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为解决农业排水中硝酸盐污染问题，研究人员开展 “长期评估德国北部气候下反硝化生物反应器处理农业排水效果” 的研究。结果显示，其平均硝酸盐去除效率 59% 、去除率 5.5 g N m?3 d?1，还能除磷但会释放有机碳。该研究为农业排水治理提供依据。
在广袤的农业大地上，土壤排水系统就像隐藏在地下的 “毛细血管”，对农作物生长意义重大。在德国，大约 16% 的农业用地都依赖于地下瓦管排水系统。它能改善土壤通气和湿度条件，助力农作物茁壮成长。但事物都有两面性，这个排水系统在发挥积极作用的同时，也带来了大麻烦。它会把农田里的硝酸盐等营养物质快速输送到地表水，导致水体富营养化。比如在德国东北部的梅克伦堡 - 前波莫瑞州，据估算，流入该州地表水的总氮中，有 66% 都来自瓦管排水，最终这些氮流入波罗的海，严重破坏了海洋生态环境。
为了实现欧洲水框架指令中 “良好生态状态” 的目标，减少硝酸盐流入水体迫在眉睫。可减少农田氮盈余并非易事，可能需要几十年才能看到地表水体的改善。于是，技术末端治理方案成为了研究热点。其中，反硝化生物反应器作为一种有潜力的技术，受到了众多研究人员的关注。它就像是一个装满 “魔法材料”（通常是木片）的人工沟渠，能把排水中的硝酸盐转化为气态氮，从而减少污染。不过，之前对它的研究大多时间较短，而且很少在德国北部这样的气候条件下进行。
在这样的背景下，德国的研究人员开展了一项长期研究，旨在评估反硝化生物反应器在德国北部水文气候条件下长期去除硝酸盐的能力，分析排水流经反应器时磷的变化情况，以及评估反应器对总有机碳（TOC）释放的影响。该研究成果发表在《Ecological Engineering》上，为解决农业排水污染问题提供了重要参考。
研究人员在德国东北部罗斯托克市附近的一个 2.9 公顷的瓦管排水农田旁，安装了一个反硝化生物反应器。它长 20 米、宽 3.75 米、深 2.2 米，体积为 104.5 立方米，里面装满了粒径在 5.6 - 31.5 毫米的木片。为了全面了解反应器的运行情况，研究人员采用了多种关键技术方法。他们通过现场气象站，以 15 分钟为间隔记录降水、气温和反应器内水温；利用电磁流量计测量水流，用特定仪器记录水位；每周至少两次采集进水和出水水样，并运用离子色谱法测定硝酸盐含量，用光度法测定溶解活性磷（DRP）和总磷（TP），通过专门的分析仪测量 TOC。此外，还使用相关软件计算溶质负荷、水力停留时间（HRT）、去除效率和去除率等关键指标。
下面来看看具体的研究结果。
3.1 水文气象
德国北部的气温呈现明显的季节性变化，夏季炎热，冬季寒冷。反应器内的水温在排水季节的平均值为 4.9 - 7.6°C，一直高于气温。每月平均降水量为 53 毫米，排水季节通常从 11 月持续到次年 4 月。受天气影响，处理的水量波动很大，2018/19 排水季只有 248 立方米，而 2019/20 排水季则达到 1417 立方米。整个研究期间，总流入量（6634 立方米）略高于流出量（6118 立方米），说明反应器内存在一定的蒸发损失。
3.2 硝酸盐去除及控制因素
反应器入口处的硝酸盐浓度变化有规律，通常在排水季开始时达到峰值，之后逐渐下降。出口处的硝酸盐浓度始终低于入口，这表明反应器一直在发挥去除硝酸盐的作用。不同排水季的硝酸盐去除效率在 6% - 91% 之间波动，平均为 59%；去除率平均为 5.5 g N m?3 d?1 。研究发现，HRT 对反应器性能影响显著，HRT 越长，硝酸盐去除效率越高，但去除率不受 HRT 影响。此外，硝酸盐输入负荷也会影响去除效率，输入负荷越高，去除效率越低。有趣的是，虽然以往研究认为水温会影响硝酸盐去除，但在本研究中，4 - 9°C 的水温并未对反硝化过程产生明显影响。
3.3 磷保留
TP 的进水浓度一直很低，出水浓度更低，这主要是因为 DRP 浓度下降。研究数据显示，78% 的进水 TP 由 DRP 组成，而出水 TP 中 DRP 的占比为 56%。反应器对 TP 的去除效果明显，平均负荷降低了 61%。反硝化生物反应器在运行初期可能会释放磷，但随着时间推移会转变为磷汇，这与其他研究结果一致。
3.4 有机碳释放
反应器出口的 TOC 浓度明显高于入口，这表明反应器是 TOC 的净来源。虽然 TOC 与硝酸盐去除之间的因果关系尚不明确，但高 TOC 浓度可能有助于在低温下提高硝酸盐去除率。
3.5 成本效益分析
该生物反应器安装成本为 25000 欧元，购买木片花费 3000 欧元。经计算，去除 1 千克氮的成本为 236.9 欧元，相比其他研究，成本较高，这主要是因为该反应器用于科学研究，配备了大型混凝土竖井等设备。
综合研究结果和讨论部分，这项研究意义重大。反硝化生物反应器在减少农业排水中的硝酸盐污染方面表现出色，即使在德国北部寒冷的气候条件下，也能保持较高的硝酸盐去除效率，同时还能有效去除磷。不过，它也存在释放有机碳的问题，这需要在未来的研究中进一步优化。研究还明确了 HRT 对反应器性能的重要性，为后续优化管理提供了关键依据。未来，通过改进反应器设计和管理实践，有望更好地发挥其在农业排水污染治理中的作用，助力实现水生态保护和可持续土地管理的目标。
