生物滯留池處理徑流雨水的研究現狀與展望

李芬芬，蔡志文，馮萃敏，魏瞳，王睿

(1.北京建筑大學 北京未來城市設計高精尖創新中心，北京 100044；2.北京建筑大學 水環境國家級實驗教學示范中心，北京 100044；3.深圳市城市規劃設計研究院有限公司，廣東 深圳 518034)

“缺水、內澇、水臟”是我國大多數城市面臨的三大難題，這三大難題也是推進我國海綿城市建設的重要原因。海綿城市是一種將“滲、滯、蓄、凈、用、排”融為一體的綜合雨水管理技術，能有效保護和改善城市生態環境[1]。生物滯留池是海綿城市建設中常采用的雨洪管理技術措施，由于其對雨水具有較好的綜合控制效果，已在美國、英國等發達國家及我國的嘉興、萍鄉、武漢等地得到廣泛應用和推廣[2]。目前，生物滯留池研究應用中存在的主要問題是氮、磷去除效果很不穩定[3]，甚至出現氮、磷出流濃度遠高于入流濃度的現象[4-5]。

1 生物滯留池簡介

生物滯留池具有基建費用低、適用范圍廣、運行維護簡單等特點，在雨水徑流處理系統中應用較為廣泛[1,6-7]。生物滯留池將城市景觀設計理念和水污染治理工藝相結合，不僅可以作為景觀設施保護生態環境，還可以轉化徑流雨水中的污染物，削減徑流量、延遲洪峰時間，實現雨水流量控制和水質凈化的雙重目標[8]。

1.1 基本構造

生物滯留池的典型構造見圖1。其中蓄水層主要作用是儲存、預處理入流雨水；覆蓋層多選用樹皮或木屑，能吸附截留部分重金屬、有機顆粒及懸浮固體(suspended solids，SS)，為微生物提供生長載體，同時還能保證根系的含水率、防止土壤侵蝕；種植層(也稱填料層)多由土壤及有機質等物質混合而成，生物活性強，能為微生物和植物提供生長所需的養分；隔離層多采用粒徑為0.5～1.0 mm的石英砂或防滲膜，主要作用是防止種植層介質進入排水層導致介質流失；排水層主要起臨時儲水作用，底部埋設的穿孔管起排水作用[1,9]。

圖1 生物滯留池典型構造示意圖Fig.1 Schematic diagram of typical structure of bioretention

1.2 主要應用

根據場地條件、設施控制目標及景觀要求的不同，生物滯留池可以設置在道路兩側、街心花園、停車場等位置[10-11]。生物滯留池的建造面積不宜過大，一般占匯水區域總面積的5%～10%[12]。生物滯留池多用于處理道路、橋面及屋面形成的徑流雨水，當場地雨量較大且污染較嚴重時，可采用植草溝等設施對徑流雨水進行預處理，或利用棄流設施將初期雨水排至污水處理廠進行集中處理，通過以上措施緩解生物滯留池處理負荷，增強雨水處理效果；當生物滯留池建設在道路兩側綠化帶或中心花園時，可在內部設溢流裝置(溢流井、雨水口)，避免植物因光合作用降低、積水時間過長使根部長時間處于缺氧環境而死亡。經生物滯留處理后的雨水可經市政管網直接排走或通過池底的穿孔管輸送至蓄水池收集用以澆灑綠地、道路，或者滲透補給地下水[13]。

2 生物滯留池對徑流污染物凈化的研究進展

生物滯留池對徑流污染的控制由植物、填料及微生物共同發揮作用。植物吸收的污染物可通過植物收割徹底去除，植物還能通過改善填料中水分的滯留時間、pH等影響填料內部微生物的活性。微生物在參與脫氮的同時還能通過富集作用去除其他污染物。植物、填料及微生物三者相輔相成，相互促進，從而高效去除徑流雨水中的污染物[14]，從三者對污染物的去除機理出發，國內外學者開展了相關試驗研究與模型模擬，分析了生物滯留池對徑流污染物的控制效果。

2.1 總懸浮固體的去除

總懸浮固體(TSS)主要來源于降雨沖刷路面、屋面，它的去除主要依靠在蓄水層的自身沉淀作用和生物滯留池覆蓋層、填料層的過濾作用去除。運行穩定的生物滯留池對TSS的去除率可以達到90%以上[15]。毛月鵬等[16]研究不同進水水質情況下，土壤層厚度對生物滯留池污染物控制效果的影響，發現隨土壤層厚度的增加SS去除率增加的并不明顯，當土壤層厚度相差5 cm時，對SS的去除率之差也沒超過5%，表明SS主要被上層土壤過濾去除。Hsieh等[17]研究恒定入滲速率下生物滯留試驗柱對污染物的控制效果，結果發現對TSS的去除率能達到90%以上，且觀察發現上層覆蓋層截留了大量的固體顆粒。朋四海等[18]通過試驗研究表明，在一定滲透率范圍內，滲透性差的生物滯留池能延長徑流雨水的通過時間，對SS的去除效果更好，更有利于顆粒物的沉淀。Shrestha等[7]通過評估美國佛蒙特州伯靈頓市路邊8個生物滯留池在經歷121場暴雨后的水質凈化性能，發現對TSS的平均去除率超過了90%，但應用過程中出現了污染物的沖刷現象。

