生物滞留技术净化径流中重金属研究进展

贾秋生，陶正凯，刘明辉，荆肇乾

(南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京 210037)

随着城镇化的不断推进，城市不透水范围持续增加，包括城市道路、屋顶等，使得雨水径流本来应该渗透地下水的途径越来越少，自然水文循环遭到破坏，在一定程度上削减了城市的调蓄功能[1]，峰时流量、径流总量增加，城市内涝频发。同时，降雨时雨水冲刷汇水区域下垫面的污染物，包括有SS、COD、重金属、NP营养物、氯化物、油脂、PAHs(多环芳烃)、农药等[2]。雨水径流携带污染物进入受纳水体，进而形成水体污染。

随着对环境问题认识不断提高，人们对于一些点源污染的治理趋于完善，由雨水径流带来的面源污染成为城市水体污染主要原因，成为仅次于农业污染的第二大面源污染[3]。地表水体重金属污染的最主要来源是雨水径流中所夹杂的重金属[4]，重金属在自然环境中很难进行生物降解，反而会沿着食物链产生富集作用，严重危害人类身体健康，并且重金属污染具有持久存在、范围广泛的特征。

生物滞留技术是LID的主要技术之一，可以调蓄雨水，削减洪峰流量，改善出水水质，也可以兼具景观效果，受到了国内外的广泛关注，国外对生物滞留技术的研究早于国内几年，国内对于重金属的净化效果缺乏研究数据。研究生物滞留技术对重金属净化效果的机理有助于更好地设计生物滞留设施，了解重金属在生物滞留介质内部的迁移与转化。

1 地表径流中重金属污染分析

1.1 重金属污染现状

城市地表径流中的重金属来源有很多，其中最主要的来自汽车尾气、工业企业的烟尘、化石燃料的燃烧、大气沉降、轮胎以及各种零部件的腐蚀、建筑墙板等。DAVID等系统地介绍了各种不同的重金属的来源(表1)[5]。

表1 城市径流中重金属的来源

由于我国降水时空差距比较明显，各个城市的雨水径流中的重金属浓度差异肯定有所不同，表2列举了一些国内外城市雨水径流中重金属浓度。

表2 国内城市雨水径流中重金属浓度比较

由表2可知，国内外雨水径流中的重金属的浓度差别很大，这是因为各个地区的降雨量以及城市下垫面情况不同，所以因地制宜地采用合适的方法来净化重金属是十分必要的。同时可以看出国内主要城市中雨水径流中重金属浓度已经超过地表水Ⅱ类标准(地表水环境质量标准GB 3838—2002)[8-10]，因此需要对重金属污染及时治理。

1.2 径流中重金属的赋存形态

重金属形态指重金属元素在环境中存在的形式，形式不同会表现出的毒性和环境行为也不一样[16]。重金属在城市雨水径流里赋存形态主要分成：颗粒态和溶解态。Sally等[17]研究表明城市径流颗粒态Pb、Cd、Cu、Zn的含量占其总量的97%，83%，67%，52%。Zhao等[18]研究表明城市雨水径流中，颗粒态重金属占沉积物中重金属总量的70%以上，即颗粒态是雨水径流重金属主要存在形式。除了这两个相态以外，重金属在颗粒态和溶解态之间还有几个相态，不同相态能量状态不同，迁移性也不同，重金属的有效生物性和对环境的危害程度也不同。

1.3 生物滞流介质中重金属的赋存形态

当重金属随着雨水径流进入生物滞留介质之后，各种重金属的形态变化以及相态转化对研究介质内部重金属的迁移和转化有着十分重要的影响。Tessier等[19]的五步连续提取法是目前研究中应用最广泛的方法，把土壤中重金属形态分为：可交换态、碳酸盐结合态、铁-锰氧化物结合态、有机物结合态和残渣态。

