3工程21（2023）214研究反硝化生物反应器综述Meta分析揭示反硝化生物反应器中基质去除硝酸盐的全球意义Yuchuan Fana，b，Jie Zhuanga，c，Michael Essingtona，Sindhu Jagadammaa，John Schwartzd，JaehoonLeea，Jianga田纳西大学生物系统工程和土壤科学，诺克斯维尔，田纳西州37996，美国b佛罗里达大学大沼泽地研究和教育中心，贝尔格雷德，佛罗里达州33430，美国c田纳西大学环境生物技术中心，诺克斯维尔，田纳西州37996，美国d田纳西大学土木和环境工程，诺克斯维尔，田纳西州37996，美国阿提奇莱因福奥文章历史记录：2021年5月31日收到2021年10月13日修订2022年8月1日接受2022年11月21日在线提供保留字：反硝化生物反应器基质硝酸盐去除Meta分析环境影响成本分析A B S T R A C T反硝化生物反应器（DNBR）被广泛用于减少农业排水中过量的硝酸盐它们的性能取决于基材的物理和化学性质常见的底物类型已在以前的研究中进行了部分综述然而，很少有研究试图确定一个普遍的模式，在硝酸盐去除的基质类型的作用本研究使用从63篇同行评审文章中收集的数据集总结了41种类型的底物，其中包括219个独立的DNBR单位。基质分为四类：①天然碳（NC），如木屑;②非天然碳（NNC），如可生物降解的聚合物（例如，聚己内酯（PCL），和废物（例如，纸板）;③无机材料（IM），例如非碳材料（例如，氧化铁）;和多组分材料（SiO2），如上述材料的混合物通过硝酸盐去除率（NRR; N去除（g·m-3·d-1））和硝酸盐去除效率（NRE）的荟萃分析对这些材料进行本研究综述了基质性能（NRR和NRE）、潜在机制、污染交换和成本分析。我们的分析表明，木屑和玉米芯是最具成本效益的基板之间的NC。通过对所有基质的比较，推荐MM基质为最佳基质，尤其是木屑基和玉米芯基基质，这两种基质具有很大的改进潜力。该分析可以帮助优化DNBR的设计，以满足用户的环境，经济和实用要求©2022 The Bottoms.Elsevier LTD代表中国工程院出版，高等教育出版社有限公司。这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。1. 介绍地下水位拦截地下水流[8，9]。从介质中释放的有效碳支持反硝化作用，其中硝酸盐来自农业生态系统和下水道的过量氮（N）是农业和城市系统中的一个严重问题，（NO通过一系列的中间氮[1]，造成富营养化，藻类水华，鱼类死亡，并对生态系统造成潜在的破坏此外，地表水和地下水中的高氮浓度可能会增加人类高铁血红蛋白血症[2]、致突变性、致畸性和出生缺陷的风险[3]。为了解决这个问题，在过去的二十年中，由于其长寿命（10-15年）[5，6]和较低的投资成本[7]，净化生物反应器（DNBR）（也称为净化床或净化壁）被认为是最可持续和最具成本效益的方法之一[4]现场DNBR通常通过将有机碳（C）源（通常是锯屑或木片）填充在位于DNBR下方的屏障中来构建。*通讯作者。电子邮件地址：jhlee@utk.edu（J. Lee）。用于改善DNBR功能的底物类型一直是深入研究的主题在DNBR开发的初始阶段，木质材料（如树皮、木屑和锯末）被用作C的主要来源[10后来，农业废物-包括玉米棒[15，16]，小麦秸秆[17，18]，水稻[19]，棉花[20，21]，玉米秸秆[22]，玉米秸秆[16]，针叶树[23]、大麦秆[24，25]、树叶[23]和绿色废弃物[26，27]被用作天然碳源。然而，木质材料由于其可持续性和耐久性而仍然是优选的[9]。许多研究都集中在通过添加辅助材料来改善木屑衍生的DNBR（Woodchip+），如沙子[13]，钢铁副产品[28]，生物炭[29，30]，贝壳[31]，乙酸盐[32]，粉煤灰颗粒[33]，沼泽植物群和马铃薯[34]。此外，本发明还提供了一种方法，https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.08.0172095-8099/©2022 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可从ScienceDirect获取目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engY. Fan，J.Zhuang，M.