工艺技术 聊聊：侧流活性污泥发酵强化生物除磷[S2EBPR]工艺

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。

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。

S2EBPR的机理

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

S2EBPR新的发现


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。

如何优化生物除磷的工艺设计？

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：

至少要有10%的回流污泥用于侧流发酵；
反应器的HRT在12-48小时之间；
如果可以的话，加入初沉污泥的增稠溢流(GTO)；
SRT设在1.5到2天左右（没有GTO的情况下）；
发酵器的出水导入缺氧区；
通过关掉搅拌器可以减少发酵气的体积，这样浓缩污泥至1%的含固率水平；

目前还没有经验证的可供设计使用的经验模型。