羅 紈，唐揚帆，巫 旺，賈忠華，鄒家榮，洪建權

（揚州大學水利與能源動力工程學院，揚州 225009）

0 引 言

中國是農(nóng)業(yè)大國，每公頃耕地年均使用標準化肥達300 kg，農(nóng)藥的使用量從2004年的138.61萬t上升到2010年的175.82萬t，年平均增長速率為4.48%；而化肥的利用率卻相對較低：氮為30%～60%，磷為2%～25%，鉀為30%～60%[1]。磷肥施入土壤后2個月內(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、地下徑流排放進入接納水體[2]。人為建設的排水系統(tǒng)在滿足農(nóng)田除澇降漬要求的同時，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、相對于降雨事件的施肥時間、降雨強度和排水過程、以及土壤質地和作物類型等。目前，國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，以及建設人工濕地和反硝化生物反應器等生態(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個方面。削減排水量主要是針對目前農(nóng)田排水系統(tǒng)缺乏控制機制，容易出現(xiàn)排水過量，污染物流失嚴重的現(xiàn)象。自20世紀70年代以來，國際上廣泛倡導控制排水措施，即在排水溝（或排水暗管）的出口加筑控制閘或堰來按需調整排水強度，減少排水及污染物輸出。現(xiàn)有研究表明，控制排水可削減氮素輸出40%以上[4]，被譽為一種環(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，反硝化作用會增強，因此可減少硝態(tài)氮的輸出負荷；但目前只有試驗室土柱研究數(shù)據(jù)支持此結論[5]。控制排水大田試驗結果顯示，硝態(tài)氮負荷并未像實驗室研究結果那樣出現(xiàn)顯著降低，原因可能是大田土壤處于厭氧狀態(tài)的時間較短，或受到溫度變化快等因素影響，實際反硝化作用微弱造成的[6]。

為了實現(xiàn)對農(nóng)田排水中氮素濃度的削減，美國和加拿大研究人員借鑒污水處理工藝中的生物反應器技術，將全部或部分排水導流至裝有木屑類碳源介質的生物反應器中，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可的一種水質凈化方式，因為大部分反硝化細菌都是異養(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氣（N2）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 NO過量存在時，碳源作為驅動反硝化過程的因素尤為關鍵。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，有機碳源在反硝化過程中起到 2個關鍵性的作用：首先是提供厭氧環(huán)境，其次作為電子供體進行脫氮[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)有實驗室及大田研究結果都顯示，除氮生物反應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%的氮素負荷量[9]。美國中西部等地近十年的試驗研究都肯定了生物反應器的水質凈化效果，稱其是一種占地面積少且水質凈化效率高的農(nóng)田控污措施[2,8]。

近年來，國內(nèi)學者已經(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用效果。但利用農(nóng)田生物反應器來凈化農(nóng)田排水方面的研究目前還鮮有報道。鑒于中國人均耕地面積少，化肥農(nóng)藥用量大，農(nóng)業(yè)排水面源污染嚴重的現(xiàn)實情況，本文回顧了國際上對生物反應器凈化農(nóng)田排水的現(xiàn)有研究，對影響生物反應器效果的不同因素進行了分析，并根據(jù)部分初步試驗成果，討論了生物反應器的應用潛力及制約因素，旨在為中國農(nóng)田排水污染治理提供理論依據(jù)與技術支撐。

1 大田除氮生物反應器凈化農(nóng)田排水的原理與效果

目前有多種水質凈化裝置使用固體碳源來增強脫氮作用，它們被統(tǒng)稱為生物反應器。大田使用的生物反應器包括“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，具有很好的導水性，有利于地下徑流的通過[2]。試驗結果顯示，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。在中國，Liu等[11]開展了在排水溝中設置不同的有機物屏障（organic channel barriers）來攔截污染物的試驗研究；試驗選取了 3種碳源介質：稻殼、松木鋸末和活性炭與＜1 mm石英砂的混合物；結果表明，稻殼介質去除NHN的效果最明顯，平均去除率達到了73%；而對于NON污染物的去除，稻殼介質也優(yōu)于其他 2種介質，去除率高達92%。表 1列出了不同研究得到的生物反應器除氮效果；可見，無論是室內(nèi)試驗還是大田觀測結果，不同尺寸的生物反應器對排水中的硝態(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)反應器的流量與濃度削減2個因素；水力停留時間是影響濃度削減的一個重要因素。