，中国昆明种植物志Essington等人工程21（2023）214215在实验室中研究了非天然碳（NNC）源，包括合成碳、生物炭[35，36]和纸板[24，25]合成C的类型包括聚己内酯（PCL）[37- 39]、聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚-3-羟基丁酸（PHB）[37，39]和聚-3-羟基丁酸酯-共-羟基戊酸酯（PHBV）.这些材料可以将NRR增加到约400 g·m-3·d-1 [40]。研究还使用了多种材料的混合物，包括各种NC或其他工业和农业废物。例如，木屑、硫（S）颗粒和沸石[41]或木屑、玉米芯和改性椰壳纤维[32]的组合产生了可接受的NRR。硝酸盐去除机理对DNBR的性能至关重要大多数研究都集中在异养硝化（HD）上，它通过硝化细菌将硝酸盐转化为氮气[42然而，取决于底物类型，可能涉及其他机制，例如自养反硝化作用（AD）[46，47]、异化硝酸盐还原为氨（DNRA）[48]、将亚硝酸盐和铵结合成氮气的厌氧氨氧化（anammox）[49]和化学反硝化作用（化学反硝化作用; CD）[50]。主导硝酸盐还原机制是基质类型的函数。然而，很少有研究试图获得一个普遍的模式，在硝酸盐去除的基板的作用。除了各种基底的硝酸盐去除性能之外，基底的成本在实际应用中起着关键作用。在美国中西部，DNBR的安装成本通常在6940至11820美元之间[51]。一般而言，氮去除成本效率范围为0.54至48.00 USD/kg（kg/a）-1，具体取决于生物反应器的尺寸、类型、基质和位置[52]。然而，大多数成本报告都集中在木片上，而不是其他基材上。在这篇综述中，我们比较了各种基质的性能和去除机制，旨在帮助从业者研究人员选择最佳材料作为DNBR的介质。总体而言，尽管这些底物已在先前研究中部分综述[53]，但尚未对其性能进行定量评价。在这里，我们回顾了DNBR中各种基质的硝酸盐去除性能。我们的具体目标是开发一种基质分类，评估不同基质的NRR和NRE，总结硝酸盐去除机制，并总结使用DNBR的环境和经济影响。2. 材料和方法2.1. 数据汇编根据图1（a）流程图中描述的方法，从已发表的文章中汇编数据。其中与“反硝化床”有关的有14篇在过去的二十年里，与这些主题相关的出版物数量稳步增加（图1）。 1（b））。大部分发表的文章来自美国，其次是中国，然后是新西兰。本综述中使用的研究数据使用GetData Graph Digitizer软件（德国）从文章中提取在某些情况下，间接计算了缺失的信息我们总共从63篇同行评审文章中收集了10179组原始数据，并将其编译在Microsoft Excel中。在编辑信息时，我们包括每个壁、床或实验室柱生物反应器单元的以下内容：作者、出版年份、文章标题、期刊标题、地点、测量次数（n）、介质类型、尺寸、流速、介质年龄、水力停留时间（HRT）、进水硝酸盐浓度（Cin）、温度、溶解有机碳（DOC）浓度、溶解氧（DO）、pH值、有效孔隙度、NRR、NRE和相关标准偏差（SD）。批次实验Fig. 1. (a)（b）过去一年出版的DNBR文章数目。PRB：可渗透反应墙;VT：进水量;T：温度;NRE：硝酸盐去除效率;NRR：硝酸盐去除率;q：有效孔隙度;HRT：水力停留时间;DO：溶解氧;DOC：溶解有机碳。Y. Fan，J.Zhuang，M.，中国昆明种植物志Essington等人工程21（2023）214216ð Þ由于缺少水流部分，数据库中未列入部分2.2. 生物反应器类型DNBR也被称为反硝化床、反硝化墙或可渗透反应屏障（PRB）[26]。DNBR的概念设计如图2所示，包括实验室柱（图2）。 2（a）），实验室生物反应器（图 2（b）），外地床（图。 2（c）），和场墙（图。 2（d））。实验室柱和生物反应器广泛用于含硝酸盐的合成进水的实验室规模研究[4，54]。田间苗床一般都有内衬，并放置在瓷砖排水容器两侧的沟渠中浅层地下水的上部1小部分（0.5%）的DNBR基质，包括黄铁矿、砂和无定形氧化铁。MM组被亚组为木屑+（27.9%）和玉米芯衍生的DNBR（玉米芯+）（4.6%），因为大多数骨髓瘤是木屑或玉米芯衍生的。在大多数研究中，土壤被用作基质的添加剂;然而，在分类系统中，土壤被认为是一种独立的材料或对照类别。2.4. 基质效应采用Meta分析方法分析了不同基质对NRR和NRE去除硝酸盐的影响。