生物滯留技術凈化城市路面徑流研究進展

葛盼穎，李 昂，巢 姣，劉加強，張惠芳，張 慧，李 亮

(1.徐州工程學院，江蘇 徐州 221000；2.徐州市水利建筑設計研究院，江蘇 徐州 221000)

隨著我國城鎮化進程的加快和規模的擴大，城市區域內不透水面積亦在不斷增加，從而導致暴雨徑流量加大且匯流時間縮短[1-2]，由此引發了城市面源污染、城市內澇、雨水資源流失、河流湖泊污染加劇以及自然生態退化等一系列環境問題。一方面，大量雨洪徑流通過城市雨洪管道在短時期內排泄到河道，增加了城市排水管網的壓力[3]，另一方面，降雨徑流中含有的懸浮物、耗氧物質、營養物質、有毒物質、油脂類物質等多種污染物隨徑流進入江河湖泊，成為城市水環境惡化的重要原因[4]。

1 城市徑流的特點及危害

1.1 城市徑流的特點

在非點源污染中，城市地表徑流是僅次于農業非點源污染的第二大非點源[5]。城市地表徑流含有許多污染物，包括固體廢物碎片、化學品、空氣沉積和車輛排放。城市地表徑流中的SS、重金屬和烴類污染物濃度與未經處理的城市污水基本相同[6]。由此可見，城市地表徑流污染種類繁多，并且不易處理。

1.2 城市徑流的危害

根據對滇池、太湖、淮河流域等主要江河湖泊的污染調查和處理的情況，我國深刻認識到非點源污染的危害。滇池富營養化結果表明，工業廢水、城市污水和非點源污染的比例分別為9%、24%和67%[7]。根據國外資料，在一些污水(即地表水)經過二次處理的城市，接收水體中每年的BOD負荷有40%～80%來自于地表徑流，由降雨產生。在強暴雨期，94%～95%的BOD直接來自路面徑流。在城市路面、屋面和綠地三種主要下墊面中，路面徑流水質最差，是僅次于農業面源污染的非點源污染[8]。

2 “海綿城市”和低影響開發技術

2.1 “海綿城市”的提出和特點

“海綿城市”是指城市能夠像海綿一樣，在適應環境變化和應對自然災害方面具有良好的“彈性”，下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用，遵循“生態優先”等原則，將人工措施和自然途徑相結合，在確保城市排水防澇安全的前提下，最大限度的實現雨水在城市區域的積存、滲透和凈化，促進雨水資源的利用和生態環境保護。

2.2 低影響開發技術特點

低影響開發(LID)技術是目前國際社會城市水環境保護和可持續發展的新理念。該技術主要是通過在源頭、傳輸路徑、末端等環節采用多種分散式的技術措施蓄滯、緩流、滲透、凈化、回用雨水，以達到就地消納，減少徑流產生的目的。該技術主要包括生物滯留、綠色屋頂、可滲透/漏路面鋪裝系統等措施[9]，通過減少不透水面積、增加雨水滲濾，利用雨水資源實現可持續雨洪管理[10]。

生物滯留措施是一種典型的低影響開發技術，具有削減城市雨洪徑流、凈化雨水水質以及補給地下水等優點，可劃分為雨水花園、生態濾溝/生物滯留帶、滯留花壇和樹池4種類型[11]。生態濾溝作為生物滯留設施的一種，其常見的組合為“濾料-植物-微生物”，該組合利用植物根系、濾料和附著在生物膜上的微生物三者互相作用來達到對水體凈化的目的，是物理、化學和生物三重作用的結果。

3 生物滯留技術在削減城市路面徑流、凈化污染物方面的研究進展

Hsieh和Davis在2005年發現使用混合填料的柱狀滯留系統能夠去除城市徑流攜帶的96%以上的有機油[12-13]。由于覆蓋層中的原生微生物能在較短的時間內降解捕獲的烴類，在新罕布什爾州的現場試驗中，柴油中石油烴的去除率達到99%，且除烴主要發生在覆蓋層[14]。

