生物滯留設施運行常見問題及調控措施研究進展

周 媛，張立秋，楊 龍，馬金元，劉永澤，儲楊陽

(1.中國城市建設研究院有限公司，北京 100120；2.清華大學環境學院,環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室，北京 100084；3.北京林業大學環境科學與工程學院，北京 100083)

生物滯留設施主要通過植物、微生物、基質等共同作用進行雨水蓄滲、雨水凈化，具有調節城市徑流、凈化水質、緩解城市內澇等作用，是海綿城市建設的重要技術手段[1-2]。根據使用位置、設施外觀大小的不同，生物滯留設施主要包括生物滯留帶、雨水花園、高位花壇、生物濾溝、生態樹池等[2]。典型的生物滯留設施一般由蓄水層、覆蓋層、種植層、填料層和礫石層等構成，結構如圖1所示。雨水徑流中含有多種污染物，如懸浮固體(SS)、氮磷營養物、致病菌、重金屬、融雪劑、殺蟲劑和除草劑等[3-4]，這些污染物進入排水管網或排入河湖等水體會導致水質惡化，威脅人類健康。當污染物逐步累積到一定程度后，生物滯留設施就會變成新的“污染源”，不僅不能實現海綿設施預期的“綠色”功能，還會對水體和土壤環境造成污染，影響植物生長和景觀生態。在生物滯留設施的長期運行過程中，還存在污染物累積、基質堵塞、植物死亡、過度沖刷侵蝕等問題[5-7]，是影響海綿城市生物滯留設施運行、維護和管理的瓶頸。

圖1 典型生物滯留設施結構示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Typical BRF Structure

目前，國內外學者在生物滯留設施的凈化能力、滲濾性能、填料組成、植物選取、模型模擬等方面開展了較多研究[8-10]。姜登嶺等[9]對生物滯留設施的結構、水文效應和污染物去除機理進行歸納總結，闡明了生物滯留設施主要通過沉淀、過濾、吸附、離子交換等作用實現對污染物的去除。李澄等[10]從結構組成、建設步驟方面對生物滯留設施在建設過程中出現的施工與圖紙不符、排水不暢等問題進行改進并提出管理建議。但對于生物滯留設施在運行過程中的問題和調控手段的研究比較分散，缺乏對主要問題的歸納及優化方式的全面分析。本文對生物滯留設施運行的常見問題、解決途徑和優化調控措施進行全面歸納，并從源頭減量、工藝設計、運維管理3個方面對生物滯留設施提出建議，旨在為生物滯留設施的實際運行提供參考。

1 生物滯留設施運行的主要問題

生物滯留設施經過長期運行，存在內部堵塞、污染物積存、植物長勢差、季節景觀差別大、過濾層表面沖刷侵蝕等諸多問題，最終導致植物死亡、雨水凈化能力和生物滯留性能削減，影響其景觀生態效益。

1.1 基質堵塞

表1展示了不同生物滯留設施運行的堵塞時間及使用特點。由表1可知，基質堵塞問題已經成為生物滯留設施運行過程的通病，生物滯留帶、雨水花園等設施運行5～8年就會發生基質堵塞與污染累積，對設施的水質凈化能力和使用壽命有很大影響[11-13]。對運行4年的生物滯留設施進行實地調查時發現，設施運行過程中有40%的時間存在基質堵塞問題，無法達到設計要求的滲透性能[11]。引起基質堵塞的原因和過程比較復雜，水力壓實、沉積物、植物、微生物、填料等都會導致生物滯留設施不同程度的堵塞。郝巖[12]研究了基質種類、植物品種、設施結構特點(如有無淹沒區、進水負荷)等對生物滯留設施堵塞的影響，結果表明，較高的基質初始滲透性能和基質層厚度、淹沒區設置、低進水顆粒物濃度等都可以降低設施的堵塞風險。還有研究表明，降雨徑流的時空分布差異、污染物濃度及降雨特征(強度、歷時、頻率)對設施堵塞影響較大，高濃度進水和較高的降雨強度更容易導致設施堵塞[13]。

表1 不同生物滯留設施運行的堵塞時間和使用特點Tab.1 Clogging Time and Used Characteristics of Different BRFs