[55]NRR[55]和NRE[19]计算如下：VTNin-N out水的流动，以消除多余的水[9]。沿地下水流路径安装田间墙，以拦截含硝酸盐的地下水[8]。2.3. 生物反应器底物NRR¼NRE¼VBR×t100VN输入-N输出2中N图3显示了用于定义和区分不同基质类型的分类系统。该系统将各种DNBR基质分为四个主要组：NC、NNC、无机材料（IM）和MM。DNBR中使用的材料比例为61.2% NC、4.1% NNC、0.5% IM、32.9%MM和32.9% MM。1.3%土为对照组。NC组由来自农业系统的材料组成，包括木屑、麦秸、稻草、大麦秸、玉米芯、玉米秸秆、玉米秸秆、棉花、绿色废弃物、树叶、松树针叶和大型植物残留物。在NC组中使用木屑的比例最高（45.8%），NC组进一步分为硬木和软木组。NNC组主要由人工化学和物理降解酶组成，包括可生物降解的聚合物（例如，PHB、PCL和PBS）和废物以及其他副产物（例如， 纸板和生物炭）。 IM仅构成其中VT为进水体积（m3），Nin和Nout为流入和流出硝酸盐浓度（mg·L荟萃分析是一种广泛使用的工具，它提供了变量差异可比性的指示。在本研究中，对不同研究的NRR和NRE进行了调查，并根据其效应量进行了比较[8]。效应量反映了每项研究的治疗效应的大小和方向[56]，包括比值比、相对风险、风险差、加权平均差（WMD）和标准化平均差（SMD）[57，58]。在本研究中，我们选择WMD作为效应量指标，因为我们的数据（NRR和NRE）是具有共同单位（g/cm-3/d-1或百分比）的连续变量因此，与SMD等无单位术语相比，使用WMD（有单位）更容易解释结果[56]。 大规模杀伤性武器是基于三个参数：①平均值（平均NRR图二、四个净化生物反应器的概念方案，包括（a）实验室柱，（b）实验室生物反应器，（c）田间床和（d）田间墙。Y. Fan，J.Zhuang，M.，中国昆明种植物志Essington等人工程21（2023）214217和NRE）; ② SD;和③测量次数（n）。上述信息也可用于对照治疗（即，在DNBR中没有底物的NRR和NRE）。然而，从已发表文章中收集的数据并不总是包括对照处理，因此我们根据Addy等人设定的值设定了我们的对照NRR值（0.1 g·m-3·d-1; SD：0.01）[8]。对照NRE设定为1%，SD设定为0.01。每个DNBR（墙、床和实验室柱）被定义为一个单元。基于我们建立的数据库，我们计算了平均NRR和NRE值，相关的SD值，并以每个DNBR的n为单位进行荟萃分析。如图所示在表1中，我们指定了基质类别（主要组：NNC、NC、助剂、木片+、木材来源、鳞片和碳氮比）。C/N比是基质中碳的质量与氮的质量的比率以前的研究报道了基质的C/N比范围很广，因此我们将培养基C/N比大致分为两类：> 100和> 100。<一百为了说明对NRR和NRE的缩放效应，将DNBR系统分为实验室和现场规模类别;所得组和亚组总结见表1。此外，木质纤维素指数（LCI）被用作指标为了描述天然C源中的C质量（例如，木片）。LCI计算如下[16]：P木质素其中P表示木质素或纤维素干重的百分比。我们使用了随机效应模型，该模型考虑了研究之间的方法差异和单个研究中的抽样误差。对95%置信区间（95% CI）进行偏倚校正，并通过自举法（即，抽样替换），在平均效应量上进行999次迭代。所有荟萃分析均使用STATA（版本16; StataCorp，USA）软件进行。我们的荟萃分析结果的森林图在Microsoft Excel中构建。按NRR和NRE效应量划分的荟萃分析类别的详细信息见附录A中的表S1许多纳入的研究没有报告其生物反应器中材料的年龄，因此没有足够的数据根据某些非生物因素（包括实验规模和持续时间）区分不同基质的硝酸盐去除效果。因此，荟萃分析的平均值不一定用于设计目的，而是可以用作不同基质之间的相对比较。2.5.成本分析为了评估基板LCI¼P 木质素纤维素ð3Þ基质价格（美元/立方米）除以NRR作为基质的经济分析图三. DNBR中底物的分类基于对来自63篇同行评审文章的219项生物反应器研究的综述。基质分为五大类：NC、NNC、IM、MM和土壤。在NC组中，木片的单一基质可分为硬木或软木。MM组包括Woodchips+、Corncobs+等。W：木片; CC：玉米棒; Woodchip+：木片加辅助碳源; Corncobs+：玉米棒加辅助碳源。土壤作为对照组。