羅 紈，唐揚(yáng)帆，巫 旺，賈忠華，鄒家榮，洪建權(quán)

（揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，揚(yáng)州 225009）

0 引 言

中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，每公頃耕地年均使用標(biāo)準(zhǔn)化肥達(dá)300 kg，農(nóng)藥的使用量從2004年的138.61萬(wàn)t上升到2010年的175.82萬(wàn)t，年平均增長(zhǎng)速率為4.48%；而化肥的利用率卻相對(duì)較低：氮為30%～60%，磷為2%～25%，鉀為30%～60%[1]。磷肥施入土壤后2個(gè)月內(nèi)，65%以上變成不溶性磷，主要以Ca-P，Al-P，F(xiàn)e-P的形式隨地表徑流離開農(nóng)田。未被利用的氮素則主要通過地表、地下徑流排放進(jìn)入接納水體[2]。人為建設(shè)的排水系統(tǒng)在滿足農(nóng)田除澇降漬要求的同時(shí)，加速了化肥、農(nóng)藥隨排水的流失，加劇了水環(huán)境污染的現(xiàn)象。農(nóng)田排水中氮污染物的量取決于多重因素，包括化肥的種類、施肥量、相對(duì)于降雨事件的施肥時(shí)間、降雨強(qiáng)度和排水過程、以及土壤質(zhì)地和作物類型等。目前，國(guó)際上減少氮排放的措施包括：減量或配方施肥等農(nóng)業(yè)措施，控制排水等工程措施，以及建設(shè)人工濕地和反硝化生物反應(yīng)器等生態(tài)工程措施[3]。

治理排水污染的有效措施包括削減排水量和降低污染物濃度 2個(gè)方面。削減排水量主要是針對(duì)目前農(nóng)田排水系統(tǒng)缺乏控制機(jī)制，容易出現(xiàn)排水過量，污染物流失嚴(yán)重的現(xiàn)象。自20世紀(jì)70年代以來，國(guó)際上廣泛倡導(dǎo)控制排水措施，即在排水溝（或排水暗管）的出口加筑控制閘或堰來按需調(diào)整排水強(qiáng)度，減少排水及污染物輸出?，F(xiàn)有研究表明，控制排水可削減氮素輸出40%以上[4]，被譽(yù)為一種環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)水管理措施。不過控制排水的效果主要來自于排水量的減少，對(duì)氮素濃度的削減則不明顯。從理論上講，控制排水增加田間土壤濕度后，反硝化作用會(huì)增強(qiáng)，因此可減少硝態(tài)氮的輸出負(fù)荷；但目前只有試驗(yàn)室土柱研究數(shù)據(jù)支持此結(jié)論[5]?？刂婆潘筇镌囼?yàn)結(jié)果顯示，硝態(tài)氮負(fù)荷并未像實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果那樣出現(xiàn)顯著降低，原因可能是大田土壤處于厭氧狀態(tài)的時(shí)間較短，或受到溫度變化快等因素影響，實(shí)際反硝化作用微弱造成的[6]。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田排水中氮素濃度的削減，美國(guó)和加拿大研究人員借鑒污水處理工藝中的生物反應(yīng)器技術(shù)，將全部或部分排水導(dǎo)流至裝有木屑類碳源介質(zhì)的生物反應(yīng)器中，利用微生物的反硝化作用來降低氮素濃度。反硝化脫氮是被廣泛認(rèn)可的一種水質(zhì)凈化方式，因?yàn)榇蟛糠址聪趸?xì)菌都是異養(yǎng)菌，這些微生物將碳源作為電子供體和能量完成呼吸作用；硝酸鹽（NO）作為電子受體被還原為氮?dú)猓∟2）釋放到大氣中。影響反硝化作用的環(huán)境因素包括：碳源、pH值、溶解氧濃度和溫度等。當(dāng) NO過量存在時(shí)，碳源作為驅(qū)動(dòng)反硝化過程的因素尤為關(guān)鍵。例如，在一些污水處理廠以及農(nóng)業(yè)環(huán)境中，好氧微生物通過氧化有機(jī)物獲得能量，利用O2作為電子受體，直到環(huán)境變得有利于使用NO作為電子受體。因此，有機(jī)碳源在反硝化過程中起到 2個(gè)關(guān)鍵性的作用：首先是提供厭氧環(huán)境，其次作為電子供體進(jìn)行脫氮[2]。在農(nóng)業(yè)水土環(huán)境中，去除氮污染物可以通過提供充足的不穩(wěn)定碳源來創(chuàng)造反硝化環(huán)境。反硝化生物反應(yīng)器就是基于這一原理制造的農(nóng)田排水除氮工具；現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室及大田研究結(jié)果都顯示，除氮生物反應(yīng)器可以有效降低排水中硝態(tài)氮的濃度[6-8]；每年可以減少農(nóng)田排水中 23%～98%的氮素負(fù)荷量[9]。美國(guó)中西部等地近十年的試驗(yàn)研究都肯定了生物反應(yīng)器的水質(zhì)凈化效果，稱其是一種占地面積少且水質(zhì)凈化效率高的農(nóng)田控污措施[2,8]。