1.2 污染物累積

砂礫、落葉、灰塵、食品殘渣、紙屑、塑料袋等都會成為污染物，隨雨水徑流進入設施，造成生物滯留設施堵塞、處理負荷增加、二次污染等問題。可溶性的氮、磷、有機質、重金屬等污染物進入設施后，會不斷積累逐漸達到飽和狀態并下滲轉移至填料內部。污染物累積不僅會影響生物滯留設施的正常運行，還會對周圍的土壤和地下水造成潛在風險[18]。多項研究發現，生物滯留設施對顆粒態有機氮、氨氮、亞硝態氮的去除率超過83%，但對溶解性有機氮和硝態氮的去除率較低,甚至是負值[19-20]。施用農藥、殺蟲劑、除草劑等會增加徑流中水溶性和持久性有機污染物的濃度，其殘留物會持續存在于生物滯留設施中，對城市水體造成嚴重危害。Costello等[14]調查了25個不同運行年限(0～7年)的生物滯留設施，發現設施中的銅、鉛、鋅等重金屬含量會隨著運行時間的增加不斷累積并達到植物承受的閾值。

1.3 季節性差異

我國地域廣闊，地形地貌、水文地質和氣候特征差別較大，不同城市也面臨不同的問題和需求[21-22]。比如，北方地區冬季寒冷，其生物滯留設施運行效果受溫度影響較大，因此，冬季常采用噴撒炭渣、粗砂、融雪劑等方式預防道路結冰，而融雪劑會對徑流污染物的類型和濃度產生很大影響，成為生物滯留設施中的重要污染物。王奇凱[23]通過對融雪劑在道路綠化帶中的分布規律進行研究，發現大部分融雪劑累積在0～20 cm的表層土壤，并會在生物滯留設施中達到一定程度的富集，對植物產生侵害。融雪劑的使用還會造成土壤鹽漬化、板結，含融雪劑的融雪徑流會排入道路下沉式綠化帶中，造成植物侵蝕死亡、污染地下水等問題[16]。鄒笛等[24]對比了氯化鈉和醋酸鈣鎂(CMA)兩種常用融雪劑對土壤重金屬形態的影響，發現CMA環保融雪劑對重金屬鋅和銅結合態的影響更小，可用于道路除雪并根除氯害。

2 源頭調控措施

由于鋼鐵和化工等生產活動、大氣沉降、道路老化、輪胎磨損、尾氣排放，以及殺蟲劑、除草劑、融雪劑等的使用，大量污染物會隨雨水徑流進入生物滯留設施，造成嚴重的水體污染。因此，對污染物的源頭減量是首要的調控措施。根據設施的外觀、大小、建造位置和適用范圍等不同，生物滯留設施的服務對象主要包括建筑與小區、道路、停車場、公園綠地等[15,25-28]。進入生物滯留設施的污染成分主要包括SS、TN、TP、金屬離子、有機污染物等，而不同用地類型所采用的生物滯留設施及其接納污染物的來源、成分和濃度均有差別，如表2所示。建筑、居民區雨水徑流中污染物主要來源于兩個方面：一是屋面徑流的沖刷，其中污染物的濃度與屋面材料有關[26]；二是大氣沉降帶來的污染物，包括溶解性物質和顆粒沉降物。相較于建筑屋面，道路等徑流污染的程度更重、隨機性更大，在道路、停車場、機場等區域的雨水徑流中，產生最多的污染物是SS和COD，而石油類、重金屬和難降解有機物是其主要的污染物來源[15,27-28]。根據不同的污染物類型、雨水滯蓄能力及場地位置，并結合表1可知，雨水花園、生物滯留帶對雨水的滯蓄能力強，但占地面積較大、維護難，而生物濾溝、高位花壇、樹池等設施占地小、維護相對容易，但滯蓄能力有限，適用于雨水徑流較小的區域。

表2 不同用地類型中生物滯留設施接納的污染物組成Tab.2 Pollutant Compositions of BRFs in Different Types of Land Use

由此，可依據不同類型用地及滯留設施的適用范圍進行污染物的源頭控制，建議采取以下措施。(1)節能減排。規范餐廚廢水的排放、嚴禁隨意傾倒垃圾、選用環保建筑材料、優化車輛管控以降低道路移動源污染等。(2)選擇合適藥劑。進行綠地養護，選用環保藥劑，如生物農藥、生物型誘殺劑等，有效降低生物滯留設施的污染風險；通過精準施藥和精準灌溉等手段，依據土壤養分和植物的生長狀況，調節施肥量和施用時間，減少除草劑等藥劑施用量。(3)合理選擇融雪劑。為減少融雪劑對雨水徑流和海綿設施的影響，應根據道路狀況、溫度等合理選用不同種類的融雪劑材料，進行預處理導流和棄流等設計，實現道路融雪的優先排放和滲濾；開發環保型融雪劑以提高其自身降解性，降低設施中融雪劑的累積量和融雪徑流對地表水的污染。

