生物脫氮除磷最新研究進(jìn)展：碳源儲存創(chuàng)新及生物工藝的優(yōu)化（2）
2022年1月，國際水協(xié)會舉行了主題InnovationsinCarbonStorageandOptimizationinBiologicalProcesses的線上研討會。在上一期里，我們主要介紹了本次研討會上對生物除磷機(jī)理的研究進(jìn)展的介紹。在本期推送里，我們將介紹這些研究在實(shí)際污水廠的應(yīng)用實(shí)踐。
在第二個(gè)報(bào)告里，Black&Veatch公司的ChrisDeBarbadillo女士、西北大學(xué)的GeorgeWells教授和哥倫比亞大學(xué)的KartikChandran教授介紹了美國水研究基金會(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和丹麥多個(gè)污水廠的測試結(jié)果。
考察的污水廠包括了美國芝加哥的JamesC.Kirie(A/O)、TerrenceO’Brien(SBR)、弗吉尼亞HRSD的JamesRiver(IFAS)以及一個(gè)A2O的中試系統(tǒng)，俄勒岡的RockCreek深度污水處理廠(A2O和S2EBPR)、科羅拉多的JamesDilorio再生水廠(JHB)、丹麥的EjbyMølle資源回收工廠(氧化溝)。
圖.美國水研究基金會(WRF)相關(guān)報(bào)告封面|圖源：WRF
這個(gè)研究項(xiàng)目分成三大部分。其中第一個(gè)部分是考察DPAO的可行性，并細(xì)分為實(shí)驗(yàn)室研究和在大型污水廠或中試規(guī)模的實(shí)際測試。
實(shí)驗(yàn)室研究的主要目標(biāo)是對反硝化聚磷菌(DPAO)進(jìn)行富集。他們的SBR反應(yīng)器運(yùn)行超過1000天，結(jié)果顯示系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定且完全的脫氮，并且能去除一部分磷�；驕y序分析監(jiān)測出幾個(gè)經(jīng)典的PAO菌集。缺氧區(qū)的磷吸收率和好氧區(qū)的磷吸收率相近甚至更高。而且在試驗(yàn)第四階段的運(yùn)行顯示，VFA的類型可能對DPAO的影響不大，而且在有NO2-的存在時(shí)，適當(dāng)延長缺氧區(qū)時(shí)間就足以選擇出高效率的DPAO。但值得注意的是，這些DPAO也會產(chǎn)生N2O這種強(qiáng)溫室氣體，研究團(tuán)隊(duì)這方面的影響需要做進(jìn)一步的研究評估。
表.SBR反應(yīng)器的運(yùn)行概況
在實(shí)驗(yàn)室工作的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目的第二部分則是在實(shí)際的污水廠進(jìn)行測試，以便制定DPAO在現(xiàn)有常見工藝和新興工藝的活性基準(zhǔn)，同時(shí)有助于水務(wù)公司根據(jù)各自需求開展后續(xù)規(guī)劃。
表.參與實(shí)際測試的污水廠工藝概況
同時(shí)他們想在這次實(shí)測里找到以下問題的答案：
1.生物除磷工藝構(gòu)造是否影響DPAO活性？
2.旋流分離器等外力篩選器能夠?qū)?/span>DPAO包含在好氧顆粒污泥內(nèi)，從而免去設(shè)置厭氧區(qū)的需要？
3.厭氧區(qū)的外加碳源、電子受體類型(DO或/和NO2-/NO3-)對DPAO活性的影響？
試驗(yàn)結(jié)果
結(jié)果顯示，所有污水廠不論DO控制策略，出水磷濃度的50th百分位值(中位數(shù))都低于1mg/L,說明可以在低能耗的脫氮條件下實(shí)現(xiàn)EBPR。
盡管EBPR的整體表現(xiàn)良好，但幾個(gè)低DO運(yùn)行的污水廠的日波動較大(Ratio99.7-50，指99.7th百分位值/50th百分位值的比，JamesC.Kirie、TerrenceO’Brien、HRSD的中試以及丹麥EjbyMolle這四個(gè)廠的該比值都超過了10)。
配有旋流分離器的三個(gè)污水廠(JamesRiverTP、JamesDilorioWRF和EjbyMølleWRRF)似乎有更高的DPAO相對活性。此前有關(guān)文獻(xiàn)顯示密度更高的顆粒污泥有DPAO的存在，這個(gè)測試結(jié)果和文獻(xiàn)的推測吻合。
在RockCreek污水廠的團(tuán)隊(duì)對S2EBPR和傳統(tǒng)的A2O除磷進(jìn)行平行測試。兩者的關(guān)鍵區(qū)別在于S2EBPR處理線的厭氧生物質(zhì)比例是A2O處理線的兩倍。結(jié)果顯示，S2EBPR的那條線的二級出水的磷濃度相對較高，但DPAO的活性更高，以及出水波動變化較小。
