基于文獻分析的生物滯留研究現狀與展望*

黃恒粵 陳 垚,2# 袁紹春,2 劉 臻,2 陳人瑜

(1.重慶交通大學河海學院，重慶 400074；2.重慶交通大學環境水利工程重慶市工程實驗室，重慶 400074)

生物滯留系統，亦稱雨水花園或生物過濾系統，通常由蓄水層、覆蓋層、種植土層、填料層以及排水層等組成[1]。由于其對總懸浮物(TSS)、氮磷營養物、病原微生物和重金屬等污染物具有較好的去除效果，兼具成本效益和景觀價值，常被用于削減城市產生的雨水徑流量與控制污染物濃度[2-4]。據報道，生物滯留系統可減少30%(質量分數，下同)～97%的總氮(TN)，28%～85%的總磷(TP)，及高達99%的TSS[5]。生物滯留技術用于凈化雨水徑流以來，相關研究已經進行了30余年。通過對Web of Science(核心合集)和中國知網(CNKI，核心期刊)數據庫2010—2021年間生物滯留技術研究成果進行統計分析，圍繞設計構型參數、運行條件、溶解性風險污染物去除、模型研究進行了詳細闡述，并提出研究展望，以期為生物滯留系統的改進、優化和提效提供參考。

1 文獻來源與發文量情況

為全面掌握生物滯留技術的研究進展，對英文和中文文獻進行檢索分析。英文文獻選自Web of Science(核心合集)數據庫，檢索式如下：主題為(bioretention*) or (biofilter*) or (biofiltration*) or (rain garden*)，文獻類型為研究文章(article)and綜述文章(review)，檢索年份為2010—2021年。中文文獻選自CNKI(核心期刊)數據庫，檢索式如下：主題為生物滯留or雨水花園or生物滯留系統，檢索年份為2010—2021年。剔除相關性較弱的文獻后，最終篩選出335篇英文文獻和290篇中文文獻。

2010—2021年期間，生物滯留技術研究的中、英文文獻的年度發文量見圖1，其中2021年文獻量較少的原因是檢索截止時間為2021年4月。由圖1可知，生物滯留技術的相關研究發文量2010—2019年總體呈遞增趨勢，表明生物滯留技術逐漸受到研究者的關注。據英文文獻全球分布統計(見圖2)，生物滯留技術在全球范圍內都有研究應用。相較于西方國家，我國對生物滯留技術研究雖起步較晚，但后來居上，發文量僅次于美國，成為第二大研究國家。其中，中文文獻在2015年后的發文量增長較快，這可能是2015年我國提出“海綿城市”理念后，作為海綿城市的一項具有生態效益的低影響開發設施，生物滯留技術受到國內研究者的重視。

圖1 2010—2021年關于生物滯留技術研究的中、英文文獻年度發文量Fig.1 Annual number of Chinese and English literature on bioretention technology research from 2010 to 2021

圖2 2010—2021年關于生物滯留技術研究英文文獻全球分布情況Fig.2 Global distribution of English literature on bioretention technology research from 2010 to 2021

2 主要研究內容及現狀

生物滯留系統對污染物的去除主要依靠填料、植物、微生物共同發揮作用得以實現，且污染物的去除效果依賴于設施構造，同時外界的干擾條件也會影響生物滯留系統的除污效果。研究證實，生物滯留系統不僅對常規污染物具有較好的去除效果，對于溶解性風險污染物同樣具有一定的去除能力。隨著科學技術的發展，數值模擬作為一種新的研究方法也被運用于生物滯留技術的研究中。國內外學者主要圍繞生物滯留技術的污染物去除、填料、雨水徑流控制等展開了一系列的實驗與模型模擬研究，并取得豐碩的研究成果，促進了該技術的發展與工程應用。為此，從生物滯留系統的設計構造參數、運行條件、溶解性風險污染物去除和模型研究等方面，對相關研究進展進行詳細闡述。

