建筑小区生物滞留系统对风险污染物的去除特性研究

宋长甫*[1]

1.中铁二十局集团房地产开发有限公司, 重庆 重庆市 401336

摘要：未经处理的雨水中含有大量的病原微生物、重金属和多环芳烃等对人体健康有害的风险污染物。建筑小区内生物滞留系统虽可有效控制常规径流污染物，但其对风险污染物的控制能力更值得关注。通过对雨水径流中风险污染物分布特征的归纳，总结了生物滞留系统对风险污染物的去除能力，探讨了风险污染物去除的研究进展，展望了未来的研究方向应侧重于风险污染物去除验证体系的完善，从而保障生物滞留系统出水水质满足雨水回用目标。

关键词：雨水；海绵城市；生物滞留；回用；风险污染物；

中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：

传统雨洪管理模式下，城市化导致内涝频现，径流污染日益严重。随着水资源可持续管理理念的普及，国内外逐渐采用低影响开发（LID）、水敏性城市设计（WSUD）、海绵城市等先进的雨洪管理理念，试图从源头上削减径流量，控制径流污染，并将雨水视为未来主要的非常规水源[1]。如在澳大利亚，大部分雨水回用于公共绿地和园林景观的灌溉[2]。在美国和英国，部分雨水回用于家庭冲厕和室外庭院灌溉[3]。而我国在海绵城市建设中也将雨水资源化利用作为鼓励性指标。目前雨水回用处理中，通常主要考虑有机物、氮、磷等常规污染物的去除[4]，对污染严重的初期雨水径流多采用弃流处理的手段。随着对雨水径流污染的研究深入，越来越多的风险污染物逐渐在雨水径流中发现，其对人体存在的危害性不容忽视。雨水中的风险污染物主要分为病原微生物、新兴污染物（ECs）和重金属，其中ECs虽赋存含量极低但多具有生物富集性和高致癌性，如多环芳烃和多氯联苯，这无疑增加了雨水回用的安全隐患。因此，掌握雨水径流中风险污染物的赋存特性有助于雨水回用过程中风险特征污染物的识别与处理。

生物滞留技术因其具有径流削减和污染控制双重功能[5]，已成为建筑小区中常用的雨水控制措施，也是我国海绵城市建设的优选措施之一。相关研究证实生物滞留系统在常规污染物去除上表现良好，部份出水浓度可达相关回用水水质标准[6]。但相关回用水水质标准除对常规污染物浓度作了明确限定外，还对病原微生物、重金属等风险污染物种类及其含量进行了阈值规定，而目前关于生物滞留系统对病原微生物、ECs等风险污染物的去除研究相对较少，其对风险污染物的去除特性尚不明确，这在一定程度上限制了生物滞留技术在雨水回用方面的应用潜力。

针对上述问题，本研究对雨水径流中风险污染物的分布特征进行分析，总结生物滞留系统对风险污染物的处理效能，展望了以雨水回用为目的的生物滞留系统的未来研究方向，综述将为今后生物滞留雨水资源化利用研究提供参考。

1风险污染物浓度分布特征

1.1病原微生物

雨水径流中虽普遍存在病毒、致病细菌、原生动物和蠕虫等多种病原微生物。从相关文献报道看，病原微生物在城市径流中的赋存含量存在显著差异（表1）[7-9]。同时，病原微生物的含量还受下垫面条件影响。以粪大肠杆菌（FC）为例，路面雨水径流中FC的浓度高达9.48×105和CFU/100mL，而高架桥和屋顶径流中FC浓度仅分别为1.32×105和1.23×103 CFU/100mL [10]。FC主要来源于人和动物的活动，因此其路面径流中含量较高。此外，病原微生物在雨水径流中的平均浓度还与城市功能区类型有关，商业区雨水径流中的FC浓度（15980 MPN/100mL）明显高于居民区（9520 MPN/100mL）[11]；在另一项研究中，居民区雨水径流中的大肠杆菌（E. coli）浓度（19496 MPN/100mL）则显著高于工业区（542 MPN/100mL）。上述结果也再次证实人类活动越频繁的区域（商业区），其病原微生物含量也越高，而工业区降雨径流中赋存的病原微生物浓度也较低。

表1雨水径流中常见的病原微生物及浓度

Table 1 Common pathogenic microorganisms in stormwater runoff

病原微生物	浓度范围（CFU/100mL）	参考文献
大肠杆菌（E. coli）	110~2×106	[7]
粪大肠杆菌（Fecal coliform）	5.6×103~2.2×104	[8]
粪链球菌（Fecal streptococci）	3.5×102~3.2×103	[8]
肠球菌（Enterococci）	1×103~6.6×103	[8]
沙门氏菌（salmonella enterica）	0.5~420	[7]
金黄色葡萄球菌（staphylococcus aureus）	120~1.8×105	[7]
铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）	3.4×102~1.2×103	[8]
产气荚膜杆菌（C. perfringens）	1~9×103	[9]

