生物除磷理論及實踐新突破:從主流EBPR到側流EBPR

北極星水處理網訊:導語：基於傳統生物除磷理論的帶有前置厭氧區的主流生物除磷脫氮工藝在過去近半個世紀的水體富營養化控制過程中一直發揮著主導作用。近些年全球範圍內側流活性汙泥水解發酵項目（簡稱S2EBPR或SSH）得到快速發展及應用，通過對這些項目生物除磷的研究發現，這些採用側流活性汙泥發酵的汙水廠出現了高效且更加穩定的生物除磷現象，但這種側流EBPR卻無法利用傳統經典理論來進行對照解釋。這種情況下，一種可以直接利用葡萄糖及胺基酸進行發酵並釋磷的新PAO菌屬Tetrasphaeraspp.被發現並分離，Tetrasphaeraspp.在很多側流活性汙泥水解汙水廠的菌群結構中相對傳統Accumulibacter菌屬佔有更高的豐度(abundance)， 「Accumulibacter-Tetrasphaera」共生協同的「雙PAOs協同共生除磷理論」（coexistence and synergy）及模型建立是對傳統生物除磷理論的重大拓展與突破。本文基於汙水處理生物除磷脫氮技術發展史視角，從主流汙水脫氮除磷工藝技術發展史梳理開始，對側流EBPR現象發現及側流發酵機理、Tetrasphaera發現、生化代謝模型及其生態位（ecological niche）、雙PAOs模型的建立等方面進行了系統性梳理和總結，並結合國內外研究成果及實際案例，總結了側流活性汙泥水解發酵技術工藝構型新發展及工程化應用現狀，在此基礎上展示了未來側流EBPR技術的發展前景，以期為我國汙水廠未來深度脫氮除磷提標改造尤其是低C/N比汙水的處理提供借鑑。

控制水體或湖泊富營養化的關鍵性生態因子是減少氮、磷的輸入並控制合適的N/P比，對於緩流水體和湖泊，控制水體P的濃度又是防控富營養化的首要控制因子，利用強化生物脫氮除磷（EBNR）工藝通過生化途徑去除營養鹽被認為是最經濟有效的方式，因此，半個多世紀以來，強化脫氮除磷甚至實現深度脫氮除磷（如達到技術極限型出水標準，LOT）、探索各種革新的工藝實現對N、P的高效穩定去除一直是汙水處理研究者和工程設計和運營工程師們痴迷和追求的極致方向。

科學研究和技術的開發始於對特殊試驗現象的發現，技術發展得益於現象背後的機理和規律被逐漸揭示，百年活性汙泥發展史也概莫如此。早在1955年，Greenburg提出活性汙泥法中磷的去除，印度Srinath研究小組和美國Alarcon研究小組分別在1959年、1961年報導了在汙水廠發現了生物除磷現象，Levin and Shapiro (1965) 試驗中發現活性汙泥好氧過程的P的攝取和厭氧條件下P的釋放現象在此基礎上正式提出了PhoStrip工藝， 1967年Vacker和Connell在美國san antonio一座市政汙水廠也發現生物超量除磷， 1975年Fuhs&Chen正式系統性提出聚磷菌PAO的厭氧釋磷-好氧過度攝取磷酸鹽生物機制，也是在同一年， James Barnard先生提出Bardenpho工藝、美國Specter獲得A/O及AAO工藝發明專利，1976年James Barnard正式推出Phoredox工藝的不同工藝類型組合，再到1980年UCT工藝構型被提出，這一系列的生物除磷事件成為汙水技術發展史上的裡程碑，在過去近半個世紀中，上述活性汙泥生物脫氮除磷及其變形或改進工藝在世界範圍內被廣泛應用，有效削減汙水中有機汙染物及營養鹽、控制和減輕水體富營養化發揮了重要作用。

1側流活性汙泥發酵強化EBPR現象的發現

傳統主流EBPR工藝除磷機理模型是建立在厭氧條件下Accumulibacter類PAO對進水中可快速降解有機物主要是揮發性脂肪酸（VFAs）的攝取而發生磷的釋放基礎上，運行實踐也表明，進水VFAs充足情況下，通過良好的設計和可靠的運行，傳統EBPR工藝出水TP可以達到0.5～1.0mg/L；但是最近10～20年以來的一些沒有前置厭氧的活性汙泥工藝獲得高效且較為穩定的除磷現象在歐美一些汙水廠被觀察到，僅依靠生物除磷出水TP可以達到0.1mg/L，經典理論模型已經無法解釋這種「非主流」除磷現象。與此同時，隨著對汙水廠排放標準要求的日益提高，常規主流的強化生物脫氮除磷工藝面臨越來越高的技術挑戰，如進水水質特性尤其是低C/N比汙水對脫氮除磷工藝運行的可靠性、穩定性與可持續影響，外回流攜帶的NO3--N進入厭氧區破壞厭氧環境而影響厭氧釋磷過程。此外，傳統主流脫氮除磷工藝（如A/O、A2O、Bardenpho工藝）中通過生物絮凝作用捕獲和吸附的膠體、顆粒性有機物，在生化厭氧、缺氧過程中由於水解作用不充分並沒有被作為有效碳源被脫氮除磷過程充分利用。

