低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)控制雨水徑流重金屬污染研究進(jìn)展

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(南京工業(yè)大學(xué)，江蘇南京211816)

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，不透水下墊面面積快速增加，不透水地表累積的大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、懸浮物、碳?xì)浠衔锖椭亟饘俚任廴疚铮诮涤炅苋?、沖刷等作用下隨雨水徑流進(jìn)入受納水體，造成城市水體的嚴(yán)重污染[1]。Wu等[2]研究表明，降雨徑流帶入水體的Zn、Cu、Pb和Cd分別占水體總含量的13%、78%、47%和46%。李敦柱[3]研究發(fā)現(xiàn)，城市雨水徑流排放的Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的負(fù)荷分別為97.8、112.6、29.6、181.8和723.4 kg/a，其中道路徑流排放的重金屬負(fù)荷占比高達(dá)58%。與N、P、COD和TSS等污染物相比，重金屬污染物在水體中具有高穩(wěn)定性和難降解性，不僅會(huì)破壞水生生態(tài)系統(tǒng)，還會(huì)通過(guò)食物鏈富積作用危害人類(lèi)健康[4]。研究顯示[5]，國(guó)內(nèi)外大部分城市降雨徑流中重金屬濃度普遍高于GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，以城市雨水徑流為載體的重金屬污染已成為地表水環(huán)境重金屬污染的重要來(lái)源。

近年來(lái)，為了能有效控制城市雨水徑流污染，各國(guó)都在積極尋求新型的雨洪管理措施。低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)(LID)采用源頭、分散式的措施通過(guò)滲、滯、蓄、凈、用和排等方式可以有效控制暴雨徑流量和徑流污染，從而減小場(chǎng)地開(kāi)發(fā)前后的水文特征變化。目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的LID措施主要包括透水鋪裝系統(tǒng)、生物滯留池和綠色屋頂?shù)龋渲袊?guó)外對(duì)低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)在控制暴雨徑流量和城市面源污染方面的研究比較深入，而國(guó)內(nèi)對(duì)在控制城市面源污染方面的研究則相對(duì)滯后，尤其是對(duì)重金屬的去除效果、凈化機(jī)理及影響因素的研究。因此，研究上述3種低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)對(duì)雨水徑流中重金屬的凈化效果及優(yōu)化措施，對(duì)于高效控制城市雨水徑流重金屬污染具有重要意義。

1 透水鋪裝系統(tǒng)控制重金屬污染

Laurent等[6]研究表明，透水路面對(duì)常規(guī)重金屬污染物具有良好的凈化效果，其中對(duì)Pb、Zn和Ca的去除率達(dá)到了74%～99%、73%～99%和98%～99%，而對(duì)Cu的去除效果不穩(wěn)定，去除率在20%～99%之間。Wang等[7]研究顯示，經(jīng)透水磚和透水網(wǎng)格處理后的重金屬出水濃度均達(dá)標(biāo)，但透水網(wǎng)格對(duì)重金屬的去除率低于透水磚。Wang等[8]研究顯示，透水混凝土面層和多孔隙水泥穩(wěn)定基層對(duì)Zn、Pb和Cu 的去除起到主導(dǎo)作用，透水混凝土面層對(duì)Zn、Pb和Cu去除率分別為43%、47%和49%，多孔隙水泥穩(wěn)定基層對(duì)Zn、Pb和Cu去除率分別為34%、30%和29%，級(jí)配碎石基層對(duì)Zn、Pb和Cu 的去除貢獻(xiàn)最小。Wang等[9]試驗(yàn)表明，以硝酸鐵浸泡過(guò)的石英砂作為基層改性材料的透水路面對(duì)徑流中Zn、Cd、Pb、Ni、Mn和Cu具有顯著的削減效果，平均削減率在80%以上，而對(duì)Ca、Mg的削減效果不理想，其出水濃度反而高于進(jìn)水，認(rèn)為是基層材料中Ca、Mg出現(xiàn)了溶出現(xiàn)象，還發(fā)現(xiàn)以煤矸石作為基層材料的透水路面也發(fā)生了金屬離子的溶出現(xiàn)象，而以石灰石、礫石和花崗巖為基層材料的透水路面則沒(méi)有出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

