生物滞留池处理径流雨水的研究现状与展望

李芬芬，蔡志文，冯萃敏，魏瞳，王睿

(1.北京建筑大学 北京未来城市设计高精尖创新中心，北京 100044；2.北京建筑大学 水环境国家级实验教学示范中心，北京 100044；3.深圳市城市规划设计研究院有限公司，广东 深圳 518034)

“缺水、内涝、水脏”是我国大多数城市面临的三大难题，这三大难题也是推进我国海绵城市建设的重要原因。海绵城市是一种将“渗、滞、蓄、净、用、排”融为一体的综合雨水管理技术，能有效保护和改善城市生态环境[1]。生物滞留池是海绵城市建设中常采用的雨洪管理技术措施，由于其对雨水具有较好的综合控制效果，已在美国、英国等发达国家及我国的嘉兴、萍乡、武汉等地得到广泛应用和推广[2]。目前，生物滞留池研究应用中存在的主要问题是氮、磷去除效果很不稳定[3]，甚至出现氮、磷出流浓度远高于入流浓度的现象[4-5]。

1 生物滞留池简介

生物滞留池具有基建费用低、适用范围广、运行维护简单等特点，在雨水径流处理系统中应用较为广泛[1,6-7]。生物滞留池将城市景观设计理念和水污染治理工艺相结合，不仅可以作为景观设施保护生态环境，还可以转化径流雨水中的污染物，削减径流量、延迟洪峰时间，实现雨水流量控制和水质净化的双重目标[8]。

1.1 基本构造

生物滞留池的典型构造见图1。其中蓄水层主要作用是储存、预处理入流雨水；覆盖层多选用树皮或木屑，能吸附截留部分重金属、有机颗粒及悬浮固体(suspended solids，SS)，为微生物提供生长载体，同时还能保证根系的含水率、防止土壤侵蚀；种植层(也称填料层)多由土壤及有机质等物质混合而成，生物活性强，能为微生物和植物提供生长所需的养分；隔离层多采用粒径为0.5～1.0 mm的石英砂或防渗膜，主要作用是防止种植层介质进入排水层导致介质流失；排水层主要起临时储水作用，底部埋设的穿孔管起排水作用[1,9]。

图1 生物滞留池典型构造示意图Fig.1 Schematic diagram of typical structure of bioretention

1.2 主要应用

根据场地条件、设施控制目标及景观要求的不同，生物滞留池可以设置在道路两侧、街心花园、停车场等位置[10-11]。生物滞留池的建造面积不宜过大，一般占汇水区域总面积的5%～10%[12]。生物滞留池多用于处理道路、桥面及屋面形成的径流雨水，当场地雨量较大且污染较严重时，可采用植草沟等设施对径流雨水进行预处理，或利用弃流设施将初期雨水排至污水处理厂进行集中处理，通过以上措施缓解生物滞留池处理负荷，增强雨水处理效果；当生物滞留池建设在道路两侧绿化带或中心花园时，可在内部设溢流装置(溢流井、雨水口)，避免植物因光合作用降低、积水时间过长使根部长时间处于缺氧环境而死亡。经生物滞留处理后的雨水可经市政管网直接排走或通过池底的穿孔管输送至蓄水池收集用以浇洒绿地、道路，或者渗透补给地下水[13]。

2 生物滞留池对径流污染物净化的研究进展

生物滞留池对径流污染的控制由植物、填料及微生物共同发挥作用。植物吸收的污染物可通过植物收割彻底去除，植物还能通过改善填料中水分的滞留时间、pH等影响填料内部微生物的活性。微生物在参与脱氮的同时还能通过富集作用去除其他污染物。植物、填料及微生物三者相辅相成，相互促进，从而高效去除径流雨水中的污染物[14]，从三者对污染物的去除机理出发，国内外学者开展了相关试验研究与模型模拟，分析了生物滞留池对径流污染物的控制效果。

2.1 总悬浮固体的去除

总悬浮固体(TSS)主要来源于降雨冲刷路面、屋面，它的去除主要依靠在蓄水层的自身沉淀作用和生物滞留池覆盖层、填料层的过滤作用去除。运行稳定的生物滞留池对TSS的去除率可以达到90%以上[15]。毛月鹏等[16]研究不同进水水质情况下，土壤层厚度对生物滞留池污染物控制效果的影响，发现随土壤层厚度的增加SS去除率增加的并不明显，当土壤层厚度相差5 cm时，对SS的去除率之差也没超过5%，表明SS主要被上层土壤过滤去除。Hsieh等[17]研究恒定入渗速率下生物滞留试验柱对污染物的控制效果，结果发现对TSS的去除率能达到90%以上，且观察发现上层覆盖层截留了大量的固体颗粒。朋四海等[18]通过试验研究表明，在一定渗透率范围内，渗透性差的生物滞留池能延长径流雨水的通过时间，对SS的去除效果更好，更有利于颗粒物的沉淀。Shrestha等[7]通过评估美国佛蒙特州伯灵顿市路边8个生物滞留池在经历121场暴雨后的水质净化性能，发现对TSS的平均去除率超过了90%，但应用过程中出现了污染物的冲刷现象。