2.1 構造參數

2.1.1 填料類型及改良

填料是生物滯留系統最重要的組成部分，大部分污染物主要依靠填料的截留去除。傳統的填料級配通常為30%(質量分數，下同)土壤+65%細沙+5%木屑，不同地區會存在一定差異，但傳統填料對氮磷等污染物的去除效果不穩定。為提高生物滯留系統的氮磷去除率，研究者對填料進行了改良研究。RANDALL等[6]利用水處理殘渣對填料進行改良后，TP的去除率達到78.4%±9.0%。JIANG等[7]33305研究發現生物滯留系統填料經水處理殘渣、沸石和粉煤灰改良后，TN去除率分別可達59.48%、60.27%和69.83%。GOH等[8]分別在填料中添加10%(質量分數)的紙屑、椰殼、貝殼、輪胎屑和報紙屑進行改良后，生物滯留系統對TN和TP的去除均得到明顯改善，平均去除率分別達到68%和88%。

文獻統計發現，生物滯留系統中填料的改良劑主要分為有機改良劑和無機改良劑兩類，其中有機改良劑包括有機堆肥、碎紙片(屑)、椰糠(殼)、泥炭土等，無機改良劑則包括水處理殘渣、石灰石、沸石、粉煤灰、蛭石、麥飯石、貝殼等[9-16],[17]993。有機改良劑可為生物滯留系統提供充足的有機碳源，無機改良劑則可提供高比表面積、強吸附能力的顆粒表面，強化填料對污染物的物理截留與吸附。此外，填料改良不能一味追求生物滯留系統控污能力的改善，還應滿足水力滲透性能的基本要求，以實現徑流削減的功能目標。但目前對于生物滯留系統水力滲透性能的要求尚未達成共識，如美國及新西蘭要求滲透系數不應低于12.5 mm/h，奧地利要求36～360 mm/h，澳大利亞則要求50～200 mm/h[18]，而我國有些城市則要求滲透系數宜為10.8～36.0 mm/h[19]。相關研究證實，填料的水力滲透性能會顯著影響污染物的去除過程，如填料具有低水力滲透系數(30～70 mm/h)，可增加雨水徑流在系統內的水力停留時間(HRT)，從而表現出較高的硝態氮去除率[20-21]。因此，今后應加強填料水力滲透性能與污染物去除能力之間的耦合機理研究，從微觀尺度探明污染物在水動力條件下的擴散、遷移與轉化過程，進而確定填料的最佳改良方案。

2.1.2 植 物

研究證實，植物可顯著提高生物滯留系統的除污能力[22]，且不同植物種類對氮磷等污染物的去除影響顯著，但對重金屬的去除影響不明顯[23]893。YANG等[24]考察了30種植物對不同污染物的去除能力，結果表明不同植物均能實現氨氮的高效去除，但對TP和硝態氮的去除存在一定的差異。其中，蒲公英(TaraxacummongolicumHand.-Mazz.)對硝態氮的去除效果最好，去除率可達75%，而馬唐(Digitariasanguinalis(L.) Scop.)對TP的去除能力最佳，去除率高達84%；同時所有植物均對Cd、Pb和Cu具有良好的去除效果，但對Zn的去除則受植物種類影響較大，在該研究中氮磷去除能力強的植物多具有粗根與發達根系，這與READ等[25]研究認為生物滯留系統中植物根長、根系質量、總根長等根系特征指標與氮磷去除能力呈正相關的結論相一致。這是因為植物粗根和發達根系會增加生物滯留系統中土壤的水力傳導率，同時發達根系還可使根系延伸至填料深處，有助于根系對污染物的吸收去除[26]。此外，研究還發現除氮的功能植物除具有粗大根系的性狀外，還具有生長速度快、成熟期開花能力強的特點[23]900-902。

