Bioretention Infrastructure to Manage Nutrient Runoff from Coastal Cities

用于管理沿海城市營養鹽徑流的生物滯留基礎設施

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

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

 

摘要

摘要闡述了營養鹽污染是美國水體面臨的主要環境問題，而城市暴雨徑流是營養鹽輸出的重要途徑。雖然生物滯留設施已被證明能有效減少徑流量并去除多種污染物，但其對營養鹽（尤其是氮和磷）的去除效果報道不一，存在很大變異性，這表明需要進一步研究。本研究通過監測紐約市布朗克斯河流域六個路邊生物滯留設施在26場降雨事件中進水、滲濾液和溢流中的溶解營養鹽濃度，來量化其營養鹽去除性能。結果顯示，所研究的生物滯留設施是氮和磷的“源”，而不是“匯”。統計分析表明，當溫度和降雨前干旱期增加時，生物滯留設施滲濾液中的大多數水質指標濃度更高；而當采樣前降雨量和生物滯留設施的負荷比（匯水面積與生物滯留面積之比）增加時，大多數指標濃度較低。

 

研究目的

本研究旨在通過提供額外的實測數據并結合數據分析，進一步深入了解生物滯留設施的營養鹽去除性能。具體目標是量化紐約市布朗克斯河流域六個路邊生物滯留設施的養分去除性能，分析生物滯留設施對城市氮循環的影響，并將營養鹽去除性能與場地特性和當地環境條件聯系起來。

 

研究思路

研究思路包括選擇六個已建成的生物滯留場地（兩個“路權權生物洼地”和四個“雨水綠色街道”）作為研究對象。研發并安裝低成本、易擴展的水質采樣器，用于收集暴雨事件中進入生物滯留設施的徑流（進水）、滲透到設施中的水（滲濾液）以及超過設施容量時溢出的水（溢流）。在2014年3月至2015年8月期間，對26場風暴中的302個樣本進行了多種水質參數的分析。使用非參數統計方法（Wilcoxon秩和檢驗）比較進水、滲濾液和溢流中水質參數的差異，并利用Spearman秩相關系數分析營養鹽去除性能與環境因素（如采樣時累積降雨深度、降雨前干旱小時數、日平均溫度）和場地特性（如負荷比）之間的相關性。

 

測量的數據及研究意義

1.  測量了氮相關參數的數據：包括總氮、銨鹽、亞硝酸鹽、硝酸鹽和溶解氧化亞氮。這些數據主要用于揭示生物滯留設施內氮的轉化過程（如硝化作用）以及設施是作為氮的“源”還是“匯”。數據主要來自圖5和表1。研究意義在于明確了這些設施可能加劇氮負荷，指出了設計上促進反硝化作用的必要性。

 

 

2.  測量了磷相關參數的數據：包括正磷酸鹽和總磷。這些數據用于評估生物滯留設施對磷的去除效果。數據主要來自表1。研究意義在于發現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磷的轉化和土壤有機質磷的釋放。

3.  測量了其他理化指標的數據：包括pH值、電導率、硫酸鹽和氯化物。這些數據有助于了解其他溶質（如除冰鹽）在生物滯留設施中的行為。數據主要來自表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，以及土壤和植被對pH的緩沖作用。

 

4.  測量了環境因素和場地特性數據：包括采樣時累積降雨深度、降雨前干旱期、日平均溫度和負荷比。這些數據用于分析與生物滯留設施進水（表3）和滲濾液（表2和圖6）水質參數的相關性。研究意義在于識別影響生物滯留設施營養鹽動態的關鍵驅動因素，例如溫度加速營養鹽循環，干旱期促進硝酸鹽積累，降雨量對污染物的稀釋和沖刷作用等。

 

 

 

結論

1.  所研究的生物滯留設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水。

2.  生物滯留設施土壤中很可能以硝化細菌為主，發生了銨氧化和亞硝酸鹽氧化過程，導致硝酸鹽在降雨間隔期間積累。

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

4.  環境因素（如溫度、干旱期、降雨量）和場地特性（如負荷比）顯著影響生物滯留設施的營養鹽輸出濃度。

5.  需要改進生物滯留設施的設計，例如創造局部飽和區以促進反硝化，以及控制土壤有機質組成以減少淋溶。

6.  盡管生物滯留設施會滲出營養鹽，但其滲出量與城市草坪淋溶物量級相似，且通過滲透徑流減少合流制污水溢流的 hydrologic 性能可能比其水質性能對城市氮循環的總體影響更大。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

本研究使用丹麥Unisense公司的N2O-R電極（一種極譜法傳感器）測量了生物滯留設施滲濾液中的溶解氧化亞氮濃度。測量結果顯示，在所檢測的兩個風暴事件的29個未過濾樣本中，溶解N2O濃度始終低于該探頭的檢測限（0.001 mg/L）。這一測量數據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施中，反硝化過程（將硝酸鹽還原為氮氣的過程中的中間產物之一就是N2O）非常微弱或幾乎不存在。這直接支持了論文的主要結論之一，即由于生物滯留設施設計上傾向于好氧條件，缺乏有效的反硝化作用，導致硝酸鹽積累和氮的去除率低。其次，這項測量有助于評估生物滯留設施作為溫室氣體N2O排放源的潛在風險，在本研究條件下，其直接排放風險很低。總之，使用Unisense電極獲得的N2O數據為理解生物滯留設施內氮循環的微生物過程（特別是反硝化作用的缺失）提供了關鍵證據，強化了關于其設計局限性的結論。