以上表明生物滞留池对TSS去除效果较好。覆盖层和填料层能截留大量的颗粒物质，对生物滞留池高效稳定去除TSS至关重要。但被截留的TSS会造成填料堵塞，因此选择填料时综合考虑其渗透性能和吸附性能，另外应定期更换覆盖层和表层填料，延长生物滞留池的使用寿命。

2.2 有机物的去除

径流雨水中颗粒性有机物主要通过沉淀作用去除，溶解性有机物主要通过微生物降解作用去除，最终被转化成微生物细胞体或被分解成CO2和H2O[19]。

刘梁[20]通过将外源多环芳烃高效降解基因重组至从生物滞留池中筛选出的降解多环芳烃优势菌种的基因组，将菌种在实验室进行大量培养后接种至生物滞留池，发现3个月内芘的总体降解率达到了70.5%，相比未加入基因重组菌种的生物滞留池，芘的去除率增加了25.3%。Hsieh等[21]通过对比以不同介质作为生物滞留柱填料水质净化效果的差异，发现对油脂的去除率均在96%以上。Hong等[22]研究覆盖层对生物滞留池去除油脂效果的影响，发现有覆盖层的生物滞留池对油脂的去除效果更好，去除率能达到80%～95%，且覆盖层吸收的油脂在2～10 d内被生物降解，表明覆盖层的增加能增强生物滞留池对油脂的去除效果的有效性和可持续性。David等[23]研究生物滞留池对多环芳烃、多氯联苯去除效果时发现，相比未设置生物滞留池，径流雨水中两种污染物的浓度分别由2 300 ng/L降至235 ng/L，730 pg/L降至410 pg/L，去除率分别达到达90%,44%。

总体来讲，生物滞留池对有机物的去除效果较好，大多数有机物在覆盖层就能被吸附滞留，因此在生物滞留池的长期运行中覆盖层的定期更换必不可少。为增加反硝化除氮的效果，添加有机碳源是最常用的措施，但有机物的投加是否对磷等污染物的去除产生影响及有机物投加量的多少还需进一步研究确定。

2.3 氮、磷的去除

对氮、磷的去除效果不稳定是生物滞留池研究与应用过程中遇到的棘手问题。Li等[31]在高温和半干旱地区的德克萨斯州进行了生物滞留池的中试试验，采用堆肥改良土壤，增加了对锌、铅、总悬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。仇付国等[32]通过研究填料改良对生物滞留池净化径流雨水的促进作用，发现以铝污泥作为改良剂添加到基质层，对TP的去除率能达到90%以上。Li等[33]综合已发表文章中生物滞留设施对磷的去除机理和性能，基于介质平衡浓度的假设，建立了一个适用于模拟水中磷浓度的预测模型，利用模型对生物滞留池中磷素的吸附机理进行了研究，发现磷素进入填料层之前发生快速吸附，进入填料层之后发生慢速吸附，且在生物滞留池干燥期慢速吸附起主导作用，湿润期快速吸附起主导作用。李佳科等[34]研究发现，生物滞留池设置40 mm的淹没区时，对TN的去除率能达到50.84%。

2.4 重金属的去除

生物滞留池对重金属的去除主要依靠填料层与覆盖层的吸附和截留作用，植物的吸收去除作用十分有限[35]。王建龙等[36]研究混合填料对生物滞留池去除重金属的影响发现，Cu、Zn、Pb、Cd均有较好的去除效果，去除率均在90%以上。Davis等[37]研究发现，生物滞留池对Zn、Cu、Pb的去除率均能达到92%以上，且发现重金属主要在覆盖层被吸附截留。朱英杰[38]研究生物滞留池不同介质层高度对重金属的去除效果时，发现上层介质(0～20 cm)对Cu和Pb的去除率能达到90%以上。