表1 不同尺寸及入流特征對生物反應器NON削減率的影響研究結果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生物反應器NON削減率的影響研究結果Table1 Reported NON reduction rate through bioreactors of different sizes and flow characteristics

數(shù)據(jù)出處Data source生物反應器體積Bioreactor size/m3 NO3--N入流質量濃度Inflow NO3--N content/(mg?L-1)水力停留時間Hydraulic retention time NO3--N削減（濃度或負荷）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%負荷削減Woli等，2010[9] 76.9 2.8～18.9 26 min～2.8 h 23%～50%負荷削減大田試驗Field-scale studies Christianson，2012[8] 102 7.7～9.6 - 49%～57%負荷削減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%負荷削減Chun等，2009[17] 0.30 10.4～33.7 2.6～12 h 10%～40%濃度削減實驗室試驗Laboratory-scale studies Greenan等，2009[18] 0.01 50 9.8, 3.7, 2.8, 2.1 d 100%，64%，52%，30%負荷削減

2 影響生物反應器除氮效果的因素

2.1 水力停留時間

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

由于生物反應器安裝在排水通道上，其填充介質的水力性能顯得尤為重要；若生物反應器的介質滲透系數(shù)過小，置于排水通道上時就可能影響水流的正常通行[20]。Robertson等[21]研究發(fā)現(xiàn)，由木屑介質填充的生物反應器滲透系數(shù)高達100 m/d。農(nóng)田排水系統(tǒng)會經(jīng)歷低流量或停水期，停水期過后重啟生物反應器仍能正常運行。但是，突發(fā)的排水事件或排水流量過大會減少水力停留時間，降低反應器對污染物的去除性能[15]。與穩(wěn)定流量的生物反應器相比，水力停留時間相同的情況下，流量波動較大的生物反應器運行性能較差[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)律來合理確定進入生物反應器的處理流量以及水力停留時間是應用生物反應器技術需要進一步研究的內(nèi)容。

2.2 環(huán)境溫度

2.3 內(nèi)部反應動力學

2.4 微生物與反硝化反應

反硝化細菌在自然界很常見，生物反應器不需要進行復雜的微生物接種[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器中繁殖[16]。去除NON的一個關鍵因素是碳源對于反硝化菌的可利用性，若存在與反硝化菌競爭的其他微生物時，反硝化過程便會受到影響。Warneke等[27]發(fā)現(xiàn)木質填料中的反硝化菌含量高于玉米芯填料，這表明玉米介質生物反應器中更多的碳被非反硝化菌所利用。地下水或農(nóng)業(yè)排水中具有相對較高的溶解氧濃度，若水流在生物反應器中的停留時間較短，好氧微生物便會與反硝化菌發(fā)生競爭關系，好氧菌對碳的消耗量可能會超過反硝化菌的消耗量，影響生物反應器對氮素的去除效率[28]。如 Healy等[29]的試驗研究發(fā)現(xiàn)，由于較高的溶解氧質量濃度（3.7～7.3 mg/L）和較短的水力停留時間，反硝化床只去除了少量的運行性能較差。在排水和地下水中還常常存在硫酸鹽，在滿足還原反應的條件下，硫酸鹽也可以充當電子受體。不過，反硝化細菌的競爭性優(yōu)于硫酸鹽還原菌[30]，只有在已基本耗盡的情況下，硫酸鹽的還原反應才開始發(fā)生。因此，當水力停留時間過長，生物反應器內(nèi)的消耗殆盡時，有可能產(chǎn)生其他一些有害的副產(chǎn)物，如硫化氫等。所以，對排水流量過程的調控是保證生物反應器正常運行的一個關鍵因素。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小；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，生物反應器如何能夠以經(jīng)濟有效的方式運行值得深入研究。

