3.結果和討論

3.1.反應器性能和N2O生產

經過90多個周期的馴化，在每個厭氧/缺氧SBR中實現了穩(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)勢菌。Wang et al.（2009）報道，反硝化除磷過程中應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)境和適當的投料方式。此后，在SBR中進行循環(huán)研究，以建立穩(wěn)態(tài)運行并確定反應器表型。

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的同時還原和PO43--P的吸收迅速發(fā)生。同時，PHA降解，糖原補充。此外，NO2--N濃度在275 min時增加到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生的N2O，而在厭氧期間檢測到的N2O濃度可忽略不計。在缺氧期間，總N2O濃度（包括溶解N2O濃度和廢氣N2O濃度）在開始時增加，在335min達到峰值3.56mg L-1，然后在缺氧結束時逐漸降低至約0.48mg L-1?？偟膩碚f，在此期間產生了約0.30 mg N2O-N L-1，使N2O-N產生與TN去除的比率達到1.00%。這一時期產生N2O的主要原因是DPAOs使用PHA作為碳源進行反硝化。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還原酶對電子的競爭較弱（Kampschreur等人，2009；Wang等人，2011a，b）。因此，N2O還原將受到抑制。

3.2.進水磷濃度對厭氧PHA合成、反硝化除磷和N2O產生的長期影響

3.2.1.進水磷濃度對磷去除的長期影響不同進水磷濃度下反應器典型循環(huán)期間的磷釋放和吸收曲線如圖3所示。當進水磷濃度為5 mg L-1時，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）進行比較。出水磷濃度為0.68mg L-1，磷去除率為83.14%。然而，當進水磷濃度增加到20 mg L-1時，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，當進水磷濃度高于20 mg L-1時，厭氧磷釋放和缺氧磷吸收開始受到抑制，然后系統(tǒng)的磷去除惡化。然而，這一結果與Hanaki等人（1992）的結論不一致，他們報告說，厭氧磷釋放量隨著進水磷濃度的增加而增加。此外，Park等人（2000年）還發(fā)現，添加進水P濃度顯著增加了厭氧P釋放量。本研究與其他兩項研究的不同之處在于，本研究中使用的進水P濃度范圍遠高于其他兩項研究。如上所述，反硝化除磷近年來得到了更廣泛的應用。對于某些類型的廢水（如屠宰場廢水、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，本研究中使用的進水P濃度范圍遠高于其他處理城市污水的研究。

圖3。在不同的進水磷濃度下，間歇式反應器中PO43--P、COD、PHA、NO2--N和總N2O在一個周期內的濃度曲線。

3.2.2.進水P濃度對COD去除和厭氧PHA合成的長期影響

圖3顯示了不同進水P濃度下SBR典型循環(huán)期間COD去除和厭氧PHA合成的變化，進水P濃度對系統(tǒng)的COD去除和厭氧PHA合成有顯著影響。當進水P濃度為5 mg L-1時，厭氧期前90 min去除了79.03%的COD，缺氧期開始時COD濃度約為38.36 mg L-1。同時，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，缺氧期開始時COD濃度達到93.90 mg L-1，厭氧期PHA合成量下降到1.76 mmol-C·（g VSS）-1，這遠低于SBR中DPAOs富集的濃度（3.92 mmol-C·（g VSS）-1）。此后，隨著進水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，75.40%的COD被去除，出水COD濃度約為25.70 mg L-1。這些結果表明，過高的進水P濃度（>20mg L-1）可通過抑制厭氧P釋放抑制SBR厭氧期的COD去除和PHA合成，最終導致SBR缺氧期開始時COD濃度增加。

3.2.3.進水P濃度對NOX--N去除和N2O產生的長期影響

進水P濃度的變化對NOX--N的去除幾乎沒有影響。在缺氧期間，在所有負荷條件下，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，如圖3所示，應注意，當進水P濃度超過20 mg L-1時，缺氧NO2--N積累開始減輕。當進水磷濃度為50 mg L-1（初始缺氧COD濃度為252.90 mg L-1）時，缺氧NO2--N濃度范圍為0.22至2.10 mg L-1。

