农业排水中的生物反应器最早来源于Blowes等设置了由混合有机物填充而成的桶装反应器，并将其埋在农业排水管的出口端（Blowes等，1994）。随后出现了大量的类似的工作，并将其运用在生活污水（septic system）的处理中（Robertson等，1995），基于以上工作，Waterloo大学设计了一个低维护的反应器来处理生物污水（NitrexTM系统）的系统（Robertson等，2005）。自1996年起，田间尺寸的反硝化墙的研究也在新西兰地区展开（Schipper等，2010）。美国的一项名为“利用渗透反应墙降低因农业生产导致的地下水硝酸盐污染（NITRABAR）”的生活环境规划，其宗旨就是通过建造渗透反应墙来防止地下水硝酸盐污染（Robertson等，2007）。针对农田排水利用的生物反应器大部分已经得到了实际的田间验证，较典型的研究地点有加拿大（Robertson等，2008；Robertson等，2009），新西兰（Schipper等，2004，2005，2010）、澳大利亚（Schipper等，2010）和美国的爱荷华州（Moorman等，2010）、伊利诺伊州（Woli等，2010）、罗德岛（Addy等，2008）和加州（Leverenz等，2010）。在国内，生物反应器的应用主要集中在地下水的反硝化研究应用上。在低C/N的水体中，如果能够利用生物反应器为反硝化微生物提供碳源，能够有效解决水体内硝酸盐污染的问题，且具有经济、环境友好和适合大规模应用的优点（王旭明等，2008）；在饮用水源的硝酸盐去除上，也开展了相关的应用研究（周海红等，2006）。相对于饮用水源和污染地下水的治理，农田排水是农业非点源污染物进入水体的主要传输途径，且会对地下水和地表水环境产生极为不利的影响（王少丽等，2010）。因此，如何结合农田排水特性对生物反应器进行合理利用，是一条可以为减少农田排水对水环境负面影响的新思路。

生物反应器的主要设计思想为利用生物反应器的作用将过多的硝酸盐转化为氮素的气体。最广泛的共识认为，氮消减的主要过程是异养硝化，通过利用碳源将硝酸盐转化为含N气体（Seitzinger等，2006；Rivett等，2008）。在土壤内的反硝化作用一般受到碳源不足的影响，由此可能造成农田排水中硝酸盐含量过高，其中硝酸盐反硝化与氮素的关系式可以表示如下（Moorman等，2010）：

从上式可以看出，反硝化需要依靠氮素的氧化物（如等）作为电子的接受体，反硝化细菌、碳源（如稻草、木屑和有机物等）作为电子的供体，还需要适合的溶解氧的环境（Korom等，1992）。在微观尺度，异养硝化的速率主要由氧气、硝酸盐和碳的浓度控制（Seitzinger等，2006）。可降解碳的可利用性对于硝态氮的反硝化具有重要作用，对于一些污水设施和农业设施中硝态氮过量的情况尤为重要。好氧微生物通过有机物的氧化，将氧气作为电子接受者，反应会一直发生到硝态氮作为电子接受者。因此，有机碳在反硝化作用中具有两个重要的作用，第一是提供了一个厌氧的环境，第二是为反硝化提供了电子（Schipper等，2010）。

由于反硝化过程受到多种限制因素的影响，因此生物反应器中的生物反硝化过程也经常使用动力学方程来进行描述。典型的碳源和硝酸盐浓度下的生物反硝化动力学表达式可以用下式表达（章非绢等，1992）：式中，U为单位面积去除率，单位一般为kg/（m2·d）；Umax为单位面积最大去除速率，单位一般为kg/（m2·d）；KC、CC是外加碳源的饱和系数和出水质量浓度，kg/m3；KN、CN是的饱和系数和出水质量浓度，kg/m3。其中，赖才胜等（2010）用一级反应动力学模型模拟了以PBS为碳源和生物膜载体的反硝化速率，并认为该动力学模型的参数可以用于实际的反应器参数的出水浓度预测。(www.daowen.com)

在反硝化生物反应器的研究中，虽然一般假定传统的异养硝化是去除硝态氮的主要作用，但其他可能影响硝态氮浓度的作用还有固氮作用、硝酸杨异化还原到铵（DNRA）和厌氧氨氧化（Anammox）（Burgin和Hamilton，2007）。在实验室和田间尺度的试验都表明，固氮作用和DNRA的作用都是氮素消减的次要因素（Greenan等，2006），其中Gibert等（2008）发现＜10%的氮消减是来源于DNRA。

在生物反应器的研究中，生物反应器的氮消减速率一般采用“单位体积的反应器每天所消减的硝态氮质量分数”（g·N·m-3·d-1）来表示。实际应用中，为了方便与其他改进措施和系统（如湿地系统）进行比较，也会采用基于单位面积的氮素消减速率。不同布置形式下的生物反应器，可能具有不同的氮消减速率。采用木屑媒介的反硝化床的平均氮消减速率报道为0.62～12.7g·N·m-3·d-1（Robertson等2000；Jaynes等，2008）；相对应的，不受硝态氮浓度限制的反硝化床平均氮消减速率可以达到2.1～10.0g·N·m-3·d-1（van Driel等，2006a；Robertson等，2000），受硝态氮浓度限制的反硝化床的平均氮消减速率为1.4～5.1g·N·m-3·d-1（Schipper等，2010；Robertson等，2005）。