在我国，长期的生产实践表明，农田排水对于防御涝渍灾害、促进农作物正常生长、改善田间耕作管理、促进国民经济发展等方面起着积极的作用。农田排水随气候条件、地理条件、土壤类型、作物种类等的不同而变化（王少丽，2010），因此虽然在美国、加拿大等地区开展了一些生物反应器在田间的应用试验，但结合实际田间农业排水特性的研究仍然需要进一步的开展。

1.生物反应器运行中碳源的选择

在早期的有关碳源的研究中，较为成熟、应用最多的反硝化碳源主要为液态碳源，如甲醇、乙醇、葡萄糖等短链的有机碳，但具有加入量需严格控制、维护手段繁琐等缺点；固态有机碳源具有缓效释放碳源的特点，可持续保证反硝化的进行，其研究逐渐受到人们青睐，应用较少。一般认为，固态有机碳源发挥作用的环境因素需要考虑以下几个因素：可能产生的中间产物是否可能对环境造成不利影响、发挥作用的pH值范围是否合适、氧化还原条件是否满足和流速、温度等反应条件等。

田间尺度的生物反应器一般都采用木质基底作为稳定的碳源，主要是因为木质基底能够更好的低成本的获取，能够获得较高的渗透性，同时也具有很高的碳氮比（30∶1～300∶1）（Gibert等，2008；Vogan，1993）和具有很长时间的持续性（Robertson等，2009）。很多小尺度的实验室的研究对不同碳源情况下的N去除率进行了检验（Gibert等，2008），较高的N去除率（19～105g·N·m-3·d-1）来源于Vogan（1993）和Shao等（2009）的研究中使用纤维素、苜蓿、小麦秸秆、和稻壳等作为碳源。虽然较多的碳源（例如，碎玉米，玉米秸秆，稻草等）可能支持较高的N移除率，但是可能会由于C的较多消耗而需要更加频繁的C的补充。例如，Stewart等（1979）发现富含腐殖质的土壤并不支持对来源于化粪池的长期硝态氮的消减，主要是因为可利用C的快速消减。由于碳结构的下降，很多碳源的饱和水力传导度也会下降，Cameron和Schipper（2010）发现虽然玉米芯能够支撑高达6.5倍的硝态氮的去除率，但是其饱和水力传导度的下降更大。部分研究者从利用农业废物的角度出发，以甘蔗渣、玉米芯、稻草、稻壳、花生壳、木屑6种农业废物作为反硝化碳源和生物膜载体的备选材料进行了研究（邵留等，2011）。

若采用甲醇、乙醇等可溶性碳源存在过量的风险，也对反应器系统的稳定运行和维护提出了较高的要求；而棉花、秸秆等不溶性固体碳源也因为存在碳源释放效率低且成分复杂，在去除水体硝酸盐的同时也容易释出其他的物质进而污染水质，因此部分研究者提倡采用可生物降解的人工合成物质作为生物反应器的碳源（赖才胜等，2010）。与天然植物相比，人工合成物质的反硝化过程可能具有更高的硝酸盐去除率（Oyez B等，2006），且不会向水中浸出有害物质，出水中可溶性有机碳含量低，并且对pH值和溶解氧的冲击负荷适应能力强（周海红等，2006）。

2.生物反应器运行中田间水分管理

由于生物反应器主要是对田间排水进行处理，因此田间的水分管理可能对生物反应器运行的影响需要引起重视。目前较多的生物反应器的应用都是结合现有的农田排水系统来进行设计（Christianson等，2012）。由于过去进行排水系统设计和建造时，农田排水对水环境的负面影响一般考虑较少，有可能出现排水能力过剩、增加污染物的输出等现象，因此需要在农田排水出口处修建控制性建筑物，合理调控田间水分和减少农田污染物的排放。

水力停留时间（HRT）是生物反应器设计中的一个重要因素。Soares等研究了以麦秆作为碳源去除饮用水中硝酸盐，认为流速是控制硝酸盐去除率的重要因素（Soares等，1998）。实验结果还表明：在水是流动的情况下，Softwood可促进反硝化作用，并且硝酸盐清除效果与水流速度有关。在流速为0.3cm3/min处理6.6天，硝酸盐几乎完全被消除（＞96%）；当流速为1.1cm3/min处理1.7天，硝酸盐被消除率为66%（Robertson等，2007）。赖才胜等的研究也表明，反应器对硝酸盐的去除率也随着HRT的延长而提高（赖才胜等，2010）。如果田间的生物反应器以反硝化墙的形式设计，达西流动、饱和水力传导度、水力梯度及地下水流路等是控制硝态氮进入反硝化墙的主要因素。反硝化墙可能与自然的地下水流路垂直，也可能借由较高的饱和水力传导度改变了地下水的流线。反硝化墙的设计中一般要考虑较大的水力传导度（＞10m/d）来大幅改善地下水流速（Schipper等，2010）。

也有研究者认为，田间的水分控制设施需要结合季节的出水特性进行调节，例如，当田间排水流速较快的时候，需要将生物反应器进行调节使得水力停留时间（HRT）延长从而达到较好的硝酸盐去除的效果。因此，需要针对田间排水的水位和流量特性进行生物反应器的设计，以达到最佳的反应效果（Christianson等，2012）。

