为了应对城市内涝问题以及城市水生生态环境退化的问题,我国开始积极建设海绵城市。生物滞留系统作为一种绿色基础措施受到广泛推崇,但该系统运行效果不稳定且脱氮机理未明。.本研究设计了阶梯式二级串联的生物滞留系统,研究了生物滞留系统出水水质特征,开展了设计参数的优化实验;利用15N同位素示踪技术和三维荧光技术分析氮素迁移转化机理;结合中试系统运行情况对其水文与水质性能进行了评价。通过研究生物滞留系统出水水质特征发现,系统对NH4-N的处理效果较稳定,但NO3-N的处理效果较差导致TN会随着出水体积的增加而增加。设计参数优化实验发现,土壤:河沙=4:6的土壤配置方式TN去除较好(87.14%),但径流下渗速率较低,草炭土的淋滤现象会增加出水的污染情况。灯芯草对NO3-N的去除效果最好(82.03%),绿宝的TN去除率最高(平均84.50%);U型流态TN的去除效果(79.32%)优于W型流态(76.33%);海绵铁作为淹没层填料对于NO3-N的去除效果最佳(94.83%);出水N03-N的浓度与土壤的含土量成正相关性(R2=0.78)。氮平衡模型发现,NH4-N有37.25%被土壤层吸附截流去除,硝化作用和微生物和植物同化占60.64%。1.48%的氨氮和23.19%的硝态氮被滞留在淹没层中,7.04%的硝态氮径流排出系统,有69.78%的硝态氮发生了反硝化作用或被微生物和植物同化。其他去向为微生物同化、植物吸收和反硝化等。60h后被吸附在土壤层的NH4-N会硝化为N03-N,硝化速率为0.1245mg/(kg·h),随后通过反硝化作用或其他途径去除的速率为0.0925 mg/(kg·h);被滞留在淹没层的NO3-N反硝化速率为0.0613mg/(L.h)。三维荧光分析发现,使用海绵铁作为淹没层填料能够提高溶解性有机物的去除效果(84.52%),且滞留于系统的间隙水以蛋白类和微生物代谢产物有机组分为主。通过中试试验发现,中试系统可以截留0.34 mm以下降雨量的降雨。N03-N、DON和DOC易发生污染泄漏,出水主要有机组分为类腐殖质和蛋白类物质,紫花苜蓿为主的系统处理效果好于麦冬草为主的系统。蛋白类有机组分能够为反硝化作用提供碳源促进N03-N的去除,也会促进氨化反应生成NH4-N。综上,生物滞留系统的推广需要根据应用区域有针对性的进行设计参数优化,并建议组合其他净水工艺以提高其水质净化性能和径流滞留能力。