摘要

本研究旨在研究反硝化除磷過程中進水磷濃度對反硝化除磷和N2O產(chǎn)生的長期影響。結(jié)果表明，通過提供最佳培養(yǎng)條件，反硝化聚磷菌（DPAOs）能迅速成為厭氧/缺氧SBR中的優(yōu)勢菌群，且反應器具有良好的反硝化除磷性能。在反硝化除磷過程中，進水磷濃度顯著影響厭氧聚-b-羥基烷酸酯（PHA）的合成、反硝化除磷和N2O的產(chǎn)生。當進水磷濃度超過20 mg L-1時，由于有效碳源類型的轉(zhuǎn)變，DPAOs的活性開始受到抑制。同時，隨著缺氧NO2--N積累的減少，N2O的產(chǎn)生受到抑制。在反硝化除磷過程中，采用改性投料可以提高反硝化除磷效果，抑制N2O的產(chǎn)生。

1.介紹

眾所周知，氮（N）和磷（P）在水體富營養(yǎng)化中起著至關重要的作用，應該從廢水中去除。在傳統(tǒng)的生物脫氮除磷（BNR）工藝中，氮磷的去除分別由異養(yǎng)反硝化細菌和聚磷菌（PAO）完成，這兩種生物都需要碳源。然而，COD通常是磷釋放和反硝化的限制因素（Hu等人，2011年；Naessens等人，2012年）。強化生物除磷（EBPR）工藝中反硝化聚磷生物（DPAO）的發(fā)現(xiàn)為與COD限制相關的問題提供了合適的解決方案（Zeng等人，2003年；Xu等人，2011年）。

反硝化除磷是一種新型的生物脫氮除磷技術。反硝化除磷是由于DPAOs能夠?qū)OX--N用作缺氧除磷的電子受體，而不是氧氣（Carvalho et al.，2007）。DPAOs可在交替厭氧/缺氧條件下被激活，并具有與PAOs相似的代謝特征（Li等人，2013a，b，c）。DPAOs利用外部碳源在厭氧條件下儲存聚-b-羥基烷酸酯（PHA）。然后，DPAOs氧化細胞內(nèi)PHA，并在缺氧條件下利用硝酸鹽/亞硝酸鹽作為磷吸收的電子受體（Wang et al.，2012）。與傳統(tǒng)的EBPR工藝相比，反硝化除磷工藝可減少30%的曝氣需求，同時減少50%的污泥產(chǎn)量和碳源需求（Kuba et al.，1996）。

眾所周知，厭氧階段的PHA合成對于反硝化除磷過程至關重要，因為DPAOs將PHA用作反硝化的碳源（Zhu和Chen，2011）。因此，DPAOs的代謝紊亂可能會對厭氧階段PHA的合成產(chǎn)生負面影響，最終導致反硝化除磷效果的惡化。

通常，DPAOs的厭氧PHA合成會受到許多因素的影響，如進水水質(zhì)、溫度、pH值、厭氧/缺氧反應時間等。在這些因素中，進水水質(zhì)對厭氧階段甚至設計反硝化除磷工藝都很重要。眾所周知，反硝化除磷開始用于不同類型的廢水處理（如城市廢水、屠宰場廢水、豬場廢水、垃圾滲濾液等），不同類型廢水中的COD、N和P濃度差異很大（Merzouki et al.，2005）。因此，進水水質(zhì)的變化將顯著影響PHA合成量，這可能導致不同的N和P去除率。此外，一些研究報告，當DPAOs在反硝化除磷過程中將PHA用作碳源進行反硝化時，N2O而不是N2是主要的反硝化產(chǎn)物（Lemaire et al.，2006；Jia et al.，2012）。N2O是一種重要的溫室氣體，其升溫潛能約為CO2的300倍，它不僅會造成溫室效應，還會破壞臭氧層（Ravishankara等人，2009年）。大量研究表明，反硝化除磷系統(tǒng)報告的N2O生成量為進水氮負荷的2.3%至21.6%（Wang等人，2011a，b；Zhou等人，2012）。因此，反硝化除磷過程中N2O的產(chǎn)生應受到顯著影響，因為厭氧PHA合成量受進水水質(zhì)的影響，同時還應注意反硝化除磷過程中N2O的產(chǎn)生。在這種情況下，進水水質(zhì)的影響應該是反硝化除磷工藝性能評估中最重要的問題之一，特別是在保證穩(wěn)定的反硝化除磷和最小化N2O產(chǎn)生方面。然而，目前還不清楚進水水質(zhì)如何以及為什么會影響反硝化除磷和N2O的產(chǎn)生。特別是，進水磷濃度與厭氧PHA合成之間的關系，對于理解DPAOs中氮和磷的去除以及N2O產(chǎn)生機制非常重要，但尚未完全了解。

