生物脱氮除磷最新研究进展：碳源储存创新及生物工艺的优化（2）
2022年1月，国际水协会举行了主题InnovationsinCarbonStorageandOptimizationinBiologicalProcesses的线上研讨会。在上一期里，我们主要介绍了本次研讨会上对生物除磷机理的研究进展的介绍。在本期推送里，我们将介绍这些研究在实际污水厂的应用实践。
在第二个报告里，Black&Veatch公司的ChrisDeBarbadillo女士、西北大学的GeorgeWells教授和哥伦比亚大学的KartikChandran教授介绍了美国水研究基金会(WRF)的低能耗生物脱氮除磷项目，主要考察了如何利用反硝化聚磷菌(DPAO)实现同时的脱氮除磷的研究，并展示了该工艺在美国和丹麦多个污水厂的测试结果。
考察的污水厂包括了美国芝加哥的JamesC.Kirie(A/O)、TerrenceO’Brien(SBR)、弗吉尼亚HRSD的JamesRiver(IFAS)以及一个A2O的中试系统，俄勒冈的RockCreek深度污水处理厂(A2O和S2EBPR)、科罗拉多的JamesDilorio再生水厂(JHB)、丹麦的EjbyMølle资源回收工厂(氧化沟)。
图.美国水研究基金会(WRF)相关报告封面|图源：WRF
这个研究项目分成三大部分。其中第一个部分是考察DPAO的可行性，并细分为实验室研究和在大型污水厂或中试规模的实际测试。
实验室研究的主要目标是对反硝化聚磷菌(DPAO)进行富集。他们的SBR反应器运行超过1000天，结果显示系统能够实现稳定且完全的脱氮，并且能去除一部分磷。基因测序分析监测出几个经典的PAO菌集。缺氧区的磷吸收率和好氧区的磷吸收率相近甚至更高。而且在试验第四阶段的运行显示，VFA的类型可能对DPAO的影响不大，而且在有NO2-的存在时，适当延长缺氧区时间就足以选择出高效率的DPAO。但值得注意的是，这些DPAO也会产生N2O这种强温室气体，研究团队这方面的影响需要做进一步的研究评估。
表.SBR反应器的运行概况
在实验室工作的基础上，项目的第二部分则是在实际的污水厂进行测试，以便制定DPAO在现有常见工艺和新兴工艺的活性基准，同时有助于水务公司根据各自需求开展后续规划。
表.参与实际测试的污水厂工艺概况
同时他们想在这次实测里找到以下问题的答案：
1.生物除磷工艺构造是否影响DPAO活性？
2.旋流分离器等外力筛选器能够将DPAO包含在好氧颗粒污泥内，从而免去设置厌氧区的需要？
3.厌氧区的外加碳源、电子受体类型(DO或/和NO2-/NO3-)对DPAO活性的影响？
试验结果
结果显示，所有污水厂不论DO控制策略，出水磷浓度的50th百分位值(中位数)都低于1mg/L,说明可以在低能耗的脱氮条件下实现EBPR。
尽管EBPR的整体表现良好，但几个低DO运行的污水厂的日波动较大(Ratio99.7-50，指99.7th百分位值/50th百分位值的比，JamesC.Kirie、TerrenceO’Brien、HRSD的中试以及丹麦EjbyMolle这四个厂的该比值都超过了10)。
配有旋流分离器的三个污水厂(JamesRiverTP、JamesDilorioWRF和EjbyMølleWRRF)似乎有更高的DPAO相对活性。此前有关文献显示密度更高的颗粒污泥有DPAO的存在，这个测试结果和文献的推测吻合。
在RockCreek污水厂的团队对S2EBPR和传统的A2O除磷进行平行测试。两者的关键区别在于S2EBPR处理线的厌氧生物质比例是A2O处理线的两倍。结果显示，S2EBPR的那条线的二级出水的磷浓度相对较高，但DPAO的活性更高，以及出水波动变化较小。