近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)開展的排水污染治理研究包括控制排水、節(jié)水灌溉以及溝塘濕地等內(nèi)容，取得了一定的研究成果和應(yīng)用效果。但利用農(nóng)田生物反應(yīng)器來凈化農(nóng)田排水方面的研究目前還鮮有報(bào)道。鑒于中國(guó)人均耕地面積少，化肥農(nóng)藥用量大，農(nóng)業(yè)排水面源污染嚴(yán)重的現(xiàn)實(shí)情況，本文回顧了國(guó)際上對(duì)生物反應(yīng)器凈化農(nóng)田排水的現(xiàn)有研究，對(duì)影響生物反應(yīng)器效果的不同因素進(jìn)行了分析，并根據(jù)部分初步試驗(yàn)成果，討論了生物反應(yīng)器的應(yīng)用潛力及制約因素，旨在為中國(guó)農(nóng)田排水污染治理提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 大田除氮生物反應(yīng)器凈化農(nóng)田排水的原理與效果

目前有多種水質(zhì)凈化裝置使用固體碳源來增強(qiáng)脫氮作用，它們被統(tǒng)稱為生物反應(yīng)器。大田使用的生物反應(yīng)器包括“墻”和“床”2種，最早由Robertson和Cherry所提出[10]。反硝化墻（denitrification walls）將固體碳源垂直安置在淺層地下水中，并與水流的方向垂直。這些“反硝化墻”用木屑或木屑與土壤的混合物填充，具有很好的導(dǎo)水性，有利于地下徑流的通過[2]。試驗(yàn)結(jié)果顯示，反硝化墻可去除 0.014～3.6 g/(m3?d)的硝氮；反硝化床（denitrification beds）是一種裝滿了碳介質(zhì)的容器，它的處理面積要比“墻”的處理面積大得多，自然或是人工排水系統(tǒng)輸出的含氮水都可以排入“床”式反應(yīng)器，反硝化床的去除效果約為 2～22 g/(m3?d)[2]。比較而言，“床”式生物反應(yīng)器更適宜處理大流量的排水，可以安裝在河床或排水溝中間或兩側(cè)。在中國(guó)，Liu等[11]開展了在排水溝中設(shè)置不同的有機(jī)物屏障（organic channel barriers）來攔截污染物的試驗(yàn)研究；試驗(yàn)選取了 3種碳源介質(zhì)：稻殼、松木鋸末和活性炭與＜1 mm石英砂的混合物；結(jié)果表明，稻殼介質(zhì)去除NHN的效果最明顯，平均去除率達(dá)到了73%；而對(duì)于NON污染物的去除，稻殼介質(zhì)也優(yōu)于其他 2種介質(zhì)，去除率高達(dá)92%。表 1列出了不同研究得到的生物反應(yīng)器除氮效果；可見，無(wú)論是室內(nèi)試驗(yàn)還是大田觀測(cè)結(jié)果，不同尺寸的生物反應(yīng)器對(duì)排水中的硝態(tài)氮都具有明顯的削減作用，但其除氮效果受到入流過程以及環(huán)境因素的影響。氮污染物輸出總量的削減則取決于流經(jīng)反應(yīng)器的流量與濃度削減2個(gè)因素；水力停留時(shí)間是影響濃度削減的一個(gè)重要因素。

表1 不同尺寸及入流特征對(duì)生物反應(yīng)器NON削減率的影響研究結(jié)果Table1 Reported NON reduction rate through bioreactors of different sizes and flow characteristics

表1 不同尺寸及入流特征對(duì)生物反應(yīng)器NON削減率的影響研究結(jié)果Table1 Reported NON reduction rate through bioreactors of different sizes and flow characteristics