此外，病原微生物的浓度变化还受降雨特性显著影响，并呈现出复杂的变化规律。Chow等

[11]研究结果表明：商业区雨水径流中FC浓度随降雨的持续而呈增加趋势，而居住区径流中FC浓度表现出明显的初期冲刷效应，降雨前期FC浓度较高。这是由于商业区雨水径流量相对居住区较小，未能对FC形成有效冲刷造成的。而He等研究结果表明，FC和E. coli的浓度并未随降雨时间的持续而出现明显的下降趋势，即初期冲刷现象并不明显。Hathaway和Hunt[12]研究了20场雨水径流中病原微生物的分布特性，结果表明，病原微生物的初期冲刷效应不明显，其中FC出现初期冲刷效应的频次为25%，肠球菌（Enterococcus）为15%，而E. coli则低至10%，结果表明病原微生物在雨水径流中存在不同来源和迁移路径。上述研究表明，病原微生物在径流中赋存含量与降雨历时、降雨强度与地表径流量有关。同时，病原微生物在雨水径流中的分布通常具有季节性，在夏季雨水径流中的浓度较冬季高，这是由于夏季温度较高，更有利于微生物繁殖[8]。

总体来说，病原微生物在雨水径流中的分布特性与下垫面类型、人类活动区域、降雨特性和地表径流量有关，赋存含量还呈现出明显的季节性变化规律。

1.2化学污染物

（1）多环芳烃（PAHs）

PAHs主要来源于煤炭、石油等化石燃料的燃烧和交通活动等，主要通过大气沉降，轮胎和地面磨损等方式在地表积累，经降雨冲刷后进入雨水径流。PAHs能够在生物体内积累，并具有强烈的“三致”作用[13]。由于PAHs具有较高的辛醇-水分配系数，易吸附于颗粒表面，使其主要以颗粒态形式存在于雨水径流中，且以三、四环组分为主。PAHs在雨水径流中的浓度受降雨强度影响而呈现出不同的冲刷效应，当降雨强度较大时，冲刷现象明显，PAH浓度随降雨历时而逐渐降低；而当降雨强度较小时，冲刷现象不明显，PAHs浓度会出现波动，且随降雨历时的增加并未出现明显的下降趋势[14]。此外，PAHs的空间分布还与下垫面条件有关，通常屋面的平均浓度较高，而绿地的赋存含量较低；同时，商业区和工业区的路面径流中PAHs平均浓度显著高于居住区。

（2）多氯联苯（PCBs）

PCBs对人体神经系统和生殖系统均具有诱导致癌效应，且其化学性质稳定，进入人体后难以排出。雨水径流中大部分PCBs以颗粒态存在，且以五氯联苯为主，可达到总量的31.4%~56.2%[15]。径流中的PCBs含量受下垫面条件影响显著，如屋面径流中PCBs含量最高，可达283.2~483.4 ng/L，而路面径流中最低，含量仅为130~279 ng/L[16]。该结果表明雨水径流中的PCBs主要来自大气沉降，由于屋面清扫较低，导致PCBs在屋面径流中的含量较高。

（3）农药

农药不仅广泛用于现代农业生产系统，也被大规模用于城市居住环境的室内外蚊虫消杀，以及园林绿化中植物病、虫、草害防治等场合。使用后的农药大部分残留于土壤、树冠表面或漂浮在大气中，并通过喷雾漂移、大气迁移沉降等途径在降雨条件下进入雨水径流中。雨水径流中检测到的农药主要包括除草剂、杀虫剂和杀菌剂。由于受降雨特性、农药种类与使用方式等因素的影响，雨水径流中农药成分与含量在不同降雨事件中呈现出复杂的时空分布特性。如Bollmann等对11种农药在12次降雨事件中的浓度变化进行了研究，结果表明所有农药在5次降雨事件中可维持较稳定的浓度，在3次降雨事件中，甲基异噻唑啉酮、去草净、敌草隆和工业杀菌剂（Cybutryne）在降雨初期浓度较高，呈现出明显的初期冲刷效应，并在后期随降雨历时而快速下降。同时，农药在同一地区不同功能区的浓度分布差异较小，但总体而言居民区的中值浓度较高。

2生物滞留系统对风险污染物的去除能力

2.1病原微生物

生物滞留系统对病原微生物的去除能力受病原微生物种类，运行条件以及设计构造影响[17]。另外，雨水病原微生物浓度，雨水进水量，运行温度，干旱期天数以及淹没区的设置，植物和填料均会影响生物滞留系统对病原微生物的去除效果。通过对美国雨水水质数据库（www.bmpdatabase.org）关于生物滞留系统中病原微生物的进出水水质统计分析可知，已建的生物滞留系统对病原微生物的去除效率不高且不稳定（图1）。

图1 国际雨洪管理数据库中病原微生物的流出和流入浓度

Fig.1 Outflow and inflow concentrations of pathogen microorganisms in ISBMPD

图2  国际雨洪管理数据库中溶解态重金属的出流和入流浓度  

Fig.2 Outflow and inflow concentrations of total metals in ISBMPD

2.2化学污染物

生物滞留系统对化学风险污染物具有一定的去除效果，其中颗粒态化学污染物去除效能较高，而溶解性化学污染物的去除效果较差。化学污染物的去除效果主要受污染物的赋存状态以及生物滞留系统的运行条件影响。如图2所示，生物滞留系统对溶解性重金属去除效果不佳，其出流Fe和Ni的浓度甚至会高于入流浓度。王建龙

