價土壤健康的重要指標，通過對土壤中微生物活性、多樣性及群落結構進行分析，可以揭示土壤中微生物對土壤中污染物累積的響應關系。Hong等[61]研究了雨水花園中微生物群落結構的變化，結果表明，進水水質特征、設施生物穩定性、植被類型是影響雨水花園中微生物生長的重要因素。同時，生態毒理基因組學是探索化學物質毒性作用分子機制的有效工具，為研究生物體對污染物的耐受性提供了新的視角[62]。在生態毒理基因組學研究領域中，群落和種群基因組學可以為研究不同地區物種組成以及與環境污染的潛在關系提供新思路[63]。

通過對有機微污染物累積嚴重的生物滯留系統中土壤進行生態毒理性診斷，分析土壤中的酶活性、微生物群落結構及多樣性，并對其基因毒性進行評估，進而建立生物滯留系統有機微污染物累積的污染風險評價方法，加強生物滯留系統中有機微污染物累積的污染風險管控是很有必要的。

3.3 生物滯留設施生物強化修復技術

隨著運行時間的增加，很多因素導致生物滯留設施性能的降低/衰減，這些因素主要包括沉淀累積、管道堵塞、植物入侵、堤岸侵蝕及土壤流失等[64]。其中，降雨徑流中大量污染物累積(特別是有機微污染物的累積，包括PAHs、PCBs、OCPs等)造成的土壤板結或堵塞是影響生物滯留設施性能的最直接、最主要因素。在對生物滯留系統中有機微污染物累積的風險進行管控的同時，可以考慮采用提升有機微污染物的生物降解效率的方法對已被污染的土壤進行修復。采用外部修復方法，研究高效的土壤有機污染生物修復技術是當前重點。在土壤生物修復中，國內外采用的主要技術包括微生物修復、植物修復和一些聯合修復技術[65]。其中，生物修復技術主要是通過添加具有特定功能微生物的方法來提高原始處理系統的處理效果，促進難降解有機物的去除[66]。目前，關于城市地表徑流中有機微污染物降解的研究主要針對單類有機污染物降解菌的構建，其中已篩選分離出許多高效有機微污染物降解菌，如假單胞菌屬(Pseudomonas)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、寡養單胞菌屬(Stenotrophomonas)、弧菌屬(Vibrio)和解環菌屬(Cycloclasticus)等[57,67-68]。對于降雨徑流中復雜的有機微污染物，若采用單一的有機微污染物降解菌進行強化，由于降解菌與土壤中原油土著微生物產生競爭，往往不能高效地進行新陳代謝，從而無法達到預想的生物強化效果。混合菌群中的不同菌株可以利用不同的底物來增加底物的利用范圍和降解速率[69]。聯合修復技術作為一種新興的土壤污染修復技術，不僅能有效修復單一污染物，還能實現土壤復合污染的修復，是近年來國內外的研究熱點。其中，微生物-植物聯合修復是較為常用的一種技術，如根瘤菌和菌根真菌雙接種能強化紫花苜蓿對多氯聯苯的修復作用[70],植物的根系分泌物可以影響細菌菌群數量，達到提高多環芳烴降解效果的目的[71]。

明確有機微污染物的累積對生物滯留設施中土壤/填料微生物群落產生的影響及污染風險，科學制定管控措施，規避有機微污染物累積所存在的風險，應用土壤修復技術，提升生物滯留設施對有機微污染物的降解效率，在非降雨期內對吸附的有機微污染物進行生物降解，可延長生物滯留設施的使用壽命。

4 展 望

a. 改良填料能夠很大程度地提升生物滯留設施運行效果，但國內外對于生物滯留系統中的填料及其改良研究還存在很大不足和研究空間，仍未形成一套成熟、系統的設計標準。同時，更應注重研制符合我國實際情況的代表性改良填料，并開展生物滯留設施長期水量水質調控效果的研究。

b. 現有研究大部分只針對生物滯留設施的水量水質調控效果，對于污染物遷移轉化機制及相關模型缺乏系統研究，運用模型對生物滯留系統設計參數優化的研究也不足，且理論研究成果缺乏實際工程的驗證。通過引入同位素示蹤法等，可以進一步研究污染物的遷移轉化機制，建立相關數學模型并開展基于區域水文地質條件的設施參數優化研究。

c. 生物滯留設施在有機微污染物去除方面仍存在不足,未來研究可結合分子生物學技術，系統性研究有機微污染物在生物滯留設施累積情況及對填料中微生物的抑制和毒性。同時，還應深入研究土壤有機污染修復技術及其機制，在非降雨期間提高生物滯留設施吸附有機微污染物的降解效率，并延長生物滯留設施的使用壽命。