今年1月国际水协会的营养物去除与回收专家组（NutrientRemovalandRecoverySpecialistGroup）举行了主题为InnovationsinCarbonStorageandOptimizationinBiologicalProcesses的线上研讨会。这是一次关于生物脱氮除磷研究的成果分享会，这些成果对未来围绕生物除磷设计的下一代污水处理工艺奠定重要基础。

本次研讨会信息量丰富，IWA微信公众号将分两期为大家介绍其中的重点内容。在第一期中我们将先和读者分享研讨会概况以及生物除磷机理的研究进展，第二期将分享这些研究在实际污水厂实践结果。

研讨会概况

本次研讨会由康奈尔大学的AprilGu教授、Black&Veatch公司的JamesBarnard博士以及NEWhubCorp的SudhirMurthy博士主持。

图.研讨会主持及发言嘉宾一览|图源：IWA

本次研讨会有六个报告。JamesBarnard博士是第一位报告嘉宾。这是一次特别的报告，它既是Barnard博士对其生物除磷研究实践的回顾，也是对在2021年三月份去世的DavidStensel教授的致敬。两位行业传奇相识于1972年的加州康郡(ContraCosta)，当时的DavidStensel就职于美国的Eimco公司，Eimco从南非的水研究所那里购买了Barnard博士发明的Bardenpho(BARnardDENitrificationandPHOsphorusremoval)，他们共同设计了Bardenpho工艺在北美的第一工程应用(佛罗里达的PalmettoWWTP)，两人也从此结下了40多年的友谊。

图.1972年Barnard博士的Bardenpho中试研究|图源：IWA

在第二个报告里，Black&Veatch公司的ChrisDeBarbadillo、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共8个污水厂12种工艺下的运行情况。这个项目的内容我们会在第二期里有更具体的介绍。

同济大学的李咏梅教授分享了她在AAO工艺基础上设计的侧流磷回收系统的研究成果，原理是利用厌氧方法释磷，然后用化学沉淀实现磷的回收。

弗吉尼亚HRSD卫生局(HamptonRoadsSanitationDepartment)的KesterMcCullough分享了他在A-B工艺的实验成果，如下图所示，他考察了运用侧流MBBR，将强化生物除磷(EBPR)和主流厌氧氨氧化(MainstreamDeammonification)两者结合的可能性。结果显示MBBR的脱氮率(部分反硝化+厌氧氨氧化)要高于B段生物工艺的脱氮率。并发现了供给部分反硝化(PartialDenitrification)的碳源是PHA而不是糖原(Glycogen)。

同样来自弗吉尼亚HRSD的StephanieKlaus则介绍了她在JamesRiver污水厂的实验，她考察了如何利用内碳源进行部分反硝化+厌氧氨氧化(PDNA)实现主流厌氧氨氧化。结果显示，启动时间长达3个月，AvN控制系统在正常运作时，IFAS和MBBR两个反应器都能够满足TIN出水标准。其中，放置在第二个缺氧区的IFAS反应器是实现主流厌氧氨氧化的工艺，它利用了内碳源实现部分反硝化，为anammox提供了亚硝氮。

最后发言的是康奈尔大学的谷中春教授，她对上边嘉宾的内容做了进一步总结，介绍了传统EBPR和侧流EBPR(S2EBPR)的区别，并对比了目前各种例用内碳源进行生物脱氮除磷的工艺的优劣。

由于本次研讨会嘉宾众多，每个嘉宾的介绍也非常详尽，感兴趣的读者可以访问国际水协会官网回看本次研讨会的视频：

https://iwa-network.org/learn/innovations-in-carbon-storage-and-optimization-in-biological-processes/

对生物除磷认知的不断加深

总的来说，这次研讨会给我们行业带来了信息量丰富的研究进展，关键词包括了S2EBPR、DPAO、Anammox、磷回收、好氧颗粒污泥（AGS），而且是可以在一个系统内实现。有趣的是，这一系列的突破进展，归根结底都可以从生物除磷说起。