另外，他們進(jìn)行異位測試測量好氧區(qū)的磷吸收、缺氧區(qū)分別用NO2-和NO3-作為電子受體的磷吸收最大值。結(jié)果如下圖所示，在O’Brien的SBR工藝?yán)铮詠喯醯獮殡娮邮荏w的磷吸收是好氧吸磷的17%，以亞硝氮的話則只有14%；丹麥EjbyMølle的情況相對好點(diǎn)，但以缺氧區(qū)以NO2-和NO3-為電子受體的磷吸收也只有好氧吸磷的40%和47%。他們認(rèn)為這些數(shù)據(jù)說明NO2-和NO3-對DPAO影響不大，而DPAO對在除磷方面的作用并不是最主要的。但總的來說，那些有更長的SRT的缺氧區(qū)的系統(tǒng)以及有旋流分離器的系統(tǒng)，缺氧區(qū)的磷吸收率更高些。
ChrisDeBarbadillo女士在發(fā)言里特別介紹了RockCreek污水廠的案例。研究團(tuán)隊(duì)選取了6號和7號池進(jìn)行平行對照試驗(yàn)，其中6號池維持A2O不變，7號池改成了S2EBPR工藝，第一個(gè)厭氧區(qū)不做攪拌，變成深度缺氧區(qū)，提高VFA含量。結(jié)果顯示，7號池的DPAO活性更高，而且和上邊的結(jié)果一樣，7號池的缺氧區(qū)的磷吸收率比6號池高。
除了運(yùn)行效果，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還對污泥樣本進(jìn)行DNA和宏基因組的分析。在這次線上研討會上，哥倫比亞大學(xué)的KartikChandran教授對這部分工作的成果進(jìn)行了匯報(bào)。他總結(jié)說這些工作從三個(gè)方面加深了對生物脫氮除磷工藝認(rèn)識：
群落結(jié)構(gòu)（Whoisthere?）
蛋白功能（Whatcantheydo?）
現(xiàn)存功能（Whataretheydoing?）
結(jié)果顯示，所有樣品的綱層面的群落結(jié)構(gòu)是相似的。檢測出最常見的AOB和NOB分別屬于Nitrosomonas和Nitrospira(屬)，而最常見的PAO屬于CandidatusAccumulibacter屬。有旋流分離器系統(tǒng)有更高的PAO豐度，這說明旋流分離器對PAO的篩選是起作用的。
通過DNA測序(shotgunDNAsequencing)，他們發(fā)現(xiàn)所有群落都有脫氮除磷的完整轉(zhuǎn)化路徑，并且能檢測出DPAO和Comammox等新興的結(jié)構(gòu)功能的微生物組。
在Chandran教授看來，這個(gè)研究更重要的結(jié)果是了解到這些微生物究竟在干什么。如下圖所示，他們找到每一步轉(zhuǎn)化對應(yīng)的蛋白酶，以及在好氧或缺氧的條件下，這些酶對應(yīng)的基因表達(dá)的變化情況(上升或下降)。
一般來說，基因表達(dá)譜圖可以揭示微生物如何在特定環(huán)境條件里，調(diào)動和脫氮除磷相關(guān)的功能。這種原位采樣的好處在于捕捉在實(shí)際系統(tǒng)中的一些非理想狀態(tài)的影響，這是實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的研究無法復(fù)制的。這次工作中應(yīng)用的方法提供了很好的機(jī)會去評估各種工藝系統(tǒng)是如何對復(fù)雜的運(yùn)行條件因素做出響應(yīng)的。
總的來說，負(fù)責(zé)硝化和磷吸收的基因的表達(dá)和預(yù)期結(jié)果一致，而在好氧區(qū)一些反硝化基因表達(dá)的增加可能和低DO運(yùn)行條件有關(guān)，但釋磷基因的表達(dá)則不太一致，對此，Chandran等人也沒法給出確切解釋，指表示認(rèn)為可能和酶的可逆性有關(guān)。這些觀察結(jié)果也凸顯了在非理想工程廢水處理過程中，基因表達(dá)圖譜的使用還有不少的挑戰(zhàn)尚待克服。
除了對DPAO相關(guān)研究之外，WRF這個(gè)研究項(xiàng)目還有另外兩部分的內(nèi)容，包括了考察基于AB法的HRAS(High‐ ateactivatedsludge)和EBPR結(jié)合的可行性，以及通過使用金屬鹽混凝劑作為磷回收的另一種途徑的可行性。由于篇幅關(guān)系，就不在此文里展開細(xì)說。總的來說，這兩部分的研究首先在HRAS里，A段可以在非常低的SRT和HRT條件下實(shí)現(xiàn)高速生物除磷，這也為B段的自養(yǎng)脫氮提供支持；其次則是污水資源回收工廠提供了一條生物除磷和化學(xué)除磷相結(jié)合的磷回收路線。
小結(jié)
最后，對本次在線研討會做一個(gè)小結(jié)。這個(gè)研討會主要有三大目的：
讓觀眾了解強(qiáng)化生物除磷(EBPR)和短程脫氮工藝如何有機(jī)結(jié)合
加深對內(nèi)碳源管理在低能耗生物脫氮除磷(BNR)和營養(yǎng)物回收系統(tǒng)中的作用的理解
激發(fā)水行業(yè)對污水中碳資源利用的新思維
由于本次研討會的信息量較大，我們無法在有限篇幅里濃縮還原會議的全部內(nèi)容。對污水資源回收或生物除磷感興趣的讀者，還請?jiān)L問IWA官網(wǎng)或點(diǎn)擊下方視頻，回看本次研討會的全程視頻
