Bioretention Infrastructure to Manage Nutrient Runoff from Coastal Cities

用于管理沿海城市營(yíng)養(yǎng)鹽徑流的生物滯留基礎(chǔ)設(shè)施

來源 Conference Paper: Geo-Chicago 2016, pp. 402-411, 2016

會(huì)議論文：Geo-Chicago 2016（會(huì)議名稱），第402-411頁，2016年

 

摘要

摘要闡述了營(yíng)養(yǎng)鹽污染是美國水體面臨的主要環(huán)境問題，而城市暴雨徑流是營(yíng)養(yǎng)鹽輸出的重要途徑。雖然生物滯留設(shè)施已被證明能有效減少徑流量并去除多種污染物，但其對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽（尤其是氮和磷）的去除效果報(bào)道不一，存在很大變異性，這表明需要進(jìn)一步研究。本研究通過監(jiān)測(cè)紐約市布朗克斯河流域六個(gè)路邊生物滯留設(shè)施在26場(chǎng)降雨事件中進(jìn)水、滲濾液和溢流中的溶解營(yíng)養(yǎng)鹽濃度，來量化其營(yíng)養(yǎng)鹽去除性能。結(jié)果顯示，所研究的生物滯留設(shè)施是氮和磷的“源”，而不是“匯”。統(tǒng)計(jì)分析表明，當(dāng)溫度和降雨前干旱期增加時(shí)，生物滯留設(shè)施滲濾液中的大多數(shù)水質(zhì)指標(biāo)濃度更高；而當(dāng)采樣前降雨量和生物滯留設(shè)施的負(fù)荷比（匯水面積與生物滯留面積之比）增加時(shí)，大多數(shù)指標(biāo)濃度較低。

 

研究目的

本研究旨在通過提供額外的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合數(shù)據(jù)分析，進(jìn)一步深入了解生物滯留設(shè)施的營(yíng)養(yǎng)鹽去除性能。具體目標(biāo)是量化紐約市布朗克斯河流域六個(gè)路邊生物滯留設(shè)施的養(yǎng)分去除性能，分析生物滯留設(shè)施對(duì)城市氮循環(huán)的影響，并將營(yíng)養(yǎng)鹽去除性能與場(chǎng)地特性和當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件聯(lián)系起來。

 

研究思路

研究思路包括選擇六個(gè)已建成的生物滯留場(chǎng)地（兩個(gè)“路權(quán)權(quán)生物洼地”和四個(gè)“雨水綠色街道”）作為研究對(duì)象。研發(fā)并安裝低成本、易擴(kuò)展的水質(zhì)采樣器，用于收集暴雨事件中進(jìn)入生物滯留設(shè)施的徑流（進(jìn)水）、滲透到設(shè)施中的水（滲濾液）以及超過設(shè)施容量時(shí)溢出的水（溢流）。在2014年3月至2015年8月期間，對(duì)26場(chǎng)風(fēng)暴中的302個(gè)樣本進(jìn)行了多種水質(zhì)參數(shù)的分析。使用非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法（Wilcoxon秩和檢驗(yàn)）比較進(jìn)水、滲濾液和溢流中水質(zhì)參數(shù)的差異，并利用Spearman秩相關(guān)系數(shù)分析營(yíng)養(yǎng)鹽去除性能與環(huán)境因素（如采樣時(shí)累積降雨深度、降雨前干旱小時(shí)數(shù)、日平均溫度）和場(chǎng)地特性（如負(fù)荷比）之間的相關(guān)性。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1.  測(cè)量了氮相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)：包括總氮、銨鹽、亞硝酸鹽、硝酸鹽和溶解氧化亞氮。這些數(shù)據(jù)主要用于揭示生物滯留設(shè)施內(nèi)氮的轉(zhuǎn)化過程（如硝化作用）以及設(shè)施是作為氮的“源”還是“匯”。數(shù)據(jù)主要來自圖5和表1。研究意義在于明確了這些設(shè)施可能加劇氮負(fù)荷，指出了設(shè)計(jì)上促進(jìn)反硝化作用的必要性。

 

 

2.  測(cè)量了磷相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)：包括正磷酸鹽和總磷。這些數(shù)據(jù)用于評(píng)估生物滯留設(shè)施對(duì)磷的去除效果。數(shù)據(jù)主要來自表1。研究意義在于發(fā)現(xiàn)正磷酸鹽濃度在滲濾液中降低，但總磷濃度升高，表明可能存在微生物對(duì)磷的轉(zhuǎn)化和土壤有機(jī)質(zhì)磷的釋放。