數(shù)據(jù)出處Data source生物反應(yīng)器體積Bioreactor size/m3 NO3--N入流質(zhì)量濃度Inflow NO3--N content/(mg?L-1)水力停留時(shí)間Hydraulic retention time NO3--N削減（濃度或負(fù)荷）NO3--N reduction(content or load)Blowes等，1994[12] 0.2 2～6 1～6 d 接近100%濃度削減Van Driel等，2006[13] 17.2 11.8 9 h 33%濃度削減Christianson，2012[8] 18 1.2～8.5 - 22%～74%負(fù)荷削減Jaynes等，2008[6] 38.9 20～25 24 h 50%濃度削減Verma等，2010[14] 55.8 5～20 - 81%～98%負(fù)荷削減Woli等，2010[9] 76.9 2.8～18.9 26 min～2.8 h 23%～50%負(fù)荷削減大田試驗(yàn)Field-scale studies Christianson，2012[8] 102 7.7～9.6 - 49%～57%負(fù)荷削減Christianson等，2011[15] 0.71 10.1 4～8 h 30%～70%濃度削減Christianson等，2011[16] 0.53 7.7～35.6 1.5～15 h 14%～37%負(fù)荷削減Chun等，2009[17] 0.30 10.4～33.7 2.6～12 h 10%～40%濃度削減實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)Laboratory-scale studies Greenan等，2009[18] 0.01 50 9.8, 3.7, 2.8, 2.1 d 100%，64%，52%，30%負(fù)荷削減

2 影響生物反應(yīng)器除氮效果的因素

2.1 水力停留時(shí)間

排水流經(jīng)生物反應(yīng)器時(shí)，其水力停留時(shí)間太短，則進(jìn)水中的溶解氧濃度過高，難以形成反硝化菌所需的厭氧環(huán)境，影響反應(yīng)器內(nèi)的反硝化除氮過程；較長(zhǎng)的水力停留時(shí)間可促進(jìn)充分的厭氧反應(yīng)，去除進(jìn)水中的硝態(tài)氮；但同時(shí)也可能發(fā)生一些消極的反應(yīng)，如硫酸鹽的還原和汞甲基化[8]。所以，對(duì)于水力停留時(shí)間的合理控制是應(yīng)用生物反應(yīng)器凈化農(nóng)田排水的一項(xiàng)重要措施。由于生物反應(yīng)器旨在從農(nóng)業(yè)用地的邊緣取出很小的一塊地方用于水質(zhì)凈化，在農(nóng)田附近建造大型生物反應(yīng)器，形成較長(zhǎng)的水力停留時(shí)間在實(shí)際運(yùn)用中是不可行的?，F(xiàn)有研究表明，生物反應(yīng)器對(duì)排水中NON的去除率與水力停留時(shí)間呈正相關(guān)；Chun等[17]研究發(fā)現(xiàn)，水力停留時(shí)間小于5 h，NON的削減率只有10%～40%，而當(dāng)水力停留時(shí)間超過15 h，去除率可達(dá)100%。Greenan等[18]研究結(jié)果顯示，當(dāng)滯留時(shí)間處于更長(zhǎng)的情況下，從2.1到9.8 d不等，去除率分別為30%到100%。在生物反應(yīng)器入流和出流口設(shè)置控制結(jié)構(gòu)可以更精確地把握水力停留時(shí)間[19]，通過調(diào)控，可以在排水流量較大時(shí)，導(dǎo)入部分排水，維持足夠的停留時(shí)間，其他水量通過溢流裝置排出；排水流量較小時(shí)，亦可通過調(diào)控措施，避免水力停留時(shí)間太久，形成H2S等消極反應(yīng)產(chǎn)物。

由于生物反應(yīng)器安裝在排水通道上，其填充介質(zhì)的水力性能顯得尤為重要；若生物反應(yīng)器的介質(zhì)滲透系數(shù)過小，置于排水通道上時(shí)就可能影響水流的正常通行[20]。Robertson等[21]研究發(fā)現(xiàn)，由木屑介質(zhì)填充的生物反應(yīng)器滲透系數(shù)高達(dá)100 m/d。農(nóng)田排水系統(tǒng)會(huì)經(jīng)歷低流量或停水期，停水期過后重啟生物反應(yīng)器仍能正常運(yùn)行。但是，突發(fā)的排水事件或排水流量過大會(huì)減少水力停留時(shí)間，降低反應(yīng)器對(duì)污染物的去除性能[15]。與穩(wěn)定流量的生物反應(yīng)器相比，水力停留時(shí)間相同的情況下，流量波動(dòng)較大的生物反應(yīng)器運(yùn)行性能較差[16]。由于不同地區(qū)降雨規(guī)律存在差異，加之作物以及土壤排水條件不同，如何根據(jù)農(nóng)田排水規(guī)律來合理確定進(jìn)入生物反應(yīng)器的處理流量以及水力停留時(shí)間是應(yīng)用生物反應(yīng)器技術(shù)需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

2.2 環(huán)境溫度

2.3 內(nèi)部反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

2.4 微生物與反硝化反應(yīng)

