在过去几十年里,中国的农业生产得到了极大的发展。然而,由于管理不善,作物对于氮（N）和磷（P）的利用效率相对较低[1],农业氮磷流失过多,造成了一系列水环境污染问题[2],如地下水水质退化和地表水富营养化[3]。氮素循环（N）是一个日益重要的全球问题,因为流经生态系统的氮对陆地,水生态和大气环境具有多重影响。在农业系统中,超过植物和动物需求的氮可以渗入浅层地下水,最终通过集中或扩散排放进入地表水。农业系统中氮素的集中排放通过农田排水沟渠[4]扩散,污染源常常通过浅层地下水汇入地表水体。生物量中捕获的氮通过食物链最终进入生活污水排入地表水体。因此,迫切需要寻找一种经济、环保的技术来减少这些氮素流失对水体的负面影响,以改善水环境和生态系统的状况。为了减少水环境中的氮负荷,正在实施几种策略。先进的技术已被开发用于去除废水中的氮,并用于市政污水处理厂和化粪池系统[5]。在农业生态系统中,人们提出了许多土地管理方法来减少氮损失,例如提高作物的氮利用效率,通过土壤测试,土地管理计划,控制排水和反硝化生物反应器来管理氮输入[6,7]。将湿地和河岸缓冲区整合到农业景观中也被证明是减少地表水氮损失的一种潜在有效方法[8,9]。从陆地和水生生态系统中永久性去除氮的最广为人知的过程是异养反硝化,它使用碳（C）源作为电子供体并为生长[10,11]将硝酸盐（NO3）转化为N2气体。反硝化生物反应器是减少地下排水系统中硝酸盐的最佳管理实践之一。建造的环境有助于反硝化的生化过程,需要有效的碳,富含硝酸盐的水和厌氧环境。在这种厌氧环境中,异养细菌有机体从氧化离子化合物（即硝酸盐NO3-）中还原氮,通过从可用碳中提供的电子获得所需的能量,直到化合物完全还原为氮气（N2）[12]。反硝化生物反应器的不同物理形式包括反硝化壁,上流式生物反应器,流内生物反应器,反硝化层和反硝化床,世界各地的研究人员已经对其进行了现场测试[13]。反硝化生物反应器的类型取决于场地特征,成本要求,可用材料,排水面积和排水沟的大小。碳介质,地下温度和进水硝酸盐浓度等参数及其对硝酸盐还原的影响已相对较好地公布。（一）研究内容及技术路线氮素流失是一个日益重要的全球问题,因为流经生态系统的氮对陆地,水生和大气环境具有多重影响。在农业系统中,超过植物和动物需求的氮可以渗入浅层地下水,最终通过集中或扩散排放进入地表水。为了设计一种经济高效,环境友好的反硝化生物反应器,我们在控制条件下开展了实验室实验,在不同的水力停留时间下使用不同的进水浓度和不同的碳介质组合。在采样时进行现场测量,并使用紫外分光光度计测量硝酸盐浓度的变化。分析结果有助于了解各种参数对生物反应器性能的影响。本研究将作为研究生物反应器动力学的试点项目,并将展示在不同参数下反硝化生物反应器的机理。研究结果将被纳入生物反应器的设计中,并将有助于了解木屑和稻壳组合用作碳基质时的反硝化性能。通过增加实验持续时间,可以监测季节性温度对不同水力停留时间（HRT）下生物反应器去除硝酸盐效果的影响。具体目标包括:·不同碳介质反硝化生物反应器的水力传导率。·水力停留时间对不同碳介质生物反应器脱氮的影响。·环境因素对不同碳介质生物反应器脱氮的影响。图1研究路线简图本研究采用实验室试验方法,在不同控制条件下测试生物反应器填充介质的水力特性和生物反应器的硝酸盐去除率。本研究的技术路线可通过图1显示的流程图来描述。为了探索生物反应器对硝酸盐氮的去除机理及其性能的影响因素,本研究主要采用了实验室试验。本试验主要包括生物反应器在动态水条件下的实验研究。（二）实验装置和数据分析方法利用反硝化生物反应器对农田排水进行反硝化,将农田排水中的硝态氮（NO3-N）转化为惰性气态氮（N2）。这一过程是在农田排水排入周围水体之前利用微生物完成的,以便去除水体中的硝酸盐氮。这可以大大降低水体生态氮负荷,控制农业面源污染。反硝化作用是在微生物作用下,将土壤中的硝态氮（NO3-N）还原为（N2）的主要途径之一。反硝化需要氮氧化物（NO3-,NO2-）作为电子受体,反硝化细菌,碳源和合适的溶解氧条件。方程式（a）是该过程中涉及的主要反应。5C+4NO3-+2H2O→2N2+4HCO3-+CO2（1）动态水试验由以下装置进行。首先,使用“KN03”在供水罐中制备相应浓度的硝酸钾溶液（1,5,15mg/L）,并在供水装置上安装一个上水位传感探头和一个下水位传感探头。