工艺技术 侧流活性污泥发酵强化生物除磷[S2EBPR]作用机理新发展

在早期的侧流活性污泥水解案例中，设置侧流污泥发酵单元的初衷就是对部分回流活性污泥（RAS）进行厌氧水解发酵，将产生的SCOD和VFAs提供给主流厌氧区的PAOs释磷过程，因此，2010年前的关于侧流活性污泥发酵的文献，都是关于水解产率、影响因素及动力学等方面研究和论述。

Tetrasphaera菌属的发现与分离

很久以来，Candidatus Accumulibacter一直被视为EBPR最主要的PAOs。2010年前后，丹麦和美国一些研究者发现一些未设传统前置厌氧区的侧流EBPR项目实现了高效生物除磷，而按照传统PAOs生化代谢模型已经不能解释和拟合这些“非主流”工艺实际的运行状况和出水水质。但是，当时的研究关注点尚未对水解发酵过程微观领域如菌群结构特性等进一步解析，只是停留在宏观水解反应动力学参数及影响因子的定量化研究等方面，对侧流活性污泥技术的认知也不够深入。后来分子生物学技术手段的快速发展为揭开动力学参数背后隐藏的“秘密”提供了通道，实际上，2000年前后Maszenan A.M.等人、Hanada A.等人从活性污泥中分离出了具有聚磷能力的Tetrasphaera菌属，并确认为是一种新型的PAOs，这一发现拓展了对PAOs菌属种类的认知及定义。但这个时期的研究仅仅是确认了Tetrasphaera的形态、生理生化及分类特性，Tetrasphaera菌属的生态位及其与深度厌氧环境、侧流RAS发酵之间的本质联系并没有被揭示。丹麦奥尔堡大学的研究团队通过对丹麦实际污水厂EBPR菌群结构的定量化解析，发现Tetrasphaera的丰度超过了Accumulibacter,且Tetrasphaera类PAOs具有发酵特性并能直接利用葡萄糖和氨基酸进行厌氧释磷，并在后续工作中进一步建立了Tetrasphaera生化代谢模型（见图1）。美国东北大学April G.团队通过传统主流EBPR和侧流EBPR系统的对比也发现了类似规律，即S2EBPR工艺的活性污泥中Tetrasphaera具有较高的丰度，侧流EBPR系统能够实现更高的除磷效率，此外，与传统主流除磷工艺相比，S2EBPR中较低含量的GAOs（聚糖菌）使其出水水质更为稳定。上述两个团队的研究确立了深度厌氧环境下EBPR菌群结构的多样性，尤其是侧流EBPR工艺与Tetrasphaera菌属与之间的内在本质联系。可以说，Tetrasphaera在生物除磷过程中的发现和分离，以及后续对代谢生化模型的建立大大推进了对传统EBPR理论的拓展及完善，这也促使一些具有远见的科学家不得不重新反思目前常规的主流脱氮除磷机理及工艺流程的技术缺欠和改进的机会。



图1 Tetrasphaera的厌氧生化代谢模型

“双PAOs”共生协同作用及模型建立

生化过程机理一旦被解析，工艺控制条件随之被认识和优化，后续工艺控制条件的深入研究进一步揭示了深度厌氧环境（ORP为-300mV）独特的工艺特性。传统厌氧区的ORP在-150~-250mV，实际项目往往存在过度混合，且SRT往往较短（≤1.5h），难以培育更加丰富的厌氧生物菌群结构， PAOs主要以Accumulibacter为主；深度厌氧环境下，ORP可以稳定保持在-300mV以下，且污泥在侧流池内停留时间长，使得EBPR菌群结构更加丰富，尤其是PAOs多样性发生很大变化，Mielczarek A.T.等利用FISH技术对丹麦具有EBPR功能的污水厂活性污泥种群进行了分析，发现两种不同的PAOs协同共生，其中Tetrasphaera占据活菌总量的27%，而传统的Accumulibacter仅占3.7%。美国东北大学的 April Z. Gu团队研究也发现，S2EBPR系统的生物除磷性能显著高于常规AAO系统，且S2EBPR释磷比（P/PHA）是AAO的3倍，进一步的菌群结构定量分析表明，相对传统主流EBPR，S2EBPR污泥中Tetrasphaera在聚磷菌占据主体地位（见表1）,且GAO数量要显著低于常规AAO系统，在侧流活性污泥工艺中，同时发现对EBPR有负面作用的Competibacter类的GAO生长受到明显抑制。

表1. 侧流活性污泥水解工艺PAOs、GAOs组成及释磷比情况



过去传统生物除磷理论认为PAOs（主要是指Accumulibacter菌属）利用进水中VFAs（挥发性脂肪酸）进行厌氧释磷，因此进水中的VFAs含量直接决定了厌氧释磷的效果，在Tetrasphaera与Accumulibacter共生协同机制被揭示后，美国Black& Veatch公司开发了基于“双PAOs”侧流EBPR模型（见图2）。不同种类的PAOs在EBPR过程中可有选择地实现不同的生化代谢途径，Tetrasphaera菌属可以直接利用大分子的葡萄糖、氨基酸等进行发酵释磷，而糖酵解途径比TCA循环更具有优势，这就意味着Tetrasphaera菌属的发酵作用减少了对进水VFAs的依赖，这也是为何没有前置厌氧区的“非主流”工艺能取得高效生物除磷效果的原因所在。进一步讲，在侧流反应器内，Tetrasphaera与Accumulibacter存在共生协同促进作用，Tetrasphaera在深度厌氧环境下通过水解发酵作用将污水中的可慢速降解有机物进行水解产生VFAs并释放磷酸盐，水解过程产生的VFAs被Accumulibacter吸收储存并同时释磷，显然，对于碳源不足或者进水VFAs匮乏的污水处理，通过引进侧流污泥发酵、利用“双PAOs”协同作用可有效强化EBPR。



图2 发酵PAO-Tetrasphaera与传统PAO共生协同促进代谢机制

在 “双PAO模型”基础上，Black & Veatch公司进一步建立了基于ORP抑制的Tetrasphaera厌氧发酵因子函数，发现厌氧ORP对Tetrasphaera厌氧活性具有直接影响，随着ORP升高，其发酵及释磷活性大幅降低（见图3），显然，这进一步证实了Tetrasphaera与Accumulibacter具有完全不同的生态位。



图3 ORP对Tetrasphaera类聚磷菌厌氧发酵及释磷效率的影响

综上所述，Tetrasphaera的发现和其代谢模型的建立，使是对几十年以来传统生物除磷理论的重大拓展和突破，必将更新对传统生物除磷的技术认知，并促进设计及运营两个层面从不同的维度，去思考如何优化现有EBPR系统、如何重新构建新型的高效EBPR系统。