反硝化細(xì)菌在自然界很常見，生物反應(yīng)器不需要進(jìn)行復(fù)雜的微生物接種[2]。目前常用的方法是添加少量的大田土壤，使土壤中的反硝化菌種在反應(yīng)器中繁殖[16]。去除NON的一個(gè)關(guān)鍵因素是碳源對(duì)于反硝化菌的可利用性，若存在與反硝化菌競(jìng)爭(zhēng)的其他微生物時(shí)，反硝化過程便會(huì)受到影響。Warneke等[27]發(fā)現(xiàn)木質(zhì)填料中的反硝化菌含量高于玉米芯填料，這表明玉米介質(zhì)生物反應(yīng)器中更多的碳被非反硝化菌所利用。地下水或農(nóng)業(yè)排水中具有相對(duì)較高的溶解氧濃度，若水流在生物反應(yīng)器中的停留時(shí)間較短，好氧微生物便會(huì)與反硝化菌發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，好氧菌對(duì)碳的消耗量可能會(huì)超過反硝化菌的消耗量，影響生物反應(yīng)器對(duì)氮素的去除效率[28]。如 Healy等[29]的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，由于較高的溶解氧質(zhì)量濃度（3.7～7.3 mg/L）和較短的水力停留時(shí)間，反硝化床只去除了少量的運(yùn)行性能較差。在排水和地下水中還常常存在硫酸鹽，在滿足還原反應(yīng)的條件下，硫酸鹽也可以充當(dāng)電子受體。不過，反硝化細(xì)菌的競(jìng)爭(zhēng)性優(yōu)于硫酸鹽還原菌[30]，只有在已基本耗盡的情況下，硫酸鹽的還原反應(yīng)才開始發(fā)生。因此，當(dāng)水力停留時(shí)間過長(zhǎng)，生物反應(yīng)器內(nèi)的消耗殆盡時(shí)，有可能產(chǎn)生其他一些有害的副產(chǎn)物，如硫化氫等。所以，對(duì)排水流量過程的調(diào)控是保證生物反應(yīng)器正常運(yùn)行的一個(gè)關(guān)鍵因素。在以水稻種植為主的南方平原河網(wǎng)地區(qū)，地下水位整體較高，排水自流的水力梯度很??；暴雨期間大多需要通過水泵抽排來除澇或降漬。在這種環(huán)境條件下，生物反應(yīng)器如何能夠以經(jīng)濟(jì)有效的方式運(yùn)行值得深入研究。

3 農(nóng)田生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)要素

3.1 生物反應(yīng)器的尺寸

使用大田生物反應(yīng)器凈化排水需要考慮的一個(gè)重要問題是設(shè)計(jì)流量。因受到降雨隨機(jī)性的影響，農(nóng)田排水流量在一年之中呈動(dòng)態(tài)變化，流量變化過程取決于降雨的分布規(guī)律。雖然將排水模數(shù)乘以排水面積可以估算出給定排水系統(tǒng)的峰值流量，但是從經(jīng)濟(jì)角度考慮，按最大流量來設(shè)計(jì)反應(yīng)器是不可行的。在較早開展生物反應(yīng)器應(yīng)用研究的美國(guó)中西部地區(qū)，各州提出了自己的設(shè)計(jì)參考方法；例如，Christianson等[8]在確定生物反應(yīng)器尺寸時(shí)，根據(jù)排水流量峰值及選定的一個(gè)水力停留時(shí)間，取峰值流量的某一定比例作為生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)處理能力。Moorman等[31]根據(jù)排水溝基流估算農(nóng)田排水流量，然后利用流量歷時(shí)曲線（flow duration curves）和負(fù)荷歷時(shí)曲線（load duration curves）計(jì)算了污染物輸出負(fù)荷；結(jié)果發(fā)現(xiàn)，占流域總面積0.27%的生物反應(yīng)器每年可減少20%～30%的輸出（HRT=0.5 d）。Verma等[14]研究發(fā)現(xiàn)，每1.4 hm2的排水區(qū)域設(shè)置約9.3 m2的生物反應(yīng)器，可以實(shí)現(xiàn)60%的負(fù)荷削減。Wildman設(shè)計(jì)了一個(gè)根據(jù)排水面積與排水模數(shù)估算生物反應(yīng)器尺寸的計(jì)算表格[32]；但這 2個(gè)參數(shù)在實(shí)際當(dāng)中存在一定的不確定性，尤其是在排水系統(tǒng)分布較為復(fù)雜的地區(qū)。由于各地氣象、土壤以及種植結(jié)構(gòu)等方面的差異，現(xiàn)有各類設(shè)計(jì)方法都不具有普適性；不同排水條件下大田生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方法仍需要進(jìn)一步研究和探討。

