在不同环境和管理条件下，大型木屑生物反应器处理地下水中遗留氮素的效果研究

《Journal of Environmental Management》：Performance of a large-scale woodchip bioreactor treating legacy nitrogen in emergent groundwater under varying environmental and management conditions

硝酸盐去除效率受水力停留时间、温度及进水浓度影响，在弗吉尼亚 Shenandoah Valley 构建的首个大型泉源木屑生物反应器中，优化 HRT（<7小时）并控制温度（>12℃）和进水浓度（>7 mg/L）可使去除量达3.8 g N/m3·d?1，四年累计去除氮302 kg，验证了持续饱和条件下稳定运行的可行性。

　　

Sabrina Mehzabin|Kurt Stephenson|Zachary M. Easton

美国弗吉尼亚理工大学生物系统工程系

摘要

人类活动产生的过量氮（N），包括储存在土壤和地下水中的遗留氮，继续对水质造成影响。反硝化生物反应器是一种有效的工具，通过填充木屑的系统促进微生物将硝酸盐（NO₃-N）转化为氮气（N₂），从而减少人工排水系统中的NO₃-N负荷。然而，其在处理新兴地下水中的应用尚未得到充分研究。本研究评估了弗吉尼亚州谢南多厄河谷首个此类大规模生物反应器，该反应器旨在处理硝酸盐浓度为6–10 mg L^?1的泉水。在四年的研究期间，通过调整有效饱和体积系统地改变了生物反应器的水力停留时间（HRT），同时监测了进水与出水中的NO₃-N浓度，并计算了氮负荷去除率（g N m^?3 d^?1）作为主要性能指标。对数线性回归模型显示，当HRT小于7小时、床层温度超过12°C且进水NO₃-N浓度大于7 mg L^?1时，单位生物反应器体积的氮去除率最高（>3.8 g N m³ d^?1）。平均而言，该系统每天可去除0.83 kg氮（每年302 kg）。这些发现表明，优化处理流量而非延长停留时间可以提高生物反应器处理地下水中遗留氮的效果，为设计和管理泉水供应型生物反应器提供了实用指导。

引言

氮（N）是作物生产所需的重要营养素；然而，环境中的过量氮会导致藻类大量繁殖、水体缺氧以及水质恶化（Diaz和Rosenberg，2008；Paerl等人，2016）。尽管农业领域已实施了数十年的最佳管理实践（BMP），但由于当前的氮输入和长期积累的遗留氮，氮向水体的排放问题依然严峻。这些遗留氮在土壤、沉积物和地下水中积累了数年甚至数十年，即使新的氮输入减少后，仍会持续向地表水体释放氮（Easton等人，2025；Kleinman等人，2019；NOE等人，2020；Stackpoole等人，2019）。例如，在切萨皮克湾流域，目前近一半的氮负荷来源于遗留氮（Van Meter和Basu，2017；NRC，2011）。由于地下水流动时间可能从不到一年到数十年不等，美国国家研究委员会（NRC，2011）指出，遗留氮可能会延缓水质的改善。

反硝化生物反应器利用微生物的反硝化作用，在富含碳的基质（通常是木屑）中去除水中的硝酸盐（NO₃-N）。在农业排水系统中，生物反应器已被证明可以去除15–50%的进水NO₃-N，其氮去除率范围为每天每单位生物反应器体积0.5至22克氮（g N m^?3·d^?1）（Addy等人，2016；Bock等人，2015, 2018；Christianson等人，2012, 2017, 2025）。影响氮去除的因素包括床层温度、进水氮浓度、碳可用性、流速和HRT（McGuire等人，2023；Faramarzmanesh，2024）。农业排水系统中的生物反应器通常接收较高浓度的进水氮，常常超过20 mg L^?1（Addy等人，2016）。由于这些生物反应器与农业排水系统水力连接，因此它们通常在季节性变化较大的流量条件下运行：雨季排水持续，而旱季则流量减少或停止。因此，尽管年内的某些时段排水量相对稳定，但处理效果往往不连续。农业排水生物反应器内的温度也更加多变，反映了接近地表的温度分布。这些因素的共同作用表明，较高温度和较高进水氮浓度通常会导致更高的氮去除率（McGurie等人，2023）。然而，排水生物反应器的间歇性流动会限制氮的总去除量，因为生物反应器会周期性地处于干燥状态。在处理泉水、渗流或基流形式的新兴地下水的情况下，NO₃-N浓度和水温通常低于排水系统，但全年更为稳定，流量也更加稳定（Easton等人，2019）。因此，泉水供应型生物反应器可能比拦截周期性农业排水的生物反应器实现更稳定的氮负荷去除。