2.1.3 淹沒區

生物滯留系統對TN的去除受硝態氮濃度的影響，而硝態氮則主要在厭氧條件下通過反硝化作用得以去除。為提高系統對氮的去除能力，通常在系統底部增設一個淹沒區，為反硝化過程創造條件。研究表明，淹沒區設置可有效提高系統對硝態氮的去除能力，進而使TN的去除率提高50%～60%，且TN和硝態氮的去除率隨淹沒區高度的增加而增加[27]827,[28],[29]1121。而氨氮的去除并不受淹沒區高度變化的影響，去除率始終保持在80%左右，是因為系統對氨氮的去除主要發生在上部填料區域；此外，生物滯留系統中的反硝化作用還受碳源的影響，而雨水徑流中的碳源量通常難以保證反硝化過程，需在淹沒區添加碳源以提高對硝態氮的去除能力[30]。但PALMER等[27]830研究表明，設置淹沒區雖可顯著提高硝態氮的去除，但也會增加HRT，出現磷的淋溶現象，最終影響磷的去除。因此，在淹沒區可投加一些能高效吸附磷的改良劑，如富含鐵氧化物、鋁氧化物的水處理殘渣，這些殘渣由絮凝劑與水中的懸浮物、膠體等物質混凝沉淀形成，其不僅富含有機物可作為反硝化碳源，還具有較高比表面積的無機顆粒實現對磷的吸附，甚至可通過Fe、Al、Ca等離子與磷的化學反應過程實現磷的沉淀去除，在提高硝態氮去除的同時可使TP去除率達到99%[17]995-997。

2.2 運行條件

研究表明，生物滯留系統對氮的去除過程不僅受填料類型、滲透系數、淹沒區設置深度等構造參數的影響，還受徑流水質、進水量、水力負荷、前期干旱天數(ADD)等環境因素的影響[7]33299。JIANG等[29]1129采用偏最小回歸法對TN去除率與影響因素進行了耦聯分析，結果表明TN去除率與填料滲透性能、淹沒區設置高度呈正相關，而與ADD、進水濃度、進水量等因素呈負相關。同時，相關研究證實ADD對硝態氮的去除有較大影響，且較長的ADD有助于硝態氮的去除[31]，如當ADD從1 d增至10 d時，硝態氮的去除率在37%～78%波動，并呈上升趨勢[32]。但較長時間的ADD下，系統經連續降雨后容易出現硝態氮的淋洗現象，且過長的ADD(7、12、22 d)也不利于硝態氮的去除[33]。

2.3 溶解性風險污染物

2.3.1 重金屬

雨水形成徑流過程中，常伴隨重金屬的存在，尤以Cu、Zn、Pb和Cd含量最高[34]。相關研究已證實，生物滯留系統對雨水徑流中的重金屬具有良好的去除效果，其中對Cu、Zn、Pb和Cd的去除率分別可達61.31%～98.00%、74.06%～96.80%、60.27%～99.60%和80.31%～99.97%(見圖3)。

注：數據來源于文獻[17]、[24]及[35]至[39]。圖3 生物滯留系統對常見重金屬的去除性能Fig.3 Removal efficiency of common heavy metals by bioretention system

徑流攜帶的重金屬主要包括顆粒態和溶解態兩種形態，進入生物滯留系統后主要通過填料過濾吸附、植物吸收富集和微生物吸收3種途徑去除。SUN等[40]研究發現，88%～97%的重金屬進入生物滯留系統后被填料介質去除，而通過植物吸收途徑去除的僅占0.5%～3.3%。同樣，SARI等[41]研究也證實相較于填料，植物對重金屬(Pb、Zn)去除的貢獻率僅18%左右。雖然有研究證實某些特殊微生物可實現對重金屬的吸收[42]，但在生物滯留中的研究相對較少。可見，重金屬在生物滯留系統中的去除途徑主要為填料的過濾和吸附作用。JONES等[43]發現大部分重金屬截留于徑流入流點3～12 cm的表層填料介質中，填料介質中的重金屬含量隨填料深度的增加而降低。這與HATT等[44]的研究結論一致，即重金屬的去除主要發生在填料介質的表層區域。這是由于顆粒態重金屬進入系統后首先被填料孔隙通過過濾截留作用得以去除，而溶解態重金屬則主要被填料表面帶負電的表面位點捕獲，或與某些極性官能團通過表面絡合、金屬陽離子交換作用被填料所吸附得以去除。但由于傳統生物滯留系統中植物對重金屬的吸收富集能力有限，而填料對重金屬的過濾與吸附作用是一個可逆過程，將可能導致系統出現重金屬淋溶現象。雖研究已證實，可通過對填料的改良來提高系統對重金屬的去除能力[35]，但這一過程受填料類型、徑流水質、降雨持續時間、植物種類、溫度、微生物代謝等因素影響。目前尚未對重金屬在生物滯留系統中的賦存形態及遷移轉化規律進行系統研究，未來應關注微生物代謝、填料表面官能團等電子轉化過程對重金屬賦存形態與氧化還原的介導作用機制，進而掌握重金屬的遷移轉化規律，明確填料介質的使用壽命與更換周期，并探尋對重金屬具有超富集作用且適合干濕交替狀態下生長的功能植物，以強化生物滯留系統對重金屬的去除能力。