除了體積大小以外，現(xiàn)有研究對(duì)于生物反應(yīng)器的代替結(jié)構(gòu)也做了部分探討；例如，Jaynes等[6]在排水管線的兩側(cè)使用了一種混合式的反硝化墻作為被動(dòng)的處理技術(shù)；Robertson和 Merkley[24]則在排水溝道中安裝了由木屑填料加上礫石廊道組成的生物反應(yīng)器，并在下游設(shè)置了防淤層和護(hù)堤。在其他的一些試點(diǎn)試驗(yàn)中，研究人員設(shè)計(jì)了不同截面形狀的生物反應(yīng)器，如矩形、梯形和正方形。不過，觀察到的不同截面生物反應(yīng)器的處理效果無(wú)明顯差異，在中試規(guī)模條件下均可達(dá)到30%～70%的負(fù)荷削減[15]。此外，還有一些研究人員嘗試在生物反應(yīng)器中添加擋板或者并聯(lián)生物反應(yīng)器來提高水質(zhì)凈化效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，污染物削減得到了不同程度的提高[8]。但上述設(shè)想只有適用于農(nóng)田尺度，才能取得真正的效果。對(duì)于農(nóng)田排水污染的治理，單方面的生態(tài)工程措施往往難以見效；各地可以根據(jù)實(shí)際情況，將生物反應(yīng)器與人工濕地，控制排水等措施相結(jié)合，綜合處理，改善排水水質(zhì)。

3.2 碳源填料的選擇

選擇何種碳源對(duì)于生物反應(yīng)器來說尤為重要，因?yàn)樘盍系男再|(zhì)決定了生物反應(yīng)器的水質(zhì)凈化作用及使用壽命。Robertson等[33]指出反應(yīng)器填料的選擇應(yīng)基于其成本、孔隙率、碳氮比和使用壽命。因此，對(duì)于不同地區(qū)，填充材料的可獲得性是一個(gè)重要的考慮因素。現(xiàn)有研究中，常用來作為填料的材料包括不同種類的木屑、玉米芯、玉米秸稈、麥類秸稈、堅(jiān)果外殼和稻殼等。大田生物反應(yīng)器試驗(yàn)中主要使用木屑作為碳源，這是因?yàn)槟拘汲杀据^低，具有高碳氮比（30:1～300:1）[34]，且使用壽命比較長(zhǎng)。也有一部分試驗(yàn)采用了其他類型的碳介質(zhì)；例如，Shao等[35]使用麥稈和稻殼作為生物反應(yīng)器碳源介質(zhì)，并發(fā)現(xiàn)的去除率高于木質(zhì)介質(zhì)削減量最高可達(dá)105 g/(m3?d)；但隨著碳源的逐漸分解，不穩(wěn)定碳源的滲透系數(shù)明顯減小。Schipper等[2]研究發(fā)現(xiàn)，在 24個(gè)月的研究期內(nèi)，玉米芯填料對(duì)氮素的去除率是木質(zhì)填料的6.5倍，但玉米芯的滲透系數(shù)下降的更為明顯。因此，使用碳氮比低的材料，如玉米秸稈等對(duì)排水中的氮污染物比木質(zhì)填料有更高的去除率，但是碳源的消耗速度較快，需要更為頻繁的補(bǔ)給或更換。

除了化學(xué)性質(zhì)之外，生物反應(yīng)器填充材料的物理性質(zhì)（包括孔隙率、粒徑級(jí)配和滲透系數(shù)）也很重要，并且隨時(shí)間發(fā)生變化。木屑的孔隙度一般在0.6～0.86之間[8]，稻殼為 0.75～0.8之間。增加含水量和填充密度都會(huì)影響填料孔隙度，填料粒徑和形狀變化范圍也很大，如文獻(xiàn)中列出的木屑填料粒徑范圍為6～25 mm[8]。一些研究使用粗質(zhì)材料以獲得更好的流動(dòng)特性；但試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在水流作用下，填料中的細(xì)小物質(zhì)被沖走，導(dǎo)致孔隙度和滲透系數(shù)發(fā)生變化[17]。有研究建議，向木屑填料中添加礫石，以便提高孔隙度，但使其均勻混合有一定難度[32]。