1972年被譽為「脫氮除磷之父」的James Barnard在進行規模為100m³/d的「A/O-A/O」構型的脫氮中試（裝置有一個用於調節池容分配的可移動式隔板，無意中創造了一個「死區」形成了一個「發酵區」）中發現，這個帶有「發酵死區」的「A/O-A/O」脫氮系統獲得了高效的生物除磷效率，在進水TP 為9mg/L情況下，出水TP可以低於0.2mg/L，在第二段缺氧區，混合液PO43--P達到30mg/L；當取消「死區」後，裝置出水TP達到2mg/L。試驗分析，顯然是「死區」的厭氧過程發生了汙泥和混合液的水解作用，產生了VFAs，大量的VFAs通過25mm連接管湧入到第二段缺氧區，促進形成了厭氧環境進而發生了P釋放。顯然，這次著名的四級反應器的脫氮試驗，那個可以來回移動的可調節「好氧-缺氧池容」的隔板及上面25mm的2個孔洞，為日後側流活性汙泥強化生物除磷（S2EBPR）技術的發現和進一步發展，打開了一扇窗。

2側流活性汙泥發酵強化EBPR技術的發展

James Barnard先生1972年採用的「A/O-A/O」脫氮工藝實際上就是其1975年提出的「四段式Bardenpho」工藝的前身，根據此試驗結果後來進一步提出了帶有厭氧區的Bardenpho工藝，也就是目前常用的「五段式Bardenpho」工藝。然而，James Barnard那次試驗發現「死區」促進BPR，但當時其並沒有在這個試驗研究基礎上進一步提出側流汙泥發酵或者混合液發酵的概念。那次試驗的前後幾年光陰，也是活性汙泥工藝前端設置一個厭氧區作為實現生物除磷的基本工藝控制條件剛剛被認知的年代，也是在1975年-1976年，James Barnard在Bardenpho工藝基礎上正式提出個發展帶有前置厭氧段的Phoredox系列同步脫氮除磷工藝，這些工藝構型至今仍然在汙水處理領域中扮演重要角色。

繼續梳理側流活性汙泥發酵的技術發展史會發現，真正提出活性汙泥側流發酵理念和工程應用是1990年後的事情了。較早介紹並將側流活性汙泥水解技術應用於工程實踐的是丹麥克魯格公司（Kruger A/S）及Envidan公司，Brinch P.於1997年報導了利用「回流活性汙泥水解」補充SCOD強化脫氮除磷的理念和做法， Vollertsen J.G. Petersen G.等人利用丹麥Aalbog東、西兩座汙水廠進行了側流活性汙泥水解的前期開創性工作，並對汙泥水解動力學參數進行了系統研究。實際上，最初的實踐是對初沉汙泥進行水解，工程案例主要集中在丹麥、瑞典和北美，主要工藝控制參數SRT為2～5d。由於初沉汙泥水解需控制水解和產酸過程，而不進入產甲烷化，水解產物需要進行「泥-液」二次分離，因此存在SCOD及VFAs從泥水混合液中分離、「洗出」效率的問題，同時初沉汙泥水解易受到進水水質、水量波動及初沉池排泥影響。相對於初沉汙泥水解，活性汙泥水解產物SCOD產率雖然較低，但是活性汙泥水解無需進行發酵液的二次分離，泥水混合液可全部引入到厭氧池，同時回流的活性汙泥流量及濃度可控，因此，活性汙泥水解工藝穩定性更高，近些年受到越來越多的研究和工程化應用。

3活性汙泥發酵強化EBPR機理新發展

筆者曾對側流活性汙泥發酵技術工藝構型做過總結，在早期的側流活性汙泥水解案例中，設置側流汙泥發酵單元的初衷就是對部分回流活性汙泥（RAS）進行厭氧水解發酵，將產生的SCOD和VFAs提供給主流厭氧區的PAOs釋磷過程，因此，2010年前的關於側流活性汙泥發酵的文獻，都是關於水解產率、影響因素及動力學等方面研究和論述。

