摘要


本研究旨在研究反硝化除磷过程中进水磷浓度对反硝化除磷和N2O产生的长期影响。结果表明，通过提供最佳培养条件，反硝化聚磷菌（DPAOs）能迅速成为厌氧/缺氧SBR中的优势菌群，且反应器具有良好的反硝化除磷性能。在反硝化除磷过程中，进水磷浓度显着影响厌氧聚-b-羟基烷酸酯（PHA）的合成、反硝化除磷和N2O的产生。当进水磷浓度超过20 mg L-1时，由于有效碳源类型的转变，DPAOs的活性开始受到抑制。同时，随着缺氧NO2--N积累的减少，N2O的产生受到抑制。在反硝化除磷过程中，采用改性投料可以提高反硝化除磷效果，抑制N2O的产生。


1.介绍


众所周知，氮（N）和磷（P）在水体富营养化中起着至关重要的作用，应该从废水中去除。在传统的生物脱氮除磷（BNR）工艺中，氮磷的去除分别由异养反硝化细菌和聚磷菌（PAO）完成，这两种生物都需要碳源。然而，COD通常是磷释放和反硝化的限制因素（Hu等人，2011年；Naessens等人，2012年）。强化生物除磷（EBPR）工艺中反硝化聚磷生物（DPAO）的发现为与COD限制相关的问题提供了合适的解决方案（Zeng等人，2003年；Xu等人，2011年）。


反硝化除磷是一种新型的生物脱氮除磷技术。反硝化除磷是由于DPAOs能够将NOX--N用作缺氧除磷的电子受体，而不是氧气（Carvalho et al.，2007）。DPAOs可在交替厌氧/缺氧条件下被激活，并具有与PAOs相似的代谢特征（Li等人，2013a，b，c）。DPAOs利用外部碳源在厌氧条件下储存聚-b-羟基烷酸酯（PHA）。然后，DPAOs氧化细胞内PHA，并在缺氧条件下利用硝酸盐/亚硝酸盐作为磷吸收的电子受体（Wang et al.，2012）。与传统的EBPR工艺相比，反硝化除磷工艺可减少30%的曝气需求，同时减少50%的污泥产量和碳源需求（Kuba et al.，1996）。


众所周知，厌氧阶段的PHA合成对于反硝化除磷过程至关重要，因为DPAOs将PHA用作反硝化的碳源（Zhu和Chen，2011）。因此，DPAOs的代谢紊乱可能会对厌氧阶段PHA的合成产生负面影响，最终导致反硝化除磷效果的恶化。


通常，DPAOs的厌氧PHA合成会受到许多因素的影响，如进水水质、温度、pH值、厌氧/缺氧反应时间等。在这些因素中，进水水质对厌氧阶段甚至设计反硝化除磷工艺都很重要。众所周知，反硝化除磷开始用于不同类型的废水处理（如城市废水、屠宰场废水、猪场废水、垃圾渗滤液等），不同类型废水中的COD、N和P浓度差异很大（Merzouki et al.，2005）。因此，进水水质的变化将显着影响PHA合成量，这可能导致不同的N和P去除率。此外，一些研究报告，当DPAOs在反硝化除磷过程中将PHA用作碳源进行反硝化时，N2O而不是N2是主要的反硝化产物（Lemaire et al.，2006；Jia et al.，2012）。N2O是一种重要的温室气体，其升温潜能约为CO2的300倍，它不仅会造成温室效应，还会破坏臭氧层（Ravishankara等人，2009年）。大量研究表明，反硝化除磷系统报告的N2O生成量为进水氮负荷的2.3%至21.6%（Wang等人，2011a，b；Zhou等人，2012）。因此，反硝化除磷过程中N2O的产生应受到显着影响，因为厌氧PHA合成量受进水水质的影响，同时还应注意反硝化除磷过程中N2O的产生。在这种情况下，进水水质的影响应该是反硝化除磷工艺性能评估中最重要的问题之一，特别是在保证稳定的反硝化除磷和最小化N2O产生方面。然而，目前还不清楚进水水质如何以及为什么会影响反硝化除磷和N2O的产生。特别是，进水磷浓度与厌氧PHA合成之间的关系，对于理解DPAOs中氮和磷的去除以及N2O产生机制非常重要，但尚未完全了解。


因此，本研究旨在研究反硝化除磷过程中进水磷浓度对厌氧PHA合成、反硝化除磷和N2O生成的长期影响。研究了进水磷浓度对反硝化除磷和N2O生成的影响机理。最后，在SBR上采用改进的投料方式，以缓解进水P浓度对反硝化除磷和N2O产生的影响。


2.方法


2.1.SBR反硝化除磷的运行


DPAOs在六个SBR中富集，SBR中的污泥来自中国厦门的一个城市污水处理厂。每个密封实验室规模SBR（工作容积为5L，顶部空间为0.5L）在25±1℃下运行。Wang et al.（2009）报道，在采用两次进料模式的厌氧/缺氧SBR中，DPAOs可以快速成为优势种群，并且反应器在反硝化除磷方面表现良好。因此，通过提供适宜的培养条件，特别是厌氧/缺氧交替环境和适宜的饲养方式，DPAOs可以迅速成为优势种群。在这种情况下，每个SBR都加入合成废水，并以8小时的循环时间运行，包括3分钟进料、150分钟厌氧反应、30分钟设置、12分钟倾析、3分钟进料、240分钟缺氧反应和30分钟设置，然后是12分钟倾析。


