生物滯留技術(shù)凈化徑流中重金屬研究進(jìn)展

賈秋生，陶正凱，劉明輝，荊肇乾

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

隨著城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，城市不透水范圍持續(xù)增加，包括城市道路、屋頂?shù)龋沟糜晁畯搅鞅緛?lái)應(yīng)該滲透地下水的途徑越來(lái)越少，自然水文循環(huán)遭到破壞，在一定程度上削減了城市的調(diào)蓄功能[1]，峰時(shí)流量、徑流總量增加，城市內(nèi)澇頻發(fā)。同時(shí)，降雨時(shí)雨水沖刷匯水區(qū)域下墊面的污染物，包括有SS、COD、重金屬、NP營(yíng)養(yǎng)物、氯化物、油脂、PAHs(多環(huán)芳烴)、農(nóng)藥等[2]。雨水徑流攜帶污染物進(jìn)入受納水體，進(jìn)而形成水體污染。

隨著對(duì)環(huán)境問(wèn)題認(rèn)識(shí)不斷提高，人們對(duì)于一些點(diǎn)源污染的治理趨于完善，由雨水徑流帶來(lái)的面源污染成為城市水體污染主要原因，成為僅次于農(nóng)業(yè)污染的第二大面源污染[3]。地表水體重金屬污染的最主要來(lái)源是雨水徑流中所夾雜的重金屬[4]，重金屬在自然環(huán)境中很難進(jìn)行生物降解，反而會(huì)沿著食物鏈產(chǎn)生富集作用，嚴(yán)重危害人類身體健康，并且重金屬污染具有持久存在、范圍廣泛的特征。

生物滯留技術(shù)是LID的主要技術(shù)之一，可以調(diào)蓄雨水，削減洪峰流量，改善出水水質(zhì)，也可以兼具景觀效果，受到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，國(guó)外對(duì)生物滯留技術(shù)的研究早于國(guó)內(nèi)幾年，國(guó)內(nèi)對(duì)于重金屬的凈化效果缺乏研究數(shù)據(jù)。研究生物滯留技術(shù)對(duì)重金屬凈化效果的機(jī)理有助于更好地設(shè)計(jì)生物滯留設(shè)施，了解重金屬在生物滯留介質(zhì)內(nèi)部的遷移與轉(zhuǎn)化。

1 地表徑流中重金屬污染分析

1.1 重金屬污染現(xiàn)狀

城市地表徑流中的重金屬來(lái)源有很多，其中最主要的來(lái)自汽車尾氣、工業(yè)企業(yè)的煙塵、化石燃料的燃燒、大氣沉降、輪胎以及各種零部件的腐蝕、建筑墻板等。DAVID等系統(tǒng)地介紹了各種不同的重金屬的來(lái)源(表1)[5]。

表1 城市徑流中重金屬的來(lái)源

由于我國(guó)降水時(shí)空差距比較明顯，各個(gè)城市的雨水徑流中的重金屬濃度差異肯定有所不同，表2列舉了一些國(guó)內(nèi)外城市雨水徑流中重金屬濃度。

表2 國(guó)內(nèi)城市雨水徑流中重金屬濃度比較

由表2可知，國(guó)內(nèi)外雨水徑流中的重金屬的濃度差別很大，這是因?yàn)楦鱾€(gè)地區(qū)的降雨量以及城市下墊面情況不同，所以因地制宜地采用合適的方法來(lái)凈化重金屬是十分必要的。同時(shí)可以看出國(guó)內(nèi)主要城市中雨水徑流中重金屬濃度已經(jīng)超過(guò)地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)(地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB 3838—2002)[8-10]，因此需要對(duì)重金屬污染及時(shí)治理。

1.2 徑流中重金屬的賦存形態(tài)

