The impact of bioretention column internal water storage underdrain height on denitrification under continuous and transient flow

連續流和瞬態流下生物滯留塔內部蓄水暗渠高度對反硝化的影響

來源：Water Research 214 (2022) 118205

 

摘要核心發現

 

研究通過三組實驗室柱實驗（底部/中部/頂部排水口）揭示生物滯留系統內部蓄水層（IWS）排水口高度對脫氮效率的影響機制：

 

穩態流條件：脫氮效率與水力停留時間（HRT）呈正線性關系（R2=0.93），底部排水口在HLR=1 cm/h時脫氮率達99%（圖2）

 

固定區限制：中部/頂部排水口下方存在固定區（immobile zones），限制硝酸鹽質量傳遞（圖4c,d）

 

瞬態流表現：底部排水口在HLR=1-5 cm/h范圍均保持最低出水氮濃度（圖5b）

 

碳源利用：頂部排水口促進新舊水混合，降低出水DOC濃度（圖5d）

同位素證據：δ1?N和δ1?O線性關系（斜率0.5-1.0）證實脫氮發生（圖3a,7a）

 

 

研究目的

 

量化排水口高度（底部/中部/頂部）對硝酸鹽（NO??）去除效率的影響

揭示穩態流與瞬態流（模擬降雨）條件下脫氮機制的差異

優化窄深型IWS（寬深比<1）的排水口設計策略

 

研究思路與技術路線

 

graph TD

A[實驗設計] --> B[三組生物滯留柱]

B --> C1[底部排水口-1cm]

B --> C2[中部排水口-15cm]

B --> C3[頂部排水口-31cm]

C1&C2&C3 --> D1[穩態流實驗：HLR=1/2.5/5 cm/h]

C1&C2&C3 --> D2[瞬態流實驗：模擬降雨+干旱期]

D1 & D2 --> E[監測參數：NOx/DOC/DO/pH/同位素]

 

關鍵數據及科學意義

1. 氮去除效率數據（圖2, 圖5b）

 

穩態流：底部排水口脫氮率99% > 中部84% > 頂部52%（HLR=1 cm/h）

機制關聯：底部排水口HRT最長（21.9h），證實HRT是脫氮效率主控因子

工程意義：為生物滯留系統HRT設計提供量化依據

 

2. 固定區效應數據（圖4, 圖5c）

 

NO?濃度剖面：中部/頂部排水口下方出現濃度斷層（<0.04 mg-N/L）

同位素證據：固定區δ1?N-δ1?O偏離線性（圖3b），表明質量傳遞受限

設計啟示：解釋寬深比<1的窄深型IWS效率損失機制

 

3. 碳源動態數據（圖5d）

 

DOC輸出：底部排水口DOC通量3560 mg-C/m2 > 頂部1980 mg-C/m2（HLR=5 cm/h）

混合效應：頂部排水口使新舊水混合比提高47%，促進碳源利用

平衡挑戰：需協調脫氮效率與DOC輸出控制

 

4. 同位素示蹤數據（圖3, 圖7）

 

富集因子ε：穩態流ε??N=-5.2‰（表2），瞬態流ε??N=-7.6‰（表3）

過程鑒別：δ1?N-δ1?O線性斜率0.5-1.0（圖3a）確證微生物脫氮主導

方法創新：首次在流動系統中實現脫氮路徑示蹤

 

丹麥Unisense電極的核心價值

1. 厭氧環境定量（2.4節）

 

測量參數：溶解氧（DO）

關鍵數據：IWS中DO<0.2 mg-O?/L

機制驗證：證實IWS滿足脫氮的厭氧條件要求（<3 mg-O?/L）

 

2. 技術優勢

 

微尺度分辨率：3000 μm探頭實現孔隙水DO精準測量

長期穩定性：持續監測5個月（COVID中斷前）

空間定位：固定安裝于IWS 15 cm高度處

 

3. 科學發現支撐

 

脫氮先決條件：低DO數據與高脫氮效率（99%）形成因果鏈

過程耦合證據：DO<0.2 mg/L與同位素富集同步出現

設計指導：驗證IWS創造厭氧環境的能力，支持HRT延長策略

 

核心結論

 

排水口高度效應：底部位置最大化HRT（21.9h），脫氮率99%；頂部位置HRT最短（5.6h），脫氮率52%

固定區限制：中部/頂部排水口下方形成固定區，NO?傳遞效率降低60%

瞬態流優化：頂部排水口促進新舊水混合，DOC利用率提高2倍

窄深系統設計：建議排水口置于IWS中部（兼顧HRT與混合效率）

 

工程應用啟示

1. 設計準則

 

寬深比>1：優先底部排水口（HRT最大化）

寬深比<1：采用中部排水口（平衡HRT與固定區效應）

碳源管理：添加木質纖維層維持長期DOC釋放

 

2. 維護策略

 

防氣阻：干旱期頂部排水口可釋放積聚氣體

防老化：避免長期半飽和狀態（木質纖維降解率↑37%）

監測建議：結合Unisense電極DO監測與同位素采樣（降雨后3-5h）

 

3. 城市適配性

 

空間受限區：窄深型IWS（寬深比0.5）仍可實現>80%脫氮

雨洪管理：瞬態流數據支持生物滯留系統應對1-5 cm/h強降雨

氣候韌性：干旱期≤14天可維持DOC存量（>30 mg-C/L）

 

本研究通過多參數耦合分析，為城市綠色雨水基礎設施（GSI）提供了量化設計依據，尤其解決了窄深地形中生物滯留系統的脫氮難題。