国外雨水花园污染物滞留技术研究进展

谭卓琳+董禹

摘要：指出了近年来基于低影响开发的雨水花园污染物滞留技术在国外得到广泛应用。从氮、磷污染物、金属污染物和病原菌三方面介绍了污染物滞留机制，并分别综述了生物、复合介质、植物等方面的污染物滞留技术。

关键词：雨水花园；污染物滞留；低影响开发

中图分类号：X52

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2016）20-0098-04

1 引言

不断加快的城市化进程逐步蚕食着自然生态的土地，不透水地面引发的雨水径流导致城市内涝问题频发。雨水携带各类工业废气及汽车尾气等大量污染物通过地表径流流入自然水源中，造成水资源污染，严重破坏生态环境。针对这一问题，国外学者经过多年研究及实践，在利用雨水花园控制径流污染这一领域取得了成效。

2 雨水花园与污染物滞留概述

雨水径流中往往富集大量污染物，包括总悬浮物、油脂、有机氮、重金属、毒性有机物、病原菌等[1]。当降雨发生时，雨水携带污染物通过地表径流排入邻近水体，造成水体污染。同时，污染物中的氮磷元素又可以引发水体富氧化。城市雨水径流被美国国家环保署（EPA）列为导致河流、湖泊污染的第三大污染源，占到对河流污染比例的9%，在129种对水资源产生影响的重点污染物中约半数在城市径流中出现[2]。

雨水花园也被称为生物滞留系统，起源于20世纪90年代的美国，通常是指被设计用来减弱和管理雨水径流的洼地[3]。具体而言是在低洼处设置可收集并利用雨水的小花园，用来减少因不透水地面而引发的一系列地表径流问题。通常由含水层、覆盖层、植被种植土层、人工填料层、砾石层组成，通过各介质层，利用物理、化学、生物作用滞留和去除污染物。雨水花园作为低影响开发（LID）技术体系中的重要措施，已被证实能够有效减少地表径流流量、削减洪峰流量、增加地下水补给、滞留并去除污染物等。

3 雨水花园污染物滞留机制

3.1 氮磷的滞留机制

对雨水径流中氮（N）、磷（P）等污染物的滞留，按照时间顺序可分为两个阶段：在持续降雨阶段，尘埃、地表沉积物随地表径流进入雨水花园中，径流中的固体污染物和大颗粒物质会吸附部分金属离子并在蓄水层沉淀，雨水在下渗的过程中，一部分溶解性污染物质和固体颗粒会被植物吸收，剩余污染物则会被土壤吸附或与填料层中的介质发生化学反应；在降雨间隔阶段，滞留下来的污染物慢慢被植物根系吸收并与填料层介质产生反应，逐步消解。

氮在地表径流中主要以有机氮和氨氮（NH3-N）的形式存在，有机氮通过氨化作用转化为氨氮，氨氮经过好氧硝化作用转化成硝酸盐氮。硝酸盐氮被土壤和填料层介质吸附，而后通过反硝化作用以一氧化二氮（N2O）和氮气（N2）的形式被除去。

磷在地表径流中主要以颗粒态磷（PP）和溶解态磷（DP）的形式存在，PP和DP与土壤填料中含有的有机质（OM）在矿化作用下转化成羟基氧化铁（FeOOH）、氢氧化铝Al（OH）3及磷酸钙Ca3（PO4）2等沉积物，并通过过滤、吸附和沉淀作用从雨水中去除[4]，其过程如图1所示。

3.2 金属物质的滞留机制

金属物质的滞留机制主要通过滞留、过滤和沉淀机制以及填料层中介质的吸附作用完成。其中，重金属主要以溶解态和颗粒态的形式存在。前者可直接被植物吸收或被填料层介质吸附，后者通常会附着在总悬浮物（TSS）上，被地表的植物系统截留、分解后，再被植物吸收或被填料层介质吸附[5]，其过程如图2。

雨水花园对于金属物质的去除主要是通过表层植物的截留作用、内部填料层介质的吸附作用以及植物根部的吸收和吸附作用。其中，表层植物截留颗粒物的效果最好，但大部分的重金属颗粒在下渗的过程中不易被分解，较大的金属颗粒将会堵塞填料层。因此，如何消解被表层植物截留后的颗粒物，仍需要进一步的研究。

