溪流式木屑反硝化生物反应器的设计与性能研究：农业排水处理中的协同效益与温室气体排放

为解决农业排水导致的氮磷污染及病原微生物扩散问题，研究人员针对450 m3 大型溪流式木屑反硝化生物反应器（WDB）开展多目标效能评估。研究发现该WDB能有效去除总磷（TP，17.5 kg）和溶解性活性磷（DRP，8.1 kg），并对大肠杆菌（E. coli）和弯曲杆菌（Campylobacter）分别实现0.98-log和1.23-log的去除率，同时揭示了温室气体（N2 O和CH4 ）排放与水力滞留时间的关联性，为农业面源污染综合治理提供了重要技术参考。

　　

农业排水中的氮磷流失和病原微生物扩散已成为全球性环境挑战。传统农田排水直接汇入水体后，硝酸盐（NO₃
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）引发富营养化，磷（P）加剧藻类爆发，而大肠杆菌（E. coli）和弯曲杆菌（Campylobacter）等病原体则威胁饮用水安全。尽管木屑反硝化生物反应器（Woodchip Denitrifying Bioreactors, WDBs）已被证实能通过微生物介导的反硝化作用将硝酸盐转化为惰性氮气（N₂
），但其对磷和病原体的协同去除效能及温室气体（GHGs）排放风险仍缺乏系统评估。

针对这一科学空白，新西兰环境科学研究院（ESR）联合乳业协会（DairyNZ）的研究团队在《Ecological Engineering》发表了一项开创性研究。他们在南岛巴克溪流域的奶牛场排水渠中，设计建造了容积达450 m³
的溪流式WDB，通过25个月的连续监测，首次全面解析了这类大型反应器的多污染物协同处理效能与污染置换效应。

研究团队采用多学科交叉方法：通过每月采样分析进出水磷形态（TP、DRP）和病原菌（E. coli、Campylobacter）浓度；结合气相色谱测定N₂
O和CH₄
通量；利用稳定同位素示踪区分反硝化路径；并建立水力停留时间（HRT）与污染物去除率的量化模型。所有数据均通过Spearman相关性分析和季节性Kendall检验验证。

研究结果揭示以下关键发现：

1. 磷去除的动态平衡
尽管运行初期出现短暂磷释放（源于木屑浸出），该WDB整体表现为净磷汇，累计去除TP 17.5 kg和DRP 8.1 kg。DRP去除效率与进水浓度呈正相关（r=0.97），低HRT条件下吸附-解吸平衡的打破可能导致间歇性磷释放。

2. 病原微生物的差异截留
弯曲杆菌（1.23-log）比大肠杆菌（0.98-log）表现出更强的去除率，这与两者细胞壁结构差异导致的吸附能力不同有关。温度对去除效率的影响低于预期，12.3°C中位水温下仍保持稳定效能。

3. 温室气体的季节性排放
WDB作为GHGs净排放源，4%的硝酸盐氮转化为N₂
O排放，且低温促进N₂
O产生（不完全反硝化）；而CH₄
排放则与温度显著正相关（夏季排放量占全年67%），反映产甲烷菌的活性受热力学调控。

4. 水力性能衰减的潜在风险
随着运行时间延长，WDB等效水力传导率下降69%，伴随CH₄
排放量上升，暗示孔隙堵塞导致的厌氧微环境扩大可能加剧污染置换效应。

结论与展望
该研究证实大型溪流式WDB能同步实现氮磷去除和病原体控制，但需权衡GHGs排放代价。创新性提出HRT调控可作为优化运行的关键参数——适当缩短HRT可能抑制CH₄
生成而不显著影响脱氮效率。研究为第二代WDB设计提供了重要启示：① 添加磷吸附材料（如改性生物炭）可增强磷固定能力；② 分层填充不同粒径木屑有望延缓水力性能衰减；③ 需开发针对Campylobacter的特异性监测指标。这些发现对全球农业面源污染治理技术的标准化发展具有里程碑意义。