今年1月國(guó)際水協(xié)會(huì)的營(yíng)養(yǎng)物去除與回收專家組（NutrientRemovalandRecoverySpecialistGroup）舉行了主題為InnovationsinCarbonStorageandOptimizationinBiologicalProcesses的線上研討會(huì)。這是一次關(guān)于生物脫氮除磷研究的成果分享會(huì)，這些成果對(duì)未來(lái)圍繞生物除磷設(shè)計(jì)的下一代污水處理工藝奠定重要基礎(chǔ)。

本次研討會(huì)信息量豐富，IWA微信公眾號(hào)將分兩期為大家介紹其中的重點(diǎn)內(nèi)容。在第一期中我們將先和讀者分享研討會(huì)概況以及生物除磷機(jī)理的研究進(jìn)展，第二期將分享這些研究在實(shí)際污水廠實(shí)踐結(jié)果。

研討會(huì)概況

本次研討會(huì)由康奈爾大學(xué)的AprilGu教授、Black&Veatch公司的JamesBarnard博士以及NEWhubCorp的SudhirMurthy博士主持。

圖.研討會(huì)主持及發(fā)言嘉賓一覽|圖源：IWA

本次研討會(huì)有六個(gè)報(bào)告。JamesBarnard博士是第一位報(bào)告嘉賓。這是一次特別的報(bào)告，它既是Barnard博士對(duì)其生物除磷研究實(shí)踐的回顧，也是對(duì)在2021年三月份去世的DavidStensel教授的致敬。兩位行業(yè)傳奇相識(shí)于1972年的加州康郡(ContraCosta)，當(dāng)時(shí)的DavidStensel就職于美國(guó)的Eimco公司，Eimco從南非的水研究所那里購(gòu)買了Barnard博士發(fā)明的Bardenpho(BARnardDENitrificationandPHOsphorusremoval)，他們共同設(shè)計(jì)了Bardenpho工藝在北美的第一工程應(yīng)用(佛羅里達(dá)的PalmettoWWTP)，兩人也從此結(jié)下了40多年的友誼。

圖.1972年Barnard博士的Bardenpho中試研究|圖源：IWA

在第二個(gè)報(bào)告里，Black&Veatch公司的ChrisDeBarbadillo、西北大學(xué)的GeorgeWells教授和哥倫比亞大學(xué)的KartikChandran教授介紹了美國(guó)水研究基金會(huì)(WRF)的低能耗生物脫氮除磷項(xiàng)目，主要考察了如何利用反硝化聚磷菌(DPAO)實(shí)現(xiàn)同時(shí)的脫氮除磷的研究，并展示了該工藝在美國(guó)和丹麥共8個(gè)污水廠12種工藝下的運(yùn)行情況。這個(gè)項(xiàng)目的內(nèi)容我們會(huì)在第二期里有更具體的介紹。

同濟(jì)大學(xué)的李詠梅教授分享了她在AAO工藝基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的側(cè)流磷回收系統(tǒng)的研究成果，原理是利用厭氧方法釋磷，然后用化學(xué)沉淀實(shí)現(xiàn)磷的回收。

弗吉尼亞HRSD衛(wèi)生局(HamptonRoadsSanitationDepartment)的KesterMcCullough分享了他在A-B工藝的實(shí)驗(yàn)成果，如下圖所示，他考察了運(yùn)用側(cè)流MBBR，將強(qiáng)化生物除磷(EBPR)和主流厭氧氨氧化(MainstreamDeammonification)兩者結(jié)合的可能性。結(jié)果顯示MBBR的脫氮率(部分反硝化+厭氧氨氧化)要高于B段生物工藝的脫氮率。并發(fā)現(xiàn)了供給部分反硝化(PartialDenitrification)的碳源是PHA而不是糖原(Glycogen)。

