近几十年来，无土温室栽培已成为全球蔬菜和观赏植物生产的重要组成部分，这主要是由于对新鲜农产品的需求增加以及可耕地面积的减少。目前，全球无土栽培（包括水培、气培和惰性基质系统）的面积估计约为95,000公顷，主要集中在西欧和一些欧盟国家，如荷兰、西班牙、波兰、意大利和法国（Gullino等人，2019年）。在波兰，据估计2023年有近4,552公顷的蔬菜（主要是番茄）在保护设施下种植，随着栽培面积的扩大和生产强度的增加，产生的废水量也在增加（Czarnecka，2024年）。
无土栽培的一个基本特点是需要通过水溶性营养液为植物提供所有必需的营养物质。为了维持最佳生长条件，通常会过量施用营养液，从而产生大量的废水，在园艺实践中这种废水被称为排水水（DW）或水培废水（HW）。通常，HW占施用营养液总量的25–50%（Dy?ko等人，2020年），在番茄栽培中这一比例可能达到4.5–12.6立方米/公顷·天（Prystay和Lo，2001年）。HW的特点是有机物含量低，但溶解矿物质浓度高，尤其是氮（约600毫克氮/升）和磷（约100毫克磷/升），以及高电导率（电导率范围为3.5–7毫西门子/厘米）（Dy?ko等人，2020年；Mielcarek等人，2019年）。这类废水还可能含有大量的钾、钙、镁、硫酸盐和微量营养素，随着时间的推移，还可能导致钠和氯等平衡离子的积累（Malkawi等人，2024年；Savvas和Gruda，2018年）。
HW的管理面临着重大的经济、环境和监管挑战。常用的三种管理策略是：开路系统、闭路系统（循环系统）和级联系统（Mielcarek等人，2019年）。从经济和环境角度来看，闭路系统最为理想，因为它们可以多次循环利用水和营养物质。然而，由于其回收营养液成分的变化、植物病原体的存在以及根系分泌物（包括植物激素）的积累（Putra和Yuliando，2015年），这些系统的实施存在实际限制。因此，这些系统主要用于育苗床和淹没式地板上的育苗，或者在大规模上用于水培生菜的种植，主要在荷兰。即便如此，由于病原体存在（Costa等人，2019年）或盐度增加（Stanghellini等人，2005年）等问题，HW往往仍需从循环系统中移除。在生长季节结束时，即使在闭路系统中，HW最终也必须排放到温室外部。在级联系统中，高需求作物产生的HW被重新用于灌溉低需求作物，如生菜或田间作物，从而进一步利用营养物质并减少环境排放（Karatsivou等人，2023年）。然而，这些系统通常会导致产量降低和作物品质下降（García-Caparrós等人，2018年），并且它们在专注于单一作物生产的专门设施中的实施需要收集、运输和外部利用HW。这些做法引发了关于废水运输和其它实体使用方面的法律问题，在波兰和许多其他国家这些方面尚未受到规范，限制了级联系统的实际应用（Massa等人，2020年）。
在全球范围内，最广泛使用的是开路系统（Dy?ko等人，2020年；Mu?oz等人，2017年），在这种系统中，未经处理的HW直接排放到土壤中，随后进入地下水或地表水。这带来了重大的环境风险，并导致原本可以回收的宝贵水资源和营养物质的损失（Kwon等人，2021年；Massa等人，2020年）。污染物可能通过土壤渗入地下水、井水和地表水，即使距离温室很远（Bre?和Trelka，2015年；Elvanidi等人，2020年）。用于配制新鲜营养液的地下水受到污染会增加生产成本，甚至可能导致生产无法进行。
这些问题促使人们研究在废水排放前的处理方法。然而，关于有效处理废水和达到排放质量标准的最终管理策略的研究仍然有限，现有数据往往零散且不一致（Mielcarek等人，2023b）。挑战在于HW中的高营养物质浓度、高盐度和低有机物含量。以往的研究探索了各种基于自然的解决方案，如人工湿地（Richa等人，2020年；Rozema等人，2014年）、基于Lemna minor的Lemna型系统（Putri和Hung，2020年）以及微藻的使用（Huo等人，2020年；Richa等人，2020年）。还探索了先进的物理化学和生物方法，包括添加外部有机碳源（如甲醇）的活性污泥系统（Kwon等人，2021年）、以有机基质为支持的生物膜反应器（Park等人，2008年），以及使用直流电（Rodziewicz等人，2019年）或交流电（Mielcarek等人，2022年）的系统。
最有前景的研究集中在通过化学沉淀从HW中回收磷（Dunets和Zheng，2014年），这在磷浓度高于12.4毫克磷/升的情况下是技术上可行的（Malkawi等人，2024年）。最近的研究表明，适当的沉淀处理可以重新溶解沉积物，并将回收的营养物质（主要是磷）重新用于施肥（Mielcarek等人，2025年）。然而，迄今为止，沉淀研究主要集中在磷的回收上，而含有高硝酸盐浓度的上清液的处理则被忽视（Tan和Jun，2023年）。
生物系统中的高反硝化效率需要足够的有机碳，通常用COD/N比来表示（Mielcarek等人，2020年）。在高硝酸盐浓度下，反硝化可能会因处理过程中碱度升高导致的pH值增加以及之前的碱化作用而受到抑制（Li和Irvin，2007年）。因此，有效的HW处理必须依靠外部有机碳源和适当的pH控制。柠檬酸是一个合适的基质，因为它不仅提供了易于获取和储存的碳源，还减少了过多的生物量产生（Dhillon等人，2010年；Kargi等人，2005年；Mielcarek等人，2017年）。这种方法还意味着所采用的生物系统必须能够耐受宽范围的pH波动——在添加基质时pH值较低，而在基质利用和反硝化后pH值较高。
本研究的目标是：（1）评估初步碱化对磷回收和废水处理整体效率的影响；（2）评估在COD/N比为2、4和6时，以柠檬酸作为唯一有机碳源的序批式生物膜反应器中的生物处理效果；（3）分析处理动力学和污泥特性；（4）使用宏分类学分析来表征细菌群落的结构；（5）确定操作参数、处理效率与微生物群落结构和活性之间的整体关系。基于这些目标，本研究提出了以下研究问题：（i）初步碱化是否有助于提高磷的回收并改善生物反硝化的稳定性和效率？（ii）当柠檬酸作为唯一外部碳源时，哪些COD/N比可以确保完全和稳定的反硝化？（iii）微生物群落的结构如何响应所采用的处理策略，这种响应如何影响营养物质的去除效率？
这种方法使得可以比较两种HW处理策略：（A）单阶段生物处理；（B）两阶段处理，首先通过碱化进行物理化学沉淀去除污染物，然后再进行生物处理。
