生物滞留已经被证明可以有效地去除雨水径流中的重金属，这使得它成为一个非常有用的设计工具。然而，与长期使用生物保留剂去除重金属有关的两个常见问题:
(1)突破何时发生，即何时结合位点饱和，溶解的重金属开始从生物保留系统中浸出?
(2)生物滞留土壤中重金属浓度何时达到有毒水平?
根据迄今为止的研究，我们认为生物保留系统的好处通常远远超过担忧。
雨水径流中重金属的来源
当下雨或下雪时，来自正常路面和车辆磨损的重金属从路面被冲进雨水径流。除非它们被拦截，例如通过雨水控制措施(SCMs)，否则雨水径流会将这些重金属带入接收地表水。如果允许这些重金属在下游的地表水体内达到过高的浓度，这些重金属就会威胁到食物链各个层次的水生生物的生存。
重金属对人体也是有毒的，而且大多数是致命的。在亚致死水平时，它们会对中枢神经系统、肺、肾、肝、血液成分、泌尿系统和生殖系统产生负面影响。长期接触也会导致癌症。有关每种重金属对人类健康影响的更详细信息，请参见OSHA的网站．
需要关注的重金属通常包括铜、铬、汞、镍、锌、铅、砷和镉。雨水径流中这些重金属的主要来源包括车辆和路面磨损和维护、建筑物和大气沉积。建筑壁板是铜、锌、铅和镉的主要来源;大气沉降也会产生铜、镉和铅(Davis等，2001年)。砷通常是道路盐的一种成分。下表1更详细地列出了道路径流中主要关注的重金属的来源。
| 金属 | 来源 |
| 铝 | 自然和人为来源，如铝厂工业 |
| 镉 | 轮胎磨损，刹车片，土壤燃烧，杀虫剂也是其他来源 |
| 铬 | 焊接金属镀层腐蚀，运动发动机部件，制动衬片磨损 |
| 钴 | 轮胎和汽车用具制造产生的废物 |
| 铜 | 金属电镀，轴承和衬套磨损，运动发动机部件，制动衬片磨损，杀菌剂和杀虫剂 |
| 铁 | 汽车车身生锈，道路结构钢，运动发动机部件，车体腐蚀。 |
| 引领 | 含铅汽油，轮胎磨损 |
| 镍 | 柴油汽油、润滑油、金属电镀、衬套磨损、制动衬片磨损、沥青铺装 |
| 锌 | 轮胎磨损，机油，油脂 |
Gunawardena等人2013年发现，大气锌沉积与交通量相关，铜、镉、镍、铅与交通拥堵相关。
生物滞留中重金属的去除机制
许多研究表明，生物保留SCMs，包括树木和土壤，如在席尔瓦细胞系统中，在去除雨水径流中的重金属方面非常有效。188金宝搏投注在生物蓄水池中，雨水径流中重金属的去除机制包括沉降、过滤、吸附和植被吸收。
沉淀和过滤有效地去除重金属颗粒形式。因此，只要生物滞留池的土壤没有堵塞(即只要排水充分)，就有望从雨水径流中去除颗粒物重金属。
雨水中溶解的重金属被吸附到土壤有机质和粘土上。一旦土壤的吸附能力饱和，溶解的重金属就会“突破”，排入接收水体。由于溶解的重金属比颗粒结合的重金属更具有生物可利用性，它们可能对水生生态更有害(Kominkove和Nabelkova 2007, Hatt etal 2011)，因此溶解的重金属的长期保留尤其重要(Hatt etal 2011)。