因此，本研究旨在研究反硝化除磷過程中進水磷濃度對厭氧PHA合成、反硝化除磷和N2O生成的長期影響。研究了進水磷濃度對反硝化除磷和N2O生成的影響機理。最后，在SBR上采用改進的投料方式，以緩解進水P濃度對反硝化除磷和N2O產(chǎn)生的影響。

2.方法

2.1.SBR反硝化除磷的運行

DPAOs在六個SBR中富集，SBR中的污泥來自中國廈門的一個城市污水處理廠。每個密封實驗室規(guī)模SBR（工作容積為5L，頂部空間為0.5L）在25±1℃下運行。Wang et al.（2009）報道，在采用兩次進料模式的厭氧/缺氧SBR中，DPAOs可以快速成為優(yōu)勢種群，并且反應器在反硝化除磷方面表現(xiàn)良好。因此，通過提供適宜的培養(yǎng)條件，特別是厭氧/缺氧交替環(huán)境和適宜的飼養(yǎng)方式，DPAOs可以迅速成為優(yōu)勢種群。在這種情況下，每個SBR都加入合成廢水，并以8小時的循環(huán)時間運行，包括3分鐘進料、150分鐘厭氧反應、30分鐘設置、12分鐘傾析、3分鐘進料、240分鐘缺氧反應和30分鐘設置，然后是12分鐘傾析。

在厭氧期開始時，將3L含有COD的合成廢水泵入每個反應器，使厭氧初始COD濃度約為200mg L-1。缺氧期開始時，立即向反應器中加入3L含NO3--N和PO43--P的合成廢水，NO3--N和PO43--P的缺氧初始濃度分別約為30mg L-1和12mg L-1。浪費一定量的污泥混合物，以將固體保留時間（SRT）控制在約15天，混合液懸浮固體（MLSS）水平為3.0 g L-1。在反應期間，每個SBR用磁力攪拌器混合。

取液相和固相樣品進行化學分析，在厭氧期取樣間隔為30分鐘，缺氧期取樣間隔為40分鐘。使用微型傳感器在線監(jiān)測溶解的N2O濃度，使用氣密收集袋和注射器收集氣體樣品，然后立即通過氣相色譜（GC）進行分析。

SBR運行超過30天后，DPAO富集，反映在恒定的磷去除率和生物量濃度上。此后，進行了以下報告的實驗。

2.2.合成廢水

厭氧期間用作飼料的合成廢水包括（每升）：440 mg CH3COONa、58 mg NH4Cl、200 mg NaHCO3、10 mg MgSO4·7H2O、10 mg FeSO4·7H2O、10 mg CaCl2·2H2O和1 mL微量元素溶液。缺氧期間用作飼料的合成廢水包括（每升）：360mg KNO3、200mg NaHCO3、10mg MgSO4·7H2O、10mg FeSO4·7H2O、10mg CaCl2·2H2O和1ml微量元素溶液。Zhou等人（2008）描述了溶液中微量元素的組成。合成廢水中的COD、NO3--N濃度分別約為300和50 mg L-1。通過向合成廢水中添加KH2PO4，根據(jù)實驗需要設定PO43--P濃度。本研究中的化學品由國藥集團化學試劑有限公司（SCRC）提供，純度高于98%。