王俊嶺等[10]研究陶粒基層、沸石基層、膨潤(rùn)土礫石基層和粉煤灰礫石基層對(duì)重金屬的凈化效果，結(jié)果表明，膨潤(rùn)土礫石基層對(duì)重金屬的吸附效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他3種基層，其次為沸石基層﹥陶粒基層﹥粉煤灰礫石基層。Baden等[11]選擇20 mm粒徑的石英巖和白云石作為透水混凝土基層材料并將基層厚度設(shè)置為380 mm，結(jié)果表明，優(yōu)化后的系統(tǒng)對(duì)重金屬的去除效果穩(wěn)定且高效，平均去除率高達(dá)94%～99%。Giridhar等[12]采用天然沸石、方解石、砂石和鐵粉作為面層和基層的改性材料，改良后的系統(tǒng)對(duì)重金屬的去除率最高達(dá)到了100%，最低也在60%以上。王俊嶺等[13]試驗(yàn)顯示，陶粒、沸石和礫石對(duì)Cu的吸附能力強(qiáng)弱依次為：沸石﹥陶粒﹥礫石，沸石對(duì)Cu的飽和吸附量達(dá)到了7.032 mg/g，沸石和陶粒比礫石對(duì)于Cu的吸附量分別提高了87%和58%，因此可選擇沸石或陶粒作為優(yōu)化透水路面去除重金屬的材料。

研究表明[2]，降雨徑流中的顆粒態(tài)重金屬在隨雨水下滲過(guò)程中，易被截留在透水路面面層和基層材料的孔隙中，而溶解態(tài)金屬離子易與透水路面材料發(fā)生化學(xué)吸附、化學(xué)反應(yīng)和同晶置換等作用并被截留在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層中。總的來(lái)說(shuō)，透水鋪裝系統(tǒng)對(duì)徑流中的大部分重金屬有顯著的凈化效果，基層和面層材料可以增加對(duì)重金屬的去除率，但同時(shí)也可能成為重金屬的釋放源。因此選擇合適的面層或基層材料并優(yōu)化其組合方式可以大幅度增加對(duì)重金屬的去除率。

2 生物滯留系統(tǒng)控制重金屬污染

錢(qián)佳歡等[14]試驗(yàn)表明，生物滯留系統(tǒng)對(duì)道路徑流中Cu、Zn和Pb有較好的去除效果，去除率分別為70.9%～98.1%、77.6%～98.5%和71.7%～98.6%，出水濃度均優(yōu)于GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅰ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，且去除率受進(jìn)水濃度和植物的影響不大，土壤層對(duì)重金屬平均去除率最高，對(duì)Cu、Zn和Pb 的去除率分別為73.3%、85.2%和61.2%，添加沸石層可增加40%的去除效率。Yin等[15]研究顯示，生物滯留系統(tǒng)對(duì)重金屬的平均去除率高達(dá)90%，對(duì)重金屬的的削減率由大到小依次為：Zn﹥Cu﹥Pb﹥Cd，其中對(duì)Cu的削減效果不穩(wěn)定，削減率在25%～96%之間，還發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中有機(jī)質(zhì)與重金屬有較好的正相關(guān)性，添加碳源或有機(jī)質(zhì)可以提高重金屬的去除率。 Georgina等[16]研究表明，壤土、硬木、松樹(shù)、鋸末和硅沙等覆蓋物可以有效滯留Cu、Pb等重金屬，且覆蓋物對(duì)重金屬的削減效果由小到大依次為：硅沙﹤?cè)劳俩備從┅偹蓸?shù)﹤硬木。Wang等[17]研究以細(xì)沙、沸石、砂土和石英砂分別與木質(zhì)素混合組成的復(fù)合生物滯留系統(tǒng)對(duì)重金屬的削減效果，結(jié)果表明，4種復(fù)合介質(zhì)對(duì)Pb2 +的削減率均超過(guò)98%，且削減率較穩(wěn)定，細(xì)沙復(fù)合介質(zhì)對(duì)重金屬的削減能力大小順序?yàn)镻b2+﹥Cu2+﹥Zn2+﹥Cd2+，沸石復(fù)合介質(zhì)為Pb2+﹥Cd2+﹥Cu2+﹥Zn2+，沙土復(fù)合介質(zhì)為Pb2+﹥Cd2+﹥Zn2+﹥Cu2+，石英砂復(fù)合介質(zhì)對(duì)Pb2+、Zn2+和Cd2+的去除率均超過(guò)99%，降雨徑流中重金屬濃度、介質(zhì)厚度和降雨歷時(shí)對(duì)系統(tǒng)去除重金屬的影響較小，pH對(duì)系統(tǒng)去除重金屬的影響較大，酸性條件下，4種復(fù)合介質(zhì)均存在明顯的重金屬溶出過(guò)程，且pH越低，重金屬溶出量越多。

