焦点提醒：生物除磷理论和实践新冲破：从支流EBPR到侧流EBPR 来历:中国给水排水 作者:刘智晓

生物除磷理论和实践新冲破：从支流EBP����APPR到侧流EBPR来历:中国给水排水作者:刘智晓2018/12/13 要害词:生物除磷生物脱氮市政污水厂

导语：基在保守生物除磷理论的带有前置厌氧区的支流生物除磷脱氮工艺在曩昔近半个世纪的水体富养分化节制进程中一向阐扬着主导感化。近年全球规模内侧流活性污泥水解发酵项目（简称S2EBPR或SSH）获得快速成长和利用，经由过程对这些项陌生物除磷的研究发觉，这些采取侧流活性污泥发酵的污水厂呈现了高效且加倍不变的生物除磷现象，但这类侧流EBPR却没法操纵保守典范理论来进行对比注释。这类环境下，一种能够间接操纵葡萄糖和氨基酸进行发酵并释磷的新PAO菌属Tetrasphaeraspp.被发觉并分手，Tetrasphaeraspp.在良多侧流活性污泥水解污水厂的菌群布局中相对保守Accumulibacter菌属据有更高的品貌(abundance)， “Accumulibacter-Tetrasphaera”共生协同的“双PAOs协同共生除磷理论”（coexistence and synergy）和模子成立是对保守生物除磷理论的严重拓展与冲破。本文基在污水处置生物除磷脱氮手艺成长史视角，从支流污水脱氮除磷工艺手艺成长史梳理最先，对侧流EBPR现象发觉和侧流发酵机理、Tetrasphaera发觉、生化代谢模子和其生态位（ecological niche）、双PAOs模子的成立等方面进行了系统性梳理和总结，并连系国表里研究功效和现实案例，总结了侧流活性污泥水解发酵手艺工艺构型新成长和项目化利用近况，在此根本上展现了将来侧流EBPR手艺的成长前景，以期为我国污水厂将来深度脱氮除磷提标革新特别是低C/N比污水的处置供给鉴戒。

节制水体或湖泊富养分化的要害性生态因子是削减氮、磷的输入并节制适合的N/P比，对缓流水体和湖泊，节制水体P的浓度又是防控富养分化的重要节制因子，操纵强化生物脱氮除磷（EBNR）工艺经由过程生化路子去除养分盐被认为是最经济有用的体例，是以，半个多世纪以来，强化脱氮除磷乃至实现深度脱氮除磷（如到达手艺极限型出水尺度，LOT）、摸索各类改革的工艺实现对N、P的高效不变去除一向是污水处置研究者和项目设想和运营项目师们痴迷和寻求的极致标的目的。

科学研究和手艺的开辟始在对非凡实验现象的发觉，手艺成长得益在现象背后的机理和纪律被逐步揭露，百年活性污泥成长史也概莫如斯。早在1955年，Greenburg提出活性污泥法中磷的去除，印度Srinath研究小组和美国Alarcon研究小组别离在1959年、1961年报导了在污水厂发觉了生物除磷现象，Levin and Shapiro (1965) 实验中发觉活性污泥好氧进程的P的摄取和厌氧前提下P的释放现象在此根本上正式提出了PhoStrip工艺， 1967年Vacker和Connell在美国san antonio一座市政污水厂也发觉生物超量除磷， 1975年Fuhs&Chen正式系统性提出聚磷菌PAO的厌氧释磷-好氧过度摄取磷酸盐生物机制，也是在统一年， James Barnard师长教师提出Bardenpho工艺、美国Specter取得A/O和AAO工艺发现专利，1976年James Barnard正式推出Phoredox工艺的分歧工艺类型组合，再到1980年UCT工艺构型被提出，这一系列的生物除磷事务成为污水手艺成长史上的里程碑，在曩昔近半个世纪中，上述活性污泥生物脱氮除磷和其变形或改良工艺活着界规模内被普遍利用，有用削减污水中无机污染物和养分盐、节制和减轻水体富养分化阐扬了主要感化。

