3.結(jié)果和討論

3.1.反應(yīng)器性能和N2O生產(chǎn)

經(jīng)過(guò)90多個(gè)周期的馴化，在每個(gè)厭氧/缺氧SBR中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的NOX--N和磷酸鹽去除。圖1顯示NOX--N和PO43--P的去除率分別高于93.74%和97.49%，表明NOX--N和PO43--P的去除效果良好。表明DPAOs是SBR中的優(yōu)勢(shì)菌。Wang et al.（2009）報(bào)道，反硝化除磷過(guò)程中應(yīng)將電子受體和電子供體分離，以確保較高的反硝化除磷率。DPAOs在系統(tǒng)中的快速富集應(yīng)歸功于合適的培養(yǎng)條件，特別是厭氧/缺氧交替環(huán)境和適當(dāng)?shù)耐读戏绞?。此后，在SBR中進(jìn)行循環(huán)研究，以建立穩(wěn)態(tài)運(yùn)行并確定反應(yīng)器表型。

圖1。馴化期間厭氧/缺氧SBR中NOX--N和磷酸鹽的去除。

圖2顯示了典型循環(huán)期間COD、PO43--P、NOX--N、PHA、PHB、PHV、PH2MV和糖原的濃度曲線。厭氧期間，大部分COD在90分鐘內(nèi)被消耗，伴隨PHA合成、糖原消耗和PO43--P釋放。在缺氧期，一旦含有NO3--N和PO43--P的溶液被泵入SBR，NO3--N的同時(shí)還原和PO43--P的吸收迅速發(fā)生。同時(shí)，PHA降解，糖原補(bǔ)充。此外，NO2--N濃度在275 min時(shí)增加到8.78 mg L-1，之后逐漸降低。圖2清楚地顯示了DPAOs的典型表型。

圖2。在母反應(yīng)器的典型循環(huán)中，COD、PO43--P、NOX--N、PHA、PHB、PHV、PH2MV、糖原、總N2O、廢氣N2O和溶解N2O的濃度曲線。

圖2還顯示了在缺氧期間產(chǎn)生的N2O，而在厭氧期間檢測(cè)到的N2O濃度可忽略不計(jì)。在缺氧期間，總N2O濃度（包括溶解N2O濃度和廢氣N2O濃度）在開(kāi)始時(shí)增加，在335min達(dá)到峰值3.56mg L-1，然后在缺氧結(jié)束時(shí)逐漸降低至約0.48mg L-1。總的來(lái)說(shuō)，在此期間產(chǎn)生了約0.30 mg N2O-N L-1，使N2O-N產(chǎn)生與TN去除的比率達(dá)到1.00%。這一時(shí)期產(chǎn)生N2O的主要原因是DPAOs使用PHA作為碳源進(jìn)行反硝化。與外部碳源相比，PHA降解速度較慢，不能提供足夠的電子滿足反硝化酶的需要，N2O還原酶對(duì)電子的競(jìng)爭(zhēng)較弱（Kampschreur等人，2009；Wang等人，2011a，b）。因此，N2O還原將受到抑制。