1.3.1 可交换态 该状态的重金属吸附在黏土、腐殖质和其他成分上，迁移转化的可能性高，对环境的改变敏感，植物能够吸收[20]，因此会对食物链产生很大的影响。

1.3.2 碳酸盐结合态 该状态的重金属吸附在碳酸盐表面产生共沉淀[21]。以这一形态存在的重金属极易受到土壤环境的变化，当pH下降时，重金属容易从沉淀中释放出来，再次进入环境。当pH升高时，有利于碳酸盐的生成，也有利于重金属与碳酸盐矿物产生共沉淀[22]。

1.3.3 铁锰氧化物结合态 该状态的重金属可以与介质中的活性铁锰氧化物和粘粒矿物吸附或者共沉淀[23]，一般活性高的铁锰氧化物的比表面积也比较大，易共沉淀或吸附阳离子以及阴离子。土壤pH值、氧化还原反应条件改变时，铁锰氧化物的结合态会随着改变。当pH高和氧化还原电位高的时候，利于铁锰氧化物的形成；相反，当pH低时，容易被释放。

1.3.4 有机结合态 该状态的重金属可以与土壤中的有机物活性基团通过化学键螯合[24]。土壤中存在各种有机物，如植物残体、矿物颗粒的包裹层、腐殖质，有较强螯合金属离子的能力，可以以有机膜的方式附着在矿物颗粒的表面，改变矿物颗粒的表面性质，增加其吸附重金属的能力。同时，部分有机物在氧化条件下可能会降解，重金属元素溶出。

1.3.5 残渣态 该形态的重金属结合在硅铝酸盐、原生与次生矿物之类的晶格中[25]，正常情况下，很难释放，能够在沉积物中长期且稳定的存在，不容易被植物吸收，属于不溶解态重金属，对生物链的影响小。

2 生物滞留措施

2.1 生物滞留设施的组成与分类

典型生物滞留设施包括蓄水层、砾石层、填料层、种植土壤层、覆盖层、植物、溢流装置，通常底部采取自然下渗或者接入排水管网。

蓄水层对雨水径流进行预处理，起到调蓄作用。覆盖层能够缓解雨水侵蚀作用，避免填料层和种植土壤层的水土流失。种植土壤层需要根据不同的植被类型来确定种植土壤层的厚度。填料层是生物滞留设施的关键，需要根据不同地方降水特性确定厚度，根据不同地方的径流污染特点确定填料的种类。砾石层位于最底部，便于处理后雨水排出。

2.2 常见的生物滞留设施

生物滞留设施的分类按照应用的位置不同分为：生态树池、雨水花园、高位花坛、生物滞留带[26]。

生态树池可以设置在道路分隔带、人行道、停车场或者广场等小汇水区域，占地面积小，灵活性强，不必连续布置。生态树池能够有效缓解城市排水管网的压力，间接地补给地下水，调节城市水循环，同时具有景观效果。种植土层一般选用营养成分高、渗透性能较好的能使植物生长良好的混合物，植物一般选择灌木或者乔木。

雨水花园一般建设在地势比较低的区域，能够处理小面积汇流初期雨水。与一般生物滞留设施不同的是，雨水花园需要增设预处理区，也不需要与排水管网连接[17]。雨水花园可以设在住宅区、商业区、工业区的建筑的不透水区域。种植土层一般选择渗透性好的砂质土壤或者含有腐殖质的土壤，选取的植物应耐旱耐涝。

高位花坛几乎都是半地下式，一半在地面，收集屋面雨水，主要适用于住宅区、商业区和工业区的建筑物周边。因为从屋顶落下，雨水的冲击力比较大，因此在高位花坛的表层需要做好消能设施。

生物滞留带一般设置于路面以下较低区域，处理初期雨水，使其边蓄边渗。当达到一定的蓄水深度时，可经溢水井排至排水管道。

3 生物滞留设施重金属污染去除机制分析

3.1 去除效果

国外对于生物滞留设施去除重金属的研究在20个世纪90年代已经开始了，国内的研究在近10年也逐渐展开，大量的实验数据和测试结果都表明生物滞留设施对重金属有良好的去除效果[27-28]。Fuerhack等[29]采用设计滞留介质对人工合成的雨水进行净化，发现去除了83%的Zn，73%的Cu。Glass和Bissouma[30]对停车场旁的生物滞留设施进行实验，发现Cu、Pb、Zn的去除率分别达到81%，75%和79%。Blecken等[31]用生物滞留设施在干旱和湿润的条件下实验，Cu的去除率为70%，Pb、Zn的去除率都为90%。以上结果表明，生物滞留设施能够很好地去除雨水径流中的重金属。