1侧流活性污泥发酵强化EBPR现象的发觉

保守支流EBPR工艺除磷机理模子是成立在厌氧前提下Accumulibacter类PAO对进水中可快速降解无机物首要是挥发性脂肪酸（VFAs）的摄取而产生磷的释放根本上，运转实践也注解，进水VFAs足够环境下，经由过程杰出的设想和靠得住的运转，保守EBPR工艺出水TP能够到达0.5～1.0mg/L；可是比来10～20年以来的一些没有前置厌氧的活性污泥工艺取得高效且较为不变的除磷现象在欧美一些污水厂被不雅察到，仅依托生物除磷出水TP能够到达0.1mg/L，典范理论模子已没法注释这类“非支流”除磷现象。与此同时，跟着对污水厂排放尺度要求的日趋提高，常规支流的强化生物脱氮除磷工艺面对愈来愈高的手艺挑战，如进水水质特征特别是低C/N比污水对脱氮除磷工艺运转的靠得住性、不变性与可延续影响，外回流照顾的NO3--N进入厌氧区粉碎厌氧情况而影响厌氧释磷进程。另外，保守支流脱氮除磷工艺（如A/O、A2O、Bardenpho工艺）中经由过程生物絮凝感化捕捉和吸附的胶体、颗粒性无机物，在生化厌氧、缺氧进程中因为水解感化不充实并没有被作为有用碳源被脱氮除磷进程充实操纵。

1972年被誉为“脱氮除磷之父”的James Barnard在进行范围为100m^{3/d的“A/O-A/O”构型的脱氮中试（装配有一个用在调理池容分派的可挪动式隔板，无意中缔造了一个“死区”构成了一个“发酵区”）中发觉，这个带有“发酵死区”的“A/O-A/O”脱氮系统取得了高效的生物除磷效力，在进水TP 为9mg/L环境下，出水TP能够低在0.2mg/L，在第二段缺氧区，夹杂液PO43--P到达30mg/L；当打消“死区”后，装配出水TP到达2mg/L。实验阐发，明显是“死区”的厌氧进程产生了污泥和夹杂液的水解感化，发生了VFAs，年夜量的VFAs经由过程25mm毗连管涌入到第二段缺氧区，增进构成了厌氧情况进而产生了P释放。明显，此次闻名的四级反映器的脱氮实验，阿谁能够往返挪动的可调理“好氧-缺氧池容”的隔板和上面25mm的2个孔洞，为往后侧流活性污泥强化生物除磷（S2EBPR）手艺的发觉和进一步成长，打开了一扇窗。}

2侧流活性污泥发酵强化EBPR手艺的成长

James Barnard师长教师1972年采取的“A/O-A/O”脱氮工艺现实上就是其1975年提出的“四段式Bardenpho”工艺的前身，按照此实验成果后来进一步提出了带有厌氧区的Bardenpho工艺，也就是今朝经常使用的“五段式Bardenpho”工艺。但是，James Barnard那次实验发觉“死区”增进BPR，但那时其并没有在这个实验研究根本长进一步提出侧流污泥发酵或夹杂液发酵的概念。那次实验的前后几年工夫，也是活性污泥工艺前端设置一个厌氧区作为实现生物除磷的根基工艺节制前提方才被认知的年月，也是在1975年-1976年，James Barnard在Bardenpho工艺根本上正式提出个成长带有前置厌氧段的Phoredox系列同步脱氮除磷工艺，这些工艺构型至今依然在污水处置范畴中饰演主要脚色。