括号中的数字代表所涉及研究的百分比Y. Fan，J.Zhuang，M.，中国昆明种植物志Essington等人工程21（2023）2142181/4i表1荟萃分析评估的参数类别内的数据范围组别类别（生物反应器单元）NC（138）NNC 10）中文（简体）中国（61）土壤（4）NNC生物降解聚合物（5）废弃物和副产品（5）NC木片（99）稻草（6）小麦秸秆（3）玉米棒（10）玉米秸秆（2）绿色废弃物（4）稻草（8）松针（3）植物残渣（3）辅助木片（99）Woodchip+（53）玉米棒（10）玉米棒+（10）木工刨削+W + NC（5）W + NNC（35）W +IM（12）木材来源硬木（38）软木（35）天平实验室（67）领域（32）C/N比100（42）> 100（103）含有天然有机碳，含有大量微生物，可作为微生物接种物处理。尽管NNC的NRR大于其他组，但其差异较大，这主要归因于所报告的具有高值的可生物降解聚合物和具有较低NRR的纸板3.1.1. 通过NC在NC组中，NRR效应大小依次为：玉米芯（19.9g·m-3·d-1）>玉米秸秆（13.6g·m-3·d-1）>水生植物残体（12.7g·m-3·d-1）>绿色废弃物>麦秸（8.3 g·m-3·dNRE效应大小按降序排列：松针（98%）>树叶（91%）>水生植物残留物（81%）>大麦秸（71%）>木屑（59%）>玉米芯（52%）>小麦秸秆（47%）=绿色废物（47%）>稻草（38%）>玉米秸秆（28%）（图4（d））。这些NC来源由于其可及性和低成本而作为基材流行[9]。许多研究考察了NC材料去除农业排水中硝酸盐的性能 。 Healy 等 人 。 [25] 记 录 了 NC 来 源 的 NRE ， 包 括 Lodge 松 针（75%），大麦秸秆（74%）和Lodge松木片（70%）。Cameron和Schip- per [26]比较了几个NC，并将NRR从最高到最低排序：玉米芯（15.00-19.8）g/cm-3/d-1）>绿色废物（7.810.5 g·m-3·d 除松针和玉米秸秆外，上述NRR和NRE结果与我们的结果一致。在我们的评估中，这些NC的性能显著不同，可能SubEcoNRRi价格我ð4Þ这是由于HRT、N负荷率和实验持续时间的差异。木屑是报告最多的NC材料，NRR为95，其中，NRR i表示第i个底物，单位为NRR（g m-3 d-1），Price i表示第i个底物的市场价格，单位为USD m-3。SubEco代表基质经济指数，单位为N（g/d-1）。更大的SubEco意味着该基质作为介质更具成本效益。由于基板价格因地点及时间而异，我们使用了通过搜索在线市场获得的2021年美国成本范围（附录A表S6）。这一统计数字可以根据当地市场重新计算。3. 结果和讨论3.1. 不同基质类别如图 NRR效应量大小顺序为NNC（369.9 g·m-3·d-1）> MM（11.1 g·m-3·d-1）> NC（8.1 g·m-3·d对于NRE，排序为NNC（79%）> NC（58%）=MM（58%）> IM（54%）>土壤（37%）（图4（b））。底物组的总体平均NRR和NRE分别为9.6 g·m-3·d-1和58%。NNC培养基显示出最大的NRR和NRE，因为NNC含有可生物降解的聚合物，并且可能比NC组中的C更容易分解，NC组中的C含有大量的难消化的C物质。此外，生物可降解聚合物通常用于处理富含硝酸盐的浓缩水，例如循环水产养殖系统[37]和废水[39]。较高的NRR通常表明需要更频繁的底物补充，也就是说，当从底物向微生物提供更快的C时，C消耗得更快。因此，生物可降解聚合物（NNC）显示出比其他基板更大的NRR。相反，土壤具有最低的NRR和NRE值。在大多数情况下，DNBR中的土壤是一种混合物，86篇引用木片产生中间NRR和NRE值，这可以被关联与低C释放（0.130.53 mg·g·L-1）[59]和低表面积（2.7 m2·g-1）[25]，与其他NC相同（图4（c）和（d））。大多数NC显示出比木片更大的NRR，但木质介质由于其稳定性和可持续性[8]以及其成本、传导性、寿命和C/N比[9]而更优选。如图5所示，软木的NRR效应大小大于硬木（p0.05）（图5（a））。然而，硬木和软木的NRE效应大小没有显著差异（图5（b））。平均NRR效果尺寸的软木和硬木是10.5和3.9g·m-3·d-1（图 5（a））。