Qiu等[18]研究表明，TSS與重金屬有較好的相關(guān)性，進(jìn)水中含有較多TSS的生物滯留系統(tǒng)對(duì)Pb的去除率比進(jìn)水中沒(méi)有TSS的系統(tǒng)提高了32%，當(dāng)進(jìn)水中含有較多的TSS時(shí)，系統(tǒng)對(duì)Pb的去除率高達(dá)98%，還發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)Pb的去除率影響較小，而對(duì)Cu的去除影響較大，系統(tǒng)在8月份對(duì)Cu的去除率比4月份提高了12%。Guo等[19]試驗(yàn)顯示，粗砂、細(xì)沙和黏土對(duì)Cd的去除率為77.2%，對(duì)Cu、Pb、Cr和Zn 的去除率均在92.9%以上，且介質(zhì)類(lèi)型、介質(zhì)填裝方式和粒徑級(jí)配等因素對(duì)重金屬的凈化效果影響較小。高曉麗等[20]研究表明，設(shè)置淹沒(méi)區(qū)并添加碳源的生物滯留系統(tǒng)可以提高對(duì)Cu 的去除率，但對(duì)Pb和Zn的去除率影響不大，與未設(shè)置淹沒(méi)區(qū)的生物滯留系統(tǒng)相比，設(shè)置600 mm淹沒(méi)區(qū)的系統(tǒng)對(duì)Cu的去除率提高了8%，去除率高達(dá)98%。李平等[21]研究顯示，設(shè)計(jì)浸潤(rùn)區(qū)的生物滯留系統(tǒng)能減小旱天的負(fù)面影響，使Cu2+的去除率增加12%，Pb2+濃度基本低于檢測(cè)值，還發(fā)現(xiàn)大多數(shù)生物滯留系統(tǒng)都能有效去除重金屬污染物，認(rèn)為出現(xiàn)重金屬去除率低的情況可能是由于缺少對(duì)系統(tǒng)的日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)和管理。阮添舜等[22]研究表明，砂壤土、珍珠巖及蛭石組成混合填料的生物滯留系統(tǒng)對(duì)重金屬有較好的去除效果，還發(fā)現(xiàn)微生物對(duì)重金屬的去除有顯著影響，黑根霉可大量快速地吸附Cu2+、Ni2+、Pb2+、Zn2+和Cd2+等多種重金屬離子，大腸桿菌、枯草桿菌和酵母菌可以有效吸收徑流的Cu2+和Cd2+。

研究表明[23]，生物滯留系統(tǒng)通過(guò)填料和土壤的過(guò)濾、物理截留和吸附或微生物和植物的吸收作用可以有效去除徑流中的重金屬污染物，同時(shí)通過(guò)改良填料基質(zhì)及優(yōu)化組合配比、添加碳源、設(shè)置淹沒(méi)區(qū)和配置植物等方法可以增加系統(tǒng)對(duì)重金屬的削減率。

3 綠色屋頂控制重金屬污染

Sarah等[24]研究表明，以黏土和松樹(shù)皮為基質(zhì)層的綠色屋頂對(duì)降雨徑流中Cd、Fe、Ni、Pb和Zn的削減效果不理想，均發(fā)生了重金屬溶出現(xiàn)象，導(dǎo)致出水濃度明顯高于進(jìn)水。Gnecco等[25]試驗(yàn)表明，綠色屋頂對(duì)金屬污染物的凈化效果較好，其重金屬出水濃度普遍低于裸露屋頂。但有研究表明[26]，綠色屋頂能夠去除徑流中大部分的污染物，但是對(duì)重金屬的去除效果較差，產(chǎn)流中Cu、Pb、Zn和Fe的濃度高于普通屋頂。Vijayaraghavan等[27]研究顯示，綠色屋頂對(duì)重金屬污染物的凈化效果與土壤基質(zhì)的組成和降雨特征有關(guān)，基質(zhì)重金屬含量低的綠色屋頂對(duì)重金屬的去除率較高，降雨初期大部分金屬離子濃度均非常高，但隨著降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)，綠色屋頂徑流中金屬離子濃度顯著降低。Alar等[28]研究表明，與草皮屋頂相比，綠色屋頂對(duì)重金屬的去除效果較好，其產(chǎn)流中Ca2+、Mg2+等濃度普遍較低，還發(fā)現(xiàn)土壤中有機(jī)質(zhì)含量、降雨量和使用年限等均會(huì)對(duì)綠色屋頂凈化重金屬污染的效果產(chǎn)生影響。

