《Journal of Environmental Management》：Synergistic design of bioretention cells for efficient inorganic nitrogen removal: Integrating submerged zone, media amendment, and porosity stratification via reactive transport modeling
编辑推荐：
氮去除效率优化与多物理场耦合模拟在生物滞留池中的应用。
王龙飞|孙杰|赵国胜|李毅|林莉
中国江苏省南京市河海大学环境学院水循环与水安全国家重点实验室，210098
摘要
城市雨水径流中的氮主要以溶解态存在，其传输动力学复杂，给有效监测和污染控制带来了挑战。生物滞留池（BRCs）已成为主要的雨水管理措施之一。然而，传统设计通常依赖经验方法，而控制氮去除的传输、吸附和反应的耦合机制尚未得到充分研究。我们通过受控的实验室柱状实验和多物理场耦合数值模拟来阐明BRCs内无机氮的流体流动、对流-扩散传输和生化反应过程。柱状实验表明，加入300毫米深的淹没层（SZ）可将硝酸盐去除率从69.3%提高到78.3%，而添加铁改性生物炭（FeBC）后这一比率进一步提升至80%。我们构建了一个能够准确模拟氮去除过程的反应传输模型，其R2值超过0.5。敏感性分析表明，介质吸附能力、硝化/反硝化速率和介质孔隙率是影响去除效率的关键设计参数。因此，我们提出了一种功能梯度优化策略：上层介质由砂、蛭石、沸石和FeBC组成，孔隙率为0.45–0.55；下层介质由细砂、FeBC和活性污泥组成，孔隙率为0.35–0.45，从而实现了NH??-N（>96%）和NO??-N（>81%）的协同去除。与传统单层系统相比，该模型使氮去除率提高了11%以上，解决了长期以来氮去除效率低的问题，并为BRCs的实际应用提供了分层介质优化框架。
引言
来自城市道路表面的氮是雨水径流中的主要污染物，可能对接收水体造成富营养化和生态退化风险（Wijesiri等人，2022年）。溶解态氮占城市雨水总量的40–80%（Xiao等人，2024年），分为铵态氮（NH??-N）、亚硝酸盐氮（NO??-N）和硝酸盐氮（NO??-N）（Li和Culver，2022年）。这些物质的复杂传输动力学给监测带来了巨大挑战，阻碍了有效的污染管理（Ma等人，2021年）。生物滞留池（BRCs）作为一种广泛应用的雨水控制措施，通过介质过滤、植物吸收和微生物降解等机制有效去除营养物质（Biswal等人，2022年；Bratieres等人，2008年；Li等人，2021年）。因此，它们已成为控制径流污染的重要绿色基础设施（Payne等人，2019年）。
传统的BRCs可以去除颗粒污染物，但由于其使用均匀的砂或土壤介质，在处理溶解态营养物质方面存在局限性（Kong等人，2024年）。这种单层结构无法创建硝化和反硝化所需的有氧和厌氧环境，从而限制了无机氮的去除效果和对多种水质标准的适应性（Shi等人，2023年；Tirpak等人，2021年）。研究表明，通过调整孔隙率（Shi等人，2023年）、添加材料（Tian等人，2019年）、实施淹没层（SZ）（Hatt等人，2007年；Yu等人，2023年）以及分层配置（Luo等人，2020年）等系统改进措施，可以增强关键菌株（如氨氧化菌（AOB）、亚硝酸盐氧化菌（NOB）和硝酸盐还原菌（NRB）的丰度（Zuo等人，2019年），从而促进相关生化转化过程（Tirpak等人，2021年），显著提高NH??-N和NO??-N的去除效率（Sanchez-Ramos等人，2017年；Zhang等人，2021年）。值得注意的是，添加了功能性材料（如FeBC或生物炭（BC）复合材料的介质可以实现稳定的反硝化过程，其中BC可以调节ZVI的氧化并释放有机碳以驱动异养反硝化（Tian等人，2019年）。优化的还原条件通过提供电子供体支持铁介导的自养反硝化（Chen等人，2023年）。建模研究还表明，淹没层的高度对氮去除效果至关重要，30–50厘米的高度在生物炭-黄铁矿系统中能最大化NO??-N的去除率（Briggs等人，2017年）。因此，需要进一步优化关键设计参数（如介质组成和淹没层高度）以提高氮去除效率。
尽管已有研究提出了提高BRCs无机氮去除效率的策略，但由于规模限制和建模不足，核心问题仍未解决（Jiang等人，2019年；Li和Davis，2016年；Tian等人，2019年）。传统方法依赖于静态实验数据，这些数据通常无法完全捕捉实际降雨-径流负荷的动态变化，导致设计与实际性能之间存在偏差（Brasil等人，2021年）。实验柱状装置可以提供准确的基础数据，而模型是将这些机制应用于不同实际场景以预测处理效果的关键工具（Lammers等人，2022年）。尽管统计模型（如机器学习框架）被用于预测氮去除率，但它们经常忽略操作条件的重要影响，导致预测准确性有限（Brasil等人，2021年）。Wang等人（2019年）使用决策树分类器预测总悬浮固体（TSS）、总氮（TN）和总磷（TP），准确率约为70%。这些发现揭示了在表示流体流动、溶质传输和生化反应等复杂过程方面的固有局限性（Li等人，2023年）。因此，开发能够整合设计参数与环境及操作变量的准确预测模型对于优化BRCs的实施至关重要（Li等人，2021年，2021年，2021年）。