先前的研究表明，在DNBR的前十个月，软木的NRR大于硬木[8，26]。这一结果可能是由于木材密度对碳分解的间接影响[8]。尽管硬木的密度较高，预计会比软木提供更多的C，但由于软木的密度较低，分解过程中氧的注入量较大，因此C更容易从软木中释放出来[60]。3.1.2. NNC脱硝就NNC而言，生物可降解聚合物呈现出比纸板高得多的NRR（图4（e））。相比之下，纸板的NRE大于生物可降解聚合物（图4（f）;p0.05）。聚合物基质产生更大NRR和更低NRE的可能原因是，与其他研究中使用的硝酸盐负荷率相比，出现此类基质的DNBR研究使用了更高的硝酸盐负荷率（38.8NRR通常随进水硝酸盐浓度增加而增加[61];然而，如相反，NRE总是随着进水硝酸盐浓度的增加而降低[63]。此外，研究Y. Fan，J.Zhuang，M.，中国昆明种植物志Essington等人工程21（2023）214219见图4。 按（a）主要组、（c）NC、（e）NNC、（g）辅助组和（i）木片+分类的平均NRR。按（b）主要组、（d）NC、（f）NNC、(h)助剂，和（j）木片+。括号内的数字表示分析中使用的该类别中的DNBR装置数量误差条表示95% CI。灰色虚线表示主研究组中效应量的平均值聚合物可以在实验室规模的生物反应器中通过同时硝化和反硝化处理硝酸盐和铵[39，64]。结合起来，这些过程产生比使用传统C源时更高的NRR值（例如，木片），其仅依赖于HD。纸板已经被研究作为DNBR中的基材，主要是由于其相对高的表面积[2565]《易经》：“以物养物，以物养物。尽管报告了纸板的较低NRR值[24]，但相对于木屑和大麦秆，该基材产生更高的NRE值[25]。与可生物降解的聚合物相比，纸板具有较低的NRR性能。然而，由于其低成本和回收能力，纸板可能有潜力成为现实世界应用中的基材。Y. Fan，J.Zhuang，M.，中国昆明种植物志Essington等人工程21（2023）214220图五.按（a）木材类型、（c）C/N比和（e）尺度分类的平均NRR效应大小。按（b）木材类型、（d）C/N比和（f）尺度分类的平均NRE。括号内的数字表示分析中使用的该类别中的DNBR装置数量误差条表示95% CI。灰色虚线表示主研究组中效应量的平均值其他NNC来源，如生物炭[65]，作为DNBR中的唯一底物并不常见然而，生物炭的性能与改善的微生物栖息地[66]和增加的营养保留能力[35]相关，因此生物炭被广泛用作Woodchip+的辅助材料，以改善NRR[29，36]。3.1.3. 通过离子膜很少有IM被报道为DNBR底物。我们只能找到一份关于使用黄铁矿作为唯一基质通过AD去除硝酸盐的报告[46]。如图4（a）所示，与NNC、NIM和NC相比，IM的NRR和NRE最低大多数IM在生物反应器中起辅助作用。例如，Hua等人[28]报告说，将钢副产品添加到基于木屑的生物反应器中可以去除硝酸盐和磷酸盐。Li等人[41]将S和沸石一起添加到基于木屑的生物反应器中，其实现了高达86.6%的NRE，并且一半的硝酸盐去除有助于AD。因此，当包括在基于NC的生物反应器中时，IM可能适合作为辅助基质以增加复杂条件下硝酸盐去除的弹性，而不是单独依赖于异养去除。3.1.4. 反硝化脱硝我们的研究表明，在木屑+中添加辅助材料增加了NRR，但玉米芯+除外（图4（g），p> 0.05）。而图4（h）显示添加辅助材料并不增加NRE。此外，将其他NC添加到木片衍生的DNBR（W + NC）中显示出比添加NNC和IM更大的NRR（图4（i））。然而，在木屑+和玉米芯+中添加辅助材料并没有增加NRE（图11）。 4（j））。添加辅助材料对木屑和玉米芯NRR值的不同影响可能是因为玉米芯基质比木屑基质具有更高的有效有机C[16]。预计NRR将随着C含量的增加而增加但这并不是一个线性关系[67]。因此，将额外的C源添加到玉米棒+（其具有较高的C含量和不稳定性）可能对NRR和NRE没有太大影响，与将源添加到具有较低的C含量和不稳定性的木屑+（其具有较低的C含量和不稳定性）相同。C含量和不稳定性。此外，尽管Woodchip+的NRR低于Corncob+，但Woodchip+已被先前的几项研究证实为可持续和稳定的DNBR[5，9，68]。已经对基于木片的DNBR进行了广泛研究[4，12，13，16，32，34，59，68，69];然而，对于哪种辅助材料对于改善木片DNBR中的NRR和NRE最有效，没有达成共识我们的研究表明，相对于添加NNC和IM ，将NC添加到木片DNBR中会导致更大的NRR（图2）。 