供水装置连续向定水头装置供水,定水头装置自下而上连续向五个生物反应器塔供水,多余的水排回给水箱。每根柱子由树脂玻璃制成,内径10厘米,柱长30厘米。反应塔出口与蠕动泵相连,以控制流速。当供水装置的水位低于下水位探头时,水泵开始工作,直到水位高于上水位探头。在3种不同进水浓度（1,5,15mg/L）下测试了 4h,8h和12h的水力停留时间（HRT）。4h HRT的运行时间为3天,8h和12h的运行时间为5天。采样后立即测量样品的pH、DO和温度,然后将样品在4℃冰箱中储存1-3天,用于水质分析。具体试验安排如图2所示。这是一项室内实验。试验开始前,将池水放入柱中一周进行接种。使用蠕动泵控制流量。根据不同的水力停留时间,调节流量,观察不同水力停留时间对还原率的影响。水力停留时间通过以下公式计算:HRT=Vj/Q（2）式中:V为生物反应器填料的体积,j为孔隙率,Q为流出流量。每个反应塔的填料体积相同,为2356.2cm3。测量了所有色谱柱的有效孔隙率和可处理水（cm3）,结果表明,有效孔隙率在0.4到0.6之间变化,而可处理水（cm3）在750cm3到1250cm3之间变化。表2.4和图2.2显示了五个反应柱的排放水量和计算孔隙率。水力停留时间分别为4h,8h和12h。根据反应塔的排水量,计算出相应的流速,见表5。较低水力停留时间下的流速变化范围为4-6cm3/s,在8小时和12小时水力停留时间内,其最大值为2.5 cm3/s。本研究旨在寻找合适的碳基质,以提高生物反应器的硝酸盐去除率和使用寿命。为此,稻壳和木片被用于不同的组合（1:0、1:1、0:1、3:1、1:3）,以寻找最合适的碳基质。采用三种不同的进水硝酸盐浓度（1,5,15 mg/L）和三种不同的水力停留时间（4,8,12h）,考察了不同参数对生物反应器性能的影响。此外,还研究了 pH和DO对生物反应器性能的影响。根据实验结果,研究了不同参数对生物反应器性能的影响。这为反硝化生物反应器的设计提供了依据,为反硝化生物反应器在我国乃至世界范围内以经济,环保的方式应用提供了依据。由于本研究所研究的参数不受区域限制,因此其结果有助于反硝化生物反应器的总体设计。本研究采用的水质分析方法均按照《水和废水监测分析方法（第四版）》标准执行。具体分析方法见表3。（三）结果与分析（1）水力停留时间对生物反应器性能的影响生物反应器的水力停留时间（HRT）是影响生物反应器性能的最重要因素。通常,填充介质的孔隙率和设计流速决定了生物反应器的HTR。在我们的研究中,我们使用了不同的碳介质组合,这导致生物反应器的孔隙率不同。为了在所有生物反应器中保持特定的HRT,通过流量控制器装置相应地调整生物反应器的流速。很低的HRT可能不足以将水中的溶解氧降低到反硝化所需的条件,在高HRT下,硝酸盐氮的去除率将达到较高水平,但可能会发生硫酸盐和甲基汞的还原。因此,采用3种不同的HRT 4、8和12hr（低、中、高）来测量HRT对生物反应器性能的影响。在低进水浓度（1mg/L）下,水力停留时间对生物反应器的性能有负面影响,水力停留时间为4h时去除效率最高。结果表明,在所有生物反应器中,4小时足以使微生物将硝酸盐减少80%。随着低硝酸盐浓度下水力停留时间的增加,去除效率下降到25%,表明高水力停留时间会导致所有生物反应器的氮限制条件。当进水浓度为5mg/L时,HRT的变化对所有生物反应器柱的脱氮效率没有显著影响。在所有反应器中,所有HRT（4、8和12小时）的去除效率均达到90%。因此,在进水浓度为5mg/L时,为了增加可处理水量,选择4hr HRT将使生物反应器更经济。选择高HRT（8小时和12小时）不会产生显著的积极影响。在15mg/L的高进水浓度下,HRT对所有生物反应器的硝酸盐去除效率都有积极影响。在4hr高温气冷实验条件下,硝酸盐去除率为50%,在8hr和12hr HRT条件下,硝酸盐去除率为90%。水力停留时间为8h和12h时,脱氮效率无显著差异。因此,在处理大量排水时,选择8hr水力停留时间比选择12hr水力停留时间更有优势。综上所述,受介质孔隙度或瓷砖排水流量影响的水力停留时间（HRT）可以极大地影响硝酸盐的去除量。