3.2.進(jìn)水磷濃度對(duì)厭氧PHA合成、反硝化除磷和N2O產(chǎn)生的長(zhǎng)期影響

3.2.1.進(jìn)水磷濃度對(duì)磷去除的長(zhǎng)期影響不同進(jìn)水磷濃度下反應(yīng)器典型循環(huán)期間的磷釋放和吸收曲線如圖3所示。當(dāng)進(jìn)水磷濃度為5 mg L-1時(shí)，厭氧磷釋放量和缺氧磷吸收量分別約為4.66 mg·（g MLSS）-1和5.77 mg·（g MLSS）-1，可與SBR中DPAOs富集量（4.87和4.68 mg·（g MLSS）-1）進(jìn)行比較。出水磷濃度為0.68mg L-1，磷去除率為83.14%。然而，當(dāng)進(jìn)水磷濃度增加到20 mg L-1時(shí)，厭氧磷釋放量和缺氧磷吸收量分別減少到2.54和4.37 mg·（g MLSS）-1。出水磷濃度增加到12.86mg L-1（γ≈29.90%).此后，隨著進(jìn)水磷濃度增加到50 mg L-1，厭氧磷釋放量和缺氧磷吸收量分別降低到0.56和1.80 mg·（g MLSS）-1。出水磷濃度為45.17 mg L-1，略低于進(jìn)水磷濃度（48.89 mg L-1），磷去除率僅為7.61%。顯然，在本研究中，當(dāng)進(jìn)水磷濃度高于20 mg L-1時(shí)，厭氧磷釋放和缺氧磷吸收開(kāi)始受到抑制，然后系統(tǒng)的磷去除惡化。然而，這一結(jié)果與Hanaki等人（1992）的結(jié)論不一致，他們報(bào)告說(shuō)，厭氧磷釋放量隨著進(jìn)水磷濃度的增加而增加。此外，Park等人（2000年）還發(fā)現(xiàn)，添加進(jìn)水P濃度顯著增加了厭氧P釋放量。本研究與其他兩項(xiàng)研究的不同之處在于，本研究中使用的進(jìn)水P濃度范圍遠(yuǎn)高于其他兩項(xiàng)研究。如上所述，反硝化除磷近年來(lái)得到了更廣泛的應(yīng)用。對(duì)于某些類型的廢水（如屠宰場(chǎng)廢水、養(yǎng)豬廢水、垃圾滲濾液等），高濃度的磷是需要去除的主要污染物之一。因此，本研究中使用的進(jìn)水P濃度范圍遠(yuǎn)高于其他處理城市污水的研究。

圖3。在不同的進(jìn)水磷濃度下，間歇式反應(yīng)器中PO43--P、COD、PHA、NO2--N和總N2O在一個(gè)周期內(nèi)的濃度曲線。

3.2.2.進(jìn)水P濃度對(duì)COD去除和厭氧PHA合成的長(zhǎng)期影響

圖3顯示了不同進(jìn)水P濃度下SBR典型循環(huán)期間COD去除和厭氧PHA合成的變化，進(jìn)水P濃度對(duì)系統(tǒng)的COD去除和厭氧PHA合成有顯著影響。當(dāng)進(jìn)水P濃度為5 mg L-1時(shí)，厭氧期前90 min去除了79.03%的COD，缺氧期開(kāi)始時(shí)COD濃度約為38.36 mg L-1。同時(shí)，厭氧期前90分鐘PHA合成量為3.45 mmol-C·（g VSS）-1，厭氧期PHA合成總量約為3.88 mmol-C·（g VSS）-1。然而，隨著進(jìn)水P濃度增加到20 mg L-1，在厭氧期去除了63.16%的COD，缺氧期開(kāi)始時(shí)COD濃度達(dá)到93.90 mg L-1，厭氧期PHA合成量下降到1.76 mmol-C·（g VSS）-1，這遠(yuǎn)低于SBR中DPAOs富集的濃度（3.92 mmol-C·（g VSS）-1）。此后，隨著進(jìn)水P濃度增加到50 mg L-1，厭氧期間COD濃度保持恒定在約256.82 mg L-1，厭氧PHA合成總量幾乎降至零。在缺氧期的前90分鐘內(nèi)，75.40%的COD被去除，出水COD濃度約為25.70 mg L-1。這些結(jié)果表明，過(guò)高的進(jìn)水P濃度（>20mg L-1）可通過(guò)抑制厭氧P釋放抑制SBR厭氧期的COD去除和PHA合成，最終導(dǎo)致SBR缺氧期開(kāi)始時(shí)COD濃度增加。