根據上述結果，在穩(wěn)態(tài)條件下，初始缺氧COD濃度隨著SBR中進水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改變NO3--N去除途徑影響系統(tǒng)中的反硝化除磷過程。當考慮正常的反硝化除磷系統(tǒng)時，缺氧NO3--N的去除主要通過一個過程進行：反硝化除磷，即大部分NO3--N可以通過反硝化除磷過程進行去除。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菌也可以通過外部碳氧化利用NO3--N作為電子受體。因此，當存在高濃度的碳源時，DPAOs或反硝化細菌優(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，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），反硝化細菌對NO3--N的利用將比DPAOs更有競爭力。

在厭氧/缺氧SBR中，隨著進水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的主要去除途徑開始發(fā)生變化，即在外部碳氧化的條件下，DPAOs和反硝化細菌首選NO3--N作為電子受體進行反硝化，而不是在內部儲存聚合物。因此，當進水磷濃度從5 mg L-1增加到50 mg L-1時，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，當進水P濃度超過20 mg L-1時，缺氧NO2--N的積累得到緩解，這表明微生物應有足夠的碳源用于反應器中的反硝化。

圖3還顯示了在進水P濃度為5、10、20、30、40和50 mg L-1時，厭氧和缺氧期間總N2O濃度的變化。結果發(fā)現，所有反應器中的N2O生成與母反應器表現出相同的模式：在厭氧期間未檢測到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。當進水P濃度從5 mg L-1增加到50 mg L-1時，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。可以計算出，當P濃度從5 mg L-1增加到50 mg L-1時，總N2O產生量從TN去除量的1.64%下降到0.16%。這些發(fā)現表明，在SBR循環(huán)過程中，增加進水P濃度可以減少N2O的產生?？梢钥闯?，厭氧PHA合成量和初始缺氧COD濃度應該是影響厭氧/缺氧SBR中N2O生成的兩個主要因素。通常，當進水P濃度增加時，DPAOs和一定數量的反硝化細菌優(yōu)先使用NO3--N進行反硝化，這可能導致初始缺氧COD濃度增加。因此，總N2O生成量隨著進水P濃度的增加而減少的現象可能歸因于NO3--N去除途徑的轉變。Li等人（2013a，b，c）發(fā)現，在反硝化除磷過程中，N2O生成量占總氮去除量的0.41%，而相比之下，在常規(guī)反硝化過程中，幾乎沒有N2O生成。N2O還原酶對電子的弱競爭和亞硝酸鹽的高積累是反硝化除磷過程中產生N2O的兩個主要原因。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）報告，與葡萄糖或蔗糖相比，醋酸鹽是促進反硝化效率和減少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碳鏈化合物）對生物脫氮過程中N2O排放的影響。他們的研究結果表明，當乙醇和乙酸鹽分別用作碳源時，N2O排放量最高和最低。同時，一些研究報告表明，當醋酸鹽用作碳源時，反硝化除磷過程中N2O生成的增強是確定的（Jia等人，2013）。Li等人（2013a，b，c）發(fā)現，通過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)現應該在一定程度上受到碳源類型的影響。

表1總結了反硝化磷去除率、N2O濃度峰值以及進水磷濃度為5、10、20、30、40和50 mg L-1時厭氧PHA合成量。根據上述結果，可以推斷，過高的進水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，整個循環(huán)中N2O的產生也受到影響。換言之，不同的進水磷濃度導致不同的進水COD/P比。對于進水磷濃度5、10、20、30、40和50 mg L-1，進水COD/P比分別為60/1、30/1、15/1、10/1、7.5/1和6/1。因此，當進水COD/P比小于15/1時，反硝化除磷率開始下降，N2O產量也降低。

