生物滯留技術凈化徑流中重金屬研究進展

賈秋生，陶正凱，劉明輝，荊肇乾

(南京林業大學 土木工程學院，江蘇 南京 210037)

隨著城鎮化的不斷推進，城市不透水范圍持續增加，包括城市道路、屋頂等，使得雨水徑流本來應該滲透地下水的途徑越來越少，自然水文循環遭到破壞，在一定程度上削減了城市的調蓄功能[1]，峰時流量、徑流總量增加，城市內澇頻發。同時，降雨時雨水沖刷匯水區域下墊面的污染物，包括有SS、COD、重金屬、NP營養物、氯化物、油脂、PAHs(多環芳烴)、農藥等[2]。雨水徑流攜帶污染物進入受納水體，進而形成水體污染。

隨著對環境問題認識不斷提高，人們對于一些點源污染的治理趨于完善，由雨水徑流帶來的面源污染成為城市水體污染主要原因，成為僅次于農業污染的第二大面源污染[3]。地表水體重金屬污染的最主要來源是雨水徑流中所夾雜的重金屬[4]，重金屬在自然環境中很難進行生物降解，反而會沿著食物鏈產生富集作用，嚴重危害人類身體健康，并且重金屬污染具有持久存在、范圍廣泛的特征。

生物滯留技術是LID的主要技術之一，可以調蓄雨水，削減洪峰流量，改善出水水質，也可以兼具景觀效果，受到了國內外的廣泛關注，國外對生物滯留技術的研究早于國內幾年，國內對于重金屬的凈化效果缺乏研究數據。研究生物滯留技術對重金屬凈化效果的機理有助于更好地設計生物滯留設施，了解重金屬在生物滯留介質內部的遷移與轉化。

1 地表徑流中重金屬污染分析

1.1 重金屬污染現狀

城市地表徑流中的重金屬來源有很多，其中最主要的來自汽車尾氣、工業企業的煙塵、化石燃料的燃燒、大氣沉降、輪胎以及各種零部件的腐蝕、建筑墻板等。DAVID等系統地介紹了各種不同的重金屬的來源(表1)[5]。

表1 城市徑流中重金屬的來源

由于我國降水時空差距比較明顯，各個城市的雨水徑流中的重金屬濃度差異肯定有所不同，表2列舉了一些國內外城市雨水徑流中重金屬濃度。

表2 國內城市雨水徑流中重金屬濃度比較

由表2可知，國內外雨水徑流中的重金屬的濃度差別很大，這是因為各個地區的降雨量以及城市下墊面情況不同，所以因地制宜地采用合適的方法來凈化重金屬是十分必要的。同時可以看出國內主要城市中雨水徑流中重金屬濃度已經超過地表水Ⅱ類標準(地表水環境質量標準GB 3838—2002)[8-10]，因此需要對重金屬污染及時治理。

1.2 徑流中重金屬的賦存形態

重金屬形態指重金屬元素在環境中存在的形式，形式不同會表現出的毒性和環境行為也不一樣[16]。重金屬在城市雨水徑流里賦存形態主要分成：顆粒態和溶解態。Sally等[17]研究表明城市徑流顆粒態Pb、Cd、Cu、Zn的含量占其總量的97%，83%，67%，52%。Zhao等[18]研究表明城市雨水徑流中，顆粒態重金屬占沉積物中重金屬總量的70%以上，即顆粒態是雨水徑流重金屬主要存在形式。除了這兩個相態以外，重金屬在顆粒態和溶解態之間還有幾個相態，不同相態能量狀態不同，遷移性也不同，重金屬的有效生物性和對環境的危害程度也不同。

1.3 生物滯流介質中重金屬的賦存形態

當重金屬隨著雨水徑流進入生物滯留介質之后，各種重金屬的形態變化以及相態轉化對研究介質內部重金屬的遷移和轉化有著十分重要的影響。Tessier等[19]的五步連續提取法是目前研究中應用最廣泛的方法，把土壤中重金屬形態分為：可交換態、碳酸鹽結合態、鐵-錳氧化物結合態、有機物結合態和殘渣態。

