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

連續(xù)流和瞬態(tài)流下生物滯留塔內(nèi)部蓄水暗渠高度對(duì)反硝化的影響

來(lái)源：Water Research 214 (2022) 118205

 

摘要核心發(fā)現(xiàn)

 

研究通過(guò)三組實(shí)驗(yàn)室柱實(shí)驗(yàn)（底部/中部/頂部排水口）揭示生物滯留系統(tǒng)內(nèi)部蓄水層（IWS）排水口高度對(duì)脫氮效率的影響機(jī)制：

 

穩(wěn)態(tài)流條件：脫氮效率與水力停留時(shí)間（HRT）呈正線性關(guān)系（R2=0.93），底部排水口在HLR=1 cm/h時(shí)脫氮率達(dá)99%（圖2）

 

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

 

瞬態(tài)流表現(xiàn)：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(jìn)新舊水混合，降低出水DOC濃度（圖5d）

同位素證據(jù)：δ1?N和δ1?O線性關(guān)系（斜率0.5-1.0）證實(shí)脫氮發(fā)生（圖3a,7a）

 

 

研究目的

 

量化排水口高度（底部/中部/頂部）對(duì)硝酸鹽（NO??）去除效率的影響

揭示穩(wěn)態(tài)流與瞬態(tài)流（模擬降雨）條件下脫氮機(jī)制的差異

優(yōu)化窄深型IWS（寬深比<1）的排水口設(shè)計(jì)策略

 

研究思路與技術(shù)路線

 

graph TD

A[實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)] --> 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(wěn)態(tài)流實(shí)驗(yàn)：HLR=1/2.5/5 cm/h]

C1&C2&C3 --> D2[瞬態(tài)流實(shí)驗(yàn)：模擬降雨+干旱期]

D1 & D2 --> E[監(jiān)測(cè)參數(shù)：NOx/DOC/DO/pH/同位素]

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及科學(xué)意義

1. 氮去除效率數(shù)據(jù)（圖2, 圖5b）

 

穩(wěn)態(tài)流：底部排水口脫氮率99% > 中部84% > 頂部52%（HLR=1 cm/h）

機(jī)制關(guān)聯(lián)：底部排水口HRT最長(zhǎng)（21.9h），證實(shí)HRT是脫氮效率主控因子

工程意義：為生物滯留系統(tǒng)HRT設(shè)計(jì)提供量化依據(jù)

 

2. 固定區(qū)效應(yīng)數(shù)據(jù)（圖4, 圖5c）

 

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

同位素證據(jù)：固定區(qū)δ1?N-δ1?O偏離線性（圖3b），表明質(zhì)量傳遞受限

設(shè)計(jì)啟示：解釋寬深比<1的窄深型IWS效率損失機(jī)制

 

3. 碳源動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)（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(yīng)：頂部排水口使新舊水混合比提高47%，促進(jìn)碳源利用

平衡挑戰(zhàn)：需協(xié)調(diào)脫氮效率與DOC輸出控制

 

4. 同位素示蹤數(shù)據(jù)（圖3, 圖7）

 

富集因子ε：穩(wěn)態(tài)流ε??N=-5.2‰（表2），瞬態(tài)流ε??N=-7.6‰（表3）

過(guò)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(dǎo)

方法創(chuàng)新：首次在流動(dòng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)脫氮路徑示蹤

 

丹麥Unisense電極的核心價(jià)值

1. 厭氧環(huán)境定量（2.4節(jié)）

 

測(cè)量參數(shù)：溶解氧（DO）

關(guān)鍵數(shù)據(jù)：IWS中DO<0.2 mg-O?/L

機(jī)制驗(yàn)證：證實(shí)IWS滿足脫氮的厭氧條件要求（<3 mg-O?/L）

 

2. 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

 

微尺度分辨率：3000 μm探頭實(shí)現(xiàn)孔隙水DO精準(zhǔn)測(cè)量

長(zhǎng)期穩(wěn)定性：持續(xù)監(jiān)測(cè)5個(gè)月（COVID中斷前）

空間定位：固定安裝于IWS 15 cm高度處

 

3. 科學(xué)發(fā)現(xiàn)支撐

 

脫氮先決條件：低DO數(shù)據(jù)與高脫氮效率（99%）形成因果鏈

過(guò)程耦合證據(jù)：DO<0.2 mg/L與同位素富集同步出現(xiàn)

設(shè)計(jì)指導(dǎo)：驗(yàn)證IWS創(chuàng)造厭氧環(huán)境的能力，支持HRT延長(zhǎng)策略

 

核心結(jié)論

 

排水口高度效應(yīng)：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(qū)限制：中部/頂部排水口下方形成固定區(qū)，NO?傳遞效率降低60%

瞬態(tài)流優(yōu)化：頂部排水口促進(jìn)新舊水混合，DOC利用率提高2倍

窄深系統(tǒng)設(shè)計(jì)：建議排水口置于IWS中部（兼顧HRT與混合效率）

 

工程應(yīng)用啟示

1. 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

 

寬深比>1：優(yōu)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(qū)效應(yīng)）

碳源管理：添加木質(zhì)纖維層維持長(zhǎng)期DOC釋放

 

2. 維護(hù)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(zhǎng)期半飽和狀態(tài)（木質(zhì)纖維降解率↑37%）

監(jiān)測(cè)建議：結(jié)合Unisense電極DO監(jiān)測(cè)與同位素采樣（降雨后3-5h）

 

3. 城市適配性

 

空間受限區(qū)：窄深型IWS（寬深比0.5）仍可實(shí)現(xiàn)>80%脫氮

雨洪管理：瞬態(tài)流數(shù)據(jù)支持生物滯留系統(tǒng)應(yīng)對(duì)1-5 cm/h強(qiáng)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(guò)多參數(shù)耦合分析，為城市綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施（GSI）提供了量化設(shè)計(jì)依據(jù)，尤其解決了窄深地形中生物滯留系統(tǒng)的脫氮難題。