污水生物除磷理论与实践的新突破：侧流 EBPR 与 Tetrasphaera 菌属

污水生物除磷理论与实践的新突破：侧流 EBPR 与 Tetrasphaera 菌属

编者注

近期该期刊关注到国内外生物除磷理论和工程规模的一些新突破和新进展，前不久还发表了一篇题为《污水生物除磷理论与实践新突破：从主流EBPR到侧流EBPR》的论文（《中国给水排水》2018年第34卷第24期，作者：刘志晓）。该论文也是国内首次系统总结侧流生物除磷理论的发展和近期生物除磷理论的新进展，特别是对一株新的发酵除磷菌属的发现和确认进行了综述。值得注意的是，目前对侧流EBPR和菌属已经有了比较深入的理论研究和工程案例验证，这无疑为未来污水处理的强化生物除磷提供了新的方向。因此本刊就生物除磷的新发现以及该领域的最新研究和工程实践进展对刘志晓博士进行了专访，以下为访谈实录。

刘志晓：山东莒县人，毕业于哈尔滨工业大学，获工学博士学位。首创股份有限公司高级专家，中国勘察设计协会水系统分会理事，中国水工业协会水系统智能化研究会理事。现主要从事给水及污水处理工艺技术设计与优化、高效可持续水处理工艺与控制技术研究及产业化等相关工作。

《中国给水排水》：最近我们注意到，国内外一些权威学术期刊或者国际会议上的最新研究成果提到，传统的强化生物除磷理论有了进一步的发展甚至突破，您一直从事该领域的研究，能否详细介绍一下？

刘志晓：OK。生物除磷现象其实早在上世纪五六十年代就被发现和证实，1975年正式提出了“厌氧释磷—好氧过量吸磷”的传统生物除磷微生物生化代谢机理。长期以来，嗜酸菌（以下简称嗜酸菌）一直被认为是强化生物除磷（EBPR）中最重要的PAOs。几十年来，上述传统的生物除磷理论一直指导着我们的研究和工程实践。时至今日，这一机理在科研和工程实践中仍然继续发挥作用。然而，2010年前后，丹麦、美国的一些研究人员从实际运行项目中发现，一些未设置传统预厌氧区的侧流EBPR项目实现了高效的生物除磷，传统的PAOs生化代谢模型已经无法解释和拟合这些“非主流”工艺的实际运行工况和出水水质。早在2000年前后，澳大利亚、日本等国的一些学者就从活性污泥中分离出具有磷积累能力的细菌（以下简称T.菌），并确认其为一类新型的PAOs。T.菌型PAOs具有发酵特性，可直接利用葡萄糖和氨基酸进行厌氧释磷，因此被称为“发酵型PAOs”。该类PAOs的生理生化特性与传统理论有明显不同，因为发酵型PAOs不依赖进水VFAs就能进行厌氧释磷，这显然突破了传统的生物除磷理论。通俗地说，即使进水中不含VFAs，如果有适合T.菌生存的条件，仍然可以实现生物除磷。这无疑是对传统EBPR理论的极大丰富和拓展。生物除磷过程中的发现、分离，以及随后代谢生化模型的建立，这些基础预研究极大地促进了传统EBPR理论的拓展和完善，也促使一些有远见的科学家重新思考当前常规主流脱氮除磷机理和工艺流程的技术不足和改进机会。

对此，有兴趣的读者可以进一步参阅我前不久在《中国给水排水》杂志上发表的论文（注：文章附后）。

《中国给水排水》：化脓性链球菌在生物除磷中的作用从被发现到最后被证实经历了一个怎样的过程？

刘志晓：确实，这个问题很有意思。美国BLACK & 公司的James先生被誉为“废水反硝化除磷之父”，他也对这个问题和现象进行了系统的思考。近年来他发表了许多论文，对传统的生物除磷机理进行了重新思考，也在不同的会议上发表演讲，如（EBPR）– Side-EBPR，正式提出了侧流生物除磷的理论和工艺配置。B&V公司近年来也在积极推动其在新项目中的应用。至于为什么T.菌属今天才被发现和提出，他认为有以下几个原因：

T.菌的最佳生存条件是ORP低于-250mV的绝对厌氧条件，但以传统的活性污泥厌氧段设计和运行控制很难达到这一目标。回流污泥携带的硝态氮、DO，或是厌氧区的湍流扰动和过度混合，如搅拌器的大功率配置等，都会破坏厌氧区的ORP环境，往往在-150mV以上甚至更高。在这样的微生境中，很难培养出具有发酵功能的PAOs，自然也很难分离和发现它们。