1.3.1 可交換態 該狀態的重金屬吸附在黏土、腐殖質和其他成分上，遷移轉化的可能性高，對環境的改變敏感，植物能夠吸收[20]，因此會對食物鏈產生很大的影響。

1.3.2 碳酸鹽結合態 該狀態的重金屬吸附在碳酸鹽表面產生共沉淀[21]。以這一形態存在的重金屬極易受到土壤環境的變化，當pH下降時，重金屬容易從沉淀中釋放出來，再次進入環境。當pH升高時，有利于碳酸鹽的生成，也有利于重金屬與碳酸鹽礦物產生共沉淀[22]。

1.3.3 鐵錳氧化物結合態 該狀態的重金屬可以與介質中的活性鐵錳氧化物和粘粒礦物吸附或者共沉淀[23]，一般活性高的鐵錳氧化物的比表面積也比較大，易共沉淀或吸附陽離子以及陰離子。土壤pH值、氧化還原反應條件改變時，鐵錳氧化物的結合態會隨著改變。當pH高和氧化還原電位高的時候，利于鐵錳氧化物的形成；相反，當pH低時，容易被釋放。

1.3.4 有機結合態 該狀態的重金屬可以與土壤中的有機物活性基團通過化學鍵螯合[24]。土壤中存在各種有機物，如植物殘體、礦物顆粒的包裹層、腐殖質，有較強螯合金屬離子的能力，可以以有機膜的方式附著在礦物顆粒的表面，改變礦物顆粒的表面性質，增加其吸附重金屬的能力。同時，部分有機物在氧化條件下可能會降解，重金屬元素溶出。

1.3.5 殘渣態 該形態的重金屬結合在硅鋁酸鹽、原生與次生礦物之類的晶格中[25]，正常情況下，很難釋放，能夠在沉積物中長期且穩定的存在，不容易被植物吸收，屬于不溶解態重金屬，對生物鏈的影響小。

2 生物滯留措施

2.1 生物滯留設施的組成與分類

典型生物滯留設施包括蓄水層、礫石層、填料層、種植土壤層、覆蓋層、植物、溢流裝置，通常底部采取自然下滲或者接入排水管網。

蓄水層對雨水徑流進行預處理，起到調蓄作用。覆蓋層能夠緩解雨水侵蝕作用，避免填料層和種植土壤層的水土流失。種植土壤層需要根據不同的植被類型來確定種植土壤層的厚度。填料層是生物滯留設施的關鍵，需要根據不同地方降水特性確定厚度，根據不同地方的徑流污染特點確定填料的種類。礫石層位于最底部，便于處理后雨水排出。

2.2 常見的生物滯留設施

生物滯留設施的分類按照應用的位置不同分為：生態樹池、雨水花園、高位花壇、生物滯留帶[26]。

生態樹池可以設置在道路分隔帶、人行道、停車場或者廣場等小匯水區域，占地面積小，靈活性強，不必連續布置。生態樹池能夠有效緩解城市排水管網的壓力，間接地補給地下水，調節城市水循環，同時具有景觀效果。種植土層一般選用營養成分高、滲透性能較好的能使植物生長良好的混合物，植物一般選擇灌木或者喬木。

雨水花園一般建設在地勢比較低的區域，能夠處理小面積匯流初期雨水。與一般生物滯留設施不同的是，雨水花園需要增設預處理區，也不需要與排水管網連接[17]。雨水花園可以設在住宅區、商業區、工業區的建筑的不透水區域。種植土層一般選擇滲透性好的砂質土壤或者含有腐殖質的土壤，選取的植物應耐旱耐澇。

高位花壇幾乎都是半地下式，一半在地面，收集屋面雨水，主要適用于住宅區、商業區和工業區的建筑物周邊。因為從屋頂落下，雨水的沖擊力比較大，因此在高位花壇的表層需要做好消能設施。

生物滯留帶一般設置于路面以下較低區域，處理初期雨水，使其邊蓄邊滲。當達到一定的蓄水深度時，可經溢水井排至排水管道。

3 生物滯留設施重金屬污染去除機制分析

3.1 去除效果

國外對于生物滯留設施去除重金屬的研究在20個世紀90年代已經開始了，國內的研究在近10年也逐漸展開，大量的實驗數據和測試結果都表明生物滯留設施對重金屬有良好的去除效果[27-28]。Fuerhack等[29]采用設計滯留介質對人工合成的雨水進行凈化，發現去除了83%的Zn，73%的Cu。Glass和Bissouma[30]對停車場旁的生物滯留設施進行實驗，發現Cu、Pb、Zn的去除率分別達到81%，75%和79%。Blecken等[31]用生物滯留設施在干旱和濕潤的條件下實驗，Cu的去除率為70%，Pb、Zn的去除率都為90%。以上結果表明，生物滯留設施能夠很好地去除雨水徑流中的重金屬。