基于溶质传输原理的数值模型结合了生化反应机制，从而克服了统计方法的局限性（Li和Culver，2022年）。这类模型已被用于评估和预测BRCs的处理效果。Li等人（2023年）结合零级动力学、一级动力学和Michaelis-Menten方程开发了一个高精度的反硝化预测模型。然而，尽管这些模型考虑了化学反应动力学，但通常忽略了同时发生的吸附等过程，未能充分反映复杂的反硝化过程（Zhang等人，2021年）。DRAINMOD等建模工具可以再现BRCs的平均氮去除率，但在模拟氮循环和预测氮去除方面仍面临挑战（Li和Culver，2022年）。COMSOL Multiphysics的多物理场耦合架构能够模拟无机氮的吸附和转化过程，使其成为模拟雨水处理中反硝化机制的有效工具（Briggs等人，2017年）。先前的研究基于COMSOL Multiphysics模拟了人工湿地的细菌群落动态分布，并开发了探索氨去除过程的数值模型。Samso等人（2016年）揭示了设计参数对人工湿地处理效果的影响。Hamisi等人（2024年）结合柱状实验和COMSOL建模，有效量化了操作条件、孔隙率和动力学参数对潮汐人工湿地中氮/磷去除的影响，决定系数（R2）>0.6。然而，大多数现有模型缺乏将设计参数和环境条件纳入优化的能力（Jian等人，2024年）。COMSOL能够在单一平台上模拟复杂反硝化机制的协同作用，从而解决了上述问题（Sanchez-Ramos等人，2017年）。然而，这类模型计算需求高，且对输入参数的质量非常敏感（Bonneau等人，2021年）。因此，开发一个能够解决设计参数、环境变量和物理-化学-生物过程耦合问题的数值模型对于提高BRCs的无机氮去除效率至关重要。
为了解决现有模型的局限性，我们基于COMSOL Multiphysics的多个模块，结合BRCs的实验数据，开发了一个考虑设计参数、环境因素和氮转化机制的反应传输模型。该模型定量分析了在不同淹没高度、介质组成、孔隙率和降雨阶段下无机氮去除的时空衰减动态。本研究的主要创新包括：（1）在COMSOL中耦合了流体流动、溶质对流-扩散传输和生化反应的多物理场模型；（2）使用敏感性分析确定关键因素并量化其影响程度；（3）采用响应面方法（RSM）推导出优化的设计配置，提出了实用的分层介质优化框架。
实验系统设置
构建了两个聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）生物滞留柱（内径：150毫米；高度：1000毫米），以在受控实验室条件下研究其水力特性、传输机制和氮去除效率，具体细节见我们之前的出版物（Wang等人，2025年）。
实验室规模的BRCs包含八个垂直分层：底部为100毫米的排水层，依次覆盖200毫米的复合介质层
连续降雨事件下的氮去除效率
在12天的降雨实验中，Br1装置的NH??-N出水浓度范围为0.17至0.28毫克/升，去除效率为97.1–98.2%。Br2装置的NH??-N出水浓度范围为0.05至0.23毫克/升，去除效率为77.1–94.6%。Br1和Br2装置的NH??-N和NO??-N去除效率分别为96.4–99.3%和80.3–91.1%（图S1和表S3）。值得注意的是，两种装置的NH??-N去除效率
结论
本研究采用实验和数值模拟相结合的方法，优化了BRCs的设计，以提高雨水中的无机氮去除效率。主要结论如下：
（1）柱状实验表明，加入300毫米深的淹没层显著提高了氮去除效率（NH??-N > 96%，NO??-N > 78%），这可能是由于淹没层和FeBC对自养反硝化的共同促进作用。
（2）模型准确
CRediT作者贡献声明
王龙飞：项目管理、方法论、概念设计。孙杰：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、软件使用、数据整理。赵国胜：调查、数据分析、概念设计。李毅：监督、资源获取、资金筹措。林莉：验证、监督、资金筹措。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划 [2024YFC3214600]、国家自然科学基金 [52470185和52170159]、国家水资源高效利用与工程安全工程技术研究中心开放研究基金以及国家级公益性科研机构基础科学研究业务项目 [CKSF2022253/SH]的支持。
