純水設(shè)備 :污水處置強(qiáng)化生物除磷嶄新的方向
劉智曉：山東莒縣人，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，工學(xué)博士，首創(chuàng)股份高級(jí)專家，中國勘察設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)水系統(tǒng)分會(huì)理事，中國水工業(yè)協(xié)會(huì)水系統(tǒng)智能化研究會(huì)理事，目前主要從事給水與污水處置工藝技術(shù)設(shè)計(jì)方案及優(yōu)化，高效、可繼續(xù)水處置工藝及控制技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化等相關(guān)方面工作。
中國給水排水：近期我關(guān)注到國內(nèi)外一些權(quán)威學(xué)術(shù)期刊或者國際會(huì)議上的最新研究效果，提到保守的強(qiáng)化生物除磷理論被進(jìn)一步發(fā)展甚至是突破。您一直從事該領(lǐng)域的研究，可否給我具體介紹一下？
劉智曉：好的生物除磷現(xiàn)象其實(shí)早在20世紀(jì)5060年代就被發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)，1975年正式提出“厭氧釋磷-好氧過度攝磷”激進(jìn)生物除磷微生物生化代謝機(jī)制，很久以來，CandidatuAccumulibact以下稱為A.菌屬）一直被視為強(qiáng)化生物除磷（EBPR最主要的PA O幾十年來，上述保守的生物除磷理論一直在指導(dǎo)我研究和工程實(shí)踐，直至今日，該機(jī)理還是科學(xué)研究與工程實(shí)踐中繼續(xù)發(fā)揮作用。但是2010年前后，丹麥和美國的一些研究者從實(shí)際運(yùn)行的項(xiàng)目中發(fā)現(xiàn)，一些未設(shè)激進(jìn)前置厭氧區(qū)的側(cè)流EBPR項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了高效生物除磷，而按照傳統(tǒng)PA O生化代謝模型已經(jīng)不能解釋和擬合這些“非主流”工藝實(shí)際的運(yùn)行狀況和出水水質(zhì)。時(shí)間回溯至2000年前后，澳大利亞、日本一些學(xué)者從活性污泥中分離出了具有聚磷能力的Tetrasphaera菌屬（以下稱為T.菌屬）并確認(rèn)是一種新型的PA OT.菌屬PA O具有發(fā)酵特性并能直接利用葡萄糖和氨基酸進(jìn)行厭氧釋磷，因此被稱為“發(fā)酵類PA O,這類PA O生理生化特性明顯區(qū)別于傳統(tǒng)的理論，因?yàn)榘l(fā)酵類PA O可以不依賴進(jìn)水VFA 進(jìn)行厭氧釋磷，純水設(shè)備 這顯然突破了保守的生物除磷理論。通俗地講，即便進(jìn)水中不存在VFA 如果具備適合T.菌屬的生存條件，一樣可以獲得生物除磷效果。這一點(diǎn)，無疑是對(duì)傳統(tǒng)EBPR理論的極大豐富和拓展。Tetrasphaera生物除磷過程中被發(fā)現(xiàn)和分離，以及后續(xù)對(duì)代謝生化模型的建立這些基礎(chǔ)性的前置性研究都大大推進(jìn)了對(duì)傳統(tǒng)EBPR理論的拓展及完善，這也促使一些具有遠(yuǎn)見的科學(xué)家不得不重新反思目前慣例的主流脫氮除磷機(jī)理及工藝流程的技術(shù)缺欠及改進(jìn)的機(jī)會(huì)。
這方面，感興趣的讀者，可以進(jìn)一步查閱我不久前在中國給水排水》雜志發(fā)表的論文（中國給水排水》注：文章已附后）
