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附录 外文参考文献（译文）

反硝化聚磷菌在生物除磷的分数的表征

Jens Meinhold *,Carlos D. M. Filipe**,Glen T. Daigger*** and Steven Isaacstdagger;

* Department of Chemical Engineering, Technical University of Denmark, DK-2800 Lyngby, Denmark

** Environmental Systems Engineering, Clemson University, Clemson,SC 29634-0919, USA

*** CH2M HILL, JOO Inverness Terrace East, Englewood, CO 80122, USA

dagger; Kruger A/S, Gladsaxevej 363, DK-2860 Soeborg, Denmark

摘要 实验研究结果表明，大力支持这一假设即活性污泥系统中的PAO包括两个组分：a）能够使用氧气和硝酸盐的反硝化PAO（DNPAO）以及b）只能使用氧气的非反硝化PAO（非DNPAO）。进行分批实验，其中从试点规模的Biodenipho 工艺获得的活性污泥进入厌氧/缺氧/好氧，厌氧/好氧或厌氧/缺氧条件的序列中，同时监测，，，和。确定PAO的两个组分的几种方法进行了比较。

这项研究扩展了先前报告的结果（Kerrn-Jespersen和Henze，1993）即pH值控制在7附近，以确保磷酸盐沉淀最小，以及PHB和PHV的测量。 关于后者，本文还研究了内部PHA池的大小对缺氧的磷吸收率的影响。用于实现非DNPAO和DNPAO增长的现有模型的模拟用于确认实验结果并更好地了解一些观察结果。copy;1999 IAWQ 由Elsevier科学有限公司出版。保留所有权利。

关键字 磷的去除；反硝化作用；DNPAO；非DNPAO；活性污泥；模拟；饱和动力学；PHB。

1 介绍

活性污泥系统中的生物除磷（BPR）是由统称为聚磷菌（PAO）的异养微生物完成的。 它们可以以聚磷酸盐颗粒的形式储存大量的磷。通过在厌氧和好氧环境之间连续循环生物质来刺激PAO的生长。在厌氧期间，PAO存储有机底物，优选为聚羟基脂肪酸酯（PHA;主要为聚羟基丁酸酯（PHB）或聚羟基戊酸酯（PHV））形式的挥发性脂肪酸（VFA）。通过切割内部存储的多磷酸盐来提供驱动底物摄取所需的能量，导致磷释放到培养基中。同时，发生细胞糖原含量的减少以维持细胞中的氧化还原平衡(Smolders等，1994a；Arun等，1989；Mino等，1987)。在电子受体（氧或硝酸根）存在下，PAO使用储存的PHA进行生长，利用厌氧菌补充糖原，且过量吸收磷，再生细胞内多磷酸盐池(Smolders等，1994b；Kuba等，1996c)。通过去除富磷废渣实现系统中磷的去除。

虽然最初认为PAO在缺氧条件下不能生长和积累磷，但实验证明PAO可以这样做（Kerrn-Jaspersen和Henze，1993；Vlekke等，1988；Kuba等，1993） 。 已在实验室规模的系统（Kuba等，1993，1996a，1996c）和全规模的污水处理厂（Kuba 等，1997）中观察到缺氧吸磷。 反硝化聚磷菌的使用（DNPAO）在BPR系统是有利的,因为相同的有机底物有效地用于脱氮除磷。这是显著的，因为有机底物的可利用性往往是除磷脱氮工艺的一个限制因素。与DNPAO活性相关的其他优点包括减少曝气量和污泥产量（Kuba等，1996a）。

本研究的目的是：在试点规模体系中提供额外的缺氧吸磷的证据；研究缺氧磷吸收速率在PAO中的PHV方面的依赖性； 开发使用硝酸盐作为末端电子受体的PAO群体的比例得到量化的方法；并使用现有的代谢模型来增加非DNPAO和DNPAO，以更好地了解一些实验观察结果。

2 材料与方法

2.1 分批实验

实验装置如图1所示，由四个5升有机玻璃圆柱形间歇式反应器组成。 实验过程中，在液体表面上喷出氮气以排除大气中的氧气并维持厌氧/缺氧条件。 在反应器底部通过扩散器喷射压缩空气来启动好氧周期。

图1 分批实验装置示意图

通过移液管进行化学添加，或者通过校准的蠕动泵进行连续添加。 通过加入1.0M HCl或0.5M NaOH手动控制pH至7.0plusmn;0.1。这个散装液体的温度保持在18℃plusmn;1。通过使用其他地方描述的FIA系统的改进版本的流动注射分析（FIA）进行硝酸盐加亚硝酸盐（），磷酸盐（）和氨（）或亚硝酸盐（）的自动测量（Pedersen等人，1990;Meinhold等人，1998）。