3.1Tetrasphaera菌屬的發現與分離

很久以來，CandidatusAccumulibacter一直被視為EBPR最主要的PAOs。2010年前後，丹麥和美國一些研究者發現一些未設傳統前置厭氧區的側流EBPR項目實現了高效生物除磷，而按照傳統PAOs生化代謝模型已經不能解釋和擬合這些「非主流」工藝實際的運行狀況和出水水質。但是，當時的研究關注點尚未對水解發酵過程微觀領域如菌群結構特性等進一步解析，只是停留在宏觀水解反應動力學參數及影響因子的定量化研究等方面，對側流活性汙泥技術的認知也不夠深入。後來分子生物學技術手段的快速發展為揭開動力學參數背後隱藏的「秘密」提供了通道，實際上，2000年前後Maszenan A.M.等人、Hanada A.等人從活性汙泥中分離出了具有聚磷能力的Tetrasphaera菌屬，並確認為是一種新型的PAOs，這一發現拓展了對PAOs菌屬種類的認知及定義。但這個時期的研究僅僅是確認了Tetrasphaera的形態、生理生化及分類特性，Tetrasphaera菌屬的生態位及其與深度厭氧環境、側流RAS發酵之間的本質聯繫並沒有被揭示。丹麥奧爾堡大學的研究團隊通過對丹麥實際汙水廠EBPR菌群結構的定量化解析，發現Tetrasphaera的豐度超過了Accumulibacter,且Tetrasphaera類PAOs具有發酵特性並能直接利用葡萄糖和胺基酸進行厭氧釋磷，並在後續工作中進一步建立了Tetrasphaera生化代謝模型（見圖1）。美國東北大學April G.團隊通過傳統主流EBPR和側流EBPR系統的對比也發現了類似規律，即S2EBPR工藝的活性汙泥中Tetrasphaera具有較高的豐度，側流EBPR系統能夠實現更高的除磷效率，此外，與傳統主流除磷工藝相比，S2EBPR中較低含量的GAOs（聚糖菌）使其出水水質更為穩定。上述兩個團隊的研究確立了深度厭氧環境下EBPR菌群結構的多樣性，尤其是側流EBPR工藝與Tetrasphaera菌屬與之間的內在本質聯繫。可以說，Tetrasphaera在生物除磷過程中的發現和分離，以及後續對代謝生化模型的建立大大推進了對傳統EBPR理論的拓展及完善，這也促使一些具有遠見的科學家不得不重新反思目前常規的主流脫氮除磷機理及工藝流程的技術缺欠和改進的機會。

圖1Tetrasphaera的厭氧生化代謝模型

3.2 「雙PAOs」共生協同作用及模型建立

生化過程機理一旦被解析，工藝控制條件隨之被認識和優化，後續工藝控制條件的深入研究進一步揭示了深度厭氧環境（ORP為-300mV）獨特的工藝特性。傳統厭氧區的ORP在-150~-250mV，實際項目往往存在過度混合，且SRT往往較短（≤1.5h），難以培育更加豐富的厭氧生物菌群結構， PAOs主要以Accumulibacter為主；深度厭氧環境下，ORP可以穩定保持在-300mV以下，且汙泥在側流池內停留時間長，使得EBPR菌群結構更加豐富，尤其是PAOs多樣性發生很大變化，Mielczarek A.T.等利用FISH技術對丹麥具有EBPR功能的汙水廠活性汙泥種群進行了分析，發現兩種不同的PAOs協同共生，其中Tetrasphaera佔據活菌總量的27%，而傳統的Accumulibacter僅佔3.7%。美國東北大學的 April Z. Gu團隊研究也發現，S2EBPR系統的生物除磷性能顯著高於常規AAO系統，且S2EBPR釋磷比（P/PHA）是AAO的3倍，進一步的菌群結構定量分析表明，相對傳統主流EBPR，S2EBPR汙泥中Tetrasphaera在聚磷菌佔據主體地位（見表1）,且GAO數量要顯著低於常規AAO系統，在側流活性汙泥工藝中，同時發現對EBPR有負面作用的Competibacter類的GAO生長受到明顯抑制。