4（i））。我们推断，这一结果可能是由于更大的可用性的C从另外的NC。一项研究报告说，增加NNC（例如，生物炭）并没有增加NRR[4]，而另一项研究报告说，添加IM（例如，钢铁副产品）去除磷酸盐而不是硝酸盐[28]。我们还研究了通过向Woodchip+中添加辅助材料所各辅料添加量的NRR值依次>砂（1.5 g·m-3·d从高到低的顺序为：钢（90%）>马铃薯（86%）>乙酸钠（84%）>粉煤灰颗粒（73%）>沼泽植物（69%）>沙子（54%）>生物炭（53%）>玉米芯(38%）（图 S1（a））。这些结果表明，辅助源中C的含量和不稳定性以及混合源的选择对MM DNBR的NRR有显著然而，我们发现，在田间试验中的应用是非常罕见的。是Y. Fan，J.Zhuang，M.，中国昆明种植物志Essington等人工程21（2023）214221期望能够根据本地环境和期望的NRR和NRE来定制所述控制器为了实现这些目标，应考虑更多样化的基底，以弥补每个组件材料的不足。例如，将生物炭和青贮饲料渗滤液一起添加到基于木屑的生物反应器中可能是一个双赢的策略。作为工业副产品，生物炭具有较大的表面积，可以为微生物提供良好的栖息地。另外，青贮饲料渗滤液是一种含有丰富碳源的农业废弃物这种组合可以提高木屑生物反应器对硝酸盐的去除效果因此，组合各种基质具有在广泛的环境条件下增加NRR的巨大总的来说，MM衍生的DNBR是最佳选择，因为它能够长期运行，提高硝酸盐去除率，并降低环境风险。3.2. 不同基质去除硝酸盐的机理3.2.1. 通过介质C/N比去除硝酸盐一般来说，木屑和纸板材料具有较高的C/N比（> 100），而单一基质（如大麦秸、小麦秸秆和玉米秸秆）的C/N比所示如图5（c）所示，具有低于100的C/N比的材料具有比具有较高C/N比（> 100）的基材更大的NRR。图5（d）表明C/N比对NRE没有显著影响更具体地说，图6（a）表明，如果旨在优化NRR，则基质C/N比应低于100或高于100300.相比之下，NRE的最佳C/N比在100和200之间（图6（b））。到目前为止，不可能确定最佳C/N比。观察到的具有较高C/N比的材料的NRR降低可能是由于木屑和纸板的影响;这些材料具有较低的分解速率，因为C源主要由纤维素、半纤维素和木质素组成[70]。木质素比半纤维素和纤维素更易分解[71]，因此其LCI更大。如表2[25，71- 76]所示这可以解释为什么具有较高C/N比的此类材料产生较低的NRR。此外，已观察到C/N比随时间降低，LCI随时间增加[72]。也有人提出，C/N比对于DNBR的寿命至关重要，并且LCI是C质量指标[16，72]。3.2.2. 硝酸盐去除试验研究如图5（e）和（f），实验室和田间规模的NRR效应量分别为10.6和4.1 g·m-3·d-1，NRE效应量分别为57%和66%。NRR的这种显著差异可能归因于实验室对实验变量的更大控制，例如稳定的较高温度（20 - 25 °C）和较高的硝酸盐负荷（> 10 mg·L-1），而不是自然农业排水系统[9]。此外，实验室研究通常使用图六、（a）NRR效应大小和（b）NRE效应大小对应于基质的C/N比红线是NRR或NRE效应大小与底物C/N比的多项式曲线拟合y表示NRR或NRE效应量;x表示基质的C/N比;R2是决定系数。表2荟萃分析评估的参数类别内的数据范围农业废弃物的化学性质和C/N比的列表，数据来自参考文献。[25，71植物材料化学性质化学成分（%干重）重量）C/N比纤维素半纤维木质素LCI（%）软木23.00-42.0012.00-32.0027.00-32.0030.2-57.0223.80-496.00硬木38.00-51.0017.00-40.0021.00-31.0025.4-57.0223.80-496.00大麦秸秆33.2520.3617.1324.265.70稻草32.0035.7022.3024.855.25麦草34.2023.6813.8819.381.10玉米秸秆61.2019.306.907.941.50玉米芯50.5031.0015.0015.535.00谷物45.00-55.0026.00-32.0016.00-21.0018.4-19.4N.A.纸板20.0020.0016.6028.6208.00不适用：不可用.Y. Fan，J.Zhuang，M.