重金属具有毒性，且相较于其他污染物，更难被降解，而且会在填料中富集，影响生物滞留池的安全稳定运行，因此需注意合理处置更换后的填料，重视填料的二次污染问题。

2.5 致病菌的去除

大肠杆菌、粪大肠杆菌及肠球菌是径流雨水中常见的致病菌，含量虽低，但也会对人体与水环境产生危害。致病菌主要依靠填料的过滤、吸附以及微生物群落间的捕食与竞争作用去除[9]。干燥期与湿润期的时间会在一定程度上影响对致病菌的去除效果，Li等[39]研究发现，生物滞留池湿润期对大肠杆菌的去除率在70%左右，干燥期对大肠杆菌的去除率在98%左右，明显高于湿润期，说明适当的干燥期有利于大肠杆菌的去除。Lau等[40]以硫酸改性的生物炭作为生物滞留池的填料层的改良剂时，对大肠杆菌去除率能达到98.7%，且发现混合填料能减少大肠杆菌的迁移，降低大肠杆菌的迁移量，有利于大肠杆菌的去除。

大多数致病菌能够在干旱条件下自然死亡，适当延长干旱期能有效增加对致病菌的去除，但较长的干旱期会影响植物的生长，因此研究阶段需要合理确定干旱期长短。

生物滞留池的水质净化效果受径流水质、气候条件、技术措施的组合、植物性能、填料性能以及微生物种类与数量等条件影响。因此在试验研究与工程应用中，污染物的去除效果不尽相同，但总的来看，对氮、磷的去除效果波动性较大。填料选择对氮磷去除影响较大，填料选择不当，会导致氮、磷的淋失，淋失量能达到入流量的几百甚至上千倍。而具有预处理措施、填料吸附性能较好、微生物种类数量丰富的情况下，氮、磷的去除效果则较好，去除率最高能达到100%。

3 生物滞留池的水文效应研究进展

生物滞留池主要通过蓄水层的储存、植物截留、填料吸收等作用控制径流雨水的水量峰值与洪峰时刻。储存的雨水蒸发回到大气，滞留的雨水下渗补充地下水，以此促进了城市水循环[41]。

Shrestha等[7]评估美国佛蒙特州伯灵顿市路边8个生物滞留池污染物控制效果的同时，研究了生物滞留池对该城市水文效应的影响，发现雨水排放量平均减少了75%，峰值流量平均削减了91%。唐双成等[42]利用DRAINMOD模型分析蓄水层深度对生物滞留设施水量削减和污染物去除效果的影响，模拟结果显示蓄水层深度达到某一临界值之前，增加蓄水层的深度能增强生物滞留设施雨水处理效果，当蓄水层深度为30 cm时，对径流量的削减率能达到33.5%。栾楠等[43]以SWMM模型为工具，模拟了1,3,5,10 a降雨重现期下生物滞留池对道路雨水径流的削减效果，结果显示不同重现期下对径流总量的削减率分别达到了33.5%,25.2%,21.5%,20.0%，对径流峰值削减率分别达到了26.2%,24.1%,22.0%,17.9%，均随降雨重现期的增加而减小。

生物滞留池的水文效应主要受气候条件、降雨强度、设施比表面积、填料类型等因素影响，对雨水径流具有较好的渗透和滞留作用。但文献显示，绝大多数研究是针对一个或一类影响因素进行的，尚缺少将水量控制、地下水补给、地下水水文影响、河道侵蚀等方面综合起来，开展其对城市水文效应影响的系统研究。

4 生物滞留池设计改进措施与建议

提高生物滞留池的蓄水能力和水质净化效果是目前的研究重点。因此，众多研究者从填料改良、级配控制与比表面积优化等方面开展相关试验研究，对生物滞留池设计具有较好指导意义。

(1)填料改良。多推荐以土壤为基质，以有机质为改良介质，混合后作为生物滞留池的填料，来增强填料渗透性能及水质净化效果。田婧等[41]研究表明，加入4%生物炭，能使生物滞留池饱和渗透系数提高1.5倍，水力停留时间延长1.6 h，同时系统内的生化反应进行得更完全，系统出水水质更好。

因此，设计时应根据场地实际情况选择生物滞留池填料，如果当地土壤具有良好的雨水下渗效果，且其中营养物质和有机质的含量能够满足植物和微生物的生长要求，可直接以当地土壤作为设施填料，否则应采用改良填料。改良填料的成本一般较土壤高，因此填料选择时，应该综合考虑当地经济发展状况及材料供应能力，选择最具成本效益的填料类型。

(2)填料级配控制。填料级配受排空时间和有机质含量影响。Jiang等[44]分别以传统混合土、传统混合土+5%给水处理厂污泥、传统混合土+ 5%绿沸石、传统混合土+5%粉煤灰等作为生物滞留池的填料，研究其对氮的去除效果，结果表明，只加传统混合填料的生物滞留池对总氮的去除效果最差，去除率比其他3种混合填料低10%左右。