以上表明生物滯留池對TSS去除效果較好。覆蓋層和填料層能截留大量的顆粒物質，對生物滯留池高效穩定去除TSS至關重要。但被截留的TSS會造成填料堵塞，因此選擇填料時綜合考慮其滲透性能和吸附性能，另外應定期更換覆蓋層和表層填料，延長生物滯留池的使用壽命。

2.2 有機物的去除

徑流雨水中顆粒性有機物主要通過沉淀作用去除，溶解性有機物主要通過微生物降解作用去除，最終被轉化成微生物細胞體或被分解成CO2和H2O[19]。

劉梁[20]通過將外源多環芳烴高效降解基因重組至從生物滯留池中篩選出的降解多環芳烴優勢菌種的基因組，將菌種在實驗室進行大量培養后接種至生物滯留池，發現3個月內芘的總體降解率達到了70.5%，相比未加入基因重組菌種的生物滯留池，芘的去除率增加了25.3%。Hsieh等[21]通過對比以不同介質作為生物滯留柱填料水質凈化效果的差異，發現對油脂的去除率均在96%以上。Hong等[22]研究覆蓋層對生物滯留池去除油脂效果的影響，發現有覆蓋層的生物滯留池對油脂的去除效果更好，去除率能達到80%～95%，且覆蓋層吸收的油脂在2～10 d內被生物降解，表明覆蓋層的增加能增強生物滯留池對油脂的去除效果的有效性和可持續性。David等[23]研究生物滯留池對多環芳烴、多氯聯苯去除效果時發現，相比未設置生物滯留池，徑流雨水中兩種污染物的濃度分別由2 300 ng/L降至235 ng/L，730 pg/L降至410 pg/L，去除率分別達到達90%,44%。

總體來講，生物滯留池對有機物的去除效果較好，大多數有機物在覆蓋層就能被吸附滯留，因此在生物滯留池的長期運行中覆蓋層的定期更換必不可少。為增加反硝化除氮的效果，添加有機碳源是最常用的措施，但有機物的投加是否對磷等污染物的去除產生影響及有機物投加量的多少還需進一步研究確定。

2.3 氮、磷的去除

對氮、磷的去除效果不穩定是生物滯留池研究與應用過程中遇到的棘手問題。Li等[31]在高溫和半干旱地區的德克薩斯州進行了生物滯留池的中試試驗，采用堆肥改良土壤，增加了對鋅、鉛、總懸浮物和氨氮的去除效果，但是由于堆肥的使用，造成了氮素磷素的淋出。仇付國等[32]通過研究填料改良對生物滯留池凈化徑流雨水的促進作用，發現以鋁污泥作為改良劑添加到基質層，對TP的去除率能達到90%以上。Li等[33]綜合已發表文章中生物滯留設施對磷的去除機理和性能，基于介質平衡濃度的假設，建立了一個適用于模擬水中磷濃度的預測模型，利用模型對生物滯留池中磷素的吸附機理進行了研究，發現磷素進入填料層之前發生快速吸附，進入填料層之后發生慢速吸附，且在生物滯留池干燥期慢速吸附起主導作用，濕潤期快速吸附起主導作用。李佳科等[34]研究發現，生物滯留池設置40 mm的淹沒區時，對TN的去除率能達到50.84%。

2.4 重金屬的去除

生物滯留池對重金屬的去除主要依靠填料層與覆蓋層的吸附和截留作用，植物的吸收去除作用十分有限[35]。王建龍等[36]研究混合填料對生物滯留池去除重金屬的影響發現，Cu、Zn、Pb、Cd均有較好的去除效果，去除率均在90%以上。Davis等[37]研究發現，生物滯留池對Zn、Cu、Pb的去除率均能達到92%以上，且發現重金屬主要在覆蓋層被吸附截留。朱英杰[38]研究生物滯留池不同介質層高度對重金屬的去除效果時，發現上層介質(0～20 cm)對Cu和Pb的去除率能達到90%以上。