3.3 病原菌的滞留机制

对雨水中所携带的病原菌（如大肠杆菌等）主要以生物处理的方式去除。生物处理是以混合微生物群体作为工作主体，对雨水中的各种有机污染物进行吸收、转化，同时通过扩散、吸附、氧化分解、沉淀等作用去除污染物。根据微生物对氧气（O2）的需求量不同还可分为好氧处理、厌氧处理两类。好氧处理是在有溶解氧存在的条件下借助好氧菌群的作用对病原菌进行处理；厌氧处理则是在无氧条件下，通过厌氧菌的作用来分解和消化水中的有机物。厌氧处理首先将复杂的有机物在微生物作用下降解为简单的有机物（如有机酸、醇等），并由产氢、产乙酸细菌群将有机酸等转化成乙酸、氢气及二氧化碳，在产甲烷细菌作用下将乙酸（包括甲酸）、二氧化碳、氢气转化为甲烷（CH4）（图3）。虽然在雨水花园中对于病原菌去除方面的研究已经开展，但目前的研究有限，关于去除机理及去除效果方面仍需试验探索。

4 污染物滞留技术研究进展

国外在雨水花园污染物滞留技术方面的研究从最开始的实验室研究逐渐发展到实践项目的监测与研究。当前研究主要包括生物、混合介质、植物以及暗渠等污染物滞留技术。

4.1 污染物生物滞留技术

污染物生物滞留技术在雨水花园中十分重要，主要分为厌氧污染物去除技术和好氧污染物去除技术。

厌氧污染物去除技术是指在无氧的条件下通过厌氧微生物的作用，将雨水中各种复杂有机物分解转化的过程。Davis[6]等人在雨水花园中设置厌氧区，得出该雨水花园可以滞留70%～85%之间的磷和55%～65%之间的总凯氏氮（TKN），除了硝态氮（NO3-N）的含量降低程度小于20%外，大部分的营养物质都能被有效地滞留。Kim[7]等人为了提高对硝态氮的滞留能力，在雨水花园中设置了一层报纸和沙子混合在一起的厌氧层，结果表明报纸是一个良好的反硝化电子体，可以去除80%的硝态氮。Hsieh[8]等人同样通过设置厌氧层来促进生物滞留介质反硝化作用的方法，提高生物滞留系统的脱氮能力，通过实验证明，缺氧反硝化反应可以通过在介质层中添加木屑来实现。

好氧污染物去除技术则主要是指好氧硝化技术和好氧细菌反硝化技术，Hsieh[9]等人通过对实验室模拟制造的生物滞留柱（Bioretention column）进行监测与实验，发现生物滞留系统中好氧硝化反应可以通过硫磺来实现。

4.2 复合介质污染物滞留技术

复合介质滞留技术是指在雨水花园的填料层中填入一些可以提升雨水花园滞留能力的介质，不同的介质对雨水花园的滞留效果有着不同的影响。

4.2.1 沙土介质污染物滞留

传统的雨水花园结构中包括了0.7～1 m的沙土层，Hsieh[10]等人通过研究表明，加入砂土介质可以大大提升雨水花园的污染物滞留能力，然而，砂土介质滞留污染物的效率会因土壤基底的生态活动干扰而降低。在马里兰州，Zhang[11]等人在砂土层中加入氧化铁砂后，发现通过加强生物滞留介质层的办法可以提高17%的对O157大肠杆菌、H7大肠杆菌和B6914细胞的滞留能力，且该能力会随着时间增加而加强，6个月后，其滞留效率从72%提高至97%。Li[12]等人在对比干、湿条件下除菌效果的研究中发现，干化使砂土介质形成的裂缝和大孔隙会导致微生物脱落，在雨水花园中设计浸润区并保证充足的碳含量可以提高雨水花园对大肠杆菌的去除。

4.2.2 混合介质污染物滞留

由于砂土介质对某些污染物的滞留效果不佳，一些学者尝试用化学稳定性较好、孔隙结构发达、吸附能力强的介质与砂土相混合作为填料层。Fuerhacker[13]等人经研究发现，5%的蛭石或珍珠岩与低PH值的砂质土壤或活性炭相混合，可以提高雨水花园的吸附能力并延长其使用寿命。ONeil等[14]将5%的水处理残渣和3%的碎硬木树皮与砂土相混合，进行监测与研究。发现经混合介质过滤后的水中磷的含量比原来减少了88.5%，总磷（TP）质量浓度平均值小于25 μg/L，最大值仅为70 μg/L。而原来的砂土介质过滤后的磷比原来减少了71.2%，可见此混合介质的除磷效果显著。Zhang[15]等用5%的煤灰粉与砂土混合，经过对比后发现，未经混合的介质有40%的磷未被滞留，而改良后的介质几乎将磷全部滞留。