3 農(nóng)田生物反應器的設計要素

3.1 生物反應器的尺寸

使用大田生物反應器凈化排水需要考慮的一個重要問題是設計流量。因受到降雨隨機性的影響，農(nóng)田排水流量在一年之中呈動態(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)濟角度考慮，按最大流量來設計反應器是不可行的。在較早開展生物反應器應用研究的美國中西部地區(qū)，各州提出了自己的設計參考方法；例如，Christianson等[8]在確定生物反應器尺寸時，根據(jù)排水流量峰值及選定的一個水力停留時間，取峰值流量的某一定比例作為生物反應器的設計處理能力。Moorman等[31]根據(jù)排水溝基流估算農(nóng)田排水流量，然后利用流量歷時曲線（flow duration curves）和負荷歷時曲線（load duration curves）計算了污染物輸出負荷；結果發(fā)現(xiàn)，占流域總面積0.27%的生物反應器每年可減少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)域設置約9.3 m2的生物反應器，可以實現(xiàn)60%的負荷削減。Wildman設計了一個根據(jù)排水面積與排水模數(shù)估算生物反應器尺寸的計算表格[32]；但這 2個參數(shù)在實際當中存在一定的不確定性，尤其是在排水系統(tǒng)分布較為復雜的地區(qū)。由于各地氣象、土壤以及種植結構等方面的差異，現(xiàn)有各類設計方法都不具有普適性；不同排水條件下大田生物反應器的設計方法仍需要進一步研究和探討。

除了體積大小以外，現(xiàn)有研究對于生物反應器的代替結構也做了部分探討；例如，Jaynes等[6]在排水管線的兩側使用了一種混合式的反硝化墻作為被動的處理技術；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器，并在下游設置了防淤層和護堤。在其他的一些試點試驗中，研究人員設計了不同截面形狀的生物反應器，如矩形、梯形和正方形。不過，觀察到的不同截面生物反應器的處理效果無明顯差異，在中試規(guī)模條件下均可達到30%～70%的負荷削減[15]。此外，還有一些研究人員嘗試在生物反應器中添加擋板或者并聯(lián)生物反應器來提高水質凈化效果，結果發(fā)現(xiàn)，污染物削減得到了不同程度的提高[8]。但上述設想只有適用于農(nóng)田尺度，才能取得真正的效果。對于農(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)實際情況，將生物反應器與人工濕地，控制排水等措施相結合，綜合處理，改善排水水質。

3.2 碳源填料的選擇

選擇何種碳源對于生物反應器來說尤為重要，因為填料的性質決定了生物反應器的水質凈化作用及使用壽命。Robertson等[33]指出反應器填料的選擇應基于其成本、孔隙率、碳氮比和使用壽命。因此，對于不同地區(qū)，填充材料的可獲得性是一個重要的考慮因素。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、堅果外殼和稻殼等。大田生物反應器試驗中主要使用木屑作為碳源，這是因為木屑成本較低，具有高碳氮比（30:1～300:1）[34]，且使用壽命比較長。也有一部分試驗采用了其他類型的碳介質；例如，Shao等[35]使用麥稈和稻殼作為生物反應器碳源介質，并發(fā)現(xiàn)的去除率高于木質介質削減量最高可達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個月的研究期內(nèi)，玉米芯填料對氮素的去除率是木質填料的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，如玉米秸稈等對排水中的氮污染物比木質填料有更高的去除率，但是碳源的消耗速度較快，需要更為頻繁的補給或更換。

除了化學性質之外，生物反應器填充材料的物理性質（包括孔隙率、粒徑級配和滲透系數(shù)）也很重要，并且隨時間發(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影響填料孔隙度，填料粒徑和形狀變化范圍也很大，如文獻中列出的木屑填料粒徑范圍為6～25 mm[8]。一些研究使用粗質材料以獲得更好的流動特性；但試驗中發(fā)現(xiàn)，在水流作用下，填料中的細小物質被沖走，導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]。