在许多研究中，大多数重金属主要以雨水径流中的颗粒形式存在(例如，Morquecho, R. 2005的文献综述)，但锌除外，锌主要以溶解形式存在。然而，重金属是否存在于溶解物或颗粒中取决于许多因素，包括pH值、温度和结合位点的存在(例如Morquecho 2005年的文献综述)。
图片来源:Kestrel Design Group
生物滞留去除重金属效率研究综述
在Silva Cell系统中，传统的生物保留和铺装下的树木和土壤都被发现具有很高的重金属去除率(例如Davis等人2003年，Page等人20188金宝搏投注14年)。
有机物质为重金属提供了结合位点，因此发现有机物质可以提高生物保留细胞去除溶解重金属的寿命也就不足为奇了。Morgan等人(2011)比较了不同堆肥量的柱，从无堆肥到50%堆肥(按体积计算)，发现有机质含量的增加增加了溶解镉和锌的突破时间(即溶解镉和锌去除的生物保留寿命)。更具体地说，他们发现“将堆肥比例从0%增加到10%，在去除镉和锌的15厘米(6英寸)过滤介质中突破10%，预期寿命增加一倍以上”(括号添加)。突破时间持续显著增加，从10%增加到30%，堆肥从30%增加到50%。铜的去除率也随着堆肥分数的增加而增加。他们得出的结论是:“根据现场研究结果，在考虑去除生物滞留设施中溶解的有毒金属时，有机物是最重要的成分。”
Li和Davis(2008)发现金属在生物滞留土壤的顶部10厘米[4英寸]处被捕获，Jones和Davis(2013)还发现金属在流入点附近和生物滞留层的顶部3-12厘米[1.2至4.7英寸]处最集中。
生物滞留剂去除重金属寿命的相关研究
那么，考虑到这一切，什么时候会出现突破?结合位点何时达到饱和，使溶解的重金属开始从生物保留系统中淋出，生物保留土壤中的重金属浓度何时达到调节阈值?
答案是“视情况而定。”以下因素通常会增加突破发生之前的时间，以及重金属积聚到有毒水平所需的时间:
1)进水重金属浓度较低(进水重金属浓度因地点不同而有很大差异)
2)土壤有机质和其他重金属结合位点含量较高
3)较小的贡献流域(在其他条件相同的情况下，导致进水重金属浓度较低)
4)预处理以捕获沉积物和相关重金属
话虽如此，研究通常表明，在重金属的“典型”浓度下，生物滞留土壤的典型有机质含量，以及典型的贡献流域大小，重金属在生物滞留土壤中积聚到有毒水平或“突破”所需的时间，通常至少与典型的有用生物滞留和路面寿命一样长。
生物滞留土壤中的重金属浓度何时达到有毒水平?
由于溶解的重金属比颗粒结合的重金属更具有生物利用性，因此溶解的重金属的长期保留尤为重要。在所有值得关注的重金属中，锌已被证明是最具流动性的，因此它通常是第一个突破的重金属。Morgan等人(2011)利用合成雨水进行柱状实验，研究镉、铜和锌的去除和滞留情况，发现“在锌和镉的雨水浓度下，当出水浓度为进水浓度的10%时，由30%堆肥和70%沙子组成的15厘米[6英寸]过滤介质将持续95年，直到突破”(方框添加)。这95年的使用寿命明显长于典型的有用路面或生物滞留物的使用寿命，因此根据这项研究，典型的生物滞留系统不应该出现重金属突破。突破定义为“出水浓度为进水浓度的10%”，突破时90%的重金属仍保留在生物滞留系统中。
生物滞留土壤中的重金属浓度何时达到监管阈值?
