好氧颗粒污泥中生物比氨氮、亚硝酸盐和磷酸盐吸收速率的测定外文翻译资料

 2022-08-02 11:11:53

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好氧颗粒污泥中生物比氨氮、亚硝酸盐和磷酸盐吸收速率的测定

J,P,Bassina,b,*，R.Kleerebezemb，M.Dezottib，M.C.M.van Loosdrechta

a Department of Biotechnology，Delft University of Technology，Delft，The Netherlands

b Federal University of Rio de Janeiro，COPPE-Chemical Engineering Program，Rio de Janeiro，Brazil

摘要：

好氧颗粒污泥（AGS）技术为在单独一个反应器系统中去除有机碳、氮和磷提供了可能性。颗粒结构以好氧层和厌氧/缺氧层并存的方式存在。由于AGS体系中的大多数生物过程都是同时发生的，因此相比于悬浮态生物，颗粒污泥物质比转化能力的测定和评估都较复杂。通过测定好氧颗粒污泥中不同功能基团的活性，可以确定污泥的潜在代谢能力，有助于分析生物反应器的性能。同时，可以用于比较不同的污泥，更好的了解微生物的不同代谢群体之间的相互作用与竞争。本论文中通过在AGS反应器正常运行条件下，采用最适的实验条件和方法确定氨氮、亚硝酸盐和磷酸盐比吸收率。此外，通过优化条件下测定化合物的最大吸收速率来表征微生物特性，可以显示出微生物还有多大的空间可以使用。本试验过程中提出的方法可为研究生物膜过程中微生物功能基团代谢能力的实验提供参考。

关键词：

好氧颗粒污泥、氨氮吸收速率、亚硝酸盐吸收速率、硝化作用、磷酸盐吸收速率、缺氧磷去除、反硝化聚磷菌。

亮点：

  • 提供了测量好氧颗粒污泥中NH4 ，NO2-和PO43-比值的方法。

●为测定具体活动的广泛使用的方法提出了优化建议；

●电子受体剂量逐渐增加是确定最大缺氧P吸收量的最合适方法。

●最大的NH4 和NO2-氧化速率可以通过有氧颗粒的有氧试验获得。

●生物氧气监测仪测试应使用预曝气（3h）的粉碎颗粒进行

  1. 简介：

好氧颗粒污泥（AGS）是一项较新的技术，在生物污水处理领域引起了越来越多的关注。大量的研究集中在理解好氧颗粒的形成和发展（Morgenroth et al., 1997; Dangcong et al., 1999; Beun et al.,1999）以及在AGS系统中发生的主要生物进程（De Kreuk et al., 2005; Bassin et al., 2012a）。AGS在含氮、磷废水（De Kreuk and van Loosdrecht, 2004; de Kreuket al., 2005; Mosquera-Corral et al., 2005; Bassin et al., 2012a），高浓度有机物（Tay et al., 2004），高盐浓度（Bassin et al., 2011b）和有毒芳香污染物（Jiang et al.,2002）的处理中的应用在文献中也有所描述。AGS的重要优点之一是可以在一个反应器内去除有机碳、氮和磷，通常在一个时间周期中以顺序分批的方法进行反应。完全去除C、N和P可以通过颗粒内的转化过程和氧化还原区中好氧层和厌氧/缺氧层并存的分层结构来实现。因此，这为几种参与不同生物过程，例如化学需氧量（COD）、生物磷去除、硝化和反硝化，的细菌创造了一个小生态环境。为了实现生物脱氮除磷的一体化，颗粒污泥反应器通常经历两个不同的阶段：厌氧进料阶段，从反应器底部通过沉降污泥床进料；以及随后的曝气阶段，在此阶段同时发生硝化和反硝化作用（de Kreuk and van Loosdrecht, 2004）。在厌氧阶段，全部或大部分COD（通常为挥发性脂肪酸）被微生物所吸收，如聚磷菌（PAOs）和聚糖菌（GAOs）,它们将COD以细菌内聚合物的形式储存，例如聚羟基烷酸酯（Lopez-Vazquez et al.,2009）。在充气阶段，硝化作用发生在颗粒的含氧外层；而PAOs和GAOs氧化其储存的聚合物以供生长，这是由颗粒外部的氧气和颗粒内部的硝酸盐或亚硝酸盐完成的（de Kreuk et al.,2005）。图一是一个简化的示意图，它显示了AGS结构中并行发生的一些转换。

在未定义的细菌群落（如好氧颗粒）中，生物量的比吸收率（挥发性悬浮物每量的转化率（VSS））通常用来表示生物量的活性。当需要比较不同实验系统之间的转化率，以便更好地了解不同细菌对同一底物的相互作用和竞争时，测定不同条件下的生物量比吸收率尤为重要。