调节填料层高度、优化填料配比能增强雨水处理效果。填料中有机质作为反硝化的电子供体，对氮的去除至关重要，但有机质含量过高会出现营养物的淋洗现象，可将有机质含量控制在5%～10%。

(3)植物选型。应综合考虑植物经济价值、生长环境，选取抗旱耐涝、净化能力强的植物。刘海荣等[45]研究马蔺和鸢尾对生物滞留池控制径流雨水效果的影响，发现两种植物均能明显提高生物滞留池的蓄、渗水能力，且填料层合园土∶蛭石∶草炭土的比例为1∶1∶1时，马蔺的净水能力更好。

一般情况下，生物滞留池应优先选用本土植物，根据控制目标的不同选取相应的植物，以径流污染为控制目标时，优先选择抗逆性强的植物，以径流流量为控制目标时，优先选择根系发达的植物。

(4)比表面积优化。比表面积是生物滞留池水文效应最重要的影响因素，孙艳伟等[46]采用设计软件RECARGA模拟分析了不同比表面积下生物滞留池用于控制径流雨水时的水文效应，结果表明，当生物滞留池比表面积为15%时，对径流总流量的削减率能达到80%。

对于特定地区，应优先使用模型模拟当地降雨条件，在不产生雨水径流的前提下确定不同填料在不同降雨条件下的汇流比，最终确定设施表面积，指导实际应用过程中生物滞留池比表面积的确定。

(5)结构设计。淹没区高度的变化对氮的去除效果影响较大。李家科等[34]研究淹没区高度对生物滞留池水质净化效果的影响，通过对比不同淹没区高度下出水总氮含量，发现淹没区高度为40 cm时对总氮的去除效果最好，对比淹没区高度为20,30 cm时，增加了10%左右。

淹没区设置能增强反硝化作用，目前还没有设置淹没区高度的具体定论。碳源(电子供体)是反硝化的限制因素，因此要在淹没区添加稳定碳源来提高脱氮性能，同时选择填料时要避免碳源的淋失。

(6)微生物接种及培养。陈垚等[47]通过高通量测序技术，并以硝化细菌中的amoA基因和反硝化细菌中nirS基因为分子标记，研究干湿交替下，生物滞留池不同位置硝化和反硝化细菌分布特征，发现微生物群落分布易受环境因子(水分含量、植物根系等)的影响。

对于生物滞留池中的特定菌种，可将其筛选出作为受体菌，通过基因重组和基因修饰等手段提高其对污染物净化的稳定性，同时向菌株胞内导入可调控的自毁系统，再将菌种接种至生物滞留池，不仅能实现污染物的净化还不存在生物安全风险。也可将生物炭、改性生物炭等比表面积大、稳定性强的物质加入到生物滞留池来聚集系统中微生物，提高系统内微生物多样性。

(7)运行维护。朱磊等[48]将生物滞留池配合溢流雨水井设置，削减了洪峰流量，提高了出水水质，延长了暴雨重现期。

借鉴前人的研究经验，对生物滞留池的维护可从以下几个方面开展：溢流雨水井采用可开启式篦子或在进水口处设预处理装置，定期清扫井底池底；当下雨时树皮覆盖层呈悬浮状，说明覆盖层已经老化，要及时更换新鲜硬木、树皮、树叶或树根；定期修剪植物、清理杂草，及时更换受损植物；定期检测出水水质、检查填料的干燥情况，及时浇灌植物，必要时更换上层填料。

5 展望

在总结国内外生物滞留池研究应用的基础上，建议未来对生物滞留池的研究重点集中在以下四大方向。

(1)填料的吸附饱和性，尤其是填料的更换周期与堵塞问题，是生物滞留池应用过程中遇到的瓶颈，可以考虑对径流雨水进行预处理、改进池体结构或继续寻找优质改良填料。

(2)生物炭及改性生物炭能增强对氮磷的吸附效果，建议将其应用到生物滞留池的填料层，考察其对径流雨水中污染物的综合去除效果。

(3)径流雨水中的有机微污染物会抑制填料中微生物的生理活性，造成填料层堵塞及土壤板结。可以从分子生物学技术出发，研究有机微污染物在生物滞留池运行过程中的累积迁移过程，及其对填料中微生物群落的抑制机理。

(4)污染物会在生物滞留池的填料层累积，给系统的稳定运行带来困扰，虽然植物收割会在一定程度上延长填料的饱和周期，但根系对污染物的吸附量远高于茎叶，因此未来研究与应用需考虑填料使用过程中的二次污染问题。