3 工藝調控措施

3.1 工藝優化

為防止生物滯留設施堵塞和污染物積累，主要從工藝結構設計和運行方式兩個方面考慮解決方案[17,30]。表3為常見的生物滯留設施優化方式，在選擇生物滯留設施時，需要根據其結構特點、功能和下墊面類型，綜合考慮降雨重現期、匯流比、污染物負荷、水力停留時間、運行方式、蓄水層高度、雨前干燥期及是否設置淹沒區等因素[31-33]。研究發現，通過設置淹沒區，可以提高基質的滲透性能和水力傳導系數，緩解堵塞問題，還可以創造缺氧環境，提高系統對硝態氮的去除效果[31]。添加預處理設施如前置塘、渦流池等，可以提前去除徑流中的大顆粒沉淀物，減緩流速并降低設施的維護負擔，便于雨季清淤，也可防止冬季融雪徑流直接進入蓄滲區。對于嚴重污染和可能造成土壤鹽堿化的雨水徑流區域，可以采取棄流和排鹽措施[21]，通過合理的導流路徑設計，使雨水經沉淀池或滲排渠等收集后排入市政雨水管，同時應考慮盡量選擇抗鹽的植物。在運行方式方面，Zhang等[4]提出了上流式和混流式的生物滯留設施結構，通過延長徑流路徑和水力停留時間以延緩堵塞。張軍等[34]采用“干濕交替”的設施運行方式和混合填料填充，提高了填料的飽和導水率和滯水能力，減緩設施堵塞和氮磷淋失。

表3 生物滯留設施工藝結構與運行優化Tab.3 Processes Structure and Operation Optimization of BRFs

3.2 填料優化

填料是影響生物滯留設施中污染控制效果和堵塞問題的關鍵因素。為了改善生物滯留設施的堵塞問題和截污效果，目前國內外學者主要從填料的組合與配比、有機碳源添加、填充方式等方面進行優化[35-39]。表4中列出了國內外常見的填料優化方式與配比，并對不同填料的優化方式、填料組分、使用特點、進水水質等進行了梳理歸納。在填料的組合與配比方面，早期生物滯留設施的填料種類比較單一，主要為天然砂土，其滲透性能較好，成本也相對較低，但對污染物的去除效果欠佳。對于黏度較高的黏土，雖然其對污染物的去除效果好，但滲透性差且容易堵塞。因此，常需要改良填料的配比或添加改良劑。改良劑選擇時應遵循簡單易得、成本適中、本土適用等原則，且需要具有較好的滲透性能、較大的比表面積和較強的除污能力，常選用沸石、蛭石、粉煤灰、珍珠巖、鋁污泥、河道底泥等，也有研究采用新型功能填料(如蘆葦和玉米芯生物炭、建筑垃圾再生骨料等)以提高設施的滲透性能[35-36,39]。

表4 常見的生物滯留設施填料優化方式Tab.4 Common Methods of Packings Optimization for BRFs

在有機碳源添加方面，通過將木屑、秸稈、落葉堆肥、生物炭、活性炭等有機質作為外加碳源[37,39]，可以增強生物滯留設施的反硝化脫氮效果。Tian等[39]通過在填料中添加生物炭，一方面增加了生物滯留設施對有機碳、氨氮和大腸桿菌的去除效果，另一方面為加快反硝化作用提供碳源。適當添加碳源如木屑等，可以提高生物滯留設施的滲透系數，有效緩解基質堵塞[10]。但也有研究指出，碳源添加過多會使磷的本底值升高，導致磷酸鹽釋放，使水質惡化[1]。因此，需要嚴格控制有機質的投加量，美國的設計手冊建議在填料中有機質含量不超過5%(質量分數)。

另外，改良填料的填充方式也可以提高生物滯留設施的運行效率。研究發現，采用分層架構進行填料優化，可以有效延長設施出現堵塞的時間，同時，填料的分層結構還有助于在生物滯留設施中形成好氧-厭氧條件，促進反硝化作用充分進行，提高氮的去除效果[17]。但也有研究表明，相比分層的填充方式，混合填充可以增強整體孔隙的連通性，提高設施整體的導水率[34]。李紅珍[40]采用向基質內人工通氣的方式在填料內部增加穿孔導管，提高系統內溶解氧量和基質的滲透系數，緩解堵塞問題。