3.农田排水中盐分对生物反应器运行的影响

由于田间灌溉、排水等水分管理影响和施肥增加，农田排水中含有较高的盐分浓度（陈林等，2013），部分设施种植农田中的淋洗等操作也可能会造成高含量的盐分浓度排水的产生（郑静等，2012）。盐类物质主要会引起排水中渗透压的升高，可能导致微生物细胞的失水或裂解（Jannike等，2006），从而会降低反硝化细菌的活性。在生物反应器中针对盐分可能引起的微生物、有机碳的影响研究较少，但在土壤中的许多研究表明，盐化抑制有机质的降解，碱化促进有机质的降解。Jannike等在盐分梯度土壤中混入玉米秸秆进行室内培养，结果随着盐分浓度增加土壤中颗粒态有机质含量增加，表明玉米分解程度降低（Jannike等，2006），在取土样的同一地区发现有有机质积累的现象，说明盐渍化对土壤有机质的降解过程有抑制作用（Rasul等，2006），这可能是由于微生物量减小，并且其活性受到抑制，使有机质的转化减慢（Mamilov等，2004）。相反，Nelson发现在高度碱化的黏性土壤中，可能由于黏粒较大的比表面积的吸附保护作用，有机质的降解速率降低（Nelson，1997）。Chandra报道随着土壤KCl和K2SO4盐分含量的增加，有机碳的降解量提高（Chandra等，2002）。(www.daowen.com)

由于在生物反应器中，固态碳源的分解需要依赖于部分酶来参与纤维素的分解，因此酶的活性对反应器中生物化学过程的影响需要引起重视。不同类型的酶可能受到盐分不同的影响，康贻军等以菜园土壤作为对照研究了江苏省滨海县滩涂盐碱地土壤生物特征，发现盐碱土过氧化氢酶活性比对照低1.19倍，而脲酶活性却比对照高0.41倍（唐贻军，2007）。另外需要引起重视的是，不同盐分离子可能对土壤中酶的影响也不同，有更宽的水合半径，更易于形成耦合离子，因此两种盐分的潜在渗透势不同，进而对土壤微生物造成影响也不同。Li认为土壤盐分的组成很可能在盐分对土壤碳转化影响的过程中起主要作用（Li等，2006）。低盐分浓度更有利于土壤的硝化与反硝化过程，而高盐分对土壤硝化的抑制率能够超过60%（李建兵等，2008）。

在实际的反应器设计中，考虑盐分的实验研究较少。金仁村等考察了厌氧氨氧化反应器处理高盐度、高浓度含氨废水的可行性，结果发现盐分的影响可能会引起反应器的氮素消减率，但如果逐渐调整盐分浓度来避免基质抑制，可使厌氧氨氧化反应器适应盐度的变化（金仁村等，2009）。

4.农田排水中pH值对生物反应器运行的影响

由于田间施肥、污水灌溉和土壤酸化等原因，农田排水中的pH值可能有较大的变幅。pH值作为非常重要的环境因子，会影响氮素过程的速率和最终产物。一般而言，农田中的pH值常通过影响微生物的活动而显著影响氮素的含量及其时空分布。

在较早的研究中，很多学者采用不同的反硝化细菌和不同的碳源做试验，所报道的最适宜反硝化作用的pH值范围为中性和微碱性。当偏离适宜pH值范围时，反硝化速率会逐渐下降，同时可能出现的积累（徐亚同，1994）。在缺氧条件下，反硝化细菌在pH值低于6.5或高于9.0时，就可能会发生迅速下降（席北斗等，2007）。在pH值高于适宜值时，生物反应器中亚硝酸盐会积累（徐亚同，1994），由此可能产生不利的环境影响。如果能够对反硝化细菌进行驯化，也可将生物反应器应用于较宽的pH值范围。

在生物反应器内，根据细菌反硝化作用原理，反硝化作用过程可能会产生OH-从而引起pH值的变化（刘江霞等，2008）。但反应系统的pH值缓冲能力也与磷酸盐质量浓度有关，如沈梦蔚在其充填报纸和棉花、木屑、稻草的反应器中发现在细菌的反硝化过程中，pH值变化不大，充填稻草的反应器出水pH值比进水pH值低0.2～0.3个单位，木屑只低0.1个单位左右（沈梦蔚，2004）。

5.农田排水中温度对生物反应器运行的影响

温度是影响反硝化速率的另一个重要因素，随着温度的上升，反硝化速率会相应的上升。有研究表明，最适宜的反硝化作用的温度范围为15～35℃，低于10℃时反硝化速率明显下降（徐亚同，1994）。由于农田排水中的温度一般与气温变化相适应，因此了解低温条件对反硝化效果的影响将有助于该类处理系统的设计和运行。

无论对于悬浮活性污泥系统还是生物膜系统，温度都是影响其反硝化效率的重要因素之一。温度对以BMB和PCL为碳源的反硝化的影响为，随温度的降低，反硝化速率也随之降低，这与麦秆（Soares，1998）、棉花（金赞芳等，2004）、废报纸（Volokita M等，1996）支持的固相反硝化的特性相同。生物反应器对于温度的不同反应也可能与不同的碳源有关，如王旭明等发现，在两种有机碳化合物BMB和PCL的研究中，相对于BMB支持的反硝化，以PCL为碳源的反硝化受低温的影响更大，造成这一差别的原因可能与两个系统中反硝化菌群的组成不同有关，在BMB表面生物膜中的反硝化菌群对低温的适应能力更强（王旭明等，2008）。

不同的田间管理方式也可能会导致田间氮素对温度的不同影响。在土壤水分含量一定情况下，硝化与反硝化速率随温度的上升而成指数增长（郑循华等，1997），土温每上升10℃可能导致N2O排放速率升高1.3倍（Sanger等，2011），设施环境内的棚内温度高，有可能会造成N2O排放的显著增加。实际上，良好保温的设施地内土壤温度可一直高于20℃，在这种条件下的其他土壤性状可能成为硝化与反硝化过程的主导因素（武其甫等，2011）。在田间布置的生物反应器也需要考虑类似的温度影响，从而更好地发挥对氮素的消减作用和避免给环境带来不利影响。