除了以上原因，我觉得还有一些其他的客观因素。首先，近10年来，随着侧流活性污泥发酵技术的发展，全球越来越多的侧流活性污泥发酵项目投入运行（主要在丹麦，其次是美国和中国）。侧流RAS所能达到的深度厌氧环境（ORP≤-300mV）为发酵型PAOs菌的生存提供了基本条件，而传统主流AAO的厌氧区（ORP在-150～-250mV甚至更高）很难达到这样的环境条件；其次，现在分子生物学技术的快速发展，让我们有机会在更微观的领域去探索一些以前未知的活性污泥微生物的存在，比如Raman-FISH技术的应用。丹麦奥尔堡大学Per Halkjær教授领导的团队利用该技术在对丹麦数十座污水处理厂的活性污泥进行分析时发现并建立了T.细菌的生态位及其对生物除磷的贡献。

使用拉曼-FISH 技术观察活性污泥中的细菌形态和存在情况（黄色和橙色部分，绿色部分为总活菌）

图片来源：拉曼–FISH 的关键。ISME ，

近年来，Per Halkjær团队在一些国际环境与微生物领域的权威期刊如Water、The ISME、in等上发表了多篇关于生物除磷中微生物菌群结构分析以及T.菌对生物除磷的贡献的文章，系统地论证、阐述和完善了传统的生物除磷理论。Per Halkjær教授在论文中明确提出应该对以Ca.为主要PAO的传统生物除磷理论进行补充、完善和修订，认为T.菌与A.菌一样，都是生物除磷过程中最主要的PAOs，甚至在对全球5大洲、12个国家的不同污水处理厂的采样调查分析中发现，很多污水处理厂T.菌的丰度和对P去除的贡献率都超过了A.菌。对于这一点，可以参考他们在2018年和2019年发表的最新一系列论文，感兴趣的朋友可以参考这两篇重要的论文（部分文章截图如下）。

当然需要进一步说明的是，T. sp.在EBPR中的确认和贡献不仅仅是奥尔堡大学一个团队的结论，西班牙、葡萄牙、德国、美国等国家的许多团队都对此进行了系统的研究，他们的研究成果可以在这里找到，这里我就不一一列举了，有兴趣的也可以参考我前不久在贵刊上发表的论文，其中的一些重要文献在文献中都有列出。T. sp.在EBPR中的生理生态特征及其对生物除磷的量化贡献已经被理论研究和生产实践充分确认和证实。毫无疑问，未来需要进一步探索的是如何创造更适宜的生境条件，促进T. sp.和A. sp.之间更高效的合作，实现更稳定高效的EBPR。

中国给水排水：基于化脓性链球菌的生物除磷理论有何发展前景和实际工程意义？

刘志晓：我国很多地区都面临着进水中碳源相对于N、P指标先天不足的问题，往往需要投加大量的碳源和化学除磷剂。特别是随着对出水N、P指标要求越来越严格，比如地标性建筑北京一标，甚至有TP 0.05mg/L的极端标准，TP从一级A的0.5mg/L到0.2mg/L甚至更低，所需的化学除磷剂用量会成倍增加。单纯依靠化学除磷其实是不可持续的，毫无疑问生物除磷的贡献率还有待进一步提高，因为它是最经济、最绿色的。

前文提到，基于传统主流EBPR理论的经典活性污泥工艺设计存在一定的工艺弊端，难以达到深度厌氧，单纯依靠传统主流生物除磷，出水TP可达0.5～1.0mg/L，难以进一步提升。其次，随着未来排放标准对TP的要求越来越高，传统的活性污泥工艺设计配置在出水稳定性、经济性等方面已不能满足要求。在此背景下，侧流活性污泥水解发酵技术得到了发展和应用，从最初的回流污泥反硝化去除剩余的硝态氮，到厌氧发酵生产VFA以达到活性污泥水解的目的，最后到现在的侧流EBPR，也就是被美国B&V公司和美国东北大学团队称为技术。上述过程的逐渐演进，其实是随着该技术在生产规模上的不断探索和改进，对该技术机理认识的不断深化。它可以实现稳定的深度厌氧环境，从而使PAOs菌群结构更加多样化，培养出T.菌等发酵PAOs。该类PAO不依赖进水中挥发性脂肪酸的含量，就能发挥稳定的生物除磷作用。根据丹麦和美国的案例，侧流EBPR在很多项目中出水浓度可以达到0.1mg/L。从处理过程中减少化学药剂的使用、清洁生产、减少温室气体排放的角度来看，这是一种可持续的绿色技术。

近年来，侧流活性污泥发酵项目在美国发展迅速，如该污水处理厂为强化生物除磷，将原五级工艺的厌氧区改造为侧流EBPR：

美国和北欧还有几十起这样的案例，我就不一一列举了。

我也注意到，这两年美国的WEF会议不仅列出了下一代营养盐去除技术，还专门设立了Side-EBPR()/RAS的会议主题。可以说，在这个领域，我们国内的步伐已经远远落后于美国和丹麦，国内的关注和了解还远远不够。

