生物脱氮除磷之父亲自修正经典EBPR原理，大学教科书要重写？
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关于强化生物除磷（EBPR）的文献始于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含硝酸盐和亚硝酸盐。这个阶段， 聚磷菌（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：sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135415300841
2017年11月，著名生物除磷之父James Barnard博士连同Black & Veatch的两位污水专家Patrick Dunlap 和Mark Steichen在Water Environmental Research 发表的一篇文章，题为“Rethinking the Mechanisms of Biological Phosphorus Removal”。话说小编有幸在16年7月的新加坡水展上就跟Barnard博士见过一面。在交谈中，他就给我分享了他在生物除磷上的最新发现，并把稿件发给了我…可惜我拖延症严重，迟迟没有跟大家分享Barnard博士的这篇大作。直到最近看到又有同行在网上分享这篇文章，才让小编意识到是时候给大家搬个砖了。本期学术星期四专栏，小编带大家看看这份报告有什么新见解。
奥尼卡水处理创新中心
EBPR的原理要被改写？
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BNR的道路上始终没有停止前进的步伐。其研发的营养物去除工艺在世界很多污水厂得到了应用，被誉为生物法脱氮除磷之父。
图2. James Barnard博士
在上世纪70年代刚发现EBPR的时候，大家一致观察到除磷表现在硝化反应开始的时候会下降。如下图所示，Barnard博士曾在南非Daspoort污水厂运行一个四阶段的缺氧/好氧/缺氧/好氧的活性污泥脱氮的中试系统的时候，发现了磷浓度从进水的约9 mg/L降到出水的 0.2mg/L(正磷酸盐)。第二个缺氧区释放的磷浓度超过30 mg/L，Barnard当时推测活性污泥经过厌氧环境后会刺激PAOs释放磷酸，然后在好氧阶段将所有释放的磷和进水的磷统统吸收回去。
图2. Barnard在1927年观察到EBPR的
南非Pretoria的Daspoort污水厂的流程图
在实验室尝试复制类似的厌氧环境失败后，Barnard提出了前置厌氧区的Phoredox (AO)工艺 来实现厌氧条件。加上厌氧区的 Bardenpho 工艺就成了我们熟知的改良