2.材料与方法

2.1.实验室规模好氧颗粒污泥生物反应器

建立了三个相同的实验室规模序批式反应器(SBRs)(图1)。反应器由透明有机玻璃制成，每个有效体积为1.5 L，内径5 cm，深度100 cm。空气通过安装在反应器底部的曝气器，使用水族箱气泵供应，到三个SBR反应器（命名为SBR1、SBR2和SBR3）的空气流速分别通过流量计控制在0.2、0.6和1.0 L空气/分钟（相应的比空气流速分别为0.17、0.51和0.85 cm/s）。环境温度为14±4°C。使用蠕动泵（Longer，中国）将等量的进水废水泵入三个反应器，处理后的废水通过电磁阀排出。

由可编程计时器(Samson Electric Wire,德国)控制，SBRs以4小时为一个周期运行；每个周期包括5分钟进水阶段、220分钟连续曝气阶段、5分钟沉降阶段和10分钟排水阶段。水力停留时间(HRT)为8小时，每个运行周期更换一半反应器工作体积的废水。

2.2.合成废水与好氧颗粒污泥

在三个反应器中处理模拟市政废水与猪粪消化液混合物的合成废水，其特点是低COD:N比（特别是低BOD:N比）。合成废水中的碳源是葡萄糖（COD平均为700 mg/L）。为了研究COD:N比对好氧颗粒污泥SBRs中N2O排放的影响，N2O测量实验连续包括三个运行阶段（每个阶段10天），每个阶段废水中NH4-N浓度分别为148、106和74 mg/L，对应于COD:N比为1:0.22、1:0.15和1:0.11。合成废水中的氮源是(NH4)2SO4（对于NH4-N浓度148、106和74 mg/L，合成废水中分别含有700、500和350 mg/L的(NH4)2SO4）。合成废水的其他组分包括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。合成废水以平均有机负荷率2.1 kg COD/(m³d)输入SBRs。

反应器接种了取自一个已稳定运行处理高强度市政废水合成废水超过半年的实验室规模好氧颗粒污泥反应器中的好氧颗粒。接种后三个SBRs中的初始悬浮固体(SS)浓度为20 g/L。在开始N2O测量之前，三个反应器用COD:N比为1:0.22的合成废水运行两周。然后，废水依次切换为其他两种COD:N比为1:0.15和1:0.11的合成废水。实验期间SBRs中的生物质浓度为18.9±0.8 g SS/L，主要颗粒尺寸为300-2000μm，平均尺寸为710±85μm。在稳态下，除了在排水阶段随出水带出的悬浮固体外，不从反应器中排泥；这导致污泥停留时间超过45天。

2.3.评估好氧颗粒N2O产生特性的实验

为研究好氧颗粒产生的N2O，将三个SBRs中的上清液更换为自来水。分别向SBRs中加入NaNO2或KNO3，使初始NO2-N或NO3-N浓度达到50 mg/L，以评估废水中仅含NO2或NO3作为氧化态氮组分时反应器中的N2O产生。然后反应器分别以0.2、0.6和1.0 L空气/分钟的速率曝气，并记录液相中的溶解N2O浓度。

第二个实验是研究好氧颗粒因NH4+−N氧化产生的N2O。向上述实验系统（测量异养反硝化途径N2O产生）中加入NH4Cl，使初始NH4-N浓度达到50 mg/L，以测量SBRs中氮组分为NH4+−N+NO2−−N或NH4+−N+NO3−−N时的总N2O产生速率。计算N2O产生速率时，与废水中仅含NO2-N或NO3-N作为氮组分时的比N2O产生速率相比，增加的N2O产生速率归因于NH4+−N氧化。

还使用批次实验研究了缺氧条件下和不同COD:N比值(1:0.22,1:0.15和1:0.11)下的N2O产生。将作为SBRs接种物的洗涤过的好氧颗粒污泥加入有效体积为500 mL的烧杯中。分别加入含有350 mg/L COD和77、52及38 mg/L NO2-N或NO3-N（对应于COD:N比值1:0.22,1:0.15和1:0.11）的合成废水，不提供曝气。使用磁力搅拌器搅拌烧杯中的混合液，并记录溶解N2O浓度。

2.4.分析方法

COD、NH4-N、NO2-N、NO3-N、总氮(TN)和悬浮固体(SS)根据标准APHA方法(APHA,1998)进行测量。溶解氧(DO)和pH使用DO和pH探头(Hach,USA)测量。

采用N2O微电极(Unisense,Denmark)在线测量液相中的溶解N2O浓度，该传感器能够精确测量范围为0-30 mg/L(检测限0.04 mg/L)的溶解N2O浓度，并配有皮安电流计(PA2000,Unisense,Denmark)。传感器使用不含N2O的蒸馏水归零，并用4.4 mg/L N2O溶液校准。

颗粒污泥生物质中的聚-β-羟基丁酸(PHB)含量使用分光光度法测量，修改步骤如下：(1)从反应器中取25 ml混合液，研磨并在4000 rpm下离心；(2)将获得的固体（生物质）依次用50%、80%和99.5%乙醇洗涤（每次3~min）；(3)用0.5 ml浓硫酸洗涤生物质两次并转移到带螺纹的玻璃管中；(4)向管中加入1 ml 98.5%浓硫酸并在105℃下加热30~min；(5)使用UV-VIS分光光度计(DR2800,Hach,USA)在235~nm处检测PHB浓度。使用3-羟基丁酸钠作为标准PHB，并按照上述步骤进行消化以进行校准。