继续梳理侧流活性污泥发酵的手艺成长史会发觉，真正提出活性污泥侧流发酵理念和项目利用是1990年后的工作了。较早引见并将侧流活性污泥水解手艺利用在项目实践的是丹麦克鲁格公司（Kruger A/S）和Envidan公司，Brinch P.在1997年报导了操纵“回流活性污泥水解”弥补SCOD强化脱氮除磷的理念和做法， Vollertsen J.G. Petersen G.等人操纵丹麦Aalbog东、西两座污水厂进行了侧流活性污泥水解的前期首创性工作，并对污泥水解动力学参数进行了系统研究。现实上，最后的实践是对初沉污泥进行水解，项目案例首要集中在丹麦、瑞典和北美，首要工艺节制参数SRT为2～5d。因为初沉污泥水解需节制水解和产酸进程，而不进入产甲烷化，水解产品需要进行“泥-液”二次分手，是以具有SCOD和VFAs从泥水夹杂液平分离、“洗出”效力的问题，同时初沉污泥水解易遭到进水水质、水量波动和初沉池排泥影响。相对初沉污泥水解，活性污泥水解产品SCOD产率固然较低，可是活性污泥水解无需进行发酵液的二次分手，泥水夹杂液可全数引入到厌氧池，同时回流的活性污泥流量和浓度可控，是以，活性污泥水解工艺不变性更高，近年遭到愈来愈多的研究和项目化利用。

3活性污泥发酵强化EBPR机理新成长

笔者曾对侧流活性污泥发酵手艺工艺构型做过总结，在初期的侧流活性污泥水解案例中，设置侧流污泥发酵单位的初志就是对部门回流活性污泥（RAS）进行厌氧水解发酵，将发生的SCOD和VFAs供给给支流厌氧区的PAOs释磷进程，是以，2010年前的关在侧流活性污泥发酵的文献，都是关在水解产率、影响身分和动力学等方面研究和阐述。

3.1Tetrasphaera菌属的发觉与分手

好久以来，CandidatusAccumulibacter一向被视为EBPR最首要的PAOs。2010年前后，丹麦和美国一些研究者发觉一些未设保守前置厌氧区的侧流EBPR项目实现了高效生物除磷，而依照保守PAOs生化代谢模子已不克不及注释和拟合这些“非支流”工艺现实的运转状态和出水水质。可是，那时的研究存眷点还没有对水解发酵进程微不雅范畴如菌群布局特征等进一步解析，只是逗留在宏不雅水解反映动力学参数和影响因子的定量化研究等方面，对侧流活性污泥手艺的认知也不敷深切。后来份子生物学手艺手段的快速成长为揭开动力学参数背后埋没的“奥秘”供给了通道，现实上，2000年前后Maszenan A.M.等人、Hanada A.等人从活性污泥平分离出了具有聚磷能力的Tetrasphaera菌属，并确认为是一种新型的PAOs，这一发觉拓展了对PAOs菌属品种的认知和界说。但这个期间的研究仅仅是确认了Tetrasphaera的形态、心理生化和分类特征，Tetrasphaera菌属的生态位和其与深度厌氧情况、侧流RAS发酵之间的素质联系并没有被揭露。丹麦奥尔堡年夜学的研究团队经由过程对丹麦现实污水厂EBPR菌群布局的定量化解析，发觉Tetrasphaera的品貌跨越了Accumulibacter,且Tetrasphaera类PAOs具有发酵特征并能间接操纵葡萄糖和氨基酸进行厌氧释磷，并在后续工作中进一步成立了Tetrasphaera生化代谢模子（见图1）。美国东北年夜学April G.团队经由过程保守支流EBPR和侧流EBPR系统的对照也发觉了近似纪律，即S2EBPR工艺的活性污泥中Tetrasphaera具有较高的品貌，侧流EBPR系统可以或许实现更高的除磷效力，另外，与保守支流除磷工艺比拟，S2EBPR中较低含量的GAOs（聚糖菌）使其出水水质更加不变。上述两个团队的研究确立了深度厌氧情况下EBPR菌群布局的多样性，特别是侧流EBPR工艺与Tetrasphaera菌属与之间的内涵素质联系。能够说，Tetrasphaera在生物除磷进程中的发觉和分手，和后续对代谢生化模子的成立年夜年夜推动了对保守EBPR理论的拓展和完美，这也促使一些具有远见的科学家不能不从头反思今朝常规的支流脱氮除磷机理和工艺流程的手艺缺欠和改良的机遇。