另外，他们进行异位测试测量好氧区的磷吸收、缺氧区分别用NO2-和NO3-作为电子受体的磷吸收最大值。结果如下图所示，在O’Brien的SBR工艺里，以亚硝氮为电子受体的磷吸收是好氧吸磷的17%，以亚硝氮的话则只有14%；丹麦EjbyMølle的情况相对好点，但以缺氧区以NO2-和NO3-为电子受体的磷吸收也只有好氧吸磷的40%和47%。他们认为这些数据说明NO2-和NO3-对DPAO影响不大，而DPAO对在除磷方面的作用并不是最主要的。但总的来说，那些有更长的SRT的缺氧区的系统以及有旋流分离器的系统，缺氧区的磷吸收率更高些。
ChrisDeBarbadillo女士在发言里特别介绍了RockCreek污水厂的案例。研究团队选取了6号和7号池进行平行对照试验，其中6号池维持A2O不变，7号池改成了S2EBPR工艺，第一个厌氧区不做搅拌，变成深度缺氧区，提高VFA含量。结果显示，7号池的DPAO活性更高，而且和上边的结果一样，7号池的缺氧区的磷吸收率比6号池高。
除了运行效果，项目团队还对污泥样本进行DNA和宏基因组的分析。在这次线上研讨会上，哥伦比亚大学的KartikChandran教授对这部分工作的成果进行了汇报。他总结说这些工作从三个方面加深了对生物脱氮除磷工艺认识：
群落结构（Whoisthere?）
蛋白功能（Whatcantheydo?）
现存功能（Whataretheydoing?）
结果显示，所有样品的纲层面的群落结构是相似的。检测出最常见的AOB和NOB分别属于Nitrosomonas和Nitrospira(属)，而最常见的PAO属于CandidatusAccumulibacter属。有旋流分离器系统有更高的PAO丰度，这说明旋流分离器对PAO的筛选是起作用的。
通过DNA测序(shotgunDNAsequencing)，他们发现所有群落都有脱氮除磷的完整转化路径，并且能检测出DPAO和Comammox等新兴的结构功能的微生物组。
在Chandran教授看来，这个研究更重要的结果是了解到这些微生物究竟在干什么。如下图所示，他们找到每一步转化对应的蛋白酶，以及在好氧或缺氧的条件下，这些酶对应的基因表达的变化情况(上升或下降)。
一般来说，基因表达谱图可以揭示微生物如何在特定环境条件里，调动和脱氮除磷相关的功能。这种原位采样的好处在于捕捉在实际系统中的一些非理想状态的影响，这是实验室规模的研究无法复制的。这次工作中应用的方法提供了很好的机会去评估各种工艺系统是如何对复杂的运行条件因素做出响应的。
总的来说，负责硝化和磷吸收的基因的表达和预期结果一致，而在好氧区一些反硝化基因表达的增加可能和低DO运行条件有关，但释磷基因的表达则不太一致，对此，Chandran等人也没法给出确切解释，指表示认为可能和酶的可逆性有关。这些观察结果也凸显了在非理想工程废水处理过程中，基因表达图谱的使用还有不少的挑战尚待克服。
除了对DPAO相关研究之外，WRF这个研究项目还有另外两部分的内容，包括了考察基于AB法的HRAS(High‐ ateactivatedsludge)和EBPR结合的可行性，以及通过使用金属盐混凝剂作为磷回收的另一种途径的可行性。由于篇幅关系，就不在此文里展开细说。总的来说，这两部分的研究首先在HRAS里，A段可以在非常低的SRT和HRT条件下实现高速生物除磷，这也为B段的自养脱氮提供支持；其次则是污水资源回收工厂提供了一条生物除磷和化学除磷相结合的磷回收路线。
小结
最后，对本次在线研讨会做一个小结。这个研讨会主要有三大目的：
让观众了解强化生物除磷(EBPR)和短程脱氮工艺如何有机结合
加深对内碳源管理在低能耗生物脱氮除磷(BNR)和营养物回收系统中的作用的理解
激发水行业对污水中碳资源利用的新思维
由于本次研讨会的信息量较大，我们无法在有限篇幅里浓缩还原会议的全部内容。对污水资源回收或生物除磷感兴趣的读者，还请访问IWA官网或点击下方视频，回看本次研讨会的全程视频