表1. 側流活性汙泥水解工藝PAOs、GAOs組成及釋磷比情況

過去傳統生物除磷理論認為PAOs（主要是指Accumulibacter菌屬）利用進水中VFAs（揮發性脂肪酸）進行厭氧釋磷，因此進水中的VFAs含量直接決定了厭氧釋磷的效果，在Tetrasphaera與Accumulibacter共生協同機制被揭示後，美國Black& Veatch公司開發了基於「雙PAOs」側流EBPR模型（見圖2）。不同種類的PAOs在EBPR過程中可有選擇地實現不同的生化代謝途徑，Tetrasphaera菌屬可以直接利用大分子的葡萄糖、胺基酸等進行發酵釋磷，而糖酵解途徑比TCA循環更具有優勢，這就意味著Tetrasphaera菌屬的發酵作用減少了對進水VFAs的依賴，這也是為何沒有前置厭氧區的「非主流」工藝能取得高效生物除磷效果的原因所在。進一步講，在側流反應器內，Tetrasphaera與Accumulibacter存在共生協同促進作用，Tetrasphaera在深度厭氧環境下通過水解發酵作用將汙水中的可慢速降解有機物進行水解產生VFAs並釋放磷酸鹽，水解過程產生的VFAs被Accumulibacter吸收儲存並同時釋磷，顯然，對於碳源不足或者進水VFAs匱乏的汙水處理，通過引進側流汙泥發酵、利用「雙PAOs」協同作用可有效強化EBPR。

圖2 發酵PAO-Tetrasphaera與傳統PAO共生協同促進代謝機制

在 「雙PAO模型」基礎上，Black & Veatch公司進一步建立了基於ORP抑制的Tetrasphaera厭氧發酵因子函數，發現厭氧ORP對Tetrasphaera厭氧活性具有直接影響，隨著ORP升高，其發酵及釋磷活性大幅降低（見圖3），顯然，這進一步證實了Tetrasphaera與Accumulibacter具有完全不同的生態位。

圖3 ORP對Tetrasphaera類聚磷菌厭氧發酵及釋磷效率的影響

綜上所述，Tetrasphaera的發現和其代謝模型的建立，使是對幾十年以來傳統生物除磷理論的重大拓展和突破，必將更新對傳統生物除磷的技術認知，並促進設計及運營兩個層面從不同的維度，去思考如何優化現有EBPR系統、如何重新構建新型的高效EBPR系統。

4S2EBPR技術的主要工藝構型及發展

4.1基本構型

實際上，工藝的最初提出和發展並不是始於特殊功能的微生物的發現，而是始於運營中特殊現象、效果被發現而逐漸優化改進處理工藝，側流汙泥水解工藝就是如此，最初的側流活性汙泥工藝構型由丹麥研究團隊提出，即側流活性汙泥水解概念（Side-stream activated sludge hydrolysis）；美國東北大學及BLACK&VEATCH公司提出了「S2EBPR」概念及構型，雖然歸屬不同的名詞，但本質上都是「側流（side-stream）活性汙泥發酵」範疇，即旨在創造一個深度厭氧環境（ORP≤-300mV）以提高PAO種群多樣性、促進Tetrasphaera的繁殖。

側流反應器在結構和功能上是獨立於主生物池之外，通過獨立的反應器設置，獨立的生境環境，進行汙泥或者混合液的發酵和特殊功能微生物的培育，進而為主生物池進行接種。側流反應器可以與生物池合建，也可以單獨另行新建；對於改造項目，也可以從主生物池首端劃分出一個區段作為側流池。活性汙泥發酵工藝常用的設計流程見圖（4）所示。

圖4 不同的活性汙泥水解工藝構型

其中4（a）是活性汙泥的側流水解經典流程，將回流汙泥RAS一部分引入到一個獨立的側流反應器進行水解產酸過程；4（b）與4（a）類似，只不過是4（b）在採用RAS發酵的同時還進一步補充VFA，這部分VFA可以來自初沉汙泥的發酵液，亦可以單獨投加商業碳源，投加VFA的目的是縮短側流水解池的SRT。圖4（c）為混合液在線發酵，通過厭缺氧區攪拌器的關閉實現了活性汙泥混合液的水解發酵；4（d）是混合液的側流離線發酵模式，將混合液引入一個獨立的側流反應器進行水解。

4.2近些年工程化應用及構型新發展

隨著機理的解析，工藝技術發展及應用方式也愈加靈活和紛呈。側流汙泥水解除了上述經典的構型，實際中還有很多與不同工藝相結合的靈活運用方式，可將S2EBPR理念嫁接到不同的主流處理工藝中。

側流活性汙泥發酵工藝在歐美快速發展，近些年中國也開展了針對國內低C/P、C/N比汙水的相關工程化應用，截至目前，國內設計、建設及運行中的側流項目大概有10座，如淮南第一汙水廠、白銀市汙水廠等項目，主要採用的工藝構型見圖5，引10%～30%的RAS至側流SSH池，已運行的案例證明側流RAS水解發酵技術可實現低C/N比汙水的強化生物除磷，大大降低了外加碳源及化學除磷藥劑的投加量。