目前，国外已有雨水花园的相关设计规范，并对混合介质的选择做了一定的推荐。如美国的马里兰州推荐使用50%的砂土、30%的表层土和20%的碎树皮作为混合介质[16]；北卡罗来纳州推荐混合介质使用相对成本较低的介质，混合比例为85%的砂、12%的黏土和粉砂、3%有机物[17]；特拉华州推荐使用砂土、泥炭以及有机物各1/3的混合介质[18]（图4）。

4.3 植物污染物滞留技术

植物在污染物滞留中同样起到了重要作用。表层植物可以截留较大的颗粒污染物，植物发达的根系可以附着并吸收氮磷物质及重金属，根系还为微生物的生长提供了附着的载体，对消除一些病原菌有着十分重要的作用。

4.3.1 植物吸收

植物庞大的根系不仅能够疏松土质，同样可以吸收土壤中的氮磷和重金属，并通过光合作用等转化成自身所需的物质，从而帮助土壤层提高滞留能力。Davis[19]等人通过研究发现植物可以吸收雨水径流中48%的氮、70%～85%的磷，后者中的0.05%～1%为植物生长所用。Bratieres[20]等人在研究时发现，苔属植物和灌木对金属物的去除效果最佳。另外，Henderson[21]等人通过实验室研究，对比种植植物和不种植植物的生物滞留柱对人工合成的雨水径流中氮磷物质的去除情况。结果表明当用自来水冲洗两种生物滞留柱时，可以观察到有氮从非植物滞留柱中溢出，但是在植物滞留柱中几乎没有氮的溢出。另外，Lucas和Greenway[22]也做了类似的研究，并证实种植植物的雨水花园比未种植植物的氮磷的去除率高。

4.3.2 微生物降解

植物的根系还为微生物提供了生长的场所，Rusciano[23]等人通过实验证明植物根系中微生物可吸附和消化病原菌。LeFevre[24]等指出相对于种植浅根植物雨水花园，种植深根植物的雨水花园中可降解石油碳氢化合物（TPH）的微生物及细菌数量更多，证明深根植物更有利于同化降解石油碳氢化合物。

4.4 其他污染物滞留技术

4.4.1 暗渠设施

一般情况下，雨水花园的滞留能力相对稳定，但雨季、土壤活动等因素往往会对其滞留效果产生一定的影响。Dietz和Clausen[25]等人通过研究发现某雨水花园氨氮（NH3-N）、硝态氮、总氮以及总磷的含量都相对减少，但铜（Cu）、铅（Pb）、锌（Zn）以及总凯氏氮的含量变动不大，且氧化还原物质减少，造成这一结果的原因有很大一部分可能是受到了土壤干扰的影响。建议在必要时，雨水花园的建造中应包含有暗渠设施。

4.4.2 建造活动

建造活动同样可以影响雨水花园的污染物滞留能力，Brown和Hunt[26]对建造雨水花园的两个挖掘方式（即铲和耙）进行了研究，结果发现，用耙子的挖掘方法要明显优于用铲子的挖掘方法，耙的这个挖掘方法可以最大地优化生物滞留系统的性能，这个结论尤为适用于干燥土壤的条件下。其次，除了结构设计以外，雨水花园的大小、植被的选择、选址的考虑以及设施的维护等对提高雨水花园的滞留能力也十分重要。

5 结语

雨水花园是低影响开发中的一项重要技术，其易于建造、方便管理、效益良好并能行成优美景观，是治理和净化城市雨水径流的重要技术手段。除能有效减少地表径流外，在滞留污染物方面效果更为明显：可滞留并消除氮磷物质、金属物质以及消化和吸收有害致病菌。其中，对于氮磷物质的去除率最高可以达到80%，对于金属物质的去除率最高可达到100%，对于病原菌的去除率在70%以上。

可以看出，雨水花园作为一种可持续的低影响开发技术，相较传统技术更加生态高效，在技术处理及滞留机制等方面加以深入研究，前景广阔。

参考文献：

[1]Davis A P， McCuen R H. Stormwater Management for Smart Growth [M].New York： Springer， 2005.

[2]USEPA. National Water Quality Inventory. Report to Congress Executive Summary[S]. Washington， D.C： USEPA， 1995：344.

[3]USEPA. Stormwater technology fact sheet[S]. Bioretention. Washington， D.C： Office of Water. 1999a， EPA832-F-99-012.