3.2.3.進(jìn)水P濃度對(duì)NOX--N去除和N2O產(chǎn)生的長(zhǎng)期影響

進(jìn)水P濃度的變化對(duì)NOX--N的去除幾乎沒(méi)有影響。在缺氧期間，在所有負(fù)荷條件下，大約99.62%的NO3--N被去除，并且流出物NOX--N濃度范圍為0.03至0.05 mg L-1。同時(shí)，如圖3所示，應(yīng)注意，當(dāng)進(jìn)水P濃度超過(guò)20 mg L-1時(shí)，缺氧NO2--N積累開(kāi)始減輕。當(dāng)進(jìn)水磷濃度為50 mg L-1（初始缺氧COD濃度為252.90 mg L-1）時(shí)，缺氧NO2--N濃度范圍為0.22至2.10 mg L-1。

根據(jù)上述結(jié)果，在穩(wěn)態(tài)條件下，初始缺氧COD濃度隨著SBR中進(jìn)水P濃度的增加而增加。缺氧期間一定碳源濃度的存在可能通過(guò)改變NO3--N去除途徑影響系統(tǒng)中的反硝化除磷過(guò)程。當(dāng)考慮正常的反硝化除磷系統(tǒng)時(shí)，缺氧NO3--N的去除主要通過(guò)一個(gè)過(guò)程進(jìn)行：反硝化除磷，即大部分NO3--N可以通過(guò)反硝化除磷過(guò)程進(jìn)行去除。然而，使用PHA作為電子供體的DPAOs的反硝化速率低于使用外部碳源作為電子供體的DPAOs（Zhou等人，2012）。此外，系統(tǒng)中存在的少量反硝化細(xì)菌也可以通過(guò)外部碳氧化利用NO3--N作為電子受體。因此，當(dāng)存在高濃度的碳源時(shí)，DPAOs或反硝化細(xì)菌優(yōu)先利用NO3--N作為電子受體，在缺氧期間可作為電子供體。另一方面，缺氧期間適當(dāng)碳源濃度的存在可以緩解系統(tǒng)中NO2--N的積累。Mino等人（1987年）發(fā)現(xiàn)，較低的缺氧COD濃度（<25 mg L-1）不能緩解系統(tǒng)中NO2--N的積累，而可以確保較高的污染物去除率。一旦缺氧COD濃度增加（>100mg L-1），反硝化細(xì)菌對(duì)NO3--N的利用將比DPAOs更有競(jìng)爭(zhēng)力。

在厭氧/缺氧SBR中，隨著進(jìn)水P濃度增加至20 mg L-1，P去除率降低，隨后初始缺氧COD濃度增加?？梢酝茢?，NO3--N的主要去除途徑開(kāi)始發(fā)生變化，即在外部碳氧化的條件下，DPAOs和反硝化細(xì)菌首選NO3--N作為電子受體進(jìn)行反硝化，而不是在內(nèi)部?jī)?chǔ)存聚合物。因此，當(dāng)進(jìn)水磷濃度從5 mg L-1增加到50 mg L-1時(shí)，即使缺氧磷的去除率從96.24%下降到10.70%，仍能獲得較高的NO3--N去除率（>90%）。此外，當(dāng)進(jìn)水P濃度超過(guò)20 mg L-1時(shí)，缺氧NO2--N的積累得到緩解，這表明微生物應(yīng)有足夠的碳源用于反應(yīng)器中的反硝化。