中國給水排水：T.菌屬在生物除磷中的作用從被發(fā)現(xiàn)到最終被確認(rèn)，經(jīng)歷了怎樣的過程？
劉智曉：確實(shí)，這個(gè)問題很有意思。美國BLA CK&VEA TCH公司的JamesBarnard先生被譽(yù)為“污水脫氮除磷之父”也對(duì)這個(gè)問題和現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)性思考。近些年他發(fā)表了多篇論文，對(duì)激進(jìn)生物除磷機(jī)制進(jìn)行再思考，也在不同的會(huì)議進(jìn)行演講，如RethinkingandReformingEnhancedBiologicalPhosphorusRemovEBPRStrategi–ConceptsandMechanismsofSide-StreamEBPR正式提出側(cè)流生物除磷的理論及工藝構(gòu)型。B&V公司近幾年也在新的項(xiàng)目里積極推廣S2EBPR應(yīng)用。至于為何T.菌屬時(shí)至今日才被發(fā)現(xiàn)和提出，認(rèn)為有以下幾方面原因：
T.菌屬需要的最優(yōu)的生存條件是ORP低于-250mV絕對(duì)厭氧條件，而傳統(tǒng)的活性污泥厭氧段設(shè)計(jì)及運(yùn)行控制很難實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，回流污泥攜帶的硝態(tài)氮、DO或者厭氧區(qū)的湍流擾動(dòng)、過度混合，如攪拌器功率配置過高等，以上因素破壞厭氧區(qū)的ORP環(huán)境，實(shí)際往往在-150mV以上甚至更高。這種微生境，就很難培養(yǎng)出具有發(fā)酵功能的PA O自然也就難于被分離和發(fā)現(xiàn)。
除了以上原因，認(rèn)為還存在其它一些客觀因素。首先，近10年來，隨著側(cè)流活性污泥發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展，世界范圍內(nèi)越來越多的側(cè)流活性污泥發(fā)酵項(xiàng)目投運(yùn)（主要在丹麥，其次在美國和中國）側(cè)流RA S可實(shí)現(xiàn)的深度厭氧環(huán)境（ORP≤-300mV提供了發(fā)酵類PA O菌屬存在基本條件，激進(jìn)主流AA O厭氧區(qū)（ORP-150-250mV甚至更高一些）則很難達(dá)到這樣的環(huán)境條件；其次，就是現(xiàn)在分子生物學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，使得我有機(jī)會(huì)在更加微觀的領(lǐng)域探秘到一些過去未知的活性污泥微生物的存在如Raman–FISH技術(shù)的應(yīng)用，丹麥奧爾堡大學(xué)PerHalkj?rNielsen教授的領(lǐng)銜團(tuán)隊(duì)就是利用該技術(shù)，丹麥數(shù)十座污水廠的活性污泥分析中發(fā)現(xiàn)并確立了T.菌屬的生態(tài)位及其對(duì)生物除磷的貢獻(xiàn)。
Raman–FISH技術(shù)下的Tetrasphaera菌屬形態(tài)及在活性污泥中的存在黃色和橙色部分，綠色局部為總的活菌）
圖片來源：ResolvingtheindividualcontributionofkeymicrobialpopulationstoenhancedbiologicalphosphorusremovalwithRaman–FISH.TheISMEJournal,https://doi.org/10.1038/s41396-019-0399-7.