除氮生物反應器介質的滲透系數(shù)是重要的物理參數(shù)之一。Cameron等[23]對木質材料的滲透系數(shù)進行了測量，變化范圍從0.35 cm/s（鋸末）到11.6 cm/s（61 mm木屑）不等。隨著時間的推移，反應器內(nèi)的滲透系數(shù)會因為生物膜的形成而減小[17,24]。盡管實驗室研究中測試了不同碳介質對的去除潛力以及水力性能，但對于較大規(guī)模的實地應用，實現(xiàn)所需的目標去除率，這些指標的可靠度還有待驗證。這是因為在小尺度試驗中，溶解氧含量不穩(wěn)定對污染物去除率有影響。另外，實驗室試驗的持續(xù)時間較短，通常少于 6個月。大田應用中，隨著不穩(wěn)定碳的減少，去除率會隨時間下降。所以，短期試驗的結果不足以評估除氮生物反應器對污染物去除率的長期可持續(xù)性。目前推薦的做法是對實驗室研究中確定的填充材料進行大田試驗至少一年時間，然后選擇合適的碳源介質。

4 大田生物反應器的安裝與使用年限

大田生物反應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際情況。安裝細節(jié)通常包括：在生物反應器水流的入口和出口處設置排水流量控制結構進行導流，根據(jù)設計尺寸開挖溝槽后，鋪設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原有地貌。在生物反應器內(nèi)進行防水襯砌的目的是防止排水入流外滲，保證反應器內(nèi)部水質凈化過程的正常進行。雖然介質的導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器。即使在較為黏重的土壤條件下，Woli等[9]觀測發(fā)現(xiàn)，未采取防水襯砌的生物反應器不能正常出流。生物反應器上部覆蓋土壤一般是用來防止填料的沉降，同時也有利于緩解生物反應器中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器上方仍可用來種植作物，達到經(jīng)濟效益的最大化。由于不同地區(qū)在氣象、土壤與農(nóng)作等方面差異較大，大田生物反應器的安裝與運行需要因地制宜的進行設計和管理。

生物反應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，生物反應器系統(tǒng)的壽命是有限的，其取決于填充材料的質量，內(nèi)部反應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影響生物反應器的使用期限，如硫酸鹽的還原，部分溶解的有機碳浸出等?；诎胨テ诨蛱紦p失的化學計量顯示，木屑填料的生物反應器壽命可達到數(shù)十年以上[10]。一些研究顯示，盡管反硝化過程消耗碳源，在反應器運行的前幾年，碳源衰減并不明顯。Moorman等[36]發(fā)現(xiàn)，使用年限達9 a的木屑生物反應器中碳源損失量僅為 13%。當反應器中水飽和時，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)，在一個生物反應器7 a的運行時間內(nèi)，濃度更多影響著反應，碳源對反應的影響甚微。Jaynes等[6]研究發(fā)現(xiàn)，一個反硝化生物反應器系統(tǒng)工作的前2 a內(nèi)，其對的去除率超過60%，在接下來的6 a中，去除率略高于50%。Moorman等[36]監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在生物反應器內(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后碳介質剩下25%，計算的半衰期為4.6 a；而淹沒在生物反應器內(nèi)較深處的木屑，超過80%的碳介質依然存在，計算的半衰期為36.6 a。反硝化生物反應器中的碳源介質如果消耗過快，其經(jīng)濟可行性就較差。所以選用持久有效的填料，延長生物反應器的使用壽命也是生物反應器研究的一項重要內(nèi)容。