除氮生物反應(yīng)器介質(zhì)的滲透系數(shù)是重要的物理參數(shù)之一。Cameron等[23]對(duì)木質(zhì)材料的滲透系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，變化范圍從0.35 cm/s（鋸末）到11.6 cm/s（61 mm木屑）不等。隨著時(shí)間的推移，反應(yīng)器內(nèi)的滲透系數(shù)會(huì)因?yàn)樯锬さ男纬啥鴾p小[17,24]。盡管實(shí)驗(yàn)室研究中測(cè)試了不同碳介質(zhì)對(duì)的去除潛力以及水力性能，但對(duì)于較大規(guī)模的實(shí)地應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)所需的目標(biāo)去除率，這些指標(biāo)的可靠度還有待驗(yàn)證。這是因?yàn)樵谛〕叨仍囼?yàn)中，溶解氧含量不穩(wěn)定對(duì)污染物去除率有影響。另外，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間較短，通常少于 6個(gè)月。大田應(yīng)用中，隨著不穩(wěn)定碳的減少，去除率會(huì)隨時(shí)間下降。所以，短期試驗(yàn)的結(jié)果不足以評(píng)估除氮生物反應(yīng)器對(duì)污染物去除率的長(zhǎng)期可持續(xù)性。目前推薦的做法是對(duì)實(shí)驗(yàn)室研究中確定的填充材料進(jìn)行大田試驗(yàn)至少一年時(shí)間，然后選擇合適的碳源介質(zhì)。

4 大田生物反應(yīng)器的安裝與使用年限

大田生物反應(yīng)器的安裝需要考慮可用空間、排水流量以及入流和出流位置等實(shí)際情況。安裝細(xì)節(jié)通常包括：在生物反應(yīng)器水流的入口和出口處設(shè)置排水流量控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行導(dǎo)流，根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸開挖溝槽后，鋪設(shè)不透水土工膜防止排水下滲，連接入流、出流管道，然后填充碳源介質(zhì)至指定高度，并在上部加蓋土工布，最后回填一定厚度的土壤來恢復(fù)原有地貌。在生物反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行防水襯砌的目的是防止排水入流外滲，保證反應(yīng)器內(nèi)部水質(zhì)凈化過程的正常進(jìn)行。雖然介質(zhì)的導(dǎo)水性一般高于周圍土壤，大田環(huán)境的不確定性很難保證水流正常通過反應(yīng)器。即使在較為黏重的土壤條件下，Woli等[9]觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，未采取防水襯砌的生物反應(yīng)器不能正常出流。生物反應(yīng)器上部覆蓋土壤一般是用來防止填料的沉降，同時(shí)也有利于緩解生物反應(yīng)器中N2O氣體的排放。在土地資源稀缺的情況，用土壤覆蓋后的生物反應(yīng)器上方仍可用來種植作物，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益的最大化。由于不同地區(qū)在氣象、土壤與農(nóng)作等方面差異較大，大田生物反應(yīng)器的安裝與運(yùn)行需要因地制宜的進(jìn)行設(shè)計(jì)和管理。

生物反應(yīng)器的使用壽命取決于碳源的類型和農(nóng)田排水過程等多種因素[8]。Blowes等[12]指出，生物反應(yīng)器系統(tǒng)的壽命是有限的，其取決于填充材料的質(zhì)量，內(nèi)部反應(yīng)速率以及填料的物理特性（孔隙度和滲透率）。其他微生物過程也會(huì)影響生物反應(yīng)器的使用期限，如硫酸鹽的還原，部分溶解的有機(jī)碳浸出等?；诎胨テ诨蛱紦p失的化學(xué)計(jì)量顯示，木屑填料的生物反應(yīng)器壽命可達(dá)到數(shù)十年以上[10]。一些研究顯示，盡管反硝化過程消耗碳源，在反應(yīng)器運(yùn)行的前幾年，碳源衰減并不明顯。Moorman等[36]發(fā)現(xiàn)，使用年限達(dá)9 a的木屑生物反應(yīng)器中碳源損失量?jī)H為 13%。當(dāng)反應(yīng)器中水飽和時(shí)，固體碳源的分解非常緩慢。在大多數(shù)情況下，碳分解的速率是比較緩慢的，相對(duì)于輸入的量，存在著大量可供消耗的碳源。Schipper等[37]觀察發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)生物反應(yīng)器7 a的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，濃度更多影響著反應(yīng)，碳源對(duì)反應(yīng)的影響甚微。Jaynes等[6]研究發(fā)現(xiàn)，一個(gè)反硝化生物反應(yīng)器系統(tǒng)工作的前2 a內(nèi)，其對(duì)的去除率超過60%，在接下來的6 a中，去除率略高于50%。Moorman等[36]監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在生物反應(yīng)器內(nèi)不飽和界面的木屑由于氧化作用在最初8 a呈指數(shù)速度分解，8 a后碳介質(zhì)剩下25%，計(jì)算的半衰期為4.6 a；而淹沒在生物反應(yīng)器內(nèi)較深處的木屑，超過80%的碳介質(zhì)依然存在，計(jì)算的半衰期為36.6 a。反硝化生物反應(yīng)器中的碳源介質(zhì)如果消耗過快，其經(jīng)濟(jì)可行性就較差。所以選用持久有效的填料，延長(zhǎng)生物反應(yīng)器的使用壽命也是生物反應(yīng)器研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