圖3還顯示了在進(jìn)水P濃度為5、10、20、30、40和50 mg L-1時(shí)，厭氧和缺氧期間總N2O濃度的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所有反應(yīng)器中的N2O生成與母反應(yīng)器表現(xiàn)出相同的模式：在厭氧期間未檢測(cè)到N2O生成。然后，一旦KNO3溶液被脈沖，N2O的生成量顯著增加，然后逐漸減少。然而，最高的總N2O濃度是不同的。當(dāng)進(jìn)水P濃度從5 mg L-1增加到50 mg L-1時(shí)，最高的總N2O濃度分別為3.56、3.10、1.82、0.98、0.67和0.56 mg L-1?？梢杂?jì)算出，當(dāng)P濃度從5 mg L-1增加到50 mg L-1時(shí)，總N2O產(chǎn)生量從TN去除量的1.64%下降到0.16%。這些發(fā)現(xiàn)表明，在SBR循環(huán)過(guò)程中，增加進(jìn)水P濃度可以減少N2O的產(chǎn)生?？梢钥闯?，厭氧PHA合成量和初始缺氧COD濃度應(yīng)該是影響厭氧/缺氧SBR中N2O生成的兩個(gè)主要因素。通常，當(dāng)進(jìn)水P濃度增加時(shí)，DPAOs和一定數(shù)量的反硝化細(xì)菌優(yōu)先使用NO3--N進(jìn)行反硝化，這可能導(dǎo)致初始缺氧COD濃度增加。因此，總N2O生成量隨著進(jìn)水P濃度的增加而減少的現(xiàn)象可能歸因于NO3--N去除途徑的轉(zhuǎn)變。Li等人（2013a，b，c）發(fā)現(xiàn)，在反硝化除磷過(guò)程中，N2O生成量占總氮去除量的0.41%，而相比之下，在常規(guī)反硝化過(guò)程中，幾乎沒(méi)有N2O生成。N2O還原酶對(duì)電子的弱競(jìng)爭(zhēng)和亞硝酸鹽的高積累是反硝化除磷過(guò)程中產(chǎn)生N2O的兩個(gè)主要原因。此外，在本研究中，合成廢水中的碳源以醋酸鹽的形式存在。Li等人（2008年）報(bào)告，與葡萄糖或蔗糖相比，醋酸鹽是促進(jìn)反硝化效率和減少N2O生成的更好碳源。Adouani等人（2010年）還研究了碳源（醋酸鹽、乙醇、由乙醇和醋酸鹽組成的混合物以及兩種長(zhǎng)碳鏈化合物）對(duì)生物脫氮過(guò)程中N2O排放的影響。他們的研究結(jié)果表明，當(dāng)乙醇和乙酸鹽分別用作碳源時(shí)，N2O排放量最高和最低。同時(shí)，一些研究報(bào)告表明，當(dāng)醋酸鹽用作碳源時(shí)，反硝化除磷過(guò)程中N2O生成的增強(qiáng)是確定的（Jia等人，2013）。Li等人（2013a，b，c）發(fā)現(xiàn)，通過(guò)使用丙酸鹽代替乙酸鹽作為碳源，可以成功地減少N2O生成量，從而減少N2O生成量約69.8%。因此，我們的發(fā)現(xiàn)應(yīng)該在一定程度上受到碳源類型的影響。

表1總結(jié)了反硝化磷去除率、N2O濃度峰值以及進(jìn)水磷濃度為5、10、20、30、40和50 mg L-1時(shí)厭氧PHA合成量。根據(jù)上述結(jié)果，可以推斷，過(guò)高的進(jìn)水P濃度（>20mg L-1）阻礙了SBR的厭氧磷釋放，隨后厭氧COD減少，厭氧PHA合成減少。最后，COD和PO43--P的去除率惡化，整個(gè)循環(huán)中N2O的產(chǎn)生也受到影響。換言之，不同的進(jìn)水磷濃度導(dǎo)致不同的進(jìn)水COD/P比。對(duì)于進(jìn)水磷濃度5、10、20、30、40和50 mg L-1，進(jìn)水COD/P比分別為60/1、30/1、15/1、10/1、7.5/1和6/1。因此，當(dāng)進(jìn)水COD/P比小于15/1時(shí)，反硝化除磷率開(kāi)始下降，N2O產(chǎn)量也降低。