在厌氧期开始时，将3L含有COD的合成废水泵入每个反应器，使厌氧初始COD浓度约为200mg L-1。缺氧期开始时，立即向反应器中加入3L含NO3--N和PO43--P的合成废水，NO3--N和PO43--P的缺氧初始浓度分别约为30mg L-1和12mg L-1。浪费一定量的污泥混合物，以将固体保留时间（SRT）控制在约15天，混合液悬浮固体（MLSS）水平为3.0 g L-1。在反应期间，每个SBR用磁力搅拌器混合。


取液相和固相样品进行化学分析，在厌氧期取样间隔为30分钟，缺氧期取样间隔为40分钟。使用微型传感器在线监测溶解的N2O浓度，使用气密收集袋和注射器收集气体样品，然后立即通过气相色谱（GC）进行分析。


SBR运行超过30天后，DPAO富集，反映在恒定的磷去除率和生物量浓度上。此后，进行了以下报告的实验。


2.2.合成废水


厌氧期间用作饲料的合成废水包括（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。缺氧期间用作饲料的合成废水包括（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组成。合成废水中的COD、NO3--N浓度分别约为300和50 mg L-1。通过向合成废水中添加KH2PO4，根据实验需要设定PO43--P浓度。本研究中的化学品由国药集团化学试剂有限公司（SCRC）提供，纯度高于98%。


2.3.连续实验


通过两个系列的连续实验，研究了进水磷浓度对厌氧PHA合成、反硝化除磷和N2O生成的影响。工作容积为1.6 L的可密封反应器用于连续实验。在开始每次连续试验之前，在缺氧期结束时，向反应器中注入从母体反应器中提取的1.5 L混合液，然后在30分钟后，去除1.0 L上清液。所有连续实验均在系统稳定阶段进行，温度控制在25±1℃。取液相和固相样品进行化学分析，在厌氧期间采样间隔为30分钟，缺氧期间每30分钟采样一次。采用气相色谱法和N2O微传感器分别测定了气相和液相的N2O浓度。每个连续试验中的所有运行均在以下相同操作条件下进行。


2.3.1.实验1：进水P浓度对厌氧PHA合成、反硝化除磷和N2O产生的长期影响


在进水磷浓度为5、10、20、30、40和50 mg L-1的情况下，进行了连续试验，以研究进水磷浓度对厌氧PHA合成、反硝化除磷和N2O生成的长期影响。在每个循环开始时，将1.0升含有COD和PO43--P的合成废水送入间歇式反应器，使COD的初始浓度约为240 mg L-1。反应器在150分钟的厌氧反应和240分钟的缺氧反应中运行，并且在厌氧期结束时脉冲添加KNO3，使NO3--N的初始浓度约为30 mg L-1。


2.3.2.实验2：改性投料方式对厌氧PHA合成、反硝化除磷和N2O产生的长期影响


通过连续实验，研究了在进水磷浓度为5、10、20、30、40和50 mg L-1的情况下，优化的进水模式是否能提高反硝化除磷率并减少N2O的产生。在本实验中，将1.0升含有COD的合成废水送入间歇式反应器，使COD的初始浓度约为240 mg L-1。在150 min厌氧期开始时，通过蠕动泵（BQ50-1J，更长）将20 mL KH2PO4溶液连续注入反应器超过1.0 h。然后，缺氧反应持续240 min，并且自缺氧期开始以来，通过蠕动泵将40 mL KNO3溶液连续注入反应器超过2.0 h。


2.4.动力学实验


对于“实验1”，对不同进水P浓度的反应器中活性污泥的动力学行为进行了研究。根据公式（1）计算最大比降解率（qmax）和表观半速率常数（K）：

其中S0是基质的起始浓度，S是时间t后的基质浓度，X是污泥生物量的浓度。


理论产量系数（Y）和比生物量衰减率（kd）由式（2）计算得出。

这里Q（Sa?Se）是基质降解量，XvV是反应器的总生物量，DX是生物量增长。


式（3）可用于计算每个反应器中活性污泥的固体停留时间（hc），其中US为污泥负荷。由于内源代谢和死亡，观察到的生物量产量（Yobs）与Y不同，可根据式（4）计算得出。


2.5.分析方法


按照标准方法（APHA，2002）测定COD、NO3--N、NO2--N、PO43--P、MLSS和MLVSS。气相色谱（安捷伦7820，美国）和N2O微型传感器（Unisense，丹麦）分别用于测量气相和液相的N2O浓度。PHA（包括聚-b-羟基丁酸酯（PHB）、聚羟基戊酸盐（PHV）和聚-3-羟基-2-甲基戊酸盐（PH2MV））的浓度根据Oehen等人（2005）描述的方法进行测量。根据Jenkins等人（2003）提出的方法分析糖原。


2.6.统计分析


所有实验数据均以标准偏差的三倍平均值表示。所有统计分析均采用SPSS 21.0软件，单因素方差分析检验。如果p<0.05，则认为差异显着。均值内差异的显着性采用邓肯检验进行评估。皮尔逊相关用于显着线性关系评估。