圖5 側流活性汙泥水解強化脫氮除磷流程

美國在S2EBRP方面探索了較為靈活多樣的技術構型，科羅拉多州的Pinery WRF中試項目關閉混合器後，採用UMIF運行模式，出水TP可以穩定在0.5mg/L以下而無需化學除磷；Henderson WRF項目採用UMIF運行模式後，出水TP可以穩定在0.1mg/L以下，採用UMIF運行反應器內實際的SRT可達3d，這樣可為活性汙泥發酵提供充分的「深度厭氧」環境及充足的SRT。

South Cary汙水廠主流工藝在四段式Bardenpho工藝構型中嵌入了S2EBPR，二沉池回流汙泥RAS不像傳統回流模式直接至主生物池，而是將全部RAS順序經過串聯的側流「缺氧/厭氧」池，其中再抽取厭氧池一部分汙泥進入活性汙泥發酵池進行發酵，發酵後的汙泥再回流到厭氧池。該廠出水TN可以穩定達到3～4mg/L，出水TP達到0.5mg/L，可見，回流汙泥的側流發酵大大提高了生化工藝脫氮除磷效率。

美國West Kelowna B.C.的Westside汙水廠採用全部回流汙泥側流發酵構型，為了減小側流發酵池的SRT，將初沉汙泥發酵產生的VFAs引入側流RAS池，初沉出水不進入厭氧池而直接進入第一個缺氧區進行反硝化，這樣在側流RAS池HRT只有1.3h的情況下，出水TP≤0.1mg/L，根據對氮的物料平衡分析，缺氧區發生了明顯的反硝化除磷作用，對TN的去除貢獻了20%～40%。這種工藝構型對於低C/N比汙水具有顯著的技術優勢，可以充分挖掘和使用汙水內碳源，減少或取消外部碳源的投加。

實際上，有些汙水廠其實「無意中」已經探索內碳源開發模式下的汙泥水解模式運行，有汙水廠運行人員摸索發現，儲泥池按照汙泥水解理念調整並改變運行方式後也能發生部分汙泥水解，上清液回收引入厭缺氧池後提到了脫氮除磷效果，如中國嵊州市嵊新汙水處理廠將儲泥池上清液引入缺氧池後TN去除量提高了3mg/L；有汙水廠厭缺氧區攪拌器故障或停運後，發現這樣可導致汙泥沉澱進而發生沉積層深度厭氧條件下的水解發酵，提高了脫氮除磷效率，因此將推流器或攪拌器改為「ON/OFF」實現UMIF模式運行，取得了意想不到的脫氮除磷效果。

5結 語

汙水處理技術的突破與發展起初往往是始於特殊現象的發現與效果的確認，很多情況，是實踐先於「理論」解釋，從最初的現象描述到新機理的揭示再到動力學和生化代謝模型的建立，進而逐漸形成比較完整的技術理論體系；新的理論體系完善後又進一步促進了對原有技術的變革在科學研究及工程實踐中不斷完善和優化前續成果，實現技術發展的反覆迭代過程。側流活性汙泥發酵技術的發現發展軌跡也恰恰演繹了這種從「現象到理論」的技術發展邏輯。側流EBPR並不是對主流EBPR的技術顛覆，而是進一步拓展和豐富了傳統生物除磷技術理論，闡釋了深度厭氧環境下（-300mV）可利用葡萄糖.胺基酸進行發酵並除磷的Tetrasphaera菌屬與傳統Accumulibacter菌屬存在共生協同、促進EBPR過程效率的機理，「雙PAOs」模型除磷理論體系的建立為未來可持續、更加高效穩定的生物脫氮除磷技術開闢了一條嶄新的技術選擇路線，尤其是對於我國很多地區低C/N比碳源匱乏汙水的處理提供了一個嶄新的可持續工藝解決方案。

近幾年，出現非常有趣的現象是，對於生物脫氮，專家們的眼光從「側流」轉向了「主流」；然而，對於生物除磷，關注點卻是從「主流」轉向了「側流」，脫氮與除磷這對孿生的「矛盾兄弟」，通過這次空間順序的輪換，是否能為未來的汙水處理工藝發展締造一個新的裡程碑？這不是意外，也不是巧合，亦無人導演，但此過程卻不以你我的意志為轉移，魅力無窮，這一切都依賴於科學家們對未知領域新探索新發現的逐步打開。

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