2017年11月，JamesBarnard博士连同Black&Veatch的两位同事在WaterEnvironmentalResearch发文，题为“RethinkingtheMechanismsofBiologicalPhosphorusRemoval”。在文章里Barnard博士说过去认为EBPR在第一阶段的厌氧区不能有氧的存在(包括O2和NOx)，而且最佳效果是前置厌氧区，这就有了所谓的Phoredox工艺(或者更为人熟知的AO或A2O工艺)。这种是一种“看图说话”的做法，但随着越来越多的实测观察结果支持——许多没有厌氧区的污水厂照样观察到了生物除磷的现象后，Barnard博士开始重新审视过去的生物除磷理论，这就有了这篇重新思考EBPR机理的文章。

图.Barnard博士在密歇根水环境协会2016年年会报告里用此图说明这种固化的设计是mistake|图源：mi-wea.org

这篇报告的一大重要成果，就是侧流强化生物除磷的工艺(Side-streamEBPR，简称S2EBPR)。

图.S2EBPR与传统EBPR的工艺流程对比|图源：IWA

过去我们谈论聚磷菌（Polyphosphate-accumulatingorganisms，简称PAOs），关注点更多的只落在它“厌氧释磷，好氧吸磷”的机制，却没有意识到，这个只是这种微生物的代谢作用结果的一部分而已，它的核心其实是对碳源的转化和储存，这也是本次研讨会谈论的焦点——CarbonStorage。给这种微生物起了PAOs的名字，只会让更多人忽略掉它们储碳的本质。

而在这个储碳过程中，如下图所示，挥发性脂肪酸（VFAs）是必要的初始条件。

图.PAO菌的细胞在厌氧(左)和好氧(右)环境下的物质转化机理|图源：Black&Veatch

此前大家认为传统EBPR存在以下“问题”：

不适合低C/P比的进水；

不能应对进水波动较大的情况；

不适合用于A-B工艺；

没办法和短程脱氮工艺兼容；

满足不了太严格的出水要求，需要化学除磷做为备案

但随后这些问题都一一找到了原因：传统EBPR是让初沉池出水先经过厌氧区，但这种设计有很多问题：第一，这个厌氧区实际上不是严格的厌氧，原因是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)和聚磷菌竞争挥发性脂肪酸(VFAs)，影响了PAOs的有效富集；

第三，这种进水设计的VFAs浓度本来就不够高；

第四，这种设计对碳/磷比非常敏感。

找到问题根源后，包括Barnard博士在内的一些生物脱氮除磷专家开始对症下药，他们开始意识到，EBPR的关键是要有一个独立的深度厌氧的反应区，而且可以对进水的C/P进行自动调解，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，从而得到适量的VFAs，反应器的溢流回到主流生物工艺里。这就是所谓的侧流(又称旁流)厌氧反应池。

图.四种基于S2EBPR理念已经开发出来的工艺形式(PE指PrimaryEffluent)|图源：Black&Veatch

除了Barnard博士，行内还有很多人进行S2EBPR的研究，康奈尔的谷中春教授的团队就是其中的代表。她曾对美国的5个S2EBPR污水厂和7个传统EBPR污水厂进行调研，并对它们三年的运行数据进行评估，做了动力学分析和微生物生态学的对比分析。

结果显示，相比传统EBPR，四座S2EBPR污水厂出水的磷浓度更加稳定，而且这四座污水厂刚好也代表四种不同构型的S2EBPR。

图.四个S2EBPR的污水厂的参数概况

除此以外，相关研究人员通过宏基因组分析，还发现了新的Accumulibacter菌种，以及可以反硝化的聚磷菌，这就是现在的一个研究热点——DPAO。这意味着有微生物可以在缺氧区实现同时的生物脱氮除磷。这也是本次研讨会第二个报告里提到的美国水研究基金会(WRF)的低能耗生物脱氮除磷项目可以立项的原因。它为生物脱氮除磷研究打开了全新的大门。