同樣來(lái)自弗吉尼亞HRSD的StephanieKlaus則介紹了她在JamesRiver污水廠的實(shí)驗(yàn)，她考察了如何利用內(nèi)碳源進(jìn)行部分反硝化+厭氧氨氧化(PDNA)實(shí)現(xiàn)主流厭氧氨氧化。結(jié)果顯示，啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月，AvN控制系統(tǒng)在正常運(yùn)作時(shí)，IFAS和MBBR兩個(gè)反應(yīng)器都能夠滿足TIN出水標(biāo)準(zhǔn)。其中，放置在第二個(gè)缺氧區(qū)的IFAS反應(yīng)器是實(shí)現(xiàn)主流厭氧氨氧化的工藝，它利用了內(nèi)碳源實(shí)現(xiàn)部分反硝化，為anammox提供了亞硝氮。

最后發(fā)言的是康奈爾大學(xué)的谷中春教授，她對(duì)上邊嘉賓的內(nèi)容做了進(jìn)一步總結(jié)，介紹了傳統(tǒng)EBPR和側(cè)流EBPR(S2EBPR)的區(qū)別，并對(duì)比了目前各種例用內(nèi)碳源進(jìn)行生物脫氮除磷的工藝的優(yōu)劣。

由于本次研討會(huì)嘉賓眾多，每個(gè)嘉賓的介紹也非常詳盡，感興趣的讀者可以訪問(wèn)國(guó)際水協(xié)會(huì)官網(wǎng)回看本次研討會(huì)的視頻：

https://iwa-network.org/learn/innovations-in-carbon-storage-and-optimization-in-biological-processes/

對(duì)生物除磷認(rèn)知的不斷加深

總的來(lái)說(shuō)，這次研討會(huì)給我們行業(yè)帶來(lái)了信息量豐富的研究進(jìn)展，關(guān)鍵詞包括了S2EBPR、DPAO、Anammox、磷回收、好氧顆粒污泥（AGS），而且是可以在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)。有趣的是，這一系列的突破進(jìn)展，歸根結(jié)底都可以從生物除磷說(shuō)起。

2017年11月，JamesBarnard博士連同Black&Veatch的兩位同事在WaterEnvironmentalResearch發(fā)文，題為“RethinkingtheMechanismsofBiologicalPhosphorusRemoval”。在文章里Barnard博士說(shuō)過(guò)去認(rèn)為EBPR在第一階段的厭氧區(qū)不能有氧的存在(包括O2和NOx)，而且最佳效果是前置厭氧區(qū)，這就有了所謂的Phoredox工藝(或者更為人熟知的AO或A2O工藝)。這種是一種“看圖說(shuō)話”的做法，但隨著越來(lái)越多的實(shí)測(cè)觀察結(jié)果支持——許多沒(méi)有厭氧區(qū)的污水廠照樣觀察到了生物除磷的現(xiàn)象后，Barnard博士開始重新審視過(guò)去的生物除磷理論，這就有了這篇重新思考EBPR機(jī)理的文章。

圖.Barnard博士在密歇根水環(huán)境協(xié)會(huì)2016年年會(huì)報(bào)告里用此圖說(shuō)明這種固化的設(shè)計(jì)是mistake|圖源：mi-wea.org

這篇報(bào)告的一大重要成果，就是側(cè)流強(qiáng)化生物除磷的工藝(Side-streamEBPR，簡(jiǎn)稱S2EBPR)。

圖.S2EBPR與傳統(tǒng)EBPR的工藝流程對(duì)比|圖源：IWA

過(guò)去我們談?wù)摼哿拙?/span>Polyphosphate-accumulatingorganisms，簡(jiǎn)稱PAOs），關(guān)注點(diǎn)更多的只落在它“厭氧釋磷，好氧吸磷”的機(jī)制，卻沒(méi)有意識(shí)到，這個(gè)只是這種微生物的代謝作用結(jié)果的一部分而已，它的核心其實(shí)是對(duì)碳源的轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存，這也是本次研討會(huì)談?wù)摰慕裹c(diǎn)——CarbonStorage。給這種微生物起了PAOs的名字，只會(huì)讓更多人忽略掉它們儲(chǔ)碳的本質(zhì)。