美国B&V公司总结了20世纪70年代以来污水处理中营养物去除技术的发展情况(见上图)，并认为2010年以后的污水处理应该是一个以侧​​流化、工艺紧凑化、工艺强化为基本特征的新时代。

总之，我非常看好侧流活性污泥技术未来的发展前景。我想补充的是，侧流发酵EBPR的目的不仅仅是减少或消除碳源的使用，更创造性地实现了RAS的深度厌氧环境，使得PAOs群体更加多样化，发酵PAOs更容易发挥优势和主导作用，实现稳定的生物除磷。同时研究表明，GAO在此过程中受到明显抑制。

《中国给水排水》：我们了解到您一直致力于该领域的研究，并积极探索工程推广应用，能否介绍一下这方面的最新进展？

刘志晓：其实我在读博士期间就开始研究侧流活性污泥技术。2007年，我国首次实施了侧流腐殖土活性污泥生物除臭技术，并在贵刊上做了系统的总结和报道（《腐殖土活性污泥技术的去污效率与除臭效果》，2007年第14期）。后来，它在中国得到了进一步发展，被称为“全工艺生物除臭”。2009年，在丹麦政府的支持下，活性污泥水解发酵技术的研究和应用正式开始。我们和丹麦的合作伙伴以及当时的第一爱华团队一起，在国内率先开展了侧流活性污泥技术的应用和示范。到目前为止，我们已经和中国市政工程华北院、东北院等设计院合作，完成了约10个污水处理厂的侧流工艺设计，包括改建和新建项目。目前已经运行的侧流项目取得了比较理想的效果，明显提升了脱氮除磷效果，并且节省了大量的碳源。当然，实事求是地说，这类技术还在发展中，还有很多技术细节需要我们在未来不断研究、优化和解决。据我所知，国内还有其他公司在进行这方面的研究和应用。如果加上第三方团队的项目，我粗略估计，目前国内的侧流项目应该不少于20个。

此外，在这个领域，通过近10年的系统研究和技术积累，已经初步形成和建立了侧流活性污泥法的技术理论体系，可以支撑未来侧流活性污泥技术在我国的进一步工程化应用。同时也非常希望国内的同行们能够关注侧流技术的发展，共同推动我国绿色可持续的污水处理技术的应用，为我们的水环境改善贡献力量。

《中国给水排水》：您能否提供一些关于您刚才提到的主题的主要文献，以便感兴趣的读者进一步了解？

刘志晓：好的。下面列出几篇代表性的文章，感兴趣的可以看看，其中也包括我近几年在这个主题上发表的七篇论文：

[1] 刘志晓. 生物除磷理论与实践新突破:从主流式EBPR到侧流式EBPR[J]. 中国给水排水, 2018, 34(24): 19-25.

[2] 刘志晓. 未来污水处理能源自给自足新途径:碳源捕获与碳源重定向[J]. 中国给水排水, 2017, 33(8): 43-52.

[3] 刘志晓, 等. 补充碳源优化活性污泥水解发酵除氮除磷工艺[J]. 中国给水排水, 2013, 29(4): 12-16.

[4]刘志晓,等.低碳源条件下侧流活性污泥水解技术强化生物脱氮除磷[J].给水排水,2013,49(1):53-57.

[5] 刘志晓, 等. 污水处理厂污泥作为碳源的水解特性及工艺选择[J]. 中国给水排水, 2011, 27(22): 30-35.

[6] 刘志晓, 等. 侧流污泥生物强化技术及其在污水处理厂升级改造中的应用[J]. 中国给水排水, 2010, 26(16): 1-6.

[7]刘志晓,等.腐殖土活性污泥技术污染去除效率及除臭效果[J].中国给水排水,2007,23(14):18-22.

此外，来自国际同行的重要文献：

[1]Per Halkjæ 等人。重新的。于，2019年，57：111–118。

[2] 拉曼荧光原位杂交是研究荧光原位杂交的关键。ISME，2019.3

[3]Rikke. 属的模型. ISME, 2013,7:543–554。

[4] AT,等.Water,2013,47:1529-1544.

[5] L., J.:新水文,2018,1:44-49。

[6] R., et al. 水中钙和磷的生态位研究, 2017,122:159-171。

[7] AB,等.全尺度水文地质科学,2013,47:7032-7041。

《中国给水排水》：感谢您接受我们的专访，分享国际国内生物除磷的最新进展。未来我们也会持续关注该领域的发展趋势。

刘志晓：谢谢。

撰稿：易春敏

微信制作：文凯

审稿人：李德强

甚至

许多

精制

颜色

公共帐户