重金屬形態(tài)指重金屬元素在環(huán)境中存在的形式，形式不同會(huì)表現(xiàn)出的毒性和環(huán)境行為也不一樣[16]。重金屬在城市雨水徑流里賦存形態(tài)主要分成：顆粒態(tài)和溶解態(tài)。Sally等[17]研究表明城市徑流顆粒態(tài)Pb、Cd、Cu、Zn的含量占其總量的97%，83%，67%，52%。Zhao等[18]研究表明城市雨水徑流中，顆粒態(tài)重金屬占沉積物中重金屬總量的70%以上，即顆粒態(tài)是雨水徑流重金屬主要存在形式。除了這兩個(gè)相態(tài)以外，重金屬在顆粒態(tài)和溶解態(tài)之間還有幾個(gè)相態(tài)，不同相態(tài)能量狀態(tài)不同，遷移性也不同，重金屬的有效生物性和對(duì)環(huán)境的危害程度也不同。

1.3 生物滯流介質(zhì)中重金屬的賦存形態(tài)

當(dāng)重金屬隨著雨水徑流進(jìn)入生物滯留介質(zhì)之后，各種重金屬的形態(tài)變化以及相態(tài)轉(zhuǎn)化對(duì)研究介質(zhì)內(nèi)部重金屬的遷移和轉(zhuǎn)化有著十分重要的影響。Tessier等[19]的五步連續(xù)提取法是目前研究中應(yīng)用最廣泛的方法，把土壤中重金屬形態(tài)分為：可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵-錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)物結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)。

1.3.1 可交換態(tài) 該狀態(tài)的重金屬吸附在黏土、腐殖質(zhì)和其他成分上，遷移轉(zhuǎn)化的可能性高，對(duì)環(huán)境的改變敏感，植物能夠吸收[20]，因此會(huì)對(duì)食物鏈產(chǎn)生很大的影響。

1.3.2 碳酸鹽結(jié)合態(tài) 該狀態(tài)的重金屬吸附在碳酸鹽表面產(chǎn)生共沉淀[21]。以這一形態(tài)存在的重金屬極易受到土壤環(huán)境的變化，當(dāng)pH下降時(shí)，重金屬容易從沉淀中釋放出來(lái)，再次進(jìn)入環(huán)境。當(dāng)pH升高時(shí)，有利于碳酸鹽的生成，也有利于重金屬與碳酸鹽礦物產(chǎn)生共沉淀[22]。

1.3.3 鐵錳氧化物結(jié)合態(tài) 該狀態(tài)的重金屬可以與介質(zhì)中的活性鐵錳氧化物和粘粒礦物吸附或者共沉淀[23]，一般活性高的鐵錳氧化物的比表面積也比較大，易共沉淀或吸附陽(yáng)離子以及陰離子。土壤pH值、氧化還原反應(yīng)條件改變時(shí)，鐵錳氧化物的結(jié)合態(tài)會(huì)隨著改變。當(dāng)pH高和氧化還原電位高的時(shí)候，利于鐵錳氧化物的形成；相反，當(dāng)pH低時(shí)，容易被釋放。

1.3.4 有機(jī)結(jié)合態(tài) 該狀態(tài)的重金屬可以與土壤中的有機(jī)物活性基團(tuán)通過(guò)化學(xué)鍵螯合[24]。土壤中存在各種有機(jī)物，如植物殘?bào)w、礦物顆粒的包裹層、腐殖質(zhì)，有較強(qiáng)螯合金屬離子的能力，可以以有機(jī)膜的方式附著在礦物顆粒的表面，改變礦物顆粒的表面性質(zhì)，增加其吸附重金屬的能力。同時(shí)，部分有機(jī)物在氧化條件下可能會(huì)降解，重金屬元素溶出。

1.3.5 殘?jiān)鼞B(tài) 該形態(tài)的重金屬結(jié)合在硅鋁酸鹽、原生與次生礦物之類的晶格中[25]，正常情況下，很難釋放，能夠在沉積物中長(zhǎng)期且穩(wěn)定的存在，不容易被植物吸收，屬于不溶解態(tài)重金屬，對(duì)生物鏈的影響小。

2 生物滯留措施

2.1 生物滯留設(shè)施的組成與分類

典型生物滯留設(shè)施包括蓄水層、礫石層、填料層、種植土壤層、覆蓋層、植物、溢流裝置，通常底部采取自然下滲或者接入排水管網(wǎng)。

蓄水層對(duì)雨水徑流進(jìn)行預(yù)處理，起到調(diào)蓄作用。覆蓋層能夠緩解雨水侵蝕作用，避免填料層和種植土壤層的水土流失。種植土壤層需要根據(jù)不同的植被類型來(lái)確定種植土壤層的厚度。填料層是生物滯留設(shè)施的關(guān)鍵，需要根據(jù)不同地方降水特性確定厚度，根據(jù)不同地方的徑流污染特點(diǎn)確定填料的種類。礫石層位于最底部，便于處理后雨水排出。