，中国昆明种植物志Essington等人工程21（2023）214222具有更多可降解C的更新鲜的材料并且运行更短的时间[8]。此外，由于其适应稳定的废水性质，长期暴露于合成废水，优势硝化细菌的活性可能变化很大[3]。此外，与合成实验室溶液相比，现场的进水包括具有可变和复杂组成的溶液。也有报道称，较高的盐度会抑制硝酸盐的去除[77]。因此，我们的评估表明，在不同的实验规模下比较DNBR的性能是不可取的，并且现场规模的生物反应器的设计不应仅使用来自短期实验室研究的数据。3.2.3. NRE与NRR的关系一般而言，对于NC和MM类别，NRR随着NRE的增加而增加，如图7所示。 当NRE在20%-80%范围内时，少数NNC和IM样品显示出较高的NRR。然而，当NRE在80%至100%范围内时，所有底物均表现出较大的不确定性。这可能是因为反硝化作用受到进水硝酸盐浓度的限制，或者因为HRT太高，导致NRR值较低。更具体地说，据广泛报道，流入物的硝酸盐浓度是微生物的潜在限制因素[62，78]。 因此，较低的硝酸盐负荷将限制反硝化过程。此外，DNBR的HRT越长，但反硝化反应时间越长。 因此，大多数研究人员报告称，NRR随HRT增加而降低[79]，而NRE随HRT增加而增加[79，80]。迄今为止，在报告DNBR研究时，NRR比NRE使用得更频繁，因为NRR最适合现场研究中的设计目的，而NRE取决于荷载和基底。虽然在过去几年中，NRR一直被提倡作为NRE的替代品[8]，但我们认为这两个指标（NRR和NRE）可以从不同的角度评估DNBR的性能。因此，在今后的研究中应考虑这两个指标。3.2.4. 不同基质DNBR中可能发生的硝酸盐去除机制总结于图8中;它们包括HD、AD、DNRA和anammox。HD和AD机制是最常见的过程，而DNRA、anammox和CD机制是不常见的。更具体地说，HD更可能发生在NC，NNC，和。这些有机化合物释放出C作为去除硝酸盐的主要电子供体。然后，HD反应就会发生如下（其中CH2O表示有机C）：2NO3- + 2.5CH2 O + 2H = N2 + 3.5H2 O +2.5CO25AD机理与HD机理的不同之处在于无机化合物充当电子供体。这些无机化合物-图7.第一次会议。不同底物组的NRR与NRE：（a）NC，（b）NNC，（c）IM和（d）MM。红线代表每个底物组的平均值Y. Fan，J.Zhuang，M.，中国昆明种植物志Essington等人工程21（2023）214223443432223图8.第八条。各种基质（DNBR中的NC、NNC、MM、IM）的机制示意图这些机制包括HD、AD、CD、DNRA和anammox。pounds包括黄铁矿[99]（Eq. (6))、元素S（Eq. (7))和零价铁（ZVI）[59]（Eq. （8））。0.364FeS2 + 0.116CO2 + NO3-+0.821H2O +0.023NH4 + H2O+H2O0.364 Fe（OH）3+ 0.023 C5 H7 O2 N + 0.5 N2 +0.729 SO42-+0.48H61.06NO- + 1.11S + 0.3CO+ 0.785 H！0.5 N +关于DNBR的话题。就我们目前的理解而言，Rambags等人[49]首次报告了厌氧氨氧化发生在DNBR中，该DNBR在木片、椰子壳和砾石填充生物反应器的流入物中接收了弹药和硝酸盐。厌氧氨氧化的先决条件是NO -和NH +的存在然而，在大多数情况下，DNBR用于处理不含NH+的农业排水。因此，我们认为，厌氧氨氧化不用于接受农业径流的生物反应器1.11SO 42- + 1.16HNMR +0.06C5 H7 O2 NNMRNO 3- +4Fe 0 + 10小时！NH4+ + 4Fe2 +3H2 O据报道，DNRA机制发生在DNBR中，所报道的基质包括木屑[48]、覆盖物、针叶树物质、柳树、堆肥、树叶、混合物[23]和木屑-S[41]。DNRA反应如下[81]：NO3-+2CH2O +2H-！NH4+2CO2+H2 O但通常用于工业废水处理。总体而言，需要进一步的研究来调查不同基质在DNBR中有效去除硝酸盐的优点和缺点。3.3. 污染交换先前对DNBR的研究揭示了许多参数的产生，包括化学需氧量（COD）[63]和许多物质，如铵（NH+），磷-这种机制与反硝化作用是竞争性的，特别是在较高浓度的电子供体[82]或有限的硝酸盐下磷酸（PO34）[63]、甲烷（CH4）[91]、CO2[92]和N2O[83]. 