Vijayaraghavan等[29]選擇珍珠巖、碎磚石、蛭石、砂子及粉煤灰組成的混合基質(zhì)，研究對(duì)重金屬的削減效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然在運(yùn)行初期A(yíng)l、Fe和Zn等金屬濃度會(huì)上升，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，Al、Fe、Zn、Cr、Cu、Ni、Pb和Ge等金屬的濃度都顯著降低，且出水水質(zhì)優(yōu)于美國(guó)環(huán)境保護(hù)局的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，改良后的綠色屋頂對(duì)重金屬的去除率顯著增加。Wang等[30]研究表明，以無(wú)機(jī)質(zhì)、膨脹珍珠巖和蛭石組成的復(fù)合基質(zhì)的綠色屋頂對(duì)重金屬有良好的凈化效果，其出水濃度顯著低于進(jìn)水。閆立健[31]試驗(yàn)顯示，與混合單層基質(zhì)的綠色屋頂相比，雙層基質(zhì)的綠色屋頂對(duì)重金屬的去除效果更好，且去除速率較快，受降雨強(qiáng)度的影響很小，其中對(duì)Zn、Pb和Mn的去除率分別提高了29%、22%和11%。章茹等[32]研究表明，基質(zhì)層厚度與污染物去除率存在正相關(guān)關(guān)系，綠色屋頂對(duì)重金屬等污染物的吸附作用隨基質(zhì)層厚度的增加而增強(qiáng)，除了基質(zhì)材料和基質(zhì)層厚度外，屋頂坡度、季節(jié)、植被種類(lèi)以及運(yùn)行時(shí)間等均會(huì)對(duì)綠色屋頂?shù)膬艋Чa(chǎn)生影響。Chen等[33]研究指出，耐旱抗寒、喜光耐瘠、冠幅越大和根系生物量大的植物對(duì)重金屬的去除具有重要意義，其中草坪的滯蓄凈化能力最強(qiáng)，禾本科植物次之，景天科植物最差，且發(fā)現(xiàn)植物豐富度對(duì)綠色屋頂凈化截流的效果影響很小。

研究表明，綠色屋頂通過(guò)土壤基質(zhì)吸附截留、植物和微生物吸收等作用可以有效去除徑流中大部分的污染物，但是其凈化效果受基質(zhì)材料、基質(zhì)厚度、降雨條件、運(yùn)行時(shí)間以及植物類(lèi)型等因素影響，因而對(duì)污染物的去除率波動(dòng)較大。因此，選擇合適的基質(zhì)材料及厚度、配置凈化能力強(qiáng)的植物和增加運(yùn)行時(shí)間等方法可以顯著提高綠色屋頂?shù)乃|(zhì)凈化效果。

4 結(jié)論與展望

隨著城市化的快速發(fā)展，低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)因具有快速消納暴雨徑流和控制城市面源污染的特點(diǎn)正在日益得到廣泛地使用。目前，中國(guó)對(duì)低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)的研究主要集中在降雨徑流調(diào)控方面，缺乏對(duì)低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)對(duì)污染物的去除機(jī)理及去除效果方面的研究。因此，為了提高低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)對(duì)徑流污染的削減效果，對(duì)中國(guó)該技術(shù)今后的發(fā)展提出2點(diǎn)建議：①深入研究各種低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)對(duì)徑流污染物的凈化效果及機(jī)理，從重金屬、氮磷和有機(jī)物等常規(guī)污染物逐漸擴(kuò)展到特殊污染物(如多環(huán)芳烴、病原微生物)，建立相應(yīng)的水質(zhì)模型，在確定凈化機(jī)理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究?jī)?yōu)化低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)凈化效果的措施，如對(duì)于生物滯留池，可以從填料類(lèi)型及優(yōu)化組合配比、植物類(lèi)型和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面著手，以期最大化提升低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)的凈化效果；②注重低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)的層級(jí)構(gòu)建，將透水鋪裝系統(tǒng)、生物滯留系統(tǒng)、綠色屋頂以及下凹式綠地或其他低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)相結(jié)合起來(lái)，共同發(fā)揮對(duì)污染物的處理能效，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)的運(yùn)營(yíng)管理，保障各項(xiàng)技術(shù)能在降雨期間高效穩(wěn)定的發(fā)揮對(duì)污染物的削減作用。隨著海綿城市的建設(shè)，低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)將在緩解城市內(nèi)澇、控制城市面源污染等方面發(fā)揮更大的作用。