重金屬具有毒性，且相較于其他污染物，更難被降解，而且會在填料中富集，影響生物滯留池的安全穩定運行，因此需注意合理處置更換后的填料，重視填料的二次污染問題。

2.5 致病菌的去除

大腸桿菌、糞大腸桿菌及腸球菌是徑流雨水中常見的致病菌，含量雖低，但也會對人體與水環境產生危害。致病菌主要依靠填料的過濾、吸附以及微生物群落間的捕食與競爭作用去除[9]。干燥期與濕潤期的時間會在一定程度上影響對致病菌的去除效果，Li等[39]研究發現，生物滯留池濕潤期對大腸桿菌的去除率在70%左右，干燥期對大腸桿菌的去除率在98%左右，明顯高于濕潤期，說明適當的干燥期有利于大腸桿菌的去除。Lau等[40]以硫酸改性的生物炭作為生物滯留池的填料層的改良劑時，對大腸桿菌去除率能達到98.7%，且發現混合填料能減少大腸桿菌的遷移，降低大腸桿菌的遷移量，有利于大腸桿菌的去除。

大多數致病菌能夠在干旱條件下自然死亡，適當延長干旱期能有效增加對致病菌的去除，但較長的干旱期會影響植物的生長，因此研究階段需要合理確定干旱期長短。

生物滯留池的水質凈化效果受徑流水質、氣候條件、技術措施的組合、植物性能、填料性能以及微生物種類與數量等條件影響。因此在試驗研究與工程應用中，污染物的去除效果不盡相同，但總的來看，對氮、磷的去除效果波動性較大。填料選擇對氮磷去除影響較大，填料選擇不當，會導致氮、磷的淋失，淋失量能達到入流量的幾百甚至上千倍。而具有預處理措施、填料吸附性能較好、微生物種類數量豐富的情況下，氮、磷的去除效果則較好，去除率最高能達到100%。

3 生物滯留池的水文效應研究進展

生物滯留池主要通過蓄水層的儲存、植物截留、填料吸收等作用控制徑流雨水的水量峰值與洪峰時刻。儲存的雨水蒸發回到大氣，滯留的雨水下滲補充地下水，以此促進了城市水循環[41]。

Shrestha等[7]評估美國佛蒙特州伯靈頓市路邊8個生物滯留池污染物控制效果的同時，研究了生物滯留池對該城市水文效應的影響，發現雨水排放量平均減少了75%，峰值流量平均削減了91%。唐雙成等[42]利用DRAINMOD模型分析蓄水層深度對生物滯留設施水量削減和污染物去除效果的影響，模擬結果顯示蓄水層深度達到某一臨界值之前，增加蓄水層的深度能增強生物滯留設施雨水處理效果，當蓄水層深度為30 cm時，對徑流量的削減率能達到33.5%。欒楠等[43]以SWMM模型為工具，模擬了1,3,5,10 a降雨重現期下生物滯留池對道路雨水徑流的削減效果，結果顯示不同重現期下對徑流總量的削減率分別達到了33.5%,25.2%,21.5%,20.0%，對徑流峰值削減率分別達到了26.2%,24.1%,22.0%,17.9%，均隨降雨重現期的增加而減小。

生物滯留池的水文效應主要受氣候條件、降雨強度、設施比表面積、填料類型等因素影響，對雨水徑流具有較好的滲透和滯留作用。但文獻顯示，絕大多數研究是針對一個或一類影響因素進行的，尚缺少將水量控制、地下水補給、地下水水文影響、河道侵蝕等方面綜合起來，開展其對城市水文效應影響的系統研究。

4 生物滯留池設計改進措施與建議

提高生物滯留池的蓄水能力和水質凈化效果是目前的研究重點。因此，眾多研究者從填料改良、級配控制與比表面積優化等方面開展相關試驗研究，對生物滯留池設計具有較好指導意義。

(1)填料改良。多推薦以土壤為基質，以有機質為改良介質，混合后作為生物滯留池的填料，來增強填料滲透性能及水質凈化效果。田婧等[41]研究表明，加入4%生物炭，能使生物滯留池飽和滲透系數提高1.5倍，水力停留時間延長1.6 h，同時系統內的生化反應進行得更完全，系統出水水質更好。

因此，設計時應根據場地實際情況選擇生物滯留池填料，如果當地土壤具有良好的雨水下滲效果，且其中營養物質和有機質的含量能夠滿足植物和微生物的生長要求，可直接以當地土壤作為設施填料，否則應采用改良填料。改良填料的成本一般較土壤高，因此填料選擇時，應該綜合考慮當地經濟發展狀況及材料供應能力，選擇最具成本效益的填料類型。

(2)填料級配控制。填料級配受排空時間和有機質含量影響。Jiang等[44]分別以傳統混合土、傳統混合土+5%給水處理廠污泥、傳統混合土+ 5%綠沸石、傳統混合土+5%粉煤灰等作為生物滯留池的填料，研究其對氮的去除效果，結果表明，只加傳統混合填料的生物滯留池對總氮的去除效果最差，去除率比其他3種混合填料低10%左右。

