2.材料與方法

2.1.實驗室規(guī)模好氧顆粒污泥生物反應器

建立了三個相同的實驗室規(guī)模序批式反應器(SBRs)(圖1)。反應器由透明有機玻璃制成，每個有效體積為1.5 L，內徑5 cm，深度100 cm?？諝馔ㄟ^安裝在反應器底部的曝氣器，使用水族箱氣泵供應，到三個SBR反應器（命名為SBR1、SBR2和SBR3）的空氣流速分別通過流量計控制在0.2、0.6和1.0 L空氣/分鐘（相應的比空氣流速分別為0.17、0.51和0.85 cm/s）。環(huán)境溫度為14±4°C。使用蠕動泵（Longer，中國）將等量的進水廢水泵入三個反應器，處理后的廢水通過電磁閥排出。

由可編程計時器(Samson Electric Wire,德國)控制，SBRs以4小時為一個周期運行；每個周期包括5分鐘進水階段、220分鐘連續(xù)曝氣階段、5分鐘沉降階段和10分鐘排水階段。水力停留時間(HRT)為8小時，每個運行周期更換一半反應器工作體積的廢水。

2.2.合成廢水與好氧顆粒污泥

在三個反應器中處理模擬市政廢水與豬糞消化液混合物的合成廢水，其特點是低COD:N比（特別是低BOD:N比）。合成廢水中的碳源是葡萄糖（COD平均為700 mg/L）。為了研究COD:N比對好氧顆粒污泥SBRs中N2O排放的影響，N2O測量實驗連續(xù)包括三個運行階段（每個階段10天），每個階段廢水中NH4-N濃度分別為148、106和74 mg/L，對應于COD:N比為1:0.22、1:0.15和1:0.11。合成廢水中的氮源是(NH4)2SO4（對于NH4-N濃度148、106和74 mg/L，合成廢水中分別含有700、500和350 mg/L的(NH4)2SO4）。合成廢水的其他組分包括100 mg/L KH2PO4,500 mg/L K2HPO4,100 mg/L NaCl,200 mg/L MgCl2,20 mg/L FeCl2和20 mg/L CaCl2。合成廢水以平均有機負荷率2.1 kg COD/(m3d)輸入SBRs。

反應器接種了取自一個已穩(wěn)定運行處理高強度市政廢水合成廢水超過半年的實驗室規(guī)模好氧顆粒污泥反應器中的好氧顆粒。接種后三個SBRs中的初始懸浮固體(SS)濃度為20 g/L。在開始N2O測量之前，三個反應器用COD:N比為1:0.22的合成廢水運行兩周。然后，廢水依次切換為其他兩種COD:N比為1:0.15和1:0.11的合成廢水。實驗期間SBRs中的生物質濃度為18.9±0.8 g SS/L，主要顆粒尺寸為300-2000μm，平均尺寸為710±85μm。在穩(wěn)態(tài)下，除了在排水階段隨出水帶出的懸浮固體外，不從反應器中排泥；這導致污泥停留時間超過45天。

2.3.評估好氧顆粒N2O產生特性的實驗

為研究好氧顆粒產生的N2O，將三個SBRs中的上清液更換為自來水。分別向SBRs中加入NaNO2或KNO3，使初始NO2-N或NO3-N濃度達到50 mg/L，以評估廢水中僅含NO2或NO3作為氧化態(tài)氮組分時反應器中的N2O產生。然后反應器分別以0.2、0.6和1.0 L空氣/分鐘的速率曝氣，并記錄液相中的溶解N2O濃度。

第二個實驗是研究好氧顆粒因NH4+?N氧化產生的N2O。向上述實驗系統(tǒng)（測量異養(yǎng)反硝化途徑N2O產生）中加入NH4Cl，使初始NH4-N濃度達到50 mg/L，以測量SBRs中氮組分為NH4+?N+NO2??N或NH4+?N+NO3??N時的總N2O產生速率。計算N2O產生速率時，與廢水中僅含NO2-N或NO3-N作為氮組分時的比N2O產生速率相比，增加的N2O產生速率歸因于NH4+?N氧化。

還使用批次實驗研究了缺氧條件下和不同COD:N比值(1:0.22,1:0.15和1:0.11)下的N2O產生。將作為SBRs接種物的洗滌過的好氧顆粒污泥加入有效體積為500 mL的燒杯中。分別加入含有350 mg/L COD和77、52及38 mg/L NO2-N或NO3-N（對應于COD:N比值1:0.22,1:0.15和1:0.11）的合成廢水，不提供曝氣。使用磁力攪拌器攪拌燒杯中的混合液，并記錄溶解N2O濃度。

2.4.分析方法

COD、NH4-N、NO2-N、NO3-N、總氮(TN)和懸浮固體(SS)根據(jù)標準APHA方法(APHA,1998)進行測量。溶解氧(DO)和pH使用DO和pH探頭(Hach,USA)測量。

采用N2O微電極(Unisense,Denmark)在線測量液相中的溶解N2O濃度，該傳感器能夠精確測量范圍為0-30 mg/L(檢測限0.04 mg/L)的溶解N2O濃度，并配有皮安電流計(PA2000,Unisense,Denmark)。傳感器使用不含N2O的蒸餾水歸零，并用4.4 mg/L N2O溶液校準。

顆粒污泥生物質中的聚-β-羥基丁酸(PHB)含量使用分光光度法測量，修改步驟如下：(1)從反應器中取25 ml混合液，研磨并在4000 rpm下離心；(2)將獲得的固體（生物質）依次用50%、80%和99.5%乙醇洗滌（每次3~min）；(3)用0.5 ml濃硫酸洗滌生物質兩次并轉移到帶螺紋的玻璃管中；(4)向管中加入1 ml 98.5%濃硫酸并在105℃下加熱30~min；(5)使用UV-VIS分光光度計(DR2800,Hach,USA)在235~nm處檢測PHB濃度。使用3-羥基丁酸鈉作為標準PHB，并按照上述步驟進行消化以進行校準。