2.3.連續(xù)實驗

通過兩個系列的連續(xù)實驗，研究了進水磷濃度對厭氧PHA合成、反硝化除磷和N2O生成的影響。工作容積為1.6 L的可密封反應器用于連續(xù)實驗。在開始每次連續(xù)試驗之前，在缺氧期結(jié)束時，向反應器中注入從母體反應器中提取的1.5 L混合液，然后在30分鐘后，去除1.0 L上清液。所有連續(xù)實驗均在系統(tǒng)穩(wěn)定階段進行，溫度控制在25±1℃。取液相和固相樣品進行化學分析，在厭氧期間采樣間隔為30分鐘，缺氧期間每30分鐘采樣一次。采用氣相色譜法和N2O微傳感器分別測定了氣相和液相的N2O濃度。每個連續(xù)試驗中的所有運行均在以下相同操作條件下進行。

2.3.1.實驗1：進水P濃度對厭氧PHA合成、反硝化除磷和N2O產(chǎn)生的長期影響

在進水磷濃度為5、10、20、30、40和50 mg L-1的情況下，進行了連續(xù)試驗，以研究進水磷濃度對厭氧PHA合成、反硝化除磷和N2O生成的長期影響。在每個循環(huán)開始時，將1.0升含有COD和PO43--P的合成廢水送入間歇式反應器，使COD的初始濃度約為240 mg L-1。反應器在150分鐘的厭氧反應和240分鐘的缺氧反應中運行，并且在厭氧期結(jié)束時脈沖添加KNO3，使NO3--N的初始濃度約為30 mg L-1。

2.3.2.實驗2：改性投料方式對厭氧PHA合成、反硝化除磷和N2O產(chǎn)生的長期影響

通過連續(xù)實驗，研究了在進水磷濃度為5、10、20、30、40和50 mg L-1的情況下，優(yōu)化的進水模式是否能提高反硝化除磷率并減少N2O的產(chǎn)生。在本實驗中，將1.0升含有COD的合成廢水送入間歇式反應器，使COD的初始濃度約為240 mg L-1。在150 min厭氧期開始時，通過蠕動泵（BQ50-1J，更長）將20 mL KH2PO4溶液連續(xù)注入反應器超過1.0 h。然后，缺氧反應持續(xù)240 min，并且自缺氧期開始以來，通過蠕動泵將40 mL KNO3溶液連續(xù)注入反應器超過2.0 h。

2.4.動力學實驗

對于“實驗1”，對不同進水P濃度的反應器中活性污泥的動力學行為進行了研究。根據(jù)公式（1）計算最大比降解率（qmax）和表觀半速率常數(shù)（K）：

其中S0是基質(zhì)的起始濃度，S是時間t后的基質(zhì)濃度，X是污泥生物量的濃度。

理論產(chǎn)量系數(shù)（Y）和比生物量衰減率（kd）由式（2）計算得出。

這里Q（Sa?Se）是基質(zhì)降解量，XvV是反應器的總生物量，DX是生物量增長。

式（3）可用于計算每個反應器中活性污泥的固體停留時間（hc），其中US為污泥負荷。由于內(nèi)源代謝和死亡，觀察到的生物量產(chǎn)量（Yobs）與Y不同，可根據(jù)式（4）計算得出。

2.5.分析方法

按照標準方法（APHA，2002）測定COD、NO3--N、NO2--N、PO43--P、MLSS和MLVSS。氣相色譜（安捷倫7820，美國）和N2O微型傳感器（Unisense，丹麥）分別用于測量氣相和液相的N2O濃度。PHA（包括聚-b-羥基丁酸酯（PHB）、聚羥基戊酸鹽（PHV）和聚-3-羥基-2-甲基戊酸鹽（PH2MV））的濃度根據(jù)Oehen等人（2005）描述的方法進行測量。根據(jù)Jenkins等人（2003）提出的方法分析糖原。

2.6.統(tǒng)計分析

所有實驗數(shù)據(jù)均以標準偏差的三倍平均值表示。所有統(tǒng)計分析均采用SPSS 21.0軟件，單因素方差分析檢驗。如果p<0.05，則認為差異顯著。均值內(nèi)差異的顯著性采用鄧肯檢驗進行評估。皮爾遜相關用于顯著線性關系評估。