5 運(yùn)行效果監(jiān)測(cè)

無(wú)論是實(shí)驗(yàn)室研究還是大田試驗(yàn)，生物反應(yīng)器的水質(zhì)凈化效果及反應(yīng)機(jī)理都需要通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析。除了對(duì)流量過程以及水質(zhì)變化的監(jiān)測(cè)以外，還需要測(cè)量溶解氧濃度（DO，dissolved oxygen）、溫度、pH值和氧化還原電位（ORP，oxidation-reduction potential）等環(huán)境指標(biāo)。這些參數(shù)可以反映生物反應(yīng)器內(nèi)部的反應(yīng)動(dòng)態(tài)，比如溫度會(huì)影響微生物的反應(yīng)活性，pH值會(huì)隨著反硝化反應(yīng)的進(jìn)行而升高[8]。因?yàn)榉聪趸^程是一種厭氧反應(yīng)，反應(yīng)器內(nèi)部DO值的變化可以指示系統(tǒng)環(huán)境是否達(dá)到缺氧的條件。但在較小尺度的試驗(yàn)中，因?yàn)檫M(jìn)水很容易受到干擾，DO很難控制。為此，測(cè)量氧化還原電位可以檢驗(yàn)反應(yīng)器內(nèi)部是否達(dá)到反硝化的條件。由于不同電子受體（如硝酸鹽、硫酸鹽）的還原能力不同，ORP可以更好地用于監(jiān)測(cè)反應(yīng)器內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)的狀態(tài)。在一些較為復(fù)雜的研究當(dāng)中，研究人員采用了諸如檢測(cè)反硝化酶活性(DEA，denitrifying enzyme activity)，穩(wěn)定同位素（15N）和氣體監(jiān)測(cè)等技術(shù)來監(jiān)測(cè)反硝化過程[38]。一般情況下，對(duì)于生物反應(yīng)器功能最簡(jiǎn)單的表征是監(jiān)測(cè)入流濃度和出流濃度并進(jìn)行比較。由于生物反應(yīng)器入流受到降雨產(chǎn)流過程的控制，現(xiàn)有研究中對(duì)于水質(zhì)監(jiān)測(cè)的取樣頻率差異較大，大田監(jiān)測(cè)往往從幾天到幾個(gè)月不等。對(duì)于其他監(jiān)測(cè)指標(biāo)如生化需氧量、總磷、氨氮和可溶性有機(jī)碳等，一般進(jìn)行低頻率的樣本分析。對(duì)于水質(zhì)取樣時(shí)間，Van Driel等[7]建議在降雨事件發(fā)生的48 h內(nèi)不取樣，以免稀釋樣本；為了獲取更高頻率的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，有條件的監(jiān)測(cè)研究中可使用高頻自動(dòng)取樣器，以便捕捉突發(fā)降雨事件的影響。

6 應(yīng)用潛力分析

中國(guó)南方平原地處氣候濕潤(rùn)區(qū)，稻麥輪作是較為普遍的耕作方式；水稻生長(zhǎng)季與雨季重合，但隨機(jī)發(fā)生的降雨事件常常干擾相對(duì)穩(wěn)定的水稻灌溉制度，形成大量排水及污染物輸出的不利現(xiàn)象。經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)的南方地區(qū)土地資源稀缺，利用生物反應(yīng)器這種占地少、效果好的水質(zhì)凈化方法可以有效降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)水環(huán)境的不利影響。如上所述，南方水稻種植區(qū)生長(zhǎng)季氣候溫暖，有利于生物反應(yīng)器內(nèi)部的反應(yīng)過程迅速進(jìn)行。水稻生長(zhǎng)季是排水高峰期，排水流量相對(duì)穩(wěn)定。羅紈等在江蘇揚(yáng)州沿運(yùn)灌區(qū)的觀測(cè)結(jié)果顯示，稻作期平均最大排水流量為5 mm/d[39]，排水中 NON質(zhì)量濃度變化范圍為 0.1～20 mg/L。濃度變化范圍大主要受施肥活動(dòng)的影響；在施肥后有針對(duì)性地進(jìn)行排水控制與污染物凈化處理，可以顯著降低農(nóng)田排水中氮排放量。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于生物反應(yīng)器的最佳設(shè)計(jì)尚未達(dá)成共識(shí)，生物反應(yīng)器的工作效率受到許多因素的影響，但主要因素為水力停留時(shí)間和溫度。國(guó)外的研究者采用不同的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了一系列尺寸的生物反應(yīng)器，處理效果不一。對(duì)生物反應(yīng)器的田間性能參數(shù)展開具體試驗(yàn)才能更好的指導(dǎo)其設(shè)計(jì)工作。由于國(guó)內(nèi)尚未有大規(guī)模的田間試驗(yàn)，生物反應(yīng)器實(shí)際的性能與大小還需要開展具體的試點(diǎn)工作。Verma等[14]將生物反應(yīng)器占地面積與處理區(qū)域的效率相關(guān)聯(lián)，得到反應(yīng)器性能與面積的關(guān)系曲線。因此，本文運(yùn)用類似的方法對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)中發(fā)表的部分相關(guān)數(shù)據(jù)以及作者自己的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析，得到了不同水力停留時(shí)間下的生物反應(yīng)器對(duì)氮素的削減率，如圖1所示。

