生物脫氮除磷最新研究進展：碳源儲存創新及生物工藝的優化（1）
今年1月國際水協會的營養物去除與回收專家組（NutrientRemovalandRecoverySpecialistGroup）舉行了主題為InnovationsinCarbonStorageandOptimizationinBiologicalProcesses的線上研討會。這是一次關于生物脫氮除磷研究的成果分享會，這些成果對未來圍繞生物除磷設計的下一代污水處理工藝奠定重要基礎。
本次研討會信息量豐富，IWA微信公眾號將分兩期為大家介紹其中的重點內容。在第一期中我們將先和讀者分享研討會概況以及生物除磷機理的研究進展，第二期將分享這些研究在實際污水廠實踐結果。
研討會概況
本次研討會由康奈爾大學的AprilGu教授、Black&Veatch公司的JamesBarnard博士以及NEWhubCorp的SudhirMurthy博士主持。
圖.研討會主持及發言嘉賓一覽|圖源：IWA
本次研討會有六個報告。JamesBarnard博士是第一位報告嘉賓。這是一次特別的報告，它既是Barnard博士對其生物除磷研究實踐的回顧，也是對在2021年三月份去世的DavidStensel教授的致敬。兩位行業傳奇相識于1972年的加州康郡(ContraCosta)，當時的DavidStensel就職于美國的Eimco公司，Eimco從南非的水研究所那里購買了Barnard博士發明的Bardenpho(BARnardDENitrificationandPHOsphorusremoval)，他們共同設計了Bardenpho工藝在北美的第一工程應用(佛羅里達的PalmettoWWTP)，兩人也從此結下了40多年的友誼。
圖.1972年Barnard博士的Bardenpho中試研究|圖源：IWA
在第二個報告里，Black&Veatch公司的ChrisDeBarbadillo、西北大學的GeorgeWells教授和哥倫比亞大學的KartikChandran教授介紹了美國水研究基金會(WRF)的低能耗生物脫氮除磷項目，主要考察了如何利用反硝化聚磷菌(DPAO)實現同時的脫氮除磷的研究，并展示了該工藝在美國和丹麥共8個污水廠12種工藝下的運行情況。這個項目的內容我們會在第二期里有更具體的介紹。
同濟大學的李詠梅教授分享了她在AAO工藝基礎上設計的側流磷回收系統的研究成果，原理是利用厭氧方法釋磷，然后用化學沉淀實現磷的回收。
弗吉尼亞HRSD衛生局(HamptonRoadsSanitationDepartment)的KesterMcCullough分享了他在A-B工藝的實驗成果，如下圖所示，他考察了運用側流MBBR，將強化生物除磷(EBPR)和主流厭氧氨氧化(MainstreamDeammonification)兩者結合的可能性。結果顯示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。并發現了供給部分反硝化(PartialDenitrification)的碳源是PHA而不是糖原(Glycogen)。
同樣來自弗吉尼亞HRSD的StephanieKlaus則介紹了她在JamesRiver污水廠的實驗，她考察了如何利用內碳源進行部分反硝化+厭氧氨氧化(PDNA)實現主流厭氧氨氧化。結果顯示，啟動時間長達3個月，AvN控制系統在正常運作時，IFAS和MBBR兩個反應器都能夠滿足TIN出水標準。其中，放置在第二個缺氧區的IFAS反應器是實現主流厭氧氨氧化的工藝，它利用了內碳源實現部分反硝化，為anammox提供了亞硝氮。
最后發言的是康奈爾大學的谷中春教授，她對上邊嘉賓的內容做了進一步總結，介紹了傳統EBPR和側流EBPR(S2EBPR)的區別，并對比了目前各種例用內碳源進行生物脫氮除磷的工藝的優劣。
由于本次研討會嘉賓眾多，每個嘉賓的介紹也非常詳盡，感興趣的讀者可以訪問國際水協會官網回看本次研討會的視頻：
https://iwa-network.org/learn/innovations-in-carbon-storage-and-optimization-in-biological-processes/
對生物除磷認知的不斷加深