3.2 凈化機理

生物滯留設施對徑流中重金屬去除機理分為：表層介質截留、植物吸收、內部介質物理吸附。

對于雨水徑流內顆粒態重金屬，全部能夠被生物滯留設施去除[32]。同時，城市雨水徑流存在著相當一部分溶解態重金屬[33]，通過植物吸收和生物滯留設施內部填料吸附去除。Muthanna等[34]對生物滯留設施內部進行分析，發現徑流中80%以上的Zn、Cu、Pb被滯留介質吸附，植物吸收了2%～8%的重金屬。Sun等[35]研究發現滯留介質可以吸附88%～97%的Pb、Cu、Zn，植物能夠吸收0.5%～3.3%的重金屬。根據研究，植物吸收的重金屬占總量的很少一部分，生物滯留設施各組分對重金屬去除能力內部滯留介質吸附占比最大，其次是表面顆粒攔截，最后是植物吸收。

3.3 影響因素

Davis等[36]研究表明，影響生物滯留設施去除重金屬的主要因素包括徑流中重金屬濃度、降雨強度、降雨歷時、pH、生物滯留設施的構造和介質類型，其中生物滯留設施的構造和介質類型對去除重金屬的能力影響較大。

Gulbaz等[37]對不同介質進行實驗，結果發現對重金屬去除能力大小為：草皮>營養土>覆蓋砂>礫石。Jiang等[38]對生物滯留介質進行改性，發現用粉煤灰改性后的滯留介質對重金屬的去除能力要比添加綠沸石和椰糠的滯留介質要好很多。Ying等[39]選用不同種類的植物進行實驗，發現植物對重金屬的吸收能力受重金屬種類、植物種類、土壤條件的影響，但植物所吸收的重金屬的量都較低。

生物滯留介質組成不同，對雨水徑流滲透能力和對重金屬去除能力也不同。因此需要根據城市雨水徑流的特性，選取合適的生物滯留介質。盡管植物對重金屬的吸收能力并不強，但是植物能夠維系滯留介質的結構，抵擋雨水沖刷[40]。所以也要選擇合適的植物，使生物滯留設施壽命延長。

3.4 技術局限與改進

生物滯留設施對重金屬的去除能力并不是把重金屬無害化，只是通過過濾、吸附、沉淀等方式把重金屬截留在生物滯留介質的內部，所以生物滯留設施并不能夠無限使用，一般在經過15～20年的使用，重金屬會滲出，特別是溶解性重金屬，具有很好的生物利用性，更容易對生態造成破壞，所以要加緊對生物滯留設施的監控，及時更換表層介質。

近年來對于生物滯留介質的類型及構造的創新設計有很多。Wang等[41]在生物滯留設施增加淹沒缺氧區和加入碳源，缺氧區的設置使Pb和Cu的去除率顯著提高，碳源的加入使Zn的去除率輕微提高。Makela等[42]研究表明鋼渣對于重金屬有很強的吸附能力，并且能使重金屬溶解和遷移能力減弱。Reddy等[43]研究發現，在生物滯留設施里加入鐵屑能夠增加對重金屬的截留總量。

4 結論與展望

目前，生物滯留設施在國內正處于研究熱潮，大量研究表明生物滯留設施對徑流中重金屬去除效果顯著。在生物滯留設施中對重金屬去除能力最強的是生物滯留介質，國內外關于生物滯留介質有很多創新研究，也有很好的成效。

但生物滯留設施的使用壽命問題沒有得到很好的解決，在處理的重金屬量達到極限之后，重金屬會滲出，對環境造成二次污染，需要及時的監控，未來可以向加強生物滯留設施使用壽命研究，也可以與其他凈化設施進行聯合處理，增強徑流凈化效果。