5 運行效果監(jiān)測

無論是實驗室研究還是大田試驗，生物反應器的水質凈化效果及反應機理都需要通過實時監(jiān)測來進行評價和分析。除了對流量過程以及水質變化的監(jiān)測以外，還需要測量溶解氧濃度（DO，dissolved oxygen）、溫度、pH值和氧化還原電位（ORP，oxidation-reduction potential）等環(huán)境指標。這些參數(shù)可以反映生物反應器內(nèi)部的反應動態(tài)，比如溫度會影響微生物的反應活性，pH值會隨著反硝化反應的進行而升高[8]。因為反硝化過程是一種厭氧反應，反應器內(nèi)部DO值的變化可以指示系統(tǒng)環(huán)境是否達到缺氧的條件。但在較小尺度的試驗中，因為進水很容易受到干擾，DO很難控制。為此，測量氧化還原電位可以檢驗反應器內(nèi)部是否達到反硝化的條件。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)測反應器內(nèi)部發(fā)生反應的狀態(tài)。在一些較為復雜的研究當中，研究人員采用了諸如檢測反硝化酶活性(DEA，denitrifying enzyme activity)，穩(wěn)定同位素（15N）和氣體監(jiān)測等技術來監(jiān)測反硝化過程[38]。一般情況下，對于生物反應器功能最簡單的表征是監(jiān)測入流濃度和出流濃度并進行比較。由于生物反應器入流受到降雨產(chǎn)流過程的控制，現(xiàn)有研究中對于水質監(jiān)測的取樣頻率差異較大，大田監(jiān)測往往從幾天到幾個月不等。對于其他監(jiān)測指標如生化需氧量、總磷、氨氮和可溶性有機碳等，一般進行低頻率的樣本分析。對于水質取樣時間，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)測數(shù)據(jù)，有條件的監(jiān)測研究中可使用高頻自動取樣器，以便捕捉突發(fā)降雨事件的影響。

6 應用潛力分析

中國南方平原地處氣候濕潤區(qū)，稻麥輪作是較為普遍的耕作方式；水稻生長季與雨季重合，但隨機發(fā)生的降雨事件常常干擾相對穩(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)濟相對發(fā)達的南方地區(qū)土地資源稀缺，利用生物反應器這種占地少、效果好的水質凈化方法可以有效降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對水環(huán)境的不利影響。如上所述，南方水稻種植區(qū)生長季氣候溫暖，有利于生物反應器內(nèi)部的反應過程迅速進行。水稻生長季是排水高峰期，排水流量相對穩(wěn)定。羅紈等在江蘇揚州沿運灌區(qū)的觀測結果顯示，稻作期平均最大排水流量為5 mm/d[39]，排水中 NON質量濃度變化范圍為 0.1～20 mg/L。濃度變化范圍大主要受施肥活動的影響；在施肥后有針對性地進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。

目前國內(nèi)外對于生物反應器的最佳設計尚未達成共識，生物反應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間和溫度。國外的研究者采用不同的設計方法設計了一系列尺寸的生物反應器，處理效果不一。對生物反應器的田間性能參數(shù)展開具體試驗才能更好的指導其設計工作。由于國內(nèi)尚未有大規(guī)模的田間試驗，生物反應器實際的性能與大小還需要開展具體的試點工作。Verma等[14]將生物反應器占地面積與處理區(qū)域的效率相關聯(lián)，得到反應器性能與面積的關系曲線。因此，本文運用類似的方法對現(xiàn)有文獻中發(fā)表的部分相關數(shù)據(jù)以及作者自己的觀測數(shù)據(jù)進行了回歸分析，得到了不同水力停留時間下的生物反應器對氮素的削減率，如圖1所示。

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

根據(jù)圖1中的關系，當水力停留時間為HRT0，所需生物反應器的飽和體積為

式中Q為排水總流量，m3/d，可由以下經(jīng)驗公式計算

式中q為排水模數(shù)，m/d；A為排水農(nóng)田面積，hm2。

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

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

上述計算結果表明，生物反應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，合理設置除氮生物反應器進行排水水質凈化，可以有效控制農(nóng)田排水面源污染，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對區(qū)域水環(huán)境的不利影響。

7 結 論

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

1）農(nóng)田除氮生物反應器運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，合理調控排水入流，優(yōu)化反應器的除氮效果；

2）生物反應器碳源介質物理特性以及可持久性影響其經(jīng)濟實用性，合理利用木屑、稻殼等廢棄物來填充反應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構穩(wěn)定性是仍需進一步研究的問題；

3）生物反應器設計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)律合理確定設計標準，是有效控制農(nóng)田排水污染的關鍵。不同地區(qū)需要結合土地利用情況，以及排水出路等要求合理布置生物反應器；

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