李家科[15]以露天試驗場為基礎，研究6條不同配置方式的生態濾溝對城市路面徑流中污染物的凈化效果及其影響因素。結果表明以粉煤灰為基質的凈化效果較好，氨氮、總氮、可溶性正磷酸鹽、總磷的去除率可分別達到30%～45%、25%～30%、90%～95%、60%～90%；在有植被條件下對總氮的去除率可提高5%～30%，而對磷的凈化效果相差不大；生態濾溝對污染物的去除率隨入流水力負荷的增大而降低。

李家科[16]等設計了多組不同結構的生物滯留小型試驗柱，考察填料類型、填料厚度、淹沒區深度、植物種類等因素對生態滯留設施水質凈化效果的影響。研究表明沙子和粉煤灰混合填料對污染物的綜合去除率為85.03%，凈化效果最佳；增加人工填料厚度可以提高對污染物濃度的凈化效果，填料厚度為60 cm時，綜合去除率為56.61%，污染物凈化效果最佳；淹沒區深度的變化對氮素凈化效果的影響比較明顯，40 cm淹沒區深度時TN去除率為50.84%，凈化效果最佳；黃楊和黑麥草植物組合凈化效果最佳，在NO3--N的凈化效果方面，相比于水蠟+麥冬草，前者可將凈化效果提升10%左右。

蔣春博[8]通過研究不同填料組合的生態濾溝中試試驗裝置影響因素、間歇運行效果等，考察氮素污染物在生態濾溝系統中的運行效果，并探究影響因素與水量削減率和TN去除率之間的相關關系。研究發現以粉煤灰+沙為人工填料層的生態濾溝水量削減率和峰流量削減率比較穩定，分別集中在58.59%～67.93%和71.99%～86.44%，而以高爐渣為人工填料層和填料層為純種植土的生態濾溝水量削減率和峰流量削減率波動較大。三種填料生態濾溝系統對氮素污染物的負荷削減率較好，均在40%以上。人工填料下滲率是影響生態濾溝水量削減率最重要的影響因素，填料是影響生態濾溝氮素去除效果最重要的影響因素，TN去除率與填料因子大小和淹沒區高度成正相關，與雨前干燥期、入流濃度和入流水量成負相關。

楊茗[17]在2017年實驗得出混合填裝的濾料對COD的去除率明顯高于比面填裝的濾料，混合填裝的濾料中去除率最高是礫石+爐渣，COD去除率達到83.34%。雷婷婷[18]用了三種填料(高爐渣、高爐渣+沙、種植土)來分析除磷效果，結果表明高爐渣作為填料的除磷率最高。趙靜[19]等通過生態濾溝土柱模擬徑流試驗，分析了在3種填料中添加不同有機質的生態濾溝對地表徑流中氮磷等物質的去除和水文響應效果，結果表明基質為陶粒+碎木屑的系統有較好且穩定的凈化效果，其COD、TN和TP平均去除率分別為86.4%、60.5%和97.9%，且碎木屑優于草炭土；添加草炭土的系統有更高的TP去除率，但相差不大；生態濾溝對模擬徑流均有較好的滲透性能，添加草炭土能提高系統削峰減量效果；研究結果還提出在工程應用中，可根據需求在填料中添加10%左右的有機質，以提高生態濾溝對氮磷等物質的去除及洪峰削減效果。

李鵬[20]等根據西安市降雨特征和道路雨水徑流水質狀況，利用6條不同填料配置的生物滯留槽進行中試實驗，探究填料種類、組合方式、厚度、污染物特性、植被條件對生物滯留槽凈化效果的影響，并將凈化效果與各因素之間的相互關系及協同作用進行集成化模擬，發現以45cm粉煤灰為填料、黃楊+麥冬草為植被的組合形式對污染物的去除效果最好。

4 結語

生物滯留技術以其凈化水質的高效性在美國等發達國家得到了廣泛的認可和應用，但在我國對生物滯留技術的研究多數仍為模擬實驗，主要研究內容多以水量削減效果和水質水量狀況、填料選擇等設計參數對污染物凈化效果的影響以及污染物凈化機理的研究，工程實踐研究尚少。在今后的研究過程中，如何積累更多充足有效的數據，結合區域氣候和城市規劃，合理選擇設計參數，用于工程實踐，以達到良好的環境效益，應該是生物滯留措施研究的熱點。