總的來說，這次研討會給我們行業帶來了信息量豐富的研究進展，關鍵詞包括了S2EBPR、DPAO、Anammox、磷回收、好氧顆粒污泥（AGS），而且是可以在一個系統內實現。有趣的是，這一系列的突破進展，歸根結底都可以從生物除磷說起。
2017年11月，JamesBarnard博士連同Black&Veatch的兩位同事在WaterEnvironmentalResearch發文，題為“RethinkingtheMechanismsofBiologicalPhosphorusRemoval”。在文章里Barnard博士說過去認為EBPR在第一階段的厭氧區不能有氧的存在(包括O2和NOx)，而且最佳效果是前置厭氧區，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“看圖說話”的做法，但隨著越來越多的實測觀察結果支持——許多沒有厭氧區的污水廠照樣觀察到了生物除磷的現象后，Barnard博士開始重新審視過去的生物除磷理論，這就有了這篇重新思考EBPR機理的文章。
圖.Barnard博士在密歇根水環境協會2016年年會報告里用此圖說明這種固化的設計是mistake|圖源：mi-wea.org
這篇報告的一大重要成果，就是側流強化生物除磷的工藝(Side-streamEBPR，簡稱S2EBPR)。
圖.S2EBPR與傳統EBPR的工藝流程對比|圖源：IWA
過去我們談論聚磷菌（Polyphosphate-accumulatingorganisms，簡稱PAOs），關注點更多的只落在它“厭氧釋磷，好氧吸磷”的機制，卻沒有意識到，這個只是這種微生物的代謝作用結果的一部分而已，它的核心其實是對碳源的轉化和儲存，這也是本次研討會談論的焦點——CarbonStorage。給這種微生物起了PAOs的名字，只會讓更多人忽略掉它們儲碳的本質。
而在這個儲碳過程中，如下圖所示，揮發性脂肪酸（VFAs）是必要的初始條件。
圖.PAO菌的細胞在厭氧(左)和好氧(右)環境下的物質轉化機理|圖源：Black&Veatch
此前大家認為傳統EBPR存在以下“問題”：
不適合低C/P比的進水；
不能應對進水波動較大的情況；
不適合用于A-B工藝；
沒辦法和短程脫氮工藝兼容；
滿足不了太嚴格的出水要求，需要化學除磷做為備案
但隨后這些問題都一一找到了原因：傳統EBPR是讓初沉池出水先經過厭氧區，但這種設計有很多問題：第一，這個厭氧區實際上不是嚴格的厭氧，原因是初沉池出水和回流污泥都會帶進溶解氧，ORP的水平往往不足以支持有效的發酵；
第二，聚糖菌(GAOs)和聚磷菌競爭揮發性脂肪酸(VFAs)，影響了PAOs的有效富集；
第三，這種進水設計的VFAs濃度本來就不夠高；
第四，這種設計對碳/磷比非常敏感。
找到問題根源后，包括Barnard博士在內的一些生物脫氮除磷專家開始對癥下藥，他們開始意識到，EBPR的關鍵是要有一個獨立的深度厭氧的反應區，而且可以對進水的C/P進行自動調解，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)進行水解和發酵酸化，從而得到適量的VFAs，反應器的溢流回到主流生物工藝里。這就是所謂的側流(又稱旁流)厭氧反應池。
圖.四種基于S2EBPR理念已經開發出來的工藝形式(PE指PrimaryEffluent)|圖源：Black&Veatch
除了Barnard博士，行內還有很多人進行S2EBPR的研究，康奈爾的谷中春教授的團隊就是其中的代表。她曾對美國的5個S2EBPR污水廠和7個傳統EBPR污水廠進行調研，并對它們三年的運行數據進行評估，做了動力學分析和微生物生態學的對比分析。
結果顯示，相比傳統EBPR，四座S2EBPR污水廠出水的磷濃度更加穩定，而且這四座污水廠剛好也代表四種不同構型的S2EBPR。
圖.四個S2EBPR的污水廠的參數概況
除此以外，相關研究人員通過宏基因組分析，還發現了新的Accumulibacter菌種，以及可以反硝化的聚磷菌，這就是現在的一個研究熱點——DPAO。這意味著有微生物可以在缺氧區實現同時的生物脫氮除磷。這也是本次研討會第二個報告里提到的美國水研究基金會(WRF)的低能耗生物脫氮除磷項目可以立項的原因。它為生物脫氮除磷研究打開了全新的大門。