2.3.2 新興污染物(ECs)

雨水徑流中的ECs主要源自化石能源、化學藥品等使用后的殘留物，包括苯及苯系化合物(BTEX)、多環芳烴(PAHs)、多氯聯苯(PCBs)、二噁英(PCDDs)、農藥等有機污染物。相關研究表明，生物滯留系統可有效去除洗滌劑[45]1135、PCBs[46]5、PAHs[45]1132,[47]、PCDDs[46]5、有機農藥(阿特拉津、草甘膦、麥草胺、二氯苯氧乙酸)[48]等污染物，去除率可達90%以上，并認為可通過填料吸附、植物吸收和微生物降解等途徑去除ECs。如通過填料的吸附可有效去除油脂、甲苯和萘[49]，在微生物作用下可降解草甘膦等有機農藥[50]，還可實現對萘的礦化[51]，通過植物吸收作用可以實現對萘的去除[52]。目前關于生物滯留系統對ECs的研究主要集中在去除特性及其影響因素上，尚未明確填料吸附、生物降解和植物吸收等途徑的貢獻情況與耦合作用機制，尤其急需探明ECs在系統內的累積過程及其毒理效應。

2.3.3 病原微生物

雨水形成徑流過程中通常攜帶病原菌、病毒、原生動物和蠕蟲等病原微生物，易造成相關傳染疾病。相關研究表明，生物滯留系統對產氣莢膜梭菌、F-RNA大腸桿菌噬菌體、大腸桿菌、糞大腸菌群等病原微生物具有較好的去除效果，但受填料類型影響而表現出較大的去除差異性[53-55]。為提高系統對病原微生物的去除能力，研究學者嘗試對填料進行改良，如ZHANG等[56]701研究發現經氧化鐵改良的填料對大腸桿菌的去除率較傳統填料增加了17%，達到99%，而MOHANTY等[57]添加生物炭后，可實現96%的大腸桿菌去除率。

一般認為，生物滯留系統在一定條件下可通過填料過濾與吸附截留、微生物群落間的競爭與捕食、太陽輻射、溫度變化等作用去除病原微生物[58]。其中，填料的過濾作用主要取決于填料的理化特性，尤其是介質的比表面積、孔隙率和表面疏水性控制著病原菌的輸移過程[59]。填料的吸附截留過程主要受水力作用、靜電引力、細胞分泌物等影響[60]，如病原微生物進入生物滯留系統后先通過介質的靜電作用、范德華力、表面張力等吸附于填料表面，隨后通過病原微生物新陳代謝作用產生的胞外聚合物強化填料介質的吸附能力。由于病原微生物表面帶負電荷，添加正電荷的改良劑(如鐵氧化物、鋁氧化物)可加強填料介質對病原微生物的吸附作用[56]704。此外，病原微生物與系統中的微生物存在競爭與捕食關系，如大腸桿菌進入系統后可附著于植物根際和根際抗菌分泌物中，與其他根際微生物形成競爭關系，并可能被捕食者捕食[61]。目前，針對病原微生物在生物滯留系統中的去除過程，研究學者主要圍繞病原微生物去除能力及其影響因素(如植物類型、填料介質、淹沒區設置、干濕交替過程)開展了相關研究，但關于病原微生物的具體去除機制還不明晰，也未明確病原微生物在系統中的累積特性與遷移規律。因此，今后應重點關注填料介質、微生物群落、根系分泌物等對病原微生物去除的作用機制，以及病原微生物在系統內的遷移失活過程。

