极端降雨与冬季条件下生物滞留滤池对微塑料、有机污染物及金属的协同去除机制研究

为解决城市暴雨径流污染问题，瑞典哥德堡大学团队创新性地研究了添加吸附材料（生物炭/泥炭/底灰）的生物滞留滤池在模拟50年一遇极端降雨及冬季植物休眠条件下的污染物去除效能。研究发现滤池对>10μm微塑料(MP)、多环芳烃(PAH)及多数金属(Cu/Cr/Zn)保持高效去除（RE>90%），揭示了孔隙水溶解态金属的迁移规律及不同吸附材料的互补优势，为气候韧性城市雨水管理提供了关键技术支撑。

　　

随着城市化进程加速，暴雨径流携带的轮胎磨损颗粒、重金属和多环芳烃等污染物已成为水体环境的重要威胁。尤其在北欧冬季，融雪剂使用和植物休眠状态进一步加剧了污染物处理的复杂性。更棘手的是，气候变化导致极端降雨事件频发，传统生物滞留系统（Bioretention filters）在高压水力负荷下的稳定性亟待验证。

瑞典哥德堡大学联合查尔姆斯理工大学的研究团队在《Journal of Hazardous Materials》发表了一项开创性研究。他们在真实高速公路旁建立中试规模生物滤池系统，选用市政垃圾焚烧底灰(MIBA)、云杉生物炭和泥炭作为吸附材料，通过模拟50年一遇暴雨事件（2小时内500L注水量），首次系统评估了冬季条件下滤池对微塑料(MP)、有机污染物(OP)和金属的协同去除机制。

研究采用多维度技术方法：通过ICP/MS分析金属形态（总浓度与0.45μm溶解态）；利用热裂解气相色谱质谱(Pyr-GC/MS)定量13种MP聚合物（>10μm）；采用纳米颗粒追踪技术(NTA)监测胶体迁移；同时在滤池不同深度（0.45m/0.85m）安装孔隙水采样器解析污染物迁移路径。

金属去除的动态平衡
研究发现所有滤池对>10μm颗粒态金属具有显著截留能力（Cu/Cr/Zn去除率68-97%）。但第二次暴雨事件末期，底灰滤池对Cr的去除率从80%骤降至8%，孔隙水数据显示溶解态Cr在滤层中部浓度反超进水，表明吸附饱和现象。特别值得注意的是，泥炭滤池虽因pH降至3.4-4.0导致Cu通过腐殖酸络合迁移，但其PAH去除率始终保持100%，揭示了有机材料对疏水性污染物的独特亲和力。

微塑料的尺寸依赖性截留
轮胎衍生聚合物（聚异戊二烯/丁二烯橡胶）占进水MP总量的66%，所有滤池对>10μm MP的截留效率达98-100%。但1.6-500μm尺寸段的苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)去除率降低至95%，生物炭因其高孔隙率表现最优，而泥炭因胶体释放导致细小颗粒逃逸。值得警惕的是，聚丙烯(PP)在部分滤池出水中浓度反常升高，推测来自塑料器具的二次污染。

有机污染物的吸附优先级
底灰滤池对C₁₆
-C₃₅
烷烃的完全截留（RE=100%）与PAH的高效去除，证实了矿物吸附材料对长链烃的捕获优势。生物炭滤池虽释放较多纳米颗粒，但通过π-π共轭作用仍保持对苯并[a]芘等PAH的完全吸附。对照组的对比实验凸显了添加吸附材料的必要性——无吸附材料的对照组对C₁₀
-C₁₂
烷烃去除率仅17-27%。

这项研究的重要价值在于揭示了极端水文条件下生物滞留系统的性能边界：虽然高水力负荷会导致部分金属（如Cr）的吸附位点饱和，但复合吸附材料组合（矿物+有机）可形成互补效应。研究首次证实垃圾焚烧底灰作为可持续吸附材料的可行性，其与生物炭的协同使用既能固定重金属，又可截获烃类污染物。该成果为应对气候变化下的城市雨水管理提供了设计范式——通过优化滤层深度和材料配比，即使在植物休眠期也能构建具有气候韧性的污染控制屏障。未来研究需关注长期运行中吸附材料的再生潜力，以及干旱-暴雨交替胁迫对系统性能的影响。