調節填料層高度、優化填料配比能增強雨水處理效果。填料中有機質作為反硝化的電子供體，對氮的去除至關重要，但有機質含量過高會出現營養物的淋洗現象，可將有機質含量控制在5%～10%。

(3)植物選型。應綜合考慮植物經濟價值、生長環境，選取抗旱耐澇、凈化能力強的植物。劉海榮等[45]研究馬藺和鳶尾對生物滯留池控制徑流雨水效果的影響，發現兩種植物均能明顯提高生物滯留池的蓄、滲水能力，且填料層合園土∶蛭石∶草炭土的比例為1∶1∶1時，馬藺的凈水能力更好。

一般情況下，生物滯留池應優先選用本土植物，根據控制目標的不同選取相應的植物，以徑流污染為控制目標時，優先選擇抗逆性強的植物，以徑流流量為控制目標時，優先選擇根系發達的植物。

(4)比表面積優化。比表面積是生物滯留池水文效應最重要的影響因素，孫艷偉等[46]采用設計軟件RECARGA模擬分析了不同比表面積下生物滯留池用于控制徑流雨水時的水文效應，結果表明，當生物滯留池比表面積為15%時，對徑流總流量的削減率能達到80%。

對于特定地區，應優先使用模型模擬當地降雨條件，在不產生雨水徑流的前提下確定不同填料在不同降雨條件下的匯流比，最終確定設施表面積，指導實際應用過程中生物滯留池比表面積的確定。

(5)結構設計。淹沒區高度的變化對氮的去除效果影響較大。李家科等[34]研究淹沒區高度對生物滯留池水質凈化效果的影響，通過對比不同淹沒區高度下出水總氮含量，發現淹沒區高度為40 cm時對總氮的去除效果最好，對比淹沒區高度為20,30 cm時，增加了10%左右。

淹沒區設置能增強反硝化作用，目前還沒有設置淹沒區高度的具體定論。碳源(電子供體)是反硝化的限制因素，因此要在淹沒區添加穩定碳源來提高脫氮性能，同時選擇填料時要避免碳源的淋失。

(6)微生物接種及培養。陳垚等[47]通過高通量測序技術，并以硝化細菌中的amoA基因和反硝化細菌中nirS基因為分子標記，研究干濕交替下，生物滯留池不同位置硝化和反硝化細菌分布特征，發現微生物群落分布易受環境因子(水分含量、植物根系等)的影響。

對于生物滯留池中的特定菌種，可將其篩選出作為受體菌，通過基因重組和基因修飾等手段提高其對污染物凈化的穩定性，同時向菌株胞內導入可調控的自毀系統，再將菌種接種至生物滯留池，不僅能實現污染物的凈化還不存在生物安全風險。也可將生物炭、改性生物炭等比表面積大、穩定性強的物質加入到生物滯留池來聚集系統中微生物，提高系統內微生物多樣性。

(7)運行維護。朱磊等[48]將生物滯留池配合溢流雨水井設置，削減了洪峰流量，提高了出水水質，延長了暴雨重現期。

借鑒前人的研究經驗，對生物滯留池的維護可從以下幾個方面開展：溢流雨水井采用可開啟式篦子或在進水口處設預處理裝置，定期清掃井底池底；當下雨時樹皮覆蓋層呈懸浮狀，說明覆蓋層已經老化，要及時更換新鮮硬木、樹皮、樹葉或樹根；定期修剪植物、清理雜草，及時更換受損植物；定期檢測出水水質、檢查填料的干燥情況，及時澆灌植物，必要時更換上層填料。

5 展望

在總結國內外生物滯留池研究應用的基礎上，建議未來對生物滯留池的研究重點集中在以下四大方向。

(1)填料的吸附飽和性，尤其是填料的更換周期與堵塞問題，是生物滯留池應用過程中遇到的瓶頸，可以考慮對徑流雨水進行預處理、改進池體結構或繼續尋找優質改良填料。

(2)生物炭及改性生物炭能增強對氮磷的吸附效果，建議將其應用到生物滯留池的填料層，考察其對徑流雨水中污染物的綜合去除效果。

(3)徑流雨水中的有機微污染物會抑制填料中微生物的生理活性，造成填料層堵塞及土壤板結。可以從分子生物學技術出發，研究有機微污染物在生物滯留池運行過程中的累積遷移過程，及其對填料中微生物群落的抑制機理。

(4)污染物會在生物滯留池的填料層累積，給系統的穩定運行帶來困擾，雖然植物收割會在一定程度上延長填料的飽和周期，但根系對污染物的吸附量遠高于莖葉，因此未來研究與應用需考慮填料使用過程中的二次污染問題。