PHalkj?rNielsen團(tuán)隊(duì)近幾年在國際環(huán)境及微生物學(xué)領(lǐng)域的一些權(quán)威期刊，如WaterResearchTheISMEJournalCurrentOpinioninBiotechnolog等，發(fā)表了多篇關(guān)于生物除磷微生物菌群結(jié)構(gòu)解析和T.菌屬對(duì)生物除磷貢獻(xiàn)等方面的文章，系統(tǒng)論證、論述和完善了激進(jìn)生物除磷理論。PerHalkj?rNielsen教授在論文中明確提出，應(yīng)對(duì)激進(jìn)教條地認(rèn)為Ca.Accumulibact主要PA O激進(jìn)生物除磷理論進(jìn)行補(bǔ)充完善和修訂。認(rèn)為，T.菌屬與A.菌屬一樣，都是生物除磷過程中最重要的PA O甚至在世界范圍內(nèi)5大洲、12個(gè)國家的不同污水廠取樣調(diào)研分析中，發(fā)現(xiàn)很多污水廠T.菌屬豐度及對(duì)P去除貢獻(xiàn)率都超過A.菌屬。這一點(diǎn)，可以查閱他20182019年最新發(fā)表的系列論文，感興趣的朋友可以查閱這兩篇重要的論文（局部文章截圖如下）
當(dāng)然，需要進(jìn)一步說明的對(duì)T.菌屬在EBPR中作用的確認(rèn)及貢獻(xiàn)，純水設(shè)備 不只僅是奧爾堡大學(xué)一個(gè)團(tuán)隊(duì)的結(jié)論，西班牙、葡萄牙、德國、美國等多個(gè)團(tuán)隊(duì)都有這方面的系統(tǒng)性研究，都可以查閱到研究結(jié)果，這里不一一列舉，感興趣的也可以查閱我不久前發(fā)表在期刊的論文，文獻(xiàn)中列出了一些重要的文獻(xiàn)。T.菌屬在EBPR中的生態(tài)生理特性及對(duì)生物除磷的定量貢獻(xiàn)，已完全被理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐所證實(shí)和確認(rèn)，已不存在疑問,未來需要進(jìn)一步探索的如何發(fā)明更加適宜的生境條件、促進(jìn)T.菌屬與A.菌屬更加高效率的協(xié)作，實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)定高效的EBPR
中國給水排水：基于T.菌屬的生物除磷理論的發(fā)展前景和實(shí)際工程意義如何？
劉智曉：國家很多地區(qū)，面臨進(jìn)水碳源相對(duì)NP指標(biāo)嚴(yán)重匱乏的先天稟賦缺乏的情況，往往不得不投加大量碳源和化學(xué)除磷藥劑，尤其是隨著對(duì)出水NP指標(biāo)的要求日益嚴(yán)格，如地標(biāo)京A甚至呈現(xiàn)TP為0.05mg/L極限規(guī)范，TP從一級(jí)A0.5mg/L0.2mg/L甚至更低，所需化學(xué)除磷藥劑將會(huì)是指數(shù)式上升，僅靠化學(xué)除磷實(shí)際上這是不可繼續(xù)的無疑需要進(jìn)一步提升生物除磷的貢獻(xiàn)率，因?yàn)檫@是最經(jīng)濟(jì)和綠色的
前面提到基于激進(jìn)主流EBPR理論的經(jīng)典活性污泥法設(shè)計(jì)，存在一些工藝上的弊端，很難獲得深度厭氧，僅僅依賴激進(jìn)主流生物除磷作用，出水TP可以達(dá)到0.51.0mg/L難以進(jìn)一步提升；其次，未來隨著排放規(guī)范對(duì)TP要求的日益提高，激進(jìn)活性污泥工藝設(shè)計(jì)構(gòu)型在出水穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性等方面已經(jīng)不能滿足。這種背景下，側(cè)流活性污泥水解發(fā)酵技術(shù)得到開發(fā)與應(yīng)用，從最初的回流污泥反硝化脫出殘存的硝態(tài)氮，再發(fā)展到厭氧發(fā)酵以產(chǎn)生VFA 為目的活性污泥水解，最終到目前的側(cè)流EBPR美國B&V公司和美國東北大學(xué)團(tuán)隊(duì)稱為S2EBPR技術(shù)，以上工藝的逐步演變，其實(shí)也是隨著生產(chǎn)尺度上對(duì)該技術(shù)不時(shí)探索與改進(jìn)而對(duì)該技術(shù)的機(jī)理認(rèn)識(shí)不時(shí)加深。S2EBPR能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的深度厭氧環(huán)境，進(jìn)而使得PA O菌群結(jié)構(gòu)更加多樣性，培養(yǎng)出T.菌屬等發(fā)酵類PA O這類PA O可以不依賴進(jìn)水揮發(fā)性脂肪酸的含量，就可以發(fā)揮穩(wěn)定的生物除磷作用。根據(jù)丹麥和美國的案例，側(cè)流EBPR很多項(xiàng)目上出水可以達(dá)到0.1mg/L這無論是從減少化學(xué)藥劑的使用、清潔生產(chǎn)、降低處置過程GHG排放等角度，都是可持續(xù)的綠色技術(shù)。