表1進水P濃度為5、10、20、30、40和50 mg L-1時的反硝化P去除率、N2O濃度峰值和厭氧PHA合成量。

3.3.“實驗1”中提到的間歇式反應器中活性污泥的動力學行為

假設“實驗1”中提到的間歇式反應器中活性污泥的基質降解動力學遵循Monod動力學（Gao等人，2011）。如表2所示，當進水P濃度為5mg L-1時，反應器中活性污泥的qmax為0.29，活性污泥的qmax隨著進水P濃度的增加而減小。當進水磷濃度為50 mg L-1時，活性污泥的qmax降至0.05。與qmax一樣，發(fā)現反應器中活性污泥的K呈現類似的模式，隨著進水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。較長的固體停留時間在某種程度上導致污泥產量減少，而Yobs與固體停留時間成反比（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隨著進水P濃度的增加而增加，當進水P濃度為50 mg L-1時，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也隨著進水P濃度的增加而增加。因此，當厭氧進水P濃度較低時，反應器中活性污泥的生物產量較高。也就是說，由于活性污泥中DPAOs占主導地位，進水P濃度過高可能會導致DPAOs代謝紊亂，進而阻礙SBR的厭氧磷釋放，隨后厭氧COD減少，厭氧PHA合成減少。因此，研究結果進一步表明，在反硝化除磷過程中，進水磷濃度會影響厭氧PHA合成、反硝化除磷和N2O生成。

表2“實驗1”中提到的間歇式反應器中不同進水P濃度為5、10、20、30、40和50 mg L-1的活性污泥動力學。

3.4.改性投料方式對厭氧PHA合成、反硝化除磷和N2O生成的長期影響

污水處理廠經常受到較高的進水磷濃度的影響，這將顯著影響出水磷濃度和N2O的產生。因此，應采取措施緩解高進水磷濃度對反硝化除磷和N2O產生的影響。根據文獻和上述結果，一種措施可能會降低反硝化除磷過程中的出水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，即簡稱連續(xù)磷酸鹽和硝酸鹽添加方案。

在厭氧期開始時，向每個反應器中脈沖添加磷酸鹽，并且每個反應器的初始PO43--P濃度保持在相對較高的水平，這會抑制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反應器的PO43--P濃度控制在相對較低的水平，并且可以提高COD的去除率，從而導致厭氧PHA合成量的增加。另一方面，在缺氧期開始時，每個反應器的初始NO3--N濃度也處于相對較高的水平，因為在缺氧期向每個反應器脈沖添加硝酸鹽。由于PHA降解速度較慢，DPAO使用PHA作為碳源進行反硝化時，缺氧NO2--N的積累增強，從而可能促進N2O的產生。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的產生。

在本研究中，通過連續(xù)添加磷酸鹽和硝酸鹽方案，研究了不同進水P濃度對反硝化除磷和N2O生成的影響（圖4）。厭氧期間，隨著進水磷濃度從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。相應地，厭氧COD去除量在73.82～39.40mg·g（MLSS）-1之間。特別是在進水磷酸鹽濃度為20、30、40和50 mg L-1時，厭氧COD去除量分別為67.11、49.76、42.41和39.40 mg·（g MLSS）-1，遠高于脈沖磷酸鹽添加方案。同時，在進水磷酸鹽濃度為20、30、40和50 mg L-1時，厭氧PHA合成量分別為3.03、1.67、1.57和0.93 mmol-C·（g VSS）-1。結果表明，在厭氧/缺氧SBR中，通過在厭氧期間連續(xù)添加磷酸鹽，可以確保DPAOs的優(yōu)勢。缺氧期間，隨著進水磷濃度從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，當進水磷濃度從5 mg L-1增加到50 mg L-1時，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，連續(xù)硝酸鹽添加方案的NO2--N積累水平遠低于脈沖硝酸鹽添加方案。可以得出結論，在缺氧期間通過連續(xù)添加硝酸鹽可以抑制反硝化除磷過程中N2O的產生。

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，以及在間歇式反應器中，在不同進水磷濃度下，在連續(xù)添加磷酸鹽和硝酸鹽的情況下，NO2--N和總N2O的濃度曲線計劃

因此，研究結果表明，在反硝化除磷過程中，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水磷濃度過高對反硝化除磷和N2O生成的影響。

4.結論

在厭氧/缺氧SBR反應器中，通過提供最佳培養(yǎng)條件，DPAOs可迅速成為優(yōu)勢種群，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PHA合成、反硝化除磷和N2O生成。當進水磷濃度超過20mg L-1時，DPAOs活性開始受到抑制。同時，隨著缺氧NO2--N積累的減少，N2O的產生受到抑制。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的產生。

致謝

本研究由安徽農業(yè)大學青年科學家自然科學基金資助（2013ZR010），安徽農業(yè)大學自然基金重點項目（2013ZR025）資助。