摘要

本研究旨在研究反硝化除磷過(guò)程中進(jìn)水磷濃度對(duì)反硝化除磷和N2O產(chǎn)生的長(zhǎng)期影響。結(jié)果表明，通過(guò)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(shì)菌群，且反應(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聚-b-羥基烷酸酯（PHA）的合成、反硝化除磷和N2O的產(chǎn)生。當(dāng)進(jìn)水磷濃度超過(guò)20 mg L-1時(shí)，由于有效碳源類型的轉(zhuǎn)變，DPAOs的活性開始受到抑制。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。

1.介紹

眾所周知，氮（N）和磷（P）在水體富營(yíng)養(yǎng)化中起著至關(guān)重要的作用，應(yīng)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(xì)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(qiáng)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(guān)的問(wèn)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(shù)。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(chǔ)存聚-b-羥基烷酸酯（PHA）。然后，DPAOs氧化細(xì)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(shí)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(duì)于反硝化除磷過(guò)程至關(guān)重要，因?yàn)镈PAOs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(huì)對(duì)厭氧階段PHA的合成產(chǎn)生負(fù)面影響，最終導(dǎo)致反硝化除磷效果的惡化。

通常，DPAOs的厭氧PHA合成會(huì)受到許多因素的影響，如進(jìn)水水質(zhì)、溫度、pH值、厭氧/缺氧反應(yīng)時(shí)間等。在這些因素中，進(jìn)水水質(zhì)對(duì)厭氧階段甚至設(shè)計(jì)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(chǎng)廢水、豬場(chǎng)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(jìn)水水質(zhì)的變化將顯著影響PHA合成量，這可能導(dǎo)致不同的N和P去除率。此外，一些研究報(bào)告，當(dāng)DPAOs在反硝化除磷過(guò)程中將PHA用作碳源進(jìn)行反硝化時(shí)，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(huì)造成溫室效應(yīng)，還會(huì)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(bào)告的N2O生成量為進(jìn)水氮負(fù)荷的2.3%至21.6%（Wang等人，2011a，b；Zhou等人，2012）。因此，反硝化除磷過(guò)程中N2O的產(chǎn)生應(yīng)受到顯著影響，因?yàn)閰捬鮌HA合成量受進(jìn)水水質(zhì)的影響，同時(shí)還應(yīng)注意反硝化除磷過(guò)程中N2O的產(chǎn)生。在這種情況下，進(jìn)水水質(zhì)的影響應(yīng)該是反硝化除磷工藝性能評(píng)估中最重要的問(wèn)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(jìn)水水質(zhì)如何以及為什么會(huì)影響反硝化除磷和N2O的產(chǎn)生。特別是，進(jìn)水磷濃度與厭氧PHA合成之間的關(guān)系，對(duì)于理解DPAOs中氮和磷的去除以及N2O產(chǎn)生機(jī)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(guò)程中進(jìn)水磷濃度對(duì)厭氧PHA合成、反硝化除磷和N2O生成的長(zhǎng)期影響。研究了進(jìn)水磷濃度對(duì)反硝化除磷和N2O生成的影響機(jī)理。最后，在SBR上采用改進(jìn)的投料方式，以緩解進(jìn)水P濃度對(duì)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(yùn)行

DPAOs在六個(gè)SBR中富集，SBR中的污泥來(lái)自中國(guó)廈門的一個(gè)城市污水處理廠。每個(gè)密封實(shí)驗(yàn)室規(guī)模SBR（工作容積為5L，頂部空間為0.5L）在25±1℃下運(yùn)行。Wang et al.（2009）報(bào)道，在采用兩次進(jìn)料模式的厭氧/缺氧SBR中，DPAOs可以快速成為優(yōu)勢(shì)種群，并且反應(yīng)器在反硝化除磷方面表現(xiàn)良好。因此，通過(guò)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(shì)種群。在這種情況下，每個(gè)SBR都加入合成廢水，并以8小時(shí)的循環(huán)時(shí)間運(yùn)行，包括3分鐘進(jìn)料、150分鐘厭氧反應(yīng)、30分鐘設(shè)置、12分鐘傾析、3分鐘進(jìn)料、240分鐘缺氧反應(yīng)和30分鐘設(shè)置，然后是12分鐘傾析。