美國近幾年側(cè)流活性污泥發(fā)酵項(xiàng)目得到快速發(fā)展，舉個(gè)例子，TomahawkCreek污水廠為了強(qiáng)化生物除磷，將原來五段式Bardenpho工藝的厭氧區(qū)改造為側(cè)流EBPR
還有在美國和北歐的其它幾十個(gè)案例，不再一一列舉。
也留意到美國WEF近兩年的會(huì)議，不只將S2EBPR列為下一代營養(yǎng)鹽去除工藝，還單獨(dú)設(shè)置了Side-streamEBPRS2EBPR/RA SFerment方面的會(huì)議專題。可以說在這個(gè)領(lǐng)域，國內(nèi)的步伐已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于美國和丹麥，國內(nèi)對(duì)S2EBPR關(guān)注度、認(rèn)識(shí)深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
美國B&V公司總結(jié)了上世紀(jì)70年代以來污水處置營養(yǎng)鹽去除技術(shù)發(fā)展歷程（見上圖）認(rèn)為2010年以后的污水處置應(yīng)該是以側(cè)流S2EBPR和工藝緊湊化&過程強(qiáng)化為基本特征的新時(shí)代。
總之，非�？春脗�(cè)流活性污泥技術(shù)在未來的發(fā)展前景。再補(bǔ)充一句，純水設(shè)備 側(cè)流發(fā)酵EBPR目的不只僅是降低或取消碳源的使用量，發(fā)明性地實(shí)現(xiàn)了RA S深度厭氧環(huán)境，使得PA O種群更加多樣化，發(fā)酵類PA O易占據(jù)優(yōu)勢(shì)并發(fā)揮主導(dǎo)作用實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的生物除磷，同時(shí)，研究顯示這一過程GA O受到明顯抑制。
中國給水排水：據(jù)我解，您一直致力于該領(lǐng)域的研究，并積極探索進(jìn)行工程化推廣應(yīng)用，這個(gè)方面可否介紹一下最新的進(jìn)展？
劉智曉：實(shí)際上，從博士期間年開始研究側(cè)流活性污泥技術(shù)，2007年在國內(nèi)實(shí)施第一座側(cè)流腐殖土活性污泥生物除臭技術(shù)，并在期刊做了系統(tǒng)性總結(jié)和報(bào)導(dǎo)（腐殖土活性污泥技術(shù)的除污效能及除臭效果，2007年14期）后來國內(nèi)進(jìn)一步開發(fā)稱為“全流程生物除臭”2009年在丹麥政府資助下正式開展活性污泥水解發(fā)酵技術(shù)研究與應(yīng)用，與丹麥的合作伙伴和當(dāng)時(shí)的首創(chuàng)愛華團(tuán)隊(duì)在國內(nèi)最早開展了側(cè)流活性污泥技術(shù)在中國的應(yīng)用和示范。截至目前，與中國市政華北院、東北院等設(shè)計(jì)院合作完成了大概10座污水廠的側(cè)流工藝設(shè)計(jì)，有改造，也有新建項(xiàng)目，已經(jīng)運(yùn)行的側(cè)流項(xiàng)目取得了比較理想的效果，明顯改善了脫氮除磷效果，節(jié)省了大量的碳源。當(dāng)然，實(shí)事求是地說，此類技術(shù)正在發(fā)展中，還有很多技術(shù)細(xì)節(jié)需要我以后繼續(xù)性地研究、優(yōu)化和解決。知道的情況，國內(nèi)還有其它公司在開展這方面的研究和應(yīng)用，如果算上第三方團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目，粗略估計(jì)，國內(nèi)目前應(yīng)該不少于20座側(cè)流項(xiàng)目。
此外，這個(gè)領(lǐng)域，通過近10年的系統(tǒng)性研究和技術(shù)積累，已經(jīng)初步形成和搭建了側(cè)流活性污泥工藝的技術(shù)理論體系，可以支持未來側(cè)流活性污泥技術(shù)在國內(nèi)的進(jìn)一步工程化應(yīng)用。同時(shí)，也非常期望，國內(nèi)同行關(guān)注側(cè)流技術(shù)的發(fā)展，以共同推動(dòng)綠色、可繼續(xù)污水處置技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用，為我水環(huán)境的改善做出貢獻(xiàn)。
中國給水排水：可否提供一些剛剛提到這方面的主要文獻(xiàn)，以便感興趣的讀者進(jìn)一步了解？
劉智曉：好的以下列舉一些代表性的文章，感興趣的讀者可以查閱，包括自己近幾年發(fā)表的這方面論文，主要有7篇：
[1]劉智曉.生物除磷理論及實(shí)踐新突破—從主流EBPR側(cè)流EBPR[J].中國給水排水,2018,3424:19-25.