[4]张建强， 许 萍， 何俊超. 生物滞留池去除道路径流雨水中氮磷的原理及研究现状[J]. 市政技术， 2015（33）： 128～132.

[5]Ladislas S， Gerente C， Chazarenc F， et al. Performances of Two Macrophytes Species in Floating Treatment Wetlands for Cadmium， Nickel， and Zinc Removal from Urban Stormwater Runoff [J]. Water Air and Soil Pollution， 2013， 224（2）：1408.

[6]Davis A P， Shokouhian M， Sharma H， et al. Water quality improvement through bioretention media： nitrogen and phosphorus removal[J]. Water Environment Research， 2006（78）：284～293.

[7]Kim H， Seagren E A， Davis A P. Engineered bioretention for removal of nitrate from stormwater runoff [J]. Water Environment Research， 2003， 75（4）：355～367.

[8]Hsieh C H， Davis A P， Needleman B A. Nitrogen removal from urban stormwater runoff through layered bioretention columns [J]. Water Environment Research， 2007（79）：2404～2411.

[9]Hsieh C， Davis A P. Evaluation and optimization of bioretention media for treatment of urban storm water runoff [J]. Journal of Environmental Engineering， 2005， 131（11）：1521～1531.

[10]Hsieh C H， Davis A P， Needleman B A. Bioretention column studies of phosphorus removal from urban stormwater runoff [J]. Water Environment Research， 2007（9）：177～184.

[11]Zhang L， Seagren E A， Davis A P， et al. Long-term sustainability of Escherichia coli removal in conventional bioretention media [J]. Journal of Environmental Engineering， 2011， 137（8）：669～677.

[12]Li. H.， Sharkey L. J.， Hunt W. F.， et al. Mitigation of impervious surface hydrology using bioretention in North Carolina and Maryland [J]. Journal of Hydrologic Engineering， 2009， 14（4）：407～415.

[13]Fuerhacker M， Haile T M， Monai B， et al. Performance of a filtration system equipped with filter media for parking lot runoff treatment [J]. Desalination， 2011， 275（1-3）：118～125

[14]ONeill S W， Davis A P， ASCE F. Water treatment residual as a bioretention amendment for phosphorus. II： Long-term column studies [J]. Journal of Environmental Engineering， 2012， 138（3）：328～350.

[15]Zhang W， Brown G O， Storm D E， et al. Fly-ash-amended sand as filter media in bioretention cells to improve phosphorus removal [J]. Water Environ Research， 2008， 80（2）：507～516.

[16]Maryland Department of the Environment（MDE）. Maryland stormwater design manual， Vols. I and II， Center for Watershed Protection and the Maryland Department of the Environment， Water Management Administration， Baltimore， 2000.

[17]Hunt W F， Lord W G. Bioretention performance， design， construction， and maintenance. North Carolina Cooperative Extension， Raleigh， N.C， 2006.

[18]Adoption Guidelines for Stormwater Biofiltration Systems. Facility for Advancing Water Biofiltration， Monash University， 2009.

[19]Davis A P， Shokouhian M， Sharmah. Water quality improvement through bioretention media： Nitrogen and phosphorus removal [J]. Water Environment Research， 2006， 78（3）：284～293.

[20]Bratieres K， Fletcher T D， Deletic A， et al. Nutrient and sediment removal by stormwater biofilters： A large-scale design optimization study [J]. Water Research， 2008， 42（14）：3930～3940.

[21]Henderson C， Greenway M， Phillips. Removal of dissolved nitrogen， phosphorus and carbon from stormwater by biofiltration mesocosms [J]. Water Science and Technology， 2007， 55（4）：183～191.

[22]Lucas W C， Greenway M. Nutrient retention in vegetated and nonvegetated bioretention mesocosms [J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering， 2008， 134（5）： 613～623.

[23]Rusciano G M， Obropta C C. Bioretention column study： fecal coliform and total suspended solids reductions [J]. Transactions of the ASABE， 2007， 50（4）：1261～1269.

[24]LeFevre G H， Hozalski R M， Novak P J. The role of biodegradation in limiting the accumulation of petroleum hydrocarbons in raingarden soils [J]. Water Research， 2012， 46（20）：6753～6762.

[25]Dietz M E， Clausen J C. A field evaluation of rain garden flow and pollutant treatment [J]. Water， Air and Soil Pollution， 2005（167）：123～138.

[26]Brown R A， Hunt W F. Impacts of construction activity on bioretention performance[J]. Journal of Hydrologic Engineering， 2010（15）：386～394.