在AGS实验室反应器的操作过程中，在测定特定的底物吸收速率时遇到了一些问题。氨氧化活性的评估活性相对简单，但在测定亚硝酸盐的氧化活性时可能受到反硝化生物（在本实验中尤其是反硝化PAOs（DPAOs）和反硝化GAOs（GAOs））同时进行的亚硝酸盐还原的阻碍。如图一所示，在好氧颗粒中，同时发生硝化和反硝化作用，使活性测定的评估复杂化。因此，硝化细菌（NOB）在好氧区对亚硝酸盐的氧化和反硝化细菌在缺氧区对亚硝酸盐的还原是同时发生的。因此，亚硝酸盐的绝对氧化能力是无法直接测定的。此外，评估哪一部分磷酸盐被氧或硝酸盐/亚硝酸盐还原也不容易。这两个过程在颗粒的不同区域并行发生（图一）。另外一个复杂的问题是，反应器中应用的低溶解氧浓度（通常小于2.0mg/L）很难在多次批量实验中得到和控制。氧气浓度的改变会导致颗粒污泥内好氧和缺氧体积的比例改变。

这个实验旨在建立最佳的设置和最合适的实验条件，以估计在反应器正常运行条件下，特定微生物群（例如负责磷酸盐、氨氮和亚硝酸盐转化的那一部分微生物群）的实际活性，以及确定污泥最大的潜在容量。在此基础上，提出了在若干种特定条件下的批量活度试验。这些与生物氧监测仪(BOM)中的呼吸测试相辅相成。对不同的方法进行了比较，并提出了不同情况下的最佳选择。

图1 好氧颗粒污泥结构中并行发生的主要过程转换的示意图。AOB：氨氧化菌；NOB：亚硝酸盐氧化菌；PAO：聚磷菌；DPAO：反硝化聚磷菌；GAO：聚糖菌；DGAO：反硝化聚糖菌；COD：化学需氧量；PP：多磷酸盐。反硝化聚磷菌（DPAOs）和反硝化聚糖菌（DGAOs）是反硝化细菌的代表。在厌氧阶段，有PAOs、DPAOs、GAOs和DGAOs积累的PHA在本图中没有显示。在厌氧阶段，整个颗粒都处在厌氧条件下（无生物膜反应）。

  1. 材料和方法

2.1 反应器设置和操作方法

实验室中使用的好氧颗粒污泥序批式反应器（SBR）的体积为2.6L，在室温（20plusmn;2℃）条件下运行，内径（D）为5.6cm，总高（H）在90cm（H/D=16）。高径比大，有利于短沉降时间下快速沉降颗粒的选择和轻污泥絮状体的冲刷。实验装置的示意图如图SM-1（补充材料（SM））所示。反应器通过底部的多孔扩散器实现曝气和混合（气流速度为4L/min）。pH值可以用1M NaOH或1M HCl控制在7.0plusmn;0.2。用中试规模的好氧颗粒污泥反应器中处理城市污水（WWTP Epe，荷兰）的颗粒污泥接种反应器。为了实现脱氮除磷，反应器在厌氧、好氧交替条件下，按3h循环顺序运行。运行周期包括从反应器底部到沉降污泥床的厌氧进料阶段60分钟，曝气阶段112分钟，3分钟沉降和5分钟出水。出水在反应器底部上方51cm处以57%的体积交换率排放，水力停留时间为5.2h。使用生物控制器（Braun DCU4）、质量流量控制器和数据采集软件来控制和操作SRB.通过两个质量流量控制器将DO控制在20℃（1.8mg/L）的20%空气饱和度下：一个用于空气，一个用于氮气。合成进料介质由两种溶液组成，组成和各部分浓度如下（以mM为单位）：（溶液一）NaCH3COO·3H2O 63，MgSO4·7H2O 3.6，KCl 4.7；（溶液2）NH4Cl 35.4，K2HPO4 4.2，KH2PO4 2.1和 10 mL/L的微量元素溶液（Vishniac and Santer, 1957）。每个循环中从两种进水介质各取150mL溶液以及1200mL自来水，以达到400mg COD L-1、60mg NH4-N L-1和20 mg P L-1的进水浓度。如之前的文章（Bassin et al., 2012c）所述，通过定期清除反应器中的剩余污泥，将污泥停留时间保持在30d左右。通过图像分析确定的颗粒的平均直径约为0.8mm。