3.2 净化机理

生物滞留设施对径流中重金属去除机理分为：表层介质截留、植物吸收、内部介质物理吸附。

对于雨水径流内颗粒态重金属，全部能够被生物滞留设施去除[32]。同时，城市雨水径流存在着相当一部分溶解态重金属[33]，通过植物吸收和生物滞留设施内部填料吸附去除。Muthanna等[34]对生物滞留设施内部进行分析，发现径流中80%以上的Zn、Cu、Pb被滞留介质吸附，植物吸收了2%～8%的重金属。Sun等[35]研究发现滞留介质可以吸附88%～97%的Pb、Cu、Zn，植物能够吸收0.5%～3.3%的重金属。根据研究，植物吸收的重金属占总量的很少一部分，生物滞留设施各组分对重金属去除能力内部滞留介质吸附占比最大，其次是表面颗粒拦截，最后是植物吸收。

3.3 影响因素

Davis等[36]研究表明，影响生物滞留设施去除重金属的主要因素包括径流中重金属浓度、降雨强度、降雨历时、pH、生物滞留设施的构造和介质类型，其中生物滞留设施的构造和介质类型对去除重金属的能力影响较大。

Gulbaz等[37]对不同介质进行实验，结果发现对重金属去除能力大小为：草皮>营养土>覆盖砂>砾石。Jiang等[38]对生物滞留介质进行改性，发现用粉煤灰改性后的滞留介质对重金属的去除能力要比添加绿沸石和椰糠的滞留介质要好很多。Ying等[39]选用不同种类的植物进行实验，发现植物对重金属的吸收能力受重金属种类、植物种类、土壤条件的影响，但植物所吸收的重金属的量都较低。

生物滞留介质组成不同，对雨水径流渗透能力和对重金属去除能力也不同。因此需要根据城市雨水径流的特性，选取合适的生物滞留介质。尽管植物对重金属的吸收能力并不强，但是植物能够维系滞留介质的结构，抵挡雨水冲刷[40]。所以也要选择合适的植物，使生物滞留设施寿命延长。

3.4 技术局限与改进

生物滞留设施对重金属的去除能力并不是把重金属无害化，只是通过过滤、吸附、沉淀等方式把重金属截留在生物滞留介质的内部，所以生物滞留设施并不能够无限使用，一般在经过15～20年的使用，重金属会渗出，特别是溶解性重金属，具有很好的生物利用性，更容易对生态造成破坏，所以要加紧对生物滞留设施的监控，及时更换表层介质。

近年来对于生物滞留介质的类型及构造的创新设计有很多。Wang等[41]在生物滞留设施增加淹没缺氧区和加入碳源，缺氧区的设置使Pb和Cu的去除率显著提高，碳源的加入使Zn的去除率轻微提高。Makela等[42]研究表明钢渣对于重金属有很强的吸附能力，并且能使重金属溶解和迁移能力减弱。Reddy等[43]研究发现，在生物滞留设施里加入铁屑能够增加对重金属的截留总量。

4 结论与展望

目前，生物滞留设施在国内正处于研究热潮，大量研究表明生物滞留设施对径流中重金属去除效果显著。在生物滞留设施中对重金属去除能力最强的是生物滞留介质，国内外关于生物滞留介质有很多创新研究，也有很好的成效。

但生物滞留设施的使用寿命问题没有得到很好的解决，在处理的重金属量达到极限之后，重金属会渗出，对环境造成二次污染，需要及时的监控，未来可以向加强生物滞留设施使用寿命研究，也可以与其他净化设施进行联合处理，增强径流净化效果。