较高的停留时间和较高的硝酸盐去除率呈线性相关,但过高的停留时间会导致汞甲基化和硫酸盐还原,不会对生物反应器的性能产生显著影响。（2）硝酸盐浓度对生物反应器性能的影响进水硝酸盐浓度的增加通常会导致去除效率降低,但在恒定HRT下,硝酸盐还原率较高。废水中的硝态氮浓度影响反硝化反应,但生物反应器中的反硝化动力学没有一致性。反硝化通常被认为是零级反应,反应速率与反应物浓度无关。在我们的研究中,当进水浓度为1mg/L时,也观察到了相同的趋势,这与之前公布的结果相似。Robertson等人[24]发现,当硝酸盐浓度在3.1mg/L至49mg/L范围内时,会发生零级反应。在我们的研究中,在较高的HRT 8hr和12hr下,随着进水硝酸盐浓度的增加,去除效率增加,反应动力学为一级动力学。Hill等人[22]发现,无论反应物的可用性如何,零级反应都以恒定速率发生,一级反应以与反应物浓度增加成比例的增加速率发生。Chun等人[21]表明,当进水硝酸盐浓度低于35mg/L时,一级反应最为一致。同样,Leverenz等人[23]发现一级反应可以很好地解释其中试规模的生物反应器。（3）温度对生物反应器性能的影响一般情况下,反硝化速率随温度的升高而增大。许多研究表明,当硝酸盐浓度不受限制时,生物反应器的去除率与温度呈正相关。因为在我们的研究中,温度并没有被用作独立因素,所以在我们的研究中并没有测量温度的影响。出水温度随进水温度变化,变化不显著。Volokita等人[25]表明,在14-32℃温度下,反硝化效果随着温度的升高而增加,32℃温度下的反硝化速率是14℃温度下的三倍以上。原因可能是大多数纤维素水解细菌和反硝化细菌属于中温细菌。随着温度的升高,反硝化细菌的繁殖率和代谢率增加,脱氮效率也会提高。然而,温度可能会影响其他性能因素,例如不同填充介质的降解性[26]。Q10（10℃时的去除率）对于（NO3-N）去除,不同填料的去除率从0.8到2.3不等[27,28]。对于玉米芯,在较高温度下,长期还原速率较小,这可能是因为在较高温度下,碳消耗不稳定的速度更快。（4）填料对生物反应器性能的影响各种含碳固体和不混溶液体已在反硝化生物反应器中成功试验,尽管许多碳源仅在实验室试验中进行了试验。迄今为止,木屑介质已成为现场试验中使用最广泛的材料,并显示出能够提供长期（5-15年）去除（NO3-N）的能力。在短时间内去除硝酸盐方面,含碳物品优于实验室天平中使用的木材。硝酸盐的去除也取决于温度。为了降低安装成本,减小生物反应器的尺寸,可以通过提高反硝化生物反应器的水力效率来实现长期快速的硝酸盐去除。为了快速启动生物反应器,采用稻壳和木屑的不同组合作为碳介质。结果表明,在1mg/L的低进水浓度下,仅以稻壳为碳介质的柱1的去除效果优于其他柱,去除率高达80%。随着水力停留时间的增加,硝酸盐去除效率降低。在12小时HRT条件下,第5列的去除率最低,为20%。这表明,在低硝酸盐浓度下,生物反应器中含有大量快速释放碳介质的微生物能够在4h的低HRT下将硝酸盐还原到显著水平。在低HRT条件下,含有大量缓释碳介质的生物反应器无法将硝酸盐还原到最大水平。在进水浓度为5mg/L时,无论碳介质如何,所有生物反应器在不同HRT（4,8,12hr）下的性能都相当好。不同生物反应器的去除效率没有显著差异,所有HRT的去除效率约为90%。在15mg/L的较高进水浓度下,3、4和5柱在所有HRT中的表现都相当好,硝酸盐去除效率为90%。第1列和第2列显示,所有HRT的去除效率均较低,且随着HRT的增加,去除效率呈增加趋势。在4小时HRT条件下,柱1的最小去除效率为30%。这可能是因为在低HRT条件下,第1列和第2列中的微生物生长不足,无法将硝酸盐降低到更高的水平,也可能是因为其他一些因素影响了生物反应器的性能。一个有效且经济的生物反应器的寿命很可能取决于其中使用的碳源。在生物反应器的运行时间内,碳介质的类型和饱和度会影响可用碳的数量[16、56、68]。Cameron等人[27]研究了碳介质的去除、水力效率和生物反应器的性能。在他们的研究中,他们使用了 9碳介质,并比较了它们的水力效率和性能。在14和23℃下,200000 cm3桶中的碳介质中含有55%的木屑。他们还研究了所有碳介质中硝酸盐的去除与效率之间的关系,发现温度对碳基质中硝酸盐的去除率没有影响。