因此，当C剂量高时，DNRA是有利的，并且由于额外的C剂量，DNRA可能发生在DNBR与NNC、NC或NNCCD是通过化学过程还原NOFe（II）氧化）[84]：10F e2+2NO3-+12 H！10Fe3+N2+6H2O10根据我们对文献的回顾，在DNBR研究中尚未报告CD。这部分是由于CD需要一个[91]. 对于大多数NC组，包括木片，DOC和可溶性磷（P）是值得关注的问题，特别是在启动阶段[15，63]。Sharrer等人[15]报告称，DNBR运行期间每千克约释放20此外，Rivas等人[63]报告称，在启动阶段，污水中DOC和溶解P升高。另一个问题是收入--NO-的完全反硝化催化例如，发现硝酸盐不能直接3 2在没有催化剂的情况下被Fe（II）还原[85]，例如Cu2+、铁氧化物和氢氧化物或微生物表面[86，87]。与上述机制相比，去除硝酸盐最经济的方法是厌氧氨氧化[88]。它的好处包括减少曝气消耗（60%），有机碳需求（100%），污泥产量（90%）和温室气体（即，N2O和CO2）排放量[89]。厌氧氨氧化细菌已被证实是一类化能自养细菌，其利用CO2作为C源[90]：NH4+1.32NO2-+0.066HCO3-+0.13H2O！1.02 N2 + 0.26 NO3- +0.066CH2 O0： 5 N0： 15 +2.03 H2 O11氮虽然一些研究已经报道了自然和人工环境中的厌氧氨氧化[89]，但很少有研究被证实。[93]第93话一些研究人员报告说，添加生物炭可以减少N2O的损失[30].此外，其他NC来源（如玉米芯）将导致流出物中C和N2 O的增加，以及非发酵剂的大量C消耗[44]。NNC材料可能是高风险材料，其可能导致二次污染，从而造成环境风险。例如，据报道，纸板排放温室气体CH4（1 g CH4带来的温室气体效应等于296 g m- 2 d此外，可生物降解的聚合物具有在流出物中产生颜色的问题[44]。在IM中，元素S用作AD过程的电子供体它不溶于水，无毒，在正常条件下稳定。S氧化的主要缺点是产生硫酸盐和酸[41]：Y. Fan，J.Zhuang，M.，中国昆明种植物志Essington等人工程21（2023）2142241.1S + NO3-+0.76H2O +0.4CO2 + 0.08NH4 +H2O0.08C 5 H 7 O 2 N + 1.1SO 42- + 0.5 N2 +1.28 H12 Ω在此过程中产生的酸度可以通过添加石灰石来缓解，但这样做会增加处理水的硬度[94]。ZVI还可以作为AD过程的电子供体。在这种情况下，不期望的污染物是铵，并且非生物反应如方程式2所示。(8)[95].MM组基板可能存在上述所有问题。值得关注的是，添加额外的碳源可能会过度增加生物反应器中有机碳的释放，而添加植物来源的有机材料热解产生的活性碳，在保持反硝化作用的同时大大减少了有机碳的损失[96]。3.4. 成本分析我们的荟萃分析表明，NNC和TNM的NRR和NRE均高于NC（图1和图2）。 4（a）和（b））。然而，NNC的成本限制了它在现实世界中的应用.例如，可生物降解的聚合物（PBS，PLA和PCL）的成本为3至10美元/kg[64]，使其不值得在农业实践中使用。到目前为止，大多数现场DNBR成本分析都集中在木片上，很少有其他基材的报告。Christianson等人[52]最近审查了DNBR的设计、安装和拆除成本。在美国中西部地区，平均设计成本约为7500美元，安装成本为6940 -11820美元，木屑的脱氮成本效率为2.40- 2.50美元15.20 USD/千克-1。相比之下，其他基质的成本效率，如玉米芯和小麦秸秆，在以前的研究中报道不足。基质成本约占在现场建立DNBR的总成本的13%因此，在DNBR施工中，基底的成本是一个需要考虑的重要因素.然而，由于不同地点的成本差异很大，很难评估基板的成本。在这篇综述中，为了比较不同基板的成本效率，我们从网上市场价格（USD 100- 3）中收集了一个粗略的价格范围。因此，我们能够使用SubEco指数（g/d-1）比较不同基质的成本，如图9所示，这表明木屑（软木和硬木）和玉米芯比其他基质更具成本效益。生物降解聚合物和黄铁矿的指数最低，表明它们不太可行，见图9。基质的经济分析。所有价
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