2019年7月，美国水研究基金会（WRF）组织了一期在线研讨会，主题是侧流强化生物除磷（S2EBPR）。主持人请来了美国Black & Veatch公司的James Barnard博士和康奈尔大学的April Gu教授担任主讲嘉宾，为听众讲解有关S2EBPR的最新研究进展。随后在8月份，Black & Veatch公司在官网宣由B&V牵头的项目团队获得WRF资助的总额达130万美元的经费，以推广可持续的强化生物除磷技术。今天的IWA微信公众号将带大家了解是侧流强化生物除磷，以及它与传统EBPR的不同。关于强化生物除磷（EBPR）的文献报道始于20世纪70年代早期。过去大家一般认为EBPR在第一阶段的厌氧区不能含硝酸盐和亚硝酸盐。这个阶段，聚磷菌（Polyphosphate-accumulating organisms，简称PAOs）利用多磷酸盐获取能量来同化挥发性脂肪酸（VFAs），并产生聚-β-羟基丁酸盐的储存产物。在随后的好氧区阶段，聚-β-羟基丁酸盐为新细胞的生长和新的内源聚磷酸盐键的形成提供能量。
图1. 传统的生物除磷原理 | 图源：ScienceDirect2017年11月，James Barnard博士连同Black & Veatch公司的两位同事在Water Environmental Research 发表的一篇文章，题为《Rethinking the Mechanisms of Biological Phosphorus Removal》。这篇文章追溯了EBPR的历史，从最初那些没有专门设计厌氧区的污水厂观察到生物除磷的存在，到传统的前置厌氧区来接收初沉池出水。然而，过多的表面证据导致了一个巧合的错误——我们仅仅根据传统带有厌氧区的系统“看图说话”来进行狭义的解释，忽略了在没有传统厌氧区的污水厂照样可以生物除磷的观察结果。James Barnard博士的这篇文章认为EBPR系统可以有更大的灵活性，例如允许各种侧流混合方案，甚至是让部分回流污泥(RAS)进入厌氧区。因为传统EBPR可能抑制了其他PAOs的生长空间，例如Tetrasphaera和其他Accumulibacter分支细菌等微生物可以在更深的厌氧条件下茁壮成长。James Barnard博士是2007年美国Clarke水奖和2011年新加坡李光耀水奖的获得者。自从20世纪70年代就开始从事污水处理的研究，Barnard博士一直参与全球各地再生水厂的设计顾问工作，在探索生物脱氮除磷(BNR)的道路上始终没有停止前进的步伐。其研发的脱氮除磷工艺遍布世界各地的污水厂，被业界誉为“生物法脱氮除磷之父”。生物脱氮除磷之父不怕打脸，亲自修正经典的EBPR原理，实在是行业的福祉，因为这些新发现将让我们重新优化现有的常规生物除磷工艺，促进现有污水厂引入更加高效的生物除磷方法。
图2. James Barnard博士 |图源：WRF
在早期生物除磷的常规操作里，所有初沉池的出水必须经过一个厌氧区。但这种设计有很多问题：第一，这个厌氧区不是严格厌氧，因为初沉池出水和回流污泥都会带进溶解氧，ORP的水平往往不足以支持有效的发酵；第二，聚糖菌(GAOs)和聚磷菌（PAOs）竞争挥发性脂肪酸(VFAs)，影响了PAOs的有效富集；第三，这种设计对碳/磷比非常敏感。
图3. Barnard博士在密歇根水环境协会2016年年会报告里使用的图片|图源：mi-wea.org
包括Barnard博士在内的一些生物脱氮除磷专家在各地的污水厂中发现，将这个厌氧段“独立”出来，变成一个侧流(又称旁流)厌氧反应池，能带来很好的生物除磷效率。具体操作是将部分或者全部回流污泥(RAS)或者混合液悬浮固体(MLSS)进行水解和发酵酸化，反应器的溢流回到主流生物工艺里。这种独立出来的厌氧发酵过程就是侧流强化生物除磷（S2EBPR）。
图4. S2EBPR的各种具体实现形式 |图源：WRF webinar截图
与过去常规的EBPR相比，S2EBPR有若干优点。首先它增加了新的菌种选择机制，降低了对进水碳源的要求，特别是对可生物降解COD的依赖，也减少了药剂的使用；其次，它的实现形式很灵活，占地面积更少，方便对污水厂现有的生物除磷工艺进行改造；第三，它还为反硝化脱氮工艺提供额外碳源。