圖1 基于不同研究結(jié)果的生物反應(yīng)器對(duì)NON去除率與水力停留時(shí)間的回歸關(guān)系曲線Fig.1 Regression between NO3--N removal rate and hydraulic retention time in bioreactors based on different studies

根據(jù)圖1中的關(guān)系，當(dāng)水力停留時(shí)間為HRT0，所需生物反應(yīng)器的飽和體積為

式中Q為排水總流量，m3/d，可由以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

式中q為排水模數(shù)，m/d；A為排水農(nóng)田面積，hm2。

通過上述計(jì)算方法，結(jié)合上述揚(yáng)州沿運(yùn)灌區(qū)農(nóng)田排水的實(shí)際狀況，以每公頃土地排水流量為50 m3/d計(jì)算，可得不同目標(biāo)削減率條件下，所需的生物反應(yīng)器占地面積，結(jié)果如圖 2所示。假設(shè)生物反應(yīng)器填料的填充深度為 1 m，那么達(dá)到 50%氮素削減率所需的表面積為11.67 m2，即安裝生物反應(yīng)器所需占用的土地面積約為排水農(nóng)田面積的0.117%。

圖2 江蘇揚(yáng)州沿運(yùn)灌區(qū)每公頃排水農(nóng)田所需生物反應(yīng)器占地面積與氮素目標(biāo)削減率之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between bioreactor area per hectare farmland and target nitrogen reduction rate in Yanyun Irrigation Area in Yangzhou, Jiangsu, China

上述計(jì)算結(jié)果表明，生物反應(yīng)器可以在占用少量土地面積的條件下，有效去除農(nóng)田排水中的氮污染物，是一種經(jīng)濟(jì)有效的排水凈化裝置。根據(jù)南方平原區(qū)農(nóng)業(yè)水文與氣象特點(diǎn)，合理設(shè)置除氮生物反應(yīng)器進(jìn)行排水水質(zhì)凈化，可以有效控制農(nóng)田排水面源污染，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)區(qū)域水環(huán)境的不利影響。

7 結(jié) 論

農(nóng)田生物反應(yīng)器技術(shù)是一種簡(jiǎn)單高效且維護(hù)成本低的排水污染控制方法；近年來，利用農(nóng)田除氮生物反應(yīng)器來削減排水中氮污染物的理論與應(yīng)用研究呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；研究結(jié)果都肯定了這一水質(zhì)凈化技術(shù)在農(nóng)業(yè)面源污染控制中的積極作用。本文回顧了國(guó)內(nèi)外對(duì)生物反應(yīng)器除氮效果的研究進(jìn)展，并分析了生物反應(yīng)器在中國(guó)南方平原應(yīng)用的潛力，得到如下結(jié)論：

1）農(nóng)田除氮生物反應(yīng)器運(yùn)行效果受到排水過程的制約，不同地區(qū)水文氣象條件的差異要求因地制宜，合理調(diào)控排水入流，優(yōu)化反應(yīng)器的除氮效果；

2）生物反應(yīng)器碳源介質(zhì)物理特性以及可持久性影響其經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，合理利用木屑、稻殼等廢棄物來填充反應(yīng)器可獲得更好的處理效果。如何保證填料的水力通透性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是仍需進(jìn)一步研究的問題；

3）生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)尺寸決定了其處理能力。如何根據(jù)區(qū)域農(nóng)田排水規(guī)律合理確定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，是有效控制農(nóng)田排水污染的關(guān)鍵。不同地區(qū)需要結(jié)合土地利用情況，以及排水出路等要求合理布置生物反應(yīng)器；

4）除氮生物反應(yīng)器在中國(guó)南方平原具有很好的應(yīng)用前景；生長(zhǎng)季較為穩(wěn)定的排水流量和溫暖的氣候條件都有利于反應(yīng)器的高效運(yùn)行，安裝生物反應(yīng)器所占用的土地面積約為排水農(nóng)田面積的0.117%。