表1進(jìn)水P濃度為5、10、20、30、40和50 mg L-1時(shí)的反硝化P去除率、N2O濃度峰值和厭氧PHA合成量。

3.3.“實(shí)驗(yàn)1”中提到的間歇式反應(yīng)器中活性污泥的動(dòng)力學(xué)行為

假設(shè)“實(shí)驗(yàn)1”中提到的間歇式反應(yīng)器中活性污泥的基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)遵循Monod動(dòng)力學(xué)（Gao等人，2011）。如表2所示，當(dāng)進(jìn)水P濃度為5mg L-1時(shí)，反應(yīng)器中活性污泥的qmax為0.29，活性污泥的qmax隨著進(jìn)水P濃度的增加而減小。當(dāng)進(jìn)水磷濃度為50 mg L-1時(shí)，活性污泥的qmax降至0.05。與qmax一樣，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器中活性污泥的K呈現(xiàn)類似的模式，隨著進(jìn)水P濃度從5 mg L-1增加到50 mg L-1，活性污泥的K從8.45減少到1.64。較長(zhǎng)的固體停留時(shí)間在某種程度上導(dǎo)致污泥產(chǎn)量減少，而Yobs與固體停留時(shí)間成反比（Liu和Tay，2007）。如表2所示，可以看出，Y的模式與qmax和K相似，Yobs的模式也相似：隨著進(jìn)水P濃度從5 mg L-1增加到50 mg L-1，活性污泥的Y和Yobs分別從0.646和0.587減少到0.213和0.129。因此，活性污泥的Kd隨著進(jìn)水P濃度的增加而增加，當(dāng)進(jìn)水P濃度為50 mg L-1時(shí)，活性污泥的Kd增加至13.6102。與活性污泥的Kd一樣，活性污泥的hc也隨著進(jìn)水P濃度的增加而增加。因此，當(dāng)厭氧進(jìn)水P濃度較低時(shí)，反應(yīng)器中活性污泥的生物產(chǎn)量較高。也就是說(shuō)，由于活性污泥中DPAOs占主導(dǎo)地位，進(jìn)水P濃度過(guò)高可能會(huì)導(dǎo)致DPAOs代謝紊亂，進(jìn)而阻礙SBR的厭氧磷釋放，隨后厭氧COD減少，厭氧PHA合成減少。因此，研究結(jié)果進(jìn)一步表明，在反硝化除磷過(guò)程中，進(jìn)水磷濃度會(huì)影響厭氧PHA合成、反硝化除磷和N2O生成。

表2“實(shí)驗(yàn)1”中提到的間歇式反應(yīng)器中不同進(jìn)水P濃度為5、10、20、30、40和50 mg L-1的活性污泥動(dòng)力學(xué)。

3.4.改性投料方式對(duì)厭氧PHA合成、反硝化除磷和N2O生成的長(zhǎng)期影響

污水處理廠經(jīng)常受到較高的進(jìn)水磷濃度的影響，這將顯著影響出水磷濃度和N2O的產(chǎn)生。因此，應(yīng)采取措施緩解高進(jìn)水磷濃度對(duì)反硝化除磷和N2O產(chǎn)生的影響。根據(jù)文獻(xiàn)和上述結(jié)果，一種措施可能會(huì)降低反硝化除磷過(guò)程中的出水P濃度和N2O生成量：在厭氧期連續(xù)添加磷酸鹽，在缺氧期連續(xù)添加硝酸鹽，即簡(jiǎn)稱連續(xù)磷酸鹽和硝酸鹽添加方案。

在厭氧期開(kāi)始時(shí)，向每個(gè)反應(yīng)器中脈沖添加磷酸鹽，并且每個(gè)反應(yīng)器的初始PO43--P濃度保持在相對(duì)較高的水平，這會(huì)抑制COD去除和厭氧PHA合成。在厭氧期間，連續(xù)磷酸鹽添加方案可以將每個(gè)反應(yīng)器的PO43--P濃度控制在相對(duì)較低的水平，并且可以提高COD的去除率，從而導(dǎo)致厭氧PHA合成量的增加。另一方面，在缺氧期開(kāi)始時(shí)，每個(gè)反應(yīng)器的初始NO3--N濃度也處于相對(duì)較高的水平，因?yàn)樵谌毖跗谙蛎總€(gè)反應(yīng)器脈沖添加硝酸鹽。由于PHA降解速度較慢，DPAO使用PHA作為碳源進(jìn)行反硝化時(shí)，缺氧NO2--N的積累增強(qiáng)，從而可能促進(jìn)N2O的產(chǎn)生。然而，在缺氧期間，連續(xù)添加硝酸鹽方案可以將NO3--N濃度控制在相對(duì)較低的水平。隨后，NO2--N的積累將受到限制，從而最終減少缺氧期間N2O的產(chǎn)生。