3.3 植物選取

植物在生物滯留設施中有著不可替代的作用，一方面可以減緩設施中徑流的水流速度，過濾沉積物，降低SS；另一方面，植物根系的生長還可以促進不同微生物菌群的繁殖，影響根際微生物活動，有利于降解雨水徑流中污染物，維持滲透速率，防止堵塞[31,40]。研究表明，生物滯留設施中的植物，尤其是主根粗壯縱深發達的植物，對保持設施滲透性能有重要作用[41-42]。表5總結了生物滯留設施中常見的植物及適用范圍，不同種類植物的種植特性、適用區域、服務對象對污染物的去除效果有很大差異。南北方的植物選擇也存在區別，北方適宜選擇耐鹽堿、耐寒的植物，如蘆葦、馬藺等，南方地區則需要考慮優選耐澇、耐旱的植物，如燈芯草、千屈菜等。美人蕉、香蒲、鳶尾等則適應性強，可以適用于更為廣泛區域的滯留設施。

表5 常見的生物滯留設施植物及適用范圍Tab.5 Common Selection and Application Ranges of Plants in BRFs

總的來講， 生物滯留設施中的植物應根據其不同生長區域的耐寒和耐旱特性、土壤的滲透性能與類型、設施的規模和結構，結合徑流水質合理配置。在選取不同生物滯留設施的植物時應注意以下幾方面：盡量以本地物種為主，合理搭配其余品種，優選適應能力強的植物；優先選擇根系發達、莖葉茂盛、能夠穿透種植土層的植物；應具有較強的耐寒、抗旱、耐澇能力；具有較強的凈化能力，優選能夠富集污染物如重金屬等的植物；選取生物量大、生長周期短的植物；維護成本低，有一定的經濟價值和景觀效果，適當考慮植物的層次和形態，考慮不同季節植物景觀的多樣性。

4 運維管理措施

4.1 運行維護

生物滯留設施在實際運行中，由于缺乏有效的日常維護，同時受到氣候和運行時間的影響[16,22]，很難達到預期的水質凈化效果。目前，我國海綿城市建設的相關設計和施工建造標準基本完善，但對于生物滯留設施等的運行維護管理經驗不足[50-53]。為了保證生物滯留設施對雨水徑流的處理效果，預防生物滯留設施基質堵塞、污染物富集、植物長勢較差甚至枯萎等情況，實現設施運行維護長期穩定，建議采取如下運行維護措施，具體內容如表6所示。另外，對于設施的管理，還需明確運行維護的主體和目標，探索市場化社會化的管理模式，明細責任與分工，配備專業人員維護，同時加強公眾參與配合監管。

表6 生物滯留設施運行維護主要措施與維護周期Tab.6 Measures and Maintenance Periods of BRFs

4.2 動態監測

加強對生物滯留設施的水質水量監測，針對不同氣候和降雨特征進行設施的全生命周期數據監測與運行維護。對于具備監控條件的設施類型，比如生物滯留帶等，建議推行動態監測體系，依據雨水徑流的匯流過程對生物滯留設施進行全程布點監測，通過數采儀、無線網絡、水質水壓表等在線監測和數字信息化平臺了解生物滯留設施的運行和污染物分布情況[54-55]，最終目標達到動態監測與智能管理。動態監測主要分為源頭監測、過程監測和末端監測，對監測點位進行合理布設。源頭檢測需要對不同用地類型，如建筑小區、道路邊、停車場和公園綠地等區域，對進入生物滯留設施的雨水徑流水質、液位和流量進行監測；過程監測主要對生物滯留設施中的不同分區、填料層、排水層等進行監測，通過傳感器實時監測水質變化、污染物濃度、養分含量等，掌握各段雨水徑流污染及設施狀況，及時、準確地做出灌溉、堵塞等預警；末端監測即對受納水體的水量和水質監測，由此實現全流程動態監測與實時反饋。

5 結論

生物滯留系統作為海綿城市建設中的代表性措施，隨著時間的推移，生物滯留設施均會出現諸多運行、維護上的問題，所以對其長期運行過程中的問題進行總結并提出相應的解決措施具有一定的指導意義。本文對生物滯留設施從工藝設計到運行維護進行梳理，概括了其在運行過程中存在的基質堵塞、污染物累積、季節景觀差異等問題。針對以上問題，進一步提出了由源頭減量、工藝優化、運行管理相結合的調控措施與建議：①在道路養護中采用環保型藥劑、新型融雪劑以及合理削減污染物排放量等源頭控制措施；②通過優化設施的工藝構造、比選填料和植被，合理種植來改善設施性能，強化處理效果并控制處理成本；③建立良好的運行維護體系以及動態監測系統，推動生物滯留設施在海綿城市建設的推廣與應用。在生物滯留設施應對季節變化、堵塞機理、智能監管等方面，仍需進一步深入研究。