2.2 常見的生物滯留設(shè)施

生物滯留設(shè)施的分類按照應(yīng)用的位置不同分為：生態(tài)樹池、雨水花園、高位花壇、生物滯留帶[26]。

生態(tài)樹池可以設(shè)置在道路分隔帶、人行道、停車場(chǎng)或者廣場(chǎng)等小匯水區(qū)域，占地面積小，靈活性強(qiáng)，不必連續(xù)布置。生態(tài)樹池能夠有效緩解城市排水管網(wǎng)的壓力，間接地補(bǔ)給地下水，調(diào)節(jié)城市水循環(huán)，同時(shí)具有景觀效果。種植土層一般選用營(yíng)養(yǎng)成分高、滲透性能較好的能使植物生長(zhǎng)良好的混合物，植物一般選擇灌木或者喬木。

雨水花園一般建設(shè)在地勢(shì)比較低的區(qū)域，能夠處理小面積匯流初期雨水。與一般生物滯留設(shè)施不同的是，雨水花園需要增設(shè)預(yù)處理區(qū)，也不需要與排水管網(wǎng)連接[17]。雨水花園可以設(shè)在住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)的建筑的不透水區(qū)域。種植土層一般選擇滲透性好的砂質(zhì)土壤或者含有腐殖質(zhì)的土壤，選取的植物應(yīng)耐旱耐澇。

高位花壇幾乎都是半地下式，一半在地面，收集屋面雨水，主要適用于住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)和工業(yè)區(qū)的建筑物周邊。因?yàn)閺奈蓓斅湎?，雨水的沖擊力比較大，因此在高位花壇的表層需要做好消能設(shè)施。

生物滯留帶一般設(shè)置于路面以下較低區(qū)域，處理初期雨水，使其邊蓄邊滲。當(dāng)達(dá)到一定的蓄水深度時(shí)，可經(jīng)溢水井排至排水管道。

3 生物滯留設(shè)施重金屬污染去除機(jī)制分析

3.1 去除效果

國(guó)外對(duì)于生物滯留設(shè)施去除重金屬的研究在20個(gè)世紀(jì)90年代已經(jīng)開始了，國(guó)內(nèi)的研究在近10年也逐漸展開，大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和測(cè)試結(jié)果都表明生物滯留設(shè)施對(duì)重金屬有良好的去除效果[27-28]。Fuerhack等[29]采用設(shè)計(jì)滯留介質(zhì)對(duì)人工合成的雨水進(jìn)行凈化，發(fā)現(xiàn)去除了83%的Zn，73%的Cu。Glass和Bissouma[30]對(duì)停車場(chǎng)旁的生物滯留設(shè)施進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Cu、Pb、Zn的去除率分別達(dá)到81%，75%和79%。Blecken等[31]用生物滯留設(shè)施在干旱和濕潤(rùn)的條件下實(shí)驗(yàn)，Cu的去除率為70%，Pb、Zn的去除率都為90%。以上結(jié)果表明，生物滯留設(shè)施能夠很好地去除雨水徑流中的重金屬。

3.2 凈化機(jī)理

生物滯留設(shè)施對(duì)徑流中重金屬去除機(jī)理分為：表層介質(zhì)截留、植物吸收、內(nèi)部介質(zhì)物理吸附。

對(duì)于雨水徑流內(nèi)顆粒態(tài)重金屬，全部能夠被生物滯留設(shè)施去除[32]。同時(shí)，城市雨水徑流存在著相當(dāng)一部分溶解態(tài)重金屬[33]，通過(guò)植物吸收和生物滯留設(shè)施內(nèi)部填料吸附去除。Muthanna等[34]對(duì)生物滯留設(shè)施內(nèi)部進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)徑流中80%以上的Zn、Cu、Pb被滯留介質(zhì)吸附，植物吸收了2%～8%的重金屬。Sun等[35]研究發(fā)現(xiàn)滯留介質(zhì)可以吸附88%～97%的Pb、Cu、Zn，植物能夠吸收0.5%～3.3%的重金屬。根據(jù)研究，植物吸收的重金屬占總量的很少一部分，生物滯留設(shè)施各組分對(duì)重金屬去除能力內(nèi)部滯留介質(zhì)吸附占比最大，其次是表面顆粒攔截，最后是植物吸收。