几项实地研究表明，在典型的雨水浓度下，生物滞留土壤中的重金属浓度预计至少在几十年内不会达到监管阈值(见下文摘要)。通过预处理捕获悬浮固体，可以显著增加重金属积累到超过监管阈值的浓度的时间跨度。
即使在生物保留细胞中捕获了高浓度的重金属，这通常也比不处理的选择更可取:用管道将重金属输送到地表水体内。重金属从生物保留细胞中比从地表水中更容易清除。如果生物保留单元设计在路面下，例如，使用Silva cell，如果/当需要更换土壤时，将更难进入土壤，但是，至少同样重要的是，人类摄入路面下生物188金宝搏投注保留单元的风险也比开放式生物保留单元(即不在路面下)的风险小得多。这些重金属浓度通常对树木无害。
基于土壤浓度估算重金属去除生物滞留寿命的代表性研究结果总结如下。
多伦多和地区保护管理局(2008年)研究了一个3年的示范项目、7个较老的透水联锁混凝土摊铺机(PICP)遗址(4至17年)和5个生物湿地(2至18年)。来自旧PICP和生物洼地的土壤质量结果(铜、锌、铅、铁)表明，当需要更换摊铺机或洼地时，通常不需要对下面的土壤进行填埋处理或修复。生物谷岩心中的金属浓度低于农业土壤的背景浓度。2005年和2007年示范地点土壤中的金属浓度相似，这表明在两年内表层土壤中几乎没有金属积累。
Jones和Davis(2013)评估了一个4年生物保留细胞中累积的铅、铜和锌介质样本。他们发现，“经过4年的运行，总金属浓度远低于马里兰州环境部(MDE)和美国环保署规定的监管清理阈值。显著的金属积累能力，在至少按…的顺序几个几十年介质顺序提取结果表明，积聚的金属大部分仍被隔离在细胞内，而不是被调动到环境中。(斜体补充说)”
Davis等(2003)研究了构建的生物保留盒和2个现场规模的生物保留细胞对铜、铅和锌去除的影响。美国危险废物处置立法尚未包括BMP沉积物和土壤的规定。然而，一些州开始采用美国环保署第503部分生物固体法规来规范雨水BMP沉积物的处理。这些规定限制了通过废水生物固体的应用所允许的累积金属负荷。一些研究人员已经使用这些规则来评估生物滞留土壤中的金属积累。Davis等人(2003年)发现，“20年后，镉、铅和锌的积累达到或超过生物固体应用的监管限制(美国环保署，1993年)。镉、铜、铅和锌的金属积累达到这些极限所需的时间分别为20年、77年、16年和16年。”
他们还根据允许毒性特征浸出程序(TCLP)浓度对介质的危险废物分类标准进行了评估。EPA制定了毒性特征浸出程序(TCLP)，以确定废物是否可以被接受到典型的城市垃圾填埋场(由RCRA定义)副标题D)，因为它有可能将危险浓度的有毒化学物质滤入地下水。如果TCLP分析结果高于TCLP d级最大污染水平(MCLs)，则废物不能在典型的城市垃圾填埋场接受，必须被送往危险废物处理设施。只有镉和铅有TCLP限制。Davis等人(2003年)的生物保留介质研究结果表明，“20年后，这两种金属的累积水平接近但不超过TCLP的允许提取水平。镉达到TCLP限值所需的时间为50年，铅为26年。然而，本例假设所有金属都是现成的，并将在TCLP中提取;因此，它是保守的。在达到TCLP限制之前，可能会发生更大的金属积累。”
Li和Davis(2008)研究了安装3年后和安装4年后生物保留池中铅、铜和锌的去除情况，发现“捕获的金属与介质表现出强烈的关联，这表明它们没有被随后的潮湿天气流冲走。”铅是生物滞留积累的限制金属，超过了住宅土壤中重金属的规定值(基于美国30个州的平均值，通常基于儿童在家中接触的土壤)。这些铅与土壤紧密结合，不太可能被冲走。
结论
研究表明，在一般场地上，在路面的使用寿命内不太可能出现突破。
通过增加土壤有机质提供更多的结合位点，可以增加突破时间。生物滞留土壤中重金属浓度达到调节阈值之前的时间将根据进水浓度有很大差异。几项实地研究表明，在典型的雨水浓度下，生物滞留土壤中的重金属浓度预计至少在几十年内不会达到监管阈值。通过预处理捕获悬浮固体，重金属积累到调节阈值的时间跨度可以显著增加。即使有毒金属积累到规定的阈值，在路面上覆盖生物滞留土壤，例如在悬挂路面下的土壤中的树木中，也将最大限度地减少人类摄入土壤的机会。
参考文献
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Nathalie Shanstrom是Kestrel设计集团的可持续景观设计师。
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