在厭氧期開始時(shí)，將3L含有COD的合成廢水泵入每個(gè)反應(yīng)器，使厭氧初始COD濃度約為200mg L-1。缺氧期開始時(shí)，立即向反應(yīng)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(fèi)一定量的污泥混合物，以將固體保留時(shí)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(yīng)期間，每個(gè)SBR用磁力攪拌器混合。

取液相和固相樣品進(jìn)行化學(xué)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(cè)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(guò)氣相色譜（GC）進(jìn)行分析。

SBR運(yùn)行超過(guò)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(jìn)行了以下報(bào)告的實(shí)驗(yàn)。

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(guò)向合成廢水中添加KH2PO4，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要設(shè)定PO43--P濃度。本研究中的化學(xué)品由國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司（SCRC）提供，純度高于98%。

2.3.連續(xù)實(shí)驗(yàn)

通過(guò)兩個(gè)系列的連續(xù)實(shí)驗(yàn)，研究了進(jìn)水磷濃度對(duì)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(yīng)器用于連續(xù)實(shí)驗(yàn)。在開始每次連續(xù)試驗(yàn)之前，在缺氧期結(jié)束時(shí)，向反應(yīng)器中注入從母體反應(yīng)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(shí)驗(yàn)均在系統(tǒng)穩(wěn)定階段進(jìn)行，溫度控制在25±1℃。取液相和固相樣品進(jìn)行化學(xué)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(cè)定了氣相和液相的N2O濃度。每個(gè)連續(xù)試驗(yàn)中的所有運(yùn)行均在以下相同操作條件下進(jìn)行。

2.3.1.實(shí)驗(yàn)1：進(jìn)水P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

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

2.3.2.實(shí)驗(yàn)2：改性投料方式對(duì)厭氧PHA合成、反硝化除磷和N2O產(chǎn)生的長(zhǎng)期影響

通過(guò)連續(xù)實(shí)驗(yàn)，研究了在進(jìn)水磷濃度為5、10、20、30、40和50 mg L-1的情況下，優(yōu)化的進(jìn)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(shí)驗(yàn)中，將1.0升含有COD的合成廢水送入間歇式反應(yīng)器，使COD的初始濃度約為240 mg L-1。在150 min厭氧期開始時(shí)，通過(guò)蠕動(dòng)泵（BQ50-1J，更長(zhǎng)）將20 mL KH2PO4溶液連續(xù)注入反應(yīng)器超過(guò)1.0 h。然后，缺氧反應(yīng)持續(xù)240 min，并且自缺氧期開始以來(lái)，通過(guò)蠕動(dòng)泵將40 mL KNO3溶液連續(xù)注入反應(yīng)器超過(guò)2.0 h。

2.4.動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

對(duì)于“實(shí)驗(yàn)1”，對(duì)不同進(jìn)水P濃度的反應(yīng)器中活性污泥的動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了研究。根據(jù)公式（1）計(jì)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(shí)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(jì)算得出。

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

式（3）可用于計(jì)算每個(gè)反應(yīng)器中活性污泥的固體停留時(shí)間（hc），其中US為污泥負(fù)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(jì)算得出。

2.5.分析方法

按照標(biāo)準(zhǔn)方法（APHA，2002）測(cè)定COD、NO3--N、NO2--N、PO43--P、MLSS和MLVSS。氣相色譜（安捷倫7820，美國(guó)）和N2O微型傳感器（Unisense，丹麥）分別用于測(cè)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(jìn)行測(cè)量。根據(jù)Jenkins等人（2003）提出的方法分析糖原。

2.6.統(tǒng)計(jì)分析

所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均以標(biāo)準(zhǔn)偏差的三倍平均值表示。所有統(tǒng)計(jì)分析均采用SPSS 21.0軟件，單因素方差分析檢驗(yàn)。如果p<0.05，則認(rèn)為差異顯著。均值內(nèi)差異的顯著性采用鄧肯檢驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估。皮爾遜相關(guān)用于顯著線性關(guān)系評(píng)估。