3.  測(cè)量了其他理化指標(biāo)的數(shù)據(jù)：包括pH值、電導(dǎo)率、硫酸鹽和氯化物。這些數(shù)據(jù)有助于了解其他溶質(zhì)（如除冰鹽）在生物滯留設(shè)施中的行為。數(shù)據(jù)主要來自表1和表2。研究意義在于揭示了除冰鹽在土壤中的積累和沖刷效應(yīng)，以及土壤和植被對(duì)pH的緩沖作用。

 

4.  測(cè)量了環(huán)境因素和場(chǎng)地特性數(shù)據(jù)：包括采樣時(shí)累積降雨深度、降雨前干旱期、日平均溫度和負(fù)荷比。這些數(shù)據(jù)用于分析與生物滯留設(shè)施進(jìn)水（表3）和滲濾液（表2和圖6）水質(zhì)參數(shù)的相關(guān)性。研究意義在于識(shí)別影響生物滯留設(shè)施營(yíng)養(yǎng)鹽動(dòng)態(tài)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，例如溫度加速營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)，干旱期促進(jìn)硝酸鹽積累，降雨量對(duì)污染物的稀釋和沖刷作用等。

 

 

 

結(jié)論

1.  所研究的生物滯留設(shè)施是氮和磷的凈來源，而非匯。滲濾液中的總氮和硝酸鹽濃度顯著高于進(jìn)水。

2.  生物滯留設(shè)施土壤中很可能以硝化細(xì)菌為主，發(fā)生了銨氧化和亞硝酸鹽氧化過程，導(dǎo)致硝酸鹽在降雨間隔期間積累。

3.  由于生物滯留設(shè)施通常設(shè)計(jì)為快速排水（好氧條件），缺乏反硝化作用（缺氧條件），這是導(dǎo)致氮去除效果差甚至成為氮源的關(guān)鍵原因。

4.  環(huán)境因素（如溫度、干旱期、降雨量）和場(chǎng)地特性（如負(fù)荷比）顯著影響生物滯留設(shè)施的營(yíng)養(yǎng)鹽輸出濃度。

5.  需要改進(jìn)生物滯留設(shè)施的設(shè)計(jì)，例如創(chuàng)造局部飽和區(qū)以促進(jìn)反硝化，以及控制土壤有機(jī)質(zhì)組成以減少淋溶。

6.  盡管生物滯留設(shè)施會(huì)滲出營(yíng)養(yǎng)鹽，但其滲出量與城市草坪淋溶物量級(jí)相似，且通過滲透徑流減少合流制污水溢流的 hydrologic 性能可能比其水質(zhì)性能對(duì)城市氮循環(huán)的總體影響更大。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

本研究使用丹麥Unisense公司的N2O-R電極（一種極譜法傳感器）測(cè)量了生物滯留設(shè)施滲濾液中的溶解氧化亞氮濃度。測(cè)量結(jié)果顯示，在所檢測(cè)的兩個(gè)風(fēng)暴事件的29個(gè)未過濾樣本中，溶解N2O濃度始終低于該探頭的檢測(cè)限（0.001 mg/L）。這一測(cè)量數(shù)據(jù)具有重要的研究意義：首先，極低的N2O濃度表明在研究的生物滯留設(shè)施中，反硝化過程（將硝酸鹽還原為氮?dú)獾倪^程中的中間產(chǎn)物之一就是N2O）非常微弱或幾乎不存在。這直接支持了論文的主要結(jié)論之一，即由于生物滯留設(shè)施設(shè)計(jì)上傾向于好氧條件，缺乏有效的反硝化作用，導(dǎo)致硝酸鹽積累和氮的去除率低。其次，這項(xiàng)測(cè)量有助于評(píng)估生物滯留設(shè)施作為溫室氣體N2O排放源的潛在風(fēng)險(xiǎn)，在本研究條件下，其直接排放風(fēng)險(xiǎn)很低。總之，使用Unisense電極獲得的N2O數(shù)據(jù)為理解生物滯留設(shè)施內(nèi)氮循環(huán)的微生物過程（特別是反硝化作用的缺失）提供了關(guān)鍵證據(jù)，強(qiáng)化了關(guān)于其設(shè)計(jì)局限性的結(jié)論。