每个分批实验的通用方案如下。从biodenipho试验装置处理城市污水获得活性污泥（Isaacs和Temmink，1996）。在每个实验的当天获得污泥，因此污泥特性从实验到实验有一些差异。在取污泥之前，将试验装置反应器处在无曝气条件下，直到硝酸盐完全消耗。然后将4升污泥转移到四个间歇反应器中的每一个，立即将其搅拌并置于氮气下。在某些实验中，通过添加磷酸钾提高了磷酸盐浓度水平。通过加入乙酸钠（HAc），将厌氧PHA摄取/磷酸盐释放步骤开始，并保持反应器无氧，直到所有反应器中乙酸盐吸收与磷酸盐释放已完成。随后开始缺氧或好氧条件。

从手动收集的样品中测量PHB和PHV。 样品收集的过程包括从每个反应器中取出30ml混合液体，然后立即离心（5分钟，4000转）并立即冷冻污泥颗粒。在进一步分析之前，将颗粒冷冻干燥。

2.2 分析方法

用FIA（Pedersen等，1990）分析氨氮（），硝酸盐加亚硝酸盐氮（）和正磷酸盐（）。按照Smolders等（l994a）的描述稍作修改来测量PHB。根据APHA标准方法（1985）测定MLSS和MLVSS。

2.3 模拟研究

研究是通过模拟两个序批式反应器中PAO和DNPAO的生长开始的，如Filipe和Daigger（1997）所述。 第一SBR用于生成DNPAO。一个周期包括：初始的厌氧时间（2.0小时），其中在前2分钟内加入进料（含有400mg-COD /L的醋酸和15mg-P / L），随后是缺氧时间（1.75小时），其中硝酸盐在第一小时以等于6.382mmol-N / h的通量加入。最后一段是有氧时间，持续时间为1.75小时。该系统模拟了7天的SRT，直到达到稳态条件。第二SBR以相同的方式进行模拟，但不添加硝酸盐，导致初始厌氧期为3.75小时，有氧期为1.75小时。该系统用于产生仅能够使用氧作为末端电子受体的PAO。

模拟了三种批次试验：厌氧/缺氧/好氧分批试验。 每个期间的持续时间设置为2小时。在缺氧期开始时，加入硝酸盐至最终浓度为7mmol-N / L，使得硝酸盐不受限制。厌氧/缺氧间歇试验。厌氧期也持续2小时，加入7mmol-N /L硝酸盐开始持续4小时的缺氧期。条件与厌氧/缺氧批次相同，但产生好氧条件，而不是加入硝酸盐。

模拟了不同初始比例的DNPAO（0，25，50，75和100％）的批次试验。 每个批次模拟3种不同的初始醋酸浓度（3.125,6.25和12.5mmol-C / L）。 所有批次中初始磷浓度设定为1.5 mmol-C / L）。

DNPAO模型是由Kuba等（1996c）开发的。同一作者对有氧条件下的生长总结了Smolders等发现的动力学表达（1995a，b，c）。用于好氧过程的化学计量如Smolders等（1994b，1995a）所述。一组开关用于打开和关闭进程, 取决于终端电子受体的使用（Filipe和Daigger，1997）。所有模拟都是使用 Aquasim (Reichert,1994) 完成的。

3 结果与讨论

由于其半间歇的操作方式, 在交替式 BI0DENIPH0工艺过程 (Einfeldt) 中, 硝酸盐、有机基质和磷酸盐之间的相互作用可以很容易地观察到。 图二显示了在两种不同条件下, 一个试验规模工厂的两个缺氧/好氧反应堆中的一个过程周期收集的硝酸盐和磷酸盐测量。右边的图显示了在 '正常' 过程中收集的城市污水作为饲料的条件的数据。 左边的图在增加乙酸以后立刻提出数据到饲料。从质量平衡中获得的直线是磷酸盐不会反应的过程。右边的图曲线的斜率与实际磷酸盐测量的上升的比率的比较表明 p 摄取发生时硝酸盐存在 (反硝化PAO), 并且有些磷酸盐在硝酸盐被消耗以后被释放。在缺氧反应器后的磷酸盐释放被归因于维持和有机基体的取用在一个缓慢的速度, 或者由于转换反应 (水解, 发酵) 或由于接踵而来的易降解的基体不占去了厌氧区域。在缺氧相中也可以看到基底源的作用, 在左边的图中, 磷酸盐测量的斜率总是比计算的高。尽管如此, 缺氧对磷的摄取仍然发生, 因为只要硝酸盐存在, 磷的斜率就会增加相当低。 图二所示的数据清楚地表明, 在试验装置中发生了缺氧的磷吸收。

图2 BIODENIPHO工艺试验装置的两个缺氧/好氧反应堆中的硝酸盐和磷酸盐测量。双箭头段的数字是mg P (17 min) 的磷增加率

实验证据表明，在BPR系统中存在两种不同的PAO群体（Ketin n·Jespersen和Henze，1993; Bortone等，1996）。在以前的研究中，观察到，在有氧条件下，即使在之前的缺氧期间停止P摄取也恢复。 这为将PAO分为两组提供了基础（Kerrn-Jespersen和Henze，1993）。