[18]等研究了生物滞留系统对不同PAHs的去除效果，结果表明生物滞留系统对四环组分的PAHs的去除率约40%，而对二环组分的PAHs的去除效果可达70%以上。此外，生物滞留系统的进水水质特性也会影响其重金属去除效能，高浓度盐分，高温以及较低的pH均会对抑制重金属的去除，甚至会出现重金属淋出的现象。改变介质层的种类可显著提高生物滞留系统对重金属的去除效能。Li[19]等的研究结果表明，在介质中添加10%的绿色沸石可以有效提高系统对溶解性Cu，Zn的去除率。

总的来说，生物滞留系统对风险污染物具有一定的去除率，但受风险污染物赋存状态和性质，以及系统本身运行条件以及设计构造的影响，生物滞留系统去除能力在运行过程中会产生较大波动甚至出现淋出（重金属），这为雨水回用带来了安全隐患，故需要一套切实可行的验证体系来对回用的雨水提供安全保证。

3结论

雨水中的风险污染物是雨水资源化的障碍，其分布随时间和功能区高度变化，同时又与下垫面性质，降雨特征以及径流量有关。生物滞留系统对多种风险污染物具有良好的去除效果，在雨水收集方面有较大的潜力，但由于受到污染物赋存状态和性质，运行条件以及设计构造的影响，其去除风险污染物效果会产生较大波动。

参考文献

[1]Luthy,R.G.,Sharvelle,S.,Dillon,P. Urban Stormwater to Enhance Water Supply[J].Environmental Science & Technology, 2019,53(10): 5534-5542.

[2]McArdle, P., Gleeson, J., Hammond, T., et al. Centralised urban stormwater harvesting for potable reuse[J].Water Science and Technology, 2011,63(1): 16-24.

[3]Steffen, J., Jensen, M., Pomeroy, C.A., et al. Water Supply and Stormwater Management Benefits of Residential Rainwater Harvesting in US Cities[J].Journal of the American Water Resources Association, 2013,49(4): 810-824.

[4]李晨. 城市雨水径流污染特征分析与资源化利用渗滤系统研究[D].重庆理工大学,2019.

[5]李娟,张伟,桑敏,等.生物滞留设施对雨水径流氮磷污染物净化机理和运行优化方式研究进展[J].环境工程,2020,38(04):77-82+113.

[6]路琪儿,罗平平,虞望琦,等.城市雨水资源化利用研究进展[J/OL].水资源保护:1-10.

[7]Afrooz A., Pitol A.K., Kitt D., et al. Role of microbial cell properties on bacterial pathogen and coliphage removal in biochar-modified stormwater biofilters[J]. Environmental Science-Water Research & Technology, 2018, 4[12]: 2160-2169.

[8]Selvakumar A. , Borst M. Variation of microorganism concentrations in urban stormwater runoff with land use and seasons[J]. Journal of Water and Health, 2006, 4[1]: 109-124.

[9]Petterson S.R., Mitchell V.G., Davies C.M., et al. Evaluation of three full-scale stormwater treatment systems with respect to water yield, pathogen removal efficacy and human health risk from faecal pathogens[J]. Science of the Total Environment, 2016, 543: 691-702.

[10]刘琴平. 西安市降雨径流特征及初期污染控制研究[D].西安理工大学,2020.

[11]Chow M.F., Yusop Z. , Toriman M.E. Level and transport pattern of faecal coliform bacteria from tropical urban catchments[J]. Water Science and Technology, 2013, 67[8]: 1822-1831.

[12]Hathaway J.M. , Hunt W.F. Evaluation of First Flush for Indicator Bacteria and Total Suspended Solids in Urban Stormwater Runoff[J]. Water Air and Soil Pollution, 2011, 217[1-4]: 135-147.

[13]王东琦,单稼琪,李怀恩,等.生物滞留系统去除城市地表径流中多环芳烃的研究进展[J].水资源与水工程学报,2016,27(05):1-8.

[14]杨志. 武汉市降雨径流污染特征分析及多环芳烃源解析[D].华中科技大学,2017.

[15]米钺,李家科,张兆鑫,等.生物滞留系统中典型POPs的去除及归趋研究[J].环境科学与技术,2019,42(08):125-132.

[16]韩景超,毕春娟,陈振楼,等.城市不同功能区径流中PCBs的污染特征及毒性评价[J].中国环境科学,2013,33(03):546-552.

[17]Clary, J., Jones, J., Leisenring, M., Hobson, P., Strecker, E., 2017. International Stormwater BMP Database: 2016 SUMMARY STATISTICS

[18]王建龙,夏旭,冯伟.不同类型生物滞留介质对雨水径流中多环芳烃的去除效果[J].环境化学,2020,39(03):670-676.

[19]Li Y.J., Lin X.C., Li J.K., et al. Purification effect and accumulative characteristics of dissolved heavy metals by modified bioretention system[J]. Desalination and Water Treatment, 2020, 195: 403-412.

---