2.4 模型研究

雖然研究證實生物滯留系統對徑流污染具有較好的控制效果，但其在實際運用中是否能達到預期功能目標受諸多因素影響，需要通過相關模型進行預測與評價。目前常用的模型軟件主要分為兩類，一是流域的大尺度模型，如SWMM、HSPF、InfoWorks CS、SLAMM、STORM、DR3M-QUAL、MOUSE、SUSTAIN、MIKE等[62]，另一類是單項設施的小尺度模型，主要有RECARGA、DRAINMOD、HYDRUS和SWC[63]。其中，大尺度的模型應用相對較成熟，而小尺度模型應用相對較少。GULBAZ等[64]利用SWMM對不同降雨強度下生物滯留系統對徑流的控制效果進行了模擬，結果表明SWMM可較好模擬生物滯留系統的控制過程，但精度仍有改進空間。而LI等[65]利用HYDRUS-1D考察了降雨重現期、填料厚度、徑流污染濃度等因素對生物滯留系統控制效果的影響，雖然該模型可對相關參數進行優化，但在模擬過程中忽略了溫度、植物根系作用以及生物化學反應(如硝化和反硝化)的影響。ZHANG等[66]利用水文模型(RECARGA和DRAINMOD)和響應面法(RSM)研究了降雨條件、設施面積與匯水面積比值和污染物濃度等因素對生物滯留系統控制性能的影響，并對相關設計參數進行了優化，但該模型為一個“黑箱”系統，并未考慮污染物的去除過程。

目前不論是流域的大尺度模型還是單項設施的小尺度模型都有一定研究，但這些研究有一定的局限性，如模擬精度不夠、模型功能單一，且在模擬過程中通常忽略某些影響因素或簡化一些過程，導致模擬結果精度不高。因此，今后應重點圍繞開發高靈敏、高精度、適用范圍廣，且考慮多種影響因素，能夠預測溶解性風險污染物等多種污染物，耦合水質水量的過程機理模型。

3 總結與展望

生物滯留系統作為一種綠色的生態處理技術，在雨水徑流削減與污染控制方面擁有極大潛力。研究學者對生物滯留技術已開展了30年的相關研究，在生物滯留系統設計參數優化、運行條件、溶解性風險污染物去除性能、徑流控制模型研究等方面獲得了許多成果，但相關研究仍存在一些不足之處，未來應重點圍繞以下問題開展相關研究：

(1) 填料堵塞問題是生物滯留系統一個不可回避的技術瓶頸，大部分徑流污染物在生物滯留系統中主要依靠填料的截留吸附而去除。顯然，長時間的運行會導致污染物在系統內累積，使系統運行的不穩定。特別是重金屬、ECs、病原微生物等溶解性風險污染物在系統內長時間累積，可能會對植物和微生物產生毒理效應，甚至出現淋溶現象而產生二次污染問題。因此，未來可重點圍繞填料類型與科學級配、污染物的水力遷移過程等方面開展相關研究，掌握污染物在填料中的遷移與吸附過程，明確填料堵塞的發生時機與控制，進而提出填料堵塞的緩解措施，提高系統穩定性。

(2) 污染物在生物滯留系統中的去除涉及填料、植物和微生物的耦合作用。污染物的去除依賴于填料的選擇和填料級配，植物的選擇會影響填料的水力性能，如HRT、pH等參數；而這些水力參數又可能對生物滯留系統中微生物的生理活性產生影響。同時，微生物代謝分泌物與植物根系分泌物可能存在某種聯系等。因此，未來可對污染物去除過程中系統各介質貢獻情況與污染物去除過程的關聯性進行研究，明確污染物去除過程中填料、植物、微生物之間的相互影響機理和協同作用機制。

(3) 生物滯留系統與數值模型的結合應用研究。隨著數值模擬方法的應用和推廣，未來可圍繞利用數值模擬方法，對生物滯留系統中污染物的去除過程進行模擬研究；針對物理模型實驗難以完成的實驗條件，利用數值模擬方法，對多影響因素條件下生物滯留系統的控污過程進行綜合研究，進而提出設計參數優化方案。但如何實現多影響因素及模型精度的整合是研究的難點。