在本研究中，通過(guò)連續(xù)添加磷酸鹽和硝酸鹽方案，研究了不同進(jìn)水P濃度對(duì)反硝化除磷和N2O生成的影響（圖4）。厭氧期間，隨著進(jìn)水磷濃度從5 mg L-1增加到50 mg L-1，磷釋放量分別為5.08、4.76、4.64、3.45、2.48和2.01 mg·（g MLSS）-1。相應(yīng)地，厭氧COD去除量在73.82～39.40mg·g（MLSS）-1之間。特別是在進(jìn)水磷酸鹽濃度為20、30、40和50 mg L-1時(shí)，厭氧COD去除量分別為67.11、49.76、42.41和39.40 mg·（g MLSS）-1，遠(yuǎn)高于脈沖磷酸鹽添加方案。同時(shí)，在進(jìn)水磷酸鹽濃度為20、30、40和50 mg L-1時(shí)，厭氧PHA合成量分別為3.03、1.67、1.57和0.93 mmol-C·（g VSS）-1。結(jié)果表明，在厭氧/缺氧SBR中，通過(guò)在厭氧期間連續(xù)添加磷酸鹽，可以確保DPAOs的優(yōu)勢(shì)。缺氧期間，隨著進(jìn)水磷濃度從5 mg L-1增加到50 mg L-1，磷的吸收量分別為5.88、7.04、6.48、6.28、5.08和3.52 mg·（g MLSS）-1，也高于脈沖磷酸鹽添加方案。此外，當(dāng)進(jìn)水磷濃度從5 mg L-1增加到50 mg L-1時(shí)，可以獲得較高的NO3--N去除率（>95%）和較低的N2O生成量（6.2?10?3–0.01 mg L-1）。研究還發(fā)現(xiàn)，連續(xù)硝酸鹽添加方案的NO2--N積累水平遠(yuǎn)低于脈沖硝酸鹽添加方案。可以得出結(jié)論，在缺氧期間通過(guò)連續(xù)添加硝酸鹽可以抑制反硝化除磷過(guò)程中N2O的產(chǎn)生。

圖4。磷的釋放和吸收量，厭氧和缺氧COD去除和PHA合成與降解在不同進(jìn)水磷濃度下，采用不同的磷酸鹽和硝酸鹽添加方案，以及在間歇式反應(yīng)器中，在不同進(jìn)水磷濃度下，在連續(xù)添加磷酸鹽和硝酸鹽的情況下，NO2--N和總N2O的濃度曲線計(jì)劃

因此，研究結(jié)果表明，在反硝化除磷過(guò)程中，連續(xù)添加磷酸鹽和硝酸鹽是一種潛在的操作策略，可以最大限度地降低進(jìn)水磷濃度過(guò)高對(duì)反硝化除磷和N2O生成的影響。

4.結(jié)論

在厭氧/缺氧SBR反應(yīng)器中，通過(guò)提供最佳培養(yǎng)條件，DPAOs可迅速成為優(yōu)勢(shì)種群，反應(yīng)器具有良好的反硝化除磷性能。在反硝化除磷過(guò)程中，進(jìn)水磷濃度顯著影響厭氧PHA合成、反硝化除磷和N2O生成。當(dāng)進(jìn)水磷濃度超過(guò)20mg L-1時(shí)，DPAOs活性開(kāi)始受到抑制。同時(shí)，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(guò)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。

致謝

本研究由安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)青年科學(xué)家自然科學(xué)基金資助（2013ZR010），安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目（2013ZR025）資助。