图1Tetrasphaera的厌氧生化代谢模子

3.2 “双PAOs”共生协同感化和模子成立

生化进程机理一旦被解析，工艺节制前提随之被熟悉和优化，后续工艺节制前提的深切研究进一步揭露了深度厌氧情况（ORP为-300mV）怪异的工艺特征。保守厌氧区的ORP在-150~-250mV，现实项目常常具有过度夹杂，且SRT常常较短（≤1.5h），难以培养加倍丰硕的厌氧生物菌群布局， PAOs首要以Accumulibacter为主；深度厌氧情况下，ORP能够不变连结在-300mV以下，且污泥在侧流池内逗留时候长，使得EBPR菌群布局加倍丰硕，特别是PAOs多样性产生很年夜转变，Mielczarek A.T.等操纵FISH手艺对丹麦具有EBPR功能的污水厂活性污泥种群进行了阐发，发觉两种分歧的PAOs协同共生，此中Tetrasphaera占有活菌总量的27%，而保守的Accumulibacter仅占3.7%。美国东北年夜学的 April Z. Gu团队研究也发觉，S2EBPR系统的生物除磷机能显著高在常规AAO系统，且S2EBPR释磷比（P/PHA）是AAO的3倍，进一步的菌群布局定量阐发注解，相对保守支流EBPR，S2EBPR污泥中Tetrasphaera在聚磷菌占有主体地位（见表1）,且GAO数目要显著低在常规AAO系统，在侧流活性污泥工艺中，同时发觉对EBPR有负面感化的Competibacter类的GAO发展遭到较着按捺。

表1. 侧流活性污泥水解工艺PAOs、GAOs构成和释磷比环境

曩昔保守生物除磷理论认为PAOs（首要是指Accumulibacter菌属）操纵进水中VFAs（挥发性脂肪酸）进行厌氧释磷，是以进水中的VFAs含量间接决议了厌氧释磷的结果，在Tetrasphaera与Accumulibacter共生协同机制被揭露后，美国Black& Veatch公司开辟了基在“双PAOs”侧流EBPR模子（见图2）。分歧品种的PAOs在EBPR进程中可有选择地实现分歧的生化代谢路子，Tetrasphaera菌属能够间接操纵年夜份子的葡萄糖、氨基酸等进行发酵释磷，而糖酵解路子比TCA轮回更具有劣势，这就意味着Tetrasphaera菌属的发酵感化削减了对进水VFAs的依靠，这也是为什么没有前置厌氧区的“非支流”工艺能获得高效生物除磷结果的缘由地点。进一步讲，在侧流反映器内，Tetrasphaera与Accumulibacter具有共生协同增进感化，Tetrasphaera在深度厌氧情况下经由过程水解发酵感化将污水中的可慢速降解无机物进行水解发生VFAs并释放磷酸盐，水解进程发生的VFAs被Accumulibacter接收贮存并同时释磷，明显，对碳源不足或进水VFAs匮乏的污水处置，经由过程引进侧流污泥发酵、操纵“双PAOs”协同感化可有用强化EBPR。

图2 发酵PAO-Tetrasphaera与保守PAO共生协同增进代谢机制

在 “双PAO模子”根本上，Black & Veatch公司进一步成立了基在ORP按捺的Tetrasphaera厌氧发酵因子函数，发觉厌氧ORP对Tetrasphaera厌氧活性具有间接影响，跟着ORP升高，其发酵和释磷活性年夜幅下降（见图3），明显，这进一步证明了Tetrasphaera与Accumulibacter具有完全分歧的生态位。