而在這個(gè)儲(chǔ)碳過(guò)程中，如下圖所示，揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）是必要的初始條件。

圖.PAO菌的細(xì)胞在厭氧(左)和好氧(右)環(huán)境下的物質(zhì)轉(zhuǎn)化機(jī)理|圖源：Black&Veatch

此前大家認(rèn)為傳統(tǒng)EBPR存在以下“問(wèn)題”：

不適合低C/P比的進(jìn)水；

不能應(yīng)對(duì)進(jìn)水波動(dòng)較大的情況；

不適合用于A-B工藝；

沒(méi)辦法和短程脫氮工藝兼容；

滿足不了太嚴(yán)格的出水要求，需要化學(xué)除磷做為備案

但隨后這些問(wèn)題都一一找到了原因：傳統(tǒng)EBPR是讓初沉池出水先經(jīng)過(guò)厭氧區(qū)，但這種設(shè)計(jì)有很多問(wèn)題：第一，這個(gè)厭氧區(qū)實(shí)際上不是嚴(yán)格的厭氧，原因是初沉池出水和回流污泥都會(huì)帶進(jìn)溶解氧，ORP的水平往往不足以支持有效的發(fā)酵；

第二，聚糖菌(GAOs)和聚磷菌競(jìng)爭(zhēng)揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)，影響了PAOs的有效富集；

第三，這種進(jìn)水設(shè)計(jì)的VFAs濃度本來(lái)就不夠高；

第四，這種設(shè)計(jì)對(duì)碳/磷比非常敏感。

找到問(wèn)題根源后，包括Barnard博士在內(nèi)的一些生物脫氮除磷專家開始對(duì)癥下藥，他們開始意識(shí)到，EBPR的關(guān)鍵是要有一個(gè)獨(dú)立的深度厭氧的反應(yīng)區(qū)，而且可以對(duì)進(jìn)水的C/P進(jìn)行自動(dòng)調(diào)解，具體操作是將部分或者全部回流污泥(RAS)或者混合液懸浮固體(MLSS)進(jìn)行水解和發(fā)酵酸化，從而得到適量的VFAs，反應(yīng)器的溢流回到主流生物工藝?yán)铩＿@就是所謂的側(cè)流(又稱旁流)厭氧反應(yīng)池。

圖.四種基于S2EBPR理念已經(jīng)開發(fā)出來(lái)的工藝形式(PE指PrimaryEffluent)|圖源：Black&Veatch

除了Barnard博士，行內(nèi)還有很多人進(jìn)行S2EBPR的研究，康奈爾的谷中春教授的團(tuán)隊(duì)就是其中的代表。她曾對(duì)美國(guó)的5個(gè)S2EBPR污水廠和7個(gè)傳統(tǒng)EBPR污水廠進(jìn)行調(diào)研，并對(duì)它們?nèi)甑倪\(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，做了動(dòng)力學(xué)分析和微生物生態(tài)學(xué)的對(duì)比分析。

結(jié)果顯示，相比傳統(tǒng)EBPR，四座S2EBPR污水廠出水的磷濃度更加穩(wěn)定，而且這四座污水廠剛好也代表四種不同構(gòu)型的S2EBPR。

圖.四個(gè)S2EBPR的污水廠的參數(shù)概況

除此以外，相關(guān)研究人員通過(guò)宏基因組分析，還發(fā)現(xiàn)了新的Accumulibacter菌種，以及可以反硝化的聚磷菌，這就是現(xiàn)在的一個(gè)研究熱點(diǎn)——DPAO。這意味著有微生物可以在缺氧區(qū)實(shí)現(xiàn)同時(shí)的生物脫氮除磷。這也是本次研討會(huì)第二個(gè)報(bào)告里提到的美國(guó)水研究基金會(huì)(WRF)的低能耗生物脫氮除磷項(xiàng)目可以立項(xiàng)的原因。它為生物脫氮除磷研究打開了全新的大門。