Page 74 - 水利学报2021年第52卷第2期

5 开放水体脱氮影响因素

决定开放水体脱氮过程及效率的主要因素主要包括溶解氧（DO）、碳氮比、硝酸盐浓度、温度和
pH 值。研究表明，微生物作用下的生物地球化学反应过程应该满足“氧化还原分级（Redox tower）”原
理 ［47］ ，即从绝对氧化到绝对还原环境，依次将发生氧化反应（消耗氧气）、脱氮反应（硝酸盐被还原为
氮气）、发酵（产生乙酸）、金属氧化物还原反应（铁、锰等还原）、脱硫反应（硫氧化物还原为硫化氢）
和产甲烷反应，因此，溶解氧被认为是决定脱氮是否发生的关键环境因子。一般认为，溶解氧在一定
范围内脱氮效率不受影响，但当其下降到某一阈值时反硝化脱氮活性急剧上升 ［48］ 。虽不同种属的厌氧
反硝化菌具有不同的耐氧阈值，但大部分反硝化细菌在溶解氧低于 0.50 mg/L 时才产生反应 ［11］ 。
因大多数的具有脱氮功能的微生物均为异养菌，故碳氮比很大程度上决定了微生物的脱氮速
率。例如，Joo 等 ［49］ 研究指出碳氮比越高越有利于厌氧反硝化菌的生物脱氮；而 Kim 等 ［50］ 又认为 C/N
为 8 时反硝化活性最高；Bernat 等 ［51］ 还发现细菌可以利用某些细胞内碳作为碳源进行反硝化，为低碳
氮比污废水的生物处理提供了一种新的途径。
硝酸盐作为脱氮的基础物质，其浓度也与脱氮效率有一定关系。Hasegawa 等 ［52］ 指出硝酸盐浓度
与反硝化速率成正比；诸多研究也表明反硝化速率在硝酸盐较低的环境中受到抑制，并随着硝酸盐
的增加而增加 ［53］ 。
温度通过影响微生物酶的活性来影响微生物的代谢速率，Herrman 等 ［54］ 指出在沉积物环境中，
25 ℃下的反硝化速率是 8 ℃下的 2 倍；王弘宇等 ［55］ 发现一般厌氧反硝化菌在 25 ~ 35 ℃的温度范围内
具有很高的脱氮效率。
pH 值主要通过引起细胞膜上的电荷的变化来决定微生物生长进而影响脱氮速率。一般中性及偏
碱性有利于反硝化的进行，在酸性和强碱条件下菌株生长状况差 ［56］ 。此外，某些金属离子（如铁、
镁、钙等）也可以影响细菌的脱氮活性 ［57］ 。
颗粒大小和水动力条件能够相互作用并影响悬浮颗粒的脱氮效率。颗粒大小可影响悬浮颗粒与
周围水体的物质交换通量，进而决定颗粒内溶解氧分布梯度和脱氮过程 ［58］ 。已有研究表明，在高溶
氧环境下，只有在直径大于 1 mm 的悬浮颗粒内才会出现厌氧环境而发生脱氮；当溶氧低于 25 μmol/L
［46］
时，该直径阈值可为 0.1 mm ；此外，不同颗粒大小还可通过影响颗粒的上浮或下沉速度而改变其
在水中的滞留时间来决定脱氮效率 ［59］ 。水动力条件虽不能直接影响悬浮颗粒的脱氮过程，但其在决
定悬浮颗粒大小、形态、内部物质梯度分布上能起到关键作用。例如，目前备受关注的藻类絮凝体
（Algae aggregation）、海洋雪（Marine snow）等都是在静止分层水体中产生的，而在垂向混合较强的水
体中一般不会形成较大的悬浮颗粒 ［60］ 。还有研究表明，即使水体环境相同，不同紊流下悬浮颗粒物
内部溶氧梯度分布也存在显著差异 ［61］ 。此外，水体微动力结构还可通过改变悬浮颗粒的运动、聚集
和漂浮特征来影响其脱氮过程 ［62］ 。

6 水库对流域脱氮贡献的研究展望

河流筑坝形成水库可引起河流水动力的改变，进而改变河流原有的物质场、能量场、化学场和
［7］
生物场 ，必然对流域脱氮过程产生显著影响。以三峡水库为例，蓄水发电后，水库干流与支流库湾
呈现出完全不同的水体类型和水环境状态：干流流速较大，水体垂向掺混较强，悬浮颗粒以外源泥
沙和有机碎屑为主 ［63］ ；支流库湾却因分层异重流的影响，呈现出时空差异显著的特殊分层状态，并
由此诱发不同种类的藻类水华现象 ［64］ ，悬浮颗粒以藻类颗粒为主。对比建库前后入库、出库总氮变
化规律发现，在 2003 年以前，三峡库区污水年排放量与出库（三峡坝址以下南津关）水体总氮浓度变
化趋势基本一致，呈正相关（图 4（a））；三峡水库蓄水后，虽然国家在三峡库区修建了大量污水处理
厂，但因现行标准下污水厂尾水氮、磷含量较地表水仍然很高；加之库区处于经济社会加速发展时

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