论文标题：Global Significance of Substrates for Nitrate Removal in Denitrifying Bioreactors Revealed by Meta-Analysis

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.08.017

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农业生态系统和污水中过量的氮（N）是世界各地农业和城市体系的一个严重问题，它会导致富营养化、藻类大量繁殖、鱼类死亡，对生态系统具有潜在危害。此外，地表水和地下水中高浓度的氮可能会增加人类患高铁血红蛋白血症、致突变性、致畸性和先天缺陷的风险。为了解决这一问题，反硝化生物反应器（DNBR），也被称为反硝化床或反硝化壁，由于其寿命长（约10~15年）、投资成本低，被认为是过去20年最可持续和最具成本效益的方法之一。在以往的文章中，已经对一部分常见基质做了总结。然而，很少有文章尝试确定基质类型在硝态氮去除中起作用的一般模式。

美国田纳西大学Jaehoon Lee研究团队在中国工程院院刊《Engineering》2023年2月刊发表了题目为《基于元分析揭示全球尺度下反硝化生物反应器中基质材料对硝态氮去除的显著影响》的综述性文章，利用从63篇同行评议文章中收集的数据总结了41种基质类型，包括219个独立DNBR单元。文章将基质分为四类：①天然碳（NC），如木屑；②非天然碳（NNC），如可生物降解聚合物[如聚己内酯（PCL）和废品（如纸板）]；③无机材料（IM），如非碳材料（如氧化铁）；④复合材料（MM），如上述材料的混合物。通过对硝态氮去除速率[NRR，氮去除（g•m^-3•d^-1）]和硝态氮去除效率（NRE，%）的元分析，对这些材料进行比较和评估。文章综合阐述了基质效果（NRR和NRE）、潜在机理、污染交换和成本分析。

图1 四种反硝化生物反应器的概念设计，包括实验室柱（a）、实验室生物反应器（b）、实地床（c）、实地壁（d）。

文章研究结果表明，硝态氮去除率的衡量标准（NRE和NRR）从高到低依次为：NNC>MM>NC>IM。此外，文章发现硝态氮去除率与介质类型、C/N（C/N是指基质中碳的质量与氮的质量之比）和实验规模有关。重要的是，从NRR和NRE来看，每种基质在硝态氮去除效果上的排名顺序不同。因此，在今后的研究中对这两个指标都应加以考虑。

对于同类基质，文章表明，C/N值低于100或高于300可能会产生更大的NRR。而且成本效益指数（SubEco）表明，木屑和玉米芯比其他NC或NNC更经济。此外，在木屑中，与硬木相比，软木的NRR更高，成本更低。综上所述，文章建议使用MM作为去除硝态氮的最佳材料，因为其成本低，并且能够很好地弥补介质缺陷。在使用MM时，在以木屑或玉米芯为基础的DNBR中添加辅助材料或许能够增强反硝化并维持长期运作。同样，元分析给出的平均值不一定用于设计目的，也可以用作不同基质之间的相对比较。在今后的研究中，仍有必要投入更多的精力，发掘各种适合实地应用的基质。

引用信息：Yuchuan Fan, Jie Zhuang, Michael Essington, Sindhu Jagadamma, John Schwartz, Jaehoon Lee. Global Significance of Substrates for Nitrate Removal in Denitrifying Bioreactors Revealed by Meta-Analysis [J]. Engineering, 2023, 21(2): 214-226.

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原文链接：https://www.engineering.org.cn/engi/EN/10.1016/j.eng.2022.08.017

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