3.3 影響因素

Davis等[36]研究表明，影響生物滯留設(shè)施去除重金屬的主要因素包括徑流中重金屬濃度、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、pH、生物滯留設(shè)施的構(gòu)造和介質(zhì)類型，其中生物滯留設(shè)施的構(gòu)造和介質(zhì)類型對(duì)去除重金屬的能力影響較大。

Gulbaz等[37]對(duì)不同介質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)重金屬去除能力大小為：草皮>營(yíng)養(yǎng)土>覆蓋砂>礫石。Jiang等[38]對(duì)生物滯留介質(zhì)進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)用粉煤灰改性后的滯留介質(zhì)對(duì)重金屬的去除能力要比添加綠沸石和椰糠的滯留介質(zhì)要好很多。Ying等[39]選用不同種類的植物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)植物對(duì)重金屬的吸收能力受重金屬種類、植物種類、土壤條件的影響，但植物所吸收的重金屬的量都較低。

生物滯留介質(zhì)組成不同，對(duì)雨水徑流滲透能力和對(duì)重金屬去除能力也不同。因此需要根據(jù)城市雨水徑流的特性，選取合適的生物滯留介質(zhì)。盡管植物對(duì)重金屬的吸收能力并不強(qiáng)，但是植物能夠維系滯留介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，抵擋雨水沖刷[40]。所以也要選擇合適的植物，使生物滯留設(shè)施壽命延長(zhǎng)。

3.4 技術(shù)局限與改進(jìn)

生物滯留設(shè)施對(duì)重金屬的去除能力并不是把重金屬無(wú)害化，只是通過(guò)過(guò)濾、吸附、沉淀等方式把重金屬截留在生物滯留介質(zhì)的內(nèi)部，所以生物滯留設(shè)施并不能夠無(wú)限使用，一般在經(jīng)過(guò)15～20年的使用，重金屬會(huì)滲出，特別是溶解性重金屬，具有很好的生物利用性，更容易對(duì)生態(tài)造成破壞，所以要加緊對(duì)生物滯留設(shè)施的監(jiān)控，及時(shí)更換表層介質(zhì)。

近年來(lái)對(duì)于生物滯留介質(zhì)的類型及構(gòu)造的創(chuàng)新設(shè)計(jì)有很多。Wang等[41]在生物滯留設(shè)施增加淹沒(méi)缺氧區(qū)和加入碳源，缺氧區(qū)的設(shè)置使Pb和Cu的去除率顯著提高，碳源的加入使Zn的去除率輕微提高。Makela等[42]研究表明鋼渣對(duì)于重金屬有很強(qiáng)的吸附能力，并且能使重金屬溶解和遷移能力減弱。Reddy等[43]研究發(fā)現(xiàn)，在生物滯留設(shè)施里加入鐵屑能夠增加對(duì)重金屬的截留總量。

4 結(jié)論與展望

目前，生物滯留設(shè)施在國(guó)內(nèi)正處于研究熱潮，大量研究表明生物滯留設(shè)施對(duì)徑流中重金屬去除效果顯著。在生物滯留設(shè)施中對(duì)重金屬去除能力最強(qiáng)的是生物滯留介質(zhì)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于生物滯留介質(zhì)有很多創(chuàng)新研究，也有很好的成效。

但生物滯留設(shè)施的使用壽命問(wèn)題沒(méi)有得到很好的解決，在處理的重金屬量達(dá)到極限之后，重金屬會(huì)滲出，對(duì)環(huán)境造成二次污染，需要及時(shí)的監(jiān)控，未來(lái)可以向加強(qiáng)生物滯留設(shè)施使用壽命研究，也可以與其他凈化設(shè)施進(jìn)行聯(lián)合處理，增強(qiáng)徑流凈化效果。