https://mp.weixin.qq.com/s/sWK_3Hp3pd-cYVgZLVDlag
[2]劉智曉.未來污水處置能源自給新途徑—碳源捕獲及碳源改向[J]. 純水設(shè)備 中國給水排水,2017,338:43-52.
https://mp.weixin.qq.com/s/p0Np9DYTLTS7XWwQLd0L6A
[3]劉智曉,等.利用活性污泥水解發(fā)酵補(bǔ)充碳源優(yōu)化脫氮除磷[J].中國給水排水,2013,294:12-16.
https://mp.weixin.qq.com/s/yzozlphD9qwDHS6mpae-2Q
[4]劉智曉,等.低碳源條件下利用側(cè)流活性污泥水解技術(shù)強(qiáng)化生物脫氮除磷[J].給水排水,2013,491:53-57.
[5]劉智曉,等.污泥作為污水廠內(nèi)碳源的水解特性及工藝選擇[J].中國給水排水,2011,2722:30-35.
[6]劉智曉,等.側(cè)流污泥生物強(qiáng)化技術(shù)及其在污水廠升級(jí)改造中的適用性[J].中國給水排水,2010,2616:1-6.
[7]劉智曉,等.腐殖土活性污泥技術(shù)的除污效能及除臭效果[J].中國給水排水,20072314:18-22.
還有，國際同行的重要文獻(xiàn)：
[1]PerHalkj?rNielsen,etal.Re-evaluatingthemicrobiologyoftheenhancedbiologicalphosphorusremovalprocess.CurrentOpinioninBiotechnolog2019,57:111–118.
[2]FernandoY.E.ResolvtheindividucontributofkeimicrobipopultoenhancbiologphosphoruremovwithRaman–FISH.TheISMEJournal,2019.3
[3]RikkeKristiansen.A metabolicmodelformembersofthegenusTetrasphaerainvolvedinenhancedbiologicalphosphorusremoval.TheISMEJournal,2013,7:543–554.
[4]MielczarekAT,etal.PopulationdynamicsofbacteriainvolvedinenhancedbiologicalphosphorusremovalinDanishwastewatertreatmentplants.WaterResearch,2013,47:1529-1544.
[5]BoteroL.,BarnardJ.SidestreamBiologicalPhosphorusRemoval:TheNewFrontier.FloridaWaterResourcesJournal,2018,1:44-49.
[6]MarquR.,etal.MetabolismandecologicalnicheofTetrasphaeraandCa.A ccumulibacterinenhancedbiologicalphosphorusremoval.WaterResearch,2017,122:159-171.
[7]LanhamA.B.,etal.Metabolicversatilityinfull-scalewastewatertreatmentplantsperformingenhancedbiologicalphosphorusremoval.WaterResearch,2013,47:7032-7041.
中國給水排水：感謝您接受本刊專訪，分享了國際和國內(nèi)關(guān)于生物除磷的最新進(jìn)展，后續(xù)我將繼續(xù)關(guān)注該領(lǐng)域的發(fā)展動(dòng)態(tài)。
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