他们的研究结论是使用碳介质和高温,而不是使用更有效的介质。（5）溶解氧对生物反应器性能的影响溶解氧（DO）是生物反应器反硝化过程发生的关键要求。溶解氧（DO）值除了说明缺氧和厌氧环境外,还可以证明微生物是否正在进行厌氧呼吸,从而减少硝酸盐[13,69]。如果溶解氧（DO）低于或等于1-2 mg/L,则将环境评估为厌氧环境[63,70]。由于反硝化作用,出水样品中测得的DO浓度明显较低。由于测得的DO值小于水生生物所需的DO值,因此应在将脱氮水释放到地表水中之前采取措施。当DO值在1-2 mg/L范围内时,细菌利用一氧化二氮（N2O）中的氧,在这些值高于2mg/L的条件下,细菌向氧分子提供电子,而不是N2O[17]。季节变化会影响反硝化生物反应器中的溶解氧浓度。Christianson等人[19]指出,与温度值较低的月份相比,温度较高的月份DO值较低。以往的研究没有表明溶解氧（DO）和硝酸盐氮去除之间存在明确的关系,这表明其他影响因素（以及这些因素的某些组合）对生物反应器的性能有更大的影响。DO值变化小于1mg/L表明生物反应器运行期间达到了厌氧条件。因此,生物反应器能够将硝酸盐降低到显著水平。（6）pH值对生物反应器性能的影响在研究期间,进水pH值降低到一个量级,接近中性pH值7。进水pH值的变化是反硝化作用的结果,但不同反应器柱的pH值没有显著差异。异养反硝化生物反应器中进水排水的pH值对水质测量具有重要意义,也可以指示是否发生了替代反应。完全反硝化的理想范围为7.0-8.0范围,pH值较低,这会导致阻碍氮氧化物还原为氮气的条件[17,44]。在反硝化生物反应器开始运行的几个月里,pH值低于7.0,并随着时间的推移不断增加[19]。（6）水力特性对生物反应器性能的影响填料的水力特性影响生物反应器的尺寸。Chun等人[20]测量了平均直径为1.3cm的木屑的导水率,其范围为2.7-4.9cm/s。对于厚度超过10mm的介质,导水率随时间变化不大,导水率值随粒径的减小而减小。Schipper等人[26]推测,水电导率的降低可能是由于介质颗粒沉积和次生矿物沉淀所致。对于给定的填充介质,准确测量其饱和导水率和孔隙率非常重要。这些信息有助于该领域的实际应用。（四）结论研究结果总结如下:（1）从结果可以得出结论,反硝化生物反应器是农业排水中硝酸盐显著减少的最佳管理策略。该策略不仅经济而且环保。（2）影响生物反应器性能的关键因素是水力停留时间（HRT）和进水硝酸盐浓度。根据现有文献,温度对生物反应器去除效率的影响也非常显著,但本文未对其进行研究。（3）根据进水硝酸盐浓度,生物反应器的最佳性能需要一定的HRT。低于这一水平的HRT生物反应器表现出较低的去除效率,高HRT也不会产生效果。反应动力学表明,反硝化反应为一级反应。（4）虽然在低HRT条件下,硝酸盐去除率较高,可以处理更多的农业用水,但硝酸盐去除效率较低阻碍了遵循这一步骤,因为与适当HRT条件下的性能相比,这不是最好的。（5）不同碳基质的效果也很显著,结果表明,快速释放的碳基质（稻壳）有利于降低进水浓度,使用这种碳基质可以在低HRT下去除大量硝酸盐。这种培养基的快速降解这一事实对具有这种碳培养基的生物反应器的寿命提出了质疑。（6）在木屑的情况下,由于碳释放缓慢,与稻壳相比,低HRT下的去除率略低。碳的缓慢释放和木屑的低降解率增加了木屑的使用寿命,根据文献,木屑的使用寿命可达50年。（7）对于经济和环境友好的生物反应器,将缓释碳介质（木片）和快速释放碳介质（稻壳）结合使用会更好。这种组合将克服启动缓慢和碳基质频繁变化的问题,最终使生物反应器更加简单,硝酸盐去除的维护策略较低。不同进水浓度（1、5、15mg/L）下的生物反应器性能表明,进水硝酸盐浓度对生物反应器的性能也有显著影响。高浓度的低HRT不能为微生物提供足够的时间来实现最佳性能,而低进水浓度的高HRT会导致生物反应器中的氮限制条件。因此,水力停留时间的选择与进水浓度密切相关。（8）在所有情况下,废水的pH值都接近中性pH值7,显示出非常弱的酸性或碱性,不会对环境和水生生物产生任何有害影响。污水中的低DO浓度通常低于1mg/L,低于适当水生生物所需的DO值。因此,应在这方面采取措施。这可以通过将废水排放到具有足够DO水平的较大水体中来克服。