据资料显示，S2EBPR目前在全球有80个多个工程应用，并且显示出良好的运行效果。虽然已有一些关于S2EBPR工艺研究的文献，但这些文献之间的可比性不高，毕竟不同污水厂的进水水质差异较大。关于S2EBPR的微生物研究也很少，更不用想为S2EBPR工艺制定设计和运行标准了。为了更好地展示S2EBPR和常规EBPR的区别，April Gu教授等人对美国的4个S2EBPR污水厂和5个常规EBPR污水厂进行调研，对它们三年的运行数据进行评估，并进行动力学分析和微生物生态学的对比分析。这次研究有三个目标，包括进一步理解S2EBPR的基础原理、开发设计指南和优化工艺模型。
图5. 四个有S2EBPR的污水厂的参数概况
研究结果显示，VFAs的组成越复杂，越有利于建立稳定的EBPR系统，而更高的丙酸/乙酸比对聚磷菌的积聚更有利。在侧流厌氧反应器里，PAOs的存活时间长达48-72小时(甚至更长)，而且可以吸收更多的VFAs并生成更多的PHAs，而且EBPR的活性随时间而增加。微生物分析鉴定显示：S2EBPR总体的微生物多样性要高于常规EBPR；S2EBPR和传统EBPR的PAOs菌的相对丰度没有显著差别（包括Tetrasphaera）；而在S2EBPR观察到的已知GAOs的相对丰度要低于常规EBPR。有趣的是，通过宏基因组分析，他们还发现了新的Accumulibacter菌种，以及一些可以反硝化的聚PHA菌。第三个新的发现是PAOs菌表型的转变。S2EBPR里的单细胞和整个群落都有更高的PHA含量。他们猜测这可能是S2EBPR的环境有利于已知的PAOs菌种吸收更多的PHA，也有可能是筛选出新的作用菌。此外，他们也发现S2EBPR和常规EBPR的生物代谢路径也有所变化。基于上边的这些发现，Gu教授认为SRT、HRT和搅拌都是重要的因素。根据目前的研究结果而言，他们有以下经验分享：
基于目前的喜人成果，WRF对S2EBPR的相关研究给予了资助。与此同时，B&V和康奈尔大学也将作为牵头单位，带领一支顶级团队在未来30个月里开展一系列的后续研究。这个联合团队包括5家咨询公司、5所大学以及来自美国多个州的水务局。这个项目的首席调查官，B&V的首席工艺工程师Leon Downing表示：“污水处理行业很乐意看到生物除磷的接受度不断提高，而且运行更友好。通过提高生物除磷的运行表现和稳定性，这个研究将大大降低污水厂的能源和化学品的消耗量，并使出水的磷浓度降至超低水平。”他们的工艺计划包括开发更具体的S2EBPR设计手册、适用于大型污水厂的S2EBPR模型，提供标准化的检测工具和操作指南。这个一流团队也给自己设定一个小目标：将S2EBPR和短程脱氮工艺相结合，实现同步脱氮除磷，并且能满足更低的排放标准。乍听上去，这个小目标有点吓人，但万一实现了呢？这将让我们离心中的那个未来资源回收工厂的梦再迈近一步。从上世纪70年代Barnard博士在南非开始生物脱氮除磷的研究，到如今的侧流强化生物除磷，也仅仅用了40多年时间而已。谁能预料未来40年污水处理可以达到的新高度呢？我们的大自然还有许多奥秘等待我们去发现。
图6. B&V高级工艺工程师Jim Fitzpatrick在密歇根水环境协会2016年年会分享的图片|图源：mi-wea.org
Rethinking the Mechanisms of Biological Phosphorus Removal, James L. Barnard, Patrick Dunlap, Mark Steichen, Water Environmental Research, November 2017
Roles of extracellular polymeric substances in enhanced biological phosphorus removal process, Author links open overlay panel, Wen-Wei Li, Hai-Ling Zhang, Guo-Ping Sheng, Han-Qing Yu, Water Research, Volume 86, 1 December 2015, Pages 85-95
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