2.2 在正常或完全有氧或缺氧条件下进行循环测试

在反应器正常运行条件（20℃、1.8mg L-1）下进行典型的循环实验（实验1）。每10-20分钟从曝气阶段开始采集液体样品，并采集磷酸盐、氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐的浓度。通过VSS随时间对的回归曲线，得到生物量比磷、氨氮和亚硝酸盐的吸收速率。在DO浓度为100%空气饱和度条件（20℃、9.1mg L-1）下进行类似的循环实验（实验2），以最大限度的减少氧气限制并测得最大的氨氧化能力，以便与正常操作条件下所得的数据对比。为了获得缺氧时最大的P吸收能力，还在缺氧条件下进行了循环实验（实验4）。在缺氧循环实验中，根据反硝化速率不断添加电子受体（亚硝酸盐或硝酸盐）。此外，还仅对亚硝酸盐进行附加实验，以两倍于反硝化速率的速度连续添加电子受体。反硝化速率由在正常反应器操作下的循环实验中，氨氮的吸收速率与亚硝酸盐/硝酸盐的吸收速率之间的差异计算得出。通过在缺氧循环实验中测得的缺氧P吸收率初除以正常操作下测得的P吸收率，可以得出缺氧P吸收对总P吸收的贡献。

2.3 完全有氧条件下进行活度分批实验

为了获得最大的氨氮和亚硝酸盐吸收率，在20℃，DO浓度为100%空气饱和度条件下进行了分批实验（实验5）。在操作周期（180分钟）结束时从反应器中取出颗粒污泥，曝气两小时保证所有的氨氮均完成转换，这个过程也能保证所有被颗粒污泥吸附的氨氮都被解吸和氧化。如之前的文章（Bassin et al., 2011a; Lin et al., 2012.）所述，氨氮吸附是好氧颗粒的重要特性之一，在处理这种生物质时不应忽视。随后，将颗粒用自来水洗涤并过筛，然后将生物质轻轻的粉碎，以免颗粒内出现厌氧/缺氧区域，该区域可能导致反硝化的发生，从而难以测得亚硝酸盐的氧化能力。粉碎的颗粒均匀分布在装有0.1 M Tris-HCl缓冲液的250 mL烧瓶中，缓冲液用以保持pH值恒定在7.0。在实验开始时脉冲添加的氨氮或亚硝酸盐浓缩储备液，是初始浓度达到50mg和20mg N L-1，。每过5-20分钟收集一次样品，并测量氨氮、硝酸盐和亚硝酸盐的浓度。用它们随着时间变化的浓度除以恒定的VSS浓度得到生物量比氨氮和亚硝酸盐的吸收速率。

2.4 完全缺氧条件下的活度分批实验

进行批处理实验以评估缺氧P吸收率，并将结果与在颗粒系统内部进行的缺氧循环实验中得到的结果进行比较（实验3）。在进料阶段以后（即细胞内聚羟基烷酸酯（PHA），如聚羟基丁酸脂（PHB）积累，并且磷酸盐释放到原液中之后），立即从反应器中取出颗粒。将颗粒过筛并用自来水洗涤。在几个装有0.1 M Tris–HCl缓冲液（pH=7.0）的250ml烧瓶中装入等量的颗粒（基于湿重），该缓冲液中含有与进料到反应器中的合成介质相同的矿物质（磷酸盐和乙酸盐除外）。为了保持厌氧条件，通过多孔扩散器向每个烧瓶提供氮气。在实验开始时（前13分钟），未向烧瓶中添加任何物质以验证是否会发生没有电子受体的二次磷酸盐释放（出于维护目的）。从实验开始的15分钟开始向每个烧瓶中脉冲注入浓磷酸盐溶液（6.25g P L-1），以获得约25mg P L-1的初始浓度。在30分钟时，脉冲加入的浓亚硝酸盐或硝酸盐溶液（7.5g N L-1的储备液），以获得30mg N L-1的初始浓度。从此刻开始，每10-20分钟取样一次以测定磷酸盐、亚硝酸盐和硝酸盐的浓度。由于在规定时间间隔内仅从每个烧瓶中取出液体样本，因此每体积液体中的生物量随着时间增加。为了避免与用于计算生物量浓度的体积矫正问题，生物量比的确定不是基于生物量的浓度，而是基于生物量的总量，其在批次测试时间内是恒定的。类似的，用在实验的特定时间内存在的磷酸盐和硝酸盐/亚硝酸盐的总量（以毫克计）来代替浓度，总量是用烧瓶中剩余化合物的数量与采样出去的量（通常为8ml）之和得到的。可以通过将特定时间的磷酸盐、亚硝酸盐或硝酸盐的总量除以烧瓶中存在的恒定VSS得到生物量比速率。

2.5 BOM实验中的脱机呼吸实验

使用由小型温控容器（45mL）组成的呼吸机测定不同实验条件下生物量比耗氧量率（SOUR）。呼吸机包含一个氧气电极，并连接到计算机进行数据采集。在操作周期结束时从AGS反应器接收生物质。如表一所示，进行了几次BOM实验（实验B1-B6）。将一定量正常或粉碎颗粒放入容器中，并在容器中装入0.1 M Tris-HCl缓冲液，以保持pH恒定在与反应器相同的值（pH 7.0）。利用空气扩散器对容器充气10分钟，以获得等于或高于7.

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