Page 71 - 水利学报2021年第52卷第2期

2 开放水体典型脱氮机制

开放水体是有别于管道和池罐等相对封闭的水体而言的，包括河流、水库、湖泊、海洋等自然
水体，是地球水循环及其伴生过程发生的主要区域。脱氮（Nitrogen removal）是指流域内的有机或无机
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态氮最终转化为气态氮并进入大气的过程 。因常温下只有氮气（N ）属于惰性且无害气体，故生成氮
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气的脱氮过程被认为是最有效的氮负荷削减过程，成为目前国际上关注的重点 。本文所阐述的“开
放水体脱氮”，主要是指发生在河流、水库、湖泊、海洋等水体中的沉积物、悬浮物的脱氮。在这些
水体内，目前公认的典型脱氮机制主要包括：①厌氧反硝化（Denitrification）、②厌氧氨氧化（Anaero⁃
bic ammonium oxidation）、③好氧反硝化（Aerobic denitrification）、④厌氧甲烷氧化（Anaerobic methane
oxidation）等 4 个过程，如图 1 所示，其具体反应说明如下。

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图 1 开放水体氮循环及典型脱氮过程 （基于 Arrigo 成果修改）
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厌氧反硝化 ：在厌氧环境下，微生物将硝酸盐（NO ） 逐步转为亚硝酸盐（NO ）、一氧化氮
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（NO）、氧化亚氮（N O）并最终还原为氮气（N ）。
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厌 氧 氨 氧 化 ［8］ ： 在 厌 氧 条 件 下 ， 微 生 物 以 NO 为 电 子 受 体 ， 直 接 将 氨 氮（NH ）氧 化 为 氮 气
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（N ）。
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其中，厌氧反硝化过程一度被认为是自然界最主要的脱氮过程 ；后来逐步研究发现，厌氧氨氧
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化广泛存在于河流、湖泊和海洋沉积物中，其在海洋沉积物脱氮过程中所占的比例最多可超过 50% 。
从上述过程来看，厌氧环境和 NO 是脱氮发生的两个先决条件，因自然水体中 NO 条件容易
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满足，故溶解氧被认为是指示脱氮能否发生的重要指标，并将其浓度低于 0.5 ~ 2.0 mg/L 作为氧化与
还原环境的判定条件 ［11］ 。Robertson 发现在溶解氧为 5.0 mg/L 的环境中，某些细菌也能将 NO 还原为
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氮气 ［12］ ，原因是部分微生物能产生某种周质硝酸盐还原酶（P-Nar），可在有氧环境中促进硝酸盐还
原 ［13］ ，即为自然水体脱氮的第三类过程③好氧反硝化。后来，又有人发现有些微生物在厌氧环境下
能够利用甲烷（CH ）将硝酸盐还原为氮气，即 ④厌氧甲烷氧化 ［14］ ，因该过程既可消耗甲烷，又能去
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除硝酸盐，还不产生亚硝酸盐，可在削减氮污染的同时去除温室气体，故在近年来备受国际学者关
注。
3 潜流带与沉积物主要脱氮过程

目前研究认为陆域排放的氮、磷污染有 70% ~ 80%是在河流流域内被去除的，且主要发生在河
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网潜流带和湖库沉积物中 。“潜流带（Hyporheic zone）”是指位于溪流或河流河床之下并延伸至河溪
边岸带的水分饱和的沉积物层，包括侧向潜流带和垂向潜流带 ［15］ ，如图 2 所示。因地表水和地下水在

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