尽管生物反应器在排水系统中的应用已得到广泛研究，但在非传统条件下（如地下水驱动的系统，其流量稳定且温度变化较小）的应用仍存在知识空白（Hellman等人，2024）。其中一个应用是使用生物反应器处理泉水或渗流中的遗留氮。应用于这些系统的生物反应器通常保持持续饱和状态，流量更稳定，温度变化较小。此外，泉水供应型进水中的NO₃-N浓度通常低于排水系统，这引发了关于在低负荷条件下处理效果的问题。在这些系统中，HRT是最可控的操作参数，但传统建议基于最大化NO₃-N浓度去除率（通常称为“去除效率”）来延长反应器运行时间（Greenan等人，2009；Addy等人，2016；Soupir等人，2018）。然而，要最大化氮质量去除量，需要更深入地了解HRT与其他控制因素之间的相互作用（Christianson等人，2025）。虽然体积去除率（如g N m^?3 d^?1）有助于跨系统比较，但如果将其视为设计目标可能会产生误导，因为小型高负荷系统可能显示出较高的体积去除率，但实际上去除的氮总量较少。最新研究不断深化了对生物反应器长期性能和基质老化的理解，强调了在稳定水文条件下需要多年数据集（Christianson等人，2025；Hellman等人，2024）。

本研究的目的是量化氮负荷、HRT、环境条件与泉水生物反应器氮质量去除性能之间的关系。主要研究焦点之一是确定HRT管理对氮去除率的影响，即每单位生物反应器体积去除的氮质量。同时评估了总氮去除量（kg d^?1），这对于评估流域规模效益、成本效益以及是否符合基于负荷的营养物质减少目标（如TMDLs）非常重要。

部分内容摘录

站点描述和生物反应器设计

2020年夏季，在弗吉尼亚州哈里森堡附近（38.473893, ?78.774883）建造了一个泉水供应型反硝化生物反应器。该地区具有喀斯特水文地质特征，形成了大量由地下水驱动的泉水。美国地质调查局（USGS）2012–2019年的历史流量测量数据显示，泉水流量范围约为460至7000 m³ d^?1，中位流量为3200 m³ d^?1。USGS测得的该泉水中的NO₃-N浓度变化

运行概况和描述性统计

该生物反应器每年去除约302公斤氮，研究期间进水氮负荷减少了21%，平均体积去除率为2.6 g N m^?3 d^?1（表2）。日流量范围为358至978 m³ d^?1（图1，表2），相应的HRT介于3.6至15.4小时之间；HRT的突变（图1）与调整生物反应器饱和体积的五次止水板操作相对应。

高HRT时期（V₁，V₄）对应较低的流量

讨论

本研究证明，泉水供应型木屑生物反应器在各种水力和环境条件下可实现稳定的氮去除。与间歇运行且温度变化较大的排水系统不同，此处评估的泉水供应型系统保持了稳定的流量和温度，从而实现了全年对遗留氮的处理。

结论

本研究首次对连续饱和状态的泉水供应型木屑生物反应器处理新兴地下水中的遗留NO₃-N进行了长期评估。在连续饱和条件下运行时，该生物反应器在温和的温度和流量变化范围内保持了稳定的NO₃-N去除率，四年平均去除量为0.8公斤氮/天，证明了其在季节性和运行条件变化下的可靠性能。

关键性能指标包括HRT等

作者贡献声明

Sabrina Mehzabin：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论、调查、数据分析、数据管理。Kurt Stephenson：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、项目管理、方法论、调查、资金筹集、数据分析、概念构思。Zachary M. Easton：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、监督、项目管理、方法论、调查、资金筹集、数据分析

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

本研究得到了美国农业部国家食品与农业研究所（USDA National Institute of Food and Agriculture）农业与食品研究计划竞争项目（农业经济学与农村社区，项目编号2018-08690）以及弗吉尼亚州环境质量部门（Virginia Department of Environmental Quality）的资助。作者还要感谢弗吉尼亚理工大学的Elyce Buell博士和Dan Fuka博士在样本分析方面的帮助，以及Drew Koslow和Ridge to Reefs公司在设计及安装生物反应器方面的支持（资金来自……）