在本研究中，进行了3台反应器并联的实验，将污泥提供到厌氧/缺氧/好氧，厌氧/需氧或厌氧/缺氧条件下。 然而，提供了仔细定义的条件，具有较高的采样率，受控pH和补充PHB和PHY测量。 一个代表性实验的结果如图3所示。

所有的反应器都有相同量的乙酸盐以及5mg / L的（作为），在乙酸盐诱导的P释放结束后，在反应器J1中开始通气，而将硝酸盐加入到 反应堆J1被充气，表现出快速的磷吸收，实现净除磷从液体。 在缺氧反应器中，P吸收逐渐减慢（J2和J3，并没有实现净吸收）。当提供通气时，磷的吸收迅速增加，只有轻微的P摄取在J3的最后2.5个小时的实验中，这仍然是缺氧的，相比于J2模式。

PHB和PHV也在本实验期间进行了测量，结果显示在图3的右图中。两种内部储存化合物的动力学与可溶性磷酸盐的动力学一致。 在厌氧期，随着磷酸盐的释放和乙酸盐的吸收，PHA有所增加。在缺氧和好氧阶段，PHA利用率和磷酸盐摄取率最初都是最高的，随着实验的进行而逐渐减少。 类似于磷酸盐图案，PHA利用在曝气开始时表现出反应器J2的强烈增加。

在缺氧期结束时磷吸收显着降低有几个可能的原因。 第一个可能是系统中亚硝酸盐的积累，这已经是严重抑制几个生物过程。然而，这似乎不太可能，因为在反应器J2中开始曝气后磷吸收立即增加，似乎合理的假设亚硝酸盐也将在有氧条件下影响生物量。此外，进行实验（未显示）以评估亚硝酸盐对BPR的影响。 结果表明，亚硝酸盐可以作为电子受体达到一定临界浓度，这是中试装置和批次试验中观察到的亚硝酸盐浓度的十倍（Meinhold等，1997）。

图3 三个不同批次测试的浓度曲线 A.可溶性物种；B. PHA

第二个原因可能是 或的局限性。这不能解释观察, 因为P 摄取正常发生在有氧条件下。

图三所示的行为最有可能的解释是PAO两个组分的存在, 它只能使用氧气作为终端电子受体, 另一种可以使用氧气或硝酸盐。缺氧的磷酸摄取是由于DNPAO 使用硝酸盐作为受体, 它减慢作为他们的胞内储存材料 (PHA) 成为限制。另一个组, 非DNPAO，仍然有足够的胞内存储, 因为他们无法使用硝酸盐。 在曝气开始时增加磷的摄取量是由于非DNPAO的活性所致。

假设存在两个群体的模拟反映了与实验中观察到的相同的定性行为（图4）。厌氧/缺氧/好氧分批测试的模拟显示与实验观察到的相似的剖面。 图4B显示，在缺氧条件下，磷吸收率明显低于有氧条件，这是因为只有50％的人口能够使用硝酸铵。

还有兴趣的是，在随后的曝气中，DNPAO对磷总吸收速率的贡献远远低于纯有氧PAO。 这是因为DNPAO在缺氧条件下会消耗大量的PHB，降低了在有氧条件下除磷的能力。

当模拟两种不同的批次测试（厌氧/缺氧和厌氧/好氧）时，观察到相同的行为（图4C和D）。在缺氧条件下，观察到较低的磷吸收速率，这是由于生物质能够达到较低的百分比。但在有氧条件下，每个人对磷摄取的贡献基本相同。

注意，在有氧条件下, 磷的摄取率有多陡（图 b 和 d）， 而缺氧摄取率显示出更平滑的模式。这一观察将变得重要, 当 DNPAO 的比例在试点装置测量。

图4 A.初始醋酸浓度为6.25 mmol C / L和50％DNPAO的厌氧/缺氧/好氧分批测试；B.测试前期磷吸收率A图； C.厌氧/缺氧和厌氧/好氧分批的磷分布曲线，其醋酸浓度为6.25 mmol-C / L和50％DNPAO；D.图 c 中测试的磷吸收率

图5 A.图4C中批次试验中两个组分中的PHB浓度； B.观察PHB浓度

图五显示了图4C中模拟的PHB轮廓。缺氧间歇试验中非 DNPAO 的PHB含量不改变。然而， 当适当的末端电子受体存在，PHB概要为所有有机体根本上是相同的。这是由于这一事实， 该模型假定相同的特定PHB氧化率的两个种群在有氧和缺氧条件下，只要PHB的内容在结束的厌氧阶段是相同的。实验结果表明，缺氧条件下的PHB消耗率低于好氧条件。 这与两个种群假说一致，如图5B 中所示的复合PHB曲线。

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