图3 ORP对Tetrasphaera类聚磷菌厌氧发酵和释磷效力的影响

综上所述，Tetrasphaera的发觉和其代谢模子的成立，使是对几十年以来保守生物除磷理论的严重拓展和冲破，势必更新对保守生物除磷的手艺认知，并增进设想和运营两个层面从分歧的维度，去思虑若何优化现有EBPR系统、若何从头建立新型的高效EBPR系统。

4S2EBPR手艺的首要工艺构型和成长

4.1根基构型

现实上，工艺的最后提出和成长其实不是始在非凡功能的微生物的发觉，而是始在运营中非凡现象、结果被发觉而逐步优化改良处置工艺，侧流污泥水解工艺就是如斯，最后的侧流活性污泥工艺构型由丹麦研究团队提出，即侧流活性污泥水解概念（Side-stream activated sludge hydrolysis）；美国东北年夜学和BLACK&VEATCH公司提出了“S2EBPR”概念和构型，固然归属分歧的名词，但素质上都是“侧流（side-stream）活性污泥发酵”范围，即旨在缔造一个深度厌氧情况（ORP≤-300mV）以提高PAO种群多样性、增进Tetrasphaera的滋生。

侧流反映器在布局和功能上是自力在主生物池以外，经由过程自力的反映器设置，自力的生境情况，进行污泥或夹杂液的发酵和非凡功能微生物的培养，进而为主生物池进行接种。侧流反映器能够与生物池合建，也能够零丁另行新建；对革新项目，也能够从主生物池首端划分出一个区段作为侧流池。活性污泥发酵工艺经常使用的设想流程见图（4）所示。

图4 分歧的活性污泥水解工艺构型

此中4（a）是活性污泥的侧流水解典范流程，将回流污泥RAS一部门引入到一个自力的侧流反映器进行水解产酸进程；4（b）与4（a）近似，只不外是4（b）在采取RAS发酵的同时还进一步弥补VFA，这部门VFA能够来自初沉污泥的发酵液，亦能够零丁投加贸易碳源，投加VFA的目标是缩短侧流水解池的SRT。图4（c）为夹杂液在线发酵，经由过程厌缺氧区搅拌器的封闭实现了活性污泥夹杂液的水解发酵；4（d）是夹杂液的侧流浪线发酵模式，将夹杂液引入一个自力的侧流反映器进行水解。

4.2近年项目化利用和构型新成长

跟着机理的解析，工艺手艺成长和利用体例也越发矫捷和纷呈。侧流污泥水消除了上述典范的构型，现实中还良多与分歧工艺相连系的矫捷应用体例，可将S2EBPR理念嫁接到分歧的支流处置工艺中。

侧流活性污泥发酵工艺在欧美快速成长，近年中国也展开了针对国内低C/P、C/N比污水的相干项目化利用，截至今朝，国内设想、扶植和运转中的侧流项目大要有10座，如淮南第一污水厂、白银市污水厂等项目，首要采取的工艺构型见图5，引10%～30%的RAS至侧流SSH池，已运转的案例证实侧流RAS水解发酵手艺可实现低C/N比污水的强化生物除磷，年夜年夜下降了外加碳源和化学除磷药剂的投加量。

图5 侧流活性污泥水解强化脱氮除磷流程

美国在S2EBRP方面摸索了较为矫捷多样的手艺构型，科罗拉多州的Pinery WRF中试项目封闭夹杂器后，采取UMIF运转模式，出水TP能够不变在0.5mg/L以下而无需化学除磷；Henderson WRF项目采取UMIF运转模式后，出水TP能够不变在0.1mg/L以下，采取UMIF运转反映器内现实的SRT可达3d，如许可为活性污泥发酵供给充实的“深度厌氧”情况和足够的SRT。

South Cary污水厂支流工艺在四段式Bardenpho工艺构型中嵌入了S2EBPR，二沉池回流污泥RAS不像保守回流模式间接至主生物池，而是将全数RAS挨次颠末串连的侧流“缺氧/厌氧”池，此中再抽取厌氧池一部门污泥进入活性污泥发酵池进行发酵，发酵后的污泥再回流到厌氧池。该厂出水TN能够不变到达3～4mg/L，出水TP到达0.5mg/L，可见，回流污泥的侧流发酵年夜年夜提高了生化工艺脱氮除磷效力。

美国West Kelowna B.C.的Westside污水厂采取全数回流污泥侧流发酵构型，为了减小侧流发酵池的SRT，将初沉污泥发酵发生的VFAs引入侧流RAS池，初沉出水不进入厌氧池而间接进入第一个缺氧区进行反硝化，如许在侧流RAS池HRT只要1.3h的环境下，出水TP≤0.1mg/L，按照对氮的物料均衡阐发，缺氧区产生了较着的反硝化除磷感化，对TN的去除进献了20%～40%。这类工艺构型对低C/N比污水具有显著的手艺劣势，能够充实发掘和利用污水内碳源，削减或打消外部碳源的投加。

现实上，有些污水厂其实“无意中”已摸索内碳源开辟模式下的污泥水解模式运转，有污水厂运转人员试探发觉，储泥池依照污泥水解理念调剂并改变运转体例后也能产生部门污泥水解，上清液收受接管引入厌缺氧池后提到了脱氮除磷结果，如中国嵊州市嵊新污水处置厂将储泥池上清液引入缺氧池后TN去除量提高了3mg/L；有污水厂厌缺氧区搅拌器毛病或停运后，发觉如许可致使污泥沉淀进而产生堆积层深度厌氧前提下的水解发酵，提高了脱氮除磷效力，是以将推流器或搅拌器改成“ON/OFF”实现UMIF模式运转，获得了意想不到的脱氮除磷结果。

5结 语

污水处置手艺的冲破与成长开初常常是始在非凡现象的发觉与结果简直认，良多环境，是实践先在“理论”注释，从最后的现象描写到新机理的揭露再到动力学和生化代谢模子的成立，进而逐步构成比力完全的手艺理论系统；新的理论系统完美后又进一步增进了对原有手艺的变化在科学研究和项目实践中不竭完美和优化前续功效，实现手艺成长的频频迭代进程。侧流活性污泥发酵手艺的发觉成长轨迹也恰好演绎了这类从“现象到理论”的手艺成长逻辑。侧流EBPR其实不是对支流EBPR的手艺倾覆，而是进一步拓展和丰硕了保守生物除磷手艺理论，阐释了深度厌氧情况下（-300mV）可操纵葡萄糖.氨基酸进行发酵并除磷的Tetrasphaera菌属与保守Accumulibacter菌属具有共生协同、增进EBPR进程效力的机理，“双PAOs”模子除磷理论系统的成立为将来可延续、加倍高效不变的生物脱氮除磷手艺斥地了一条极新的手艺选择线路，特别是对我国良多地域低C/N比碳源匮乏污水的处置供给了一个极新的可延续工艺处理方案。

近几年，呈现很是风趣的现象是，对生物脱氮，专家们的目光从“侧流”转向了“支流”；但是，对生物除磷，存眷点倒是从“支流”转向了“侧流”，脱氮与除磷这对孪生的“矛盾兄弟”，经由过程此次空间挨次的轮换，是不是能为将来的污水处置工艺成长创作发明一个新的里程碑？这不是不测，也不是偶合，亦无人导演，但此进程却不以你我的意志为转移，魅力无限，这一切都依靠在科学家们对未知范畴新摸索新发觉的慢慢打开。

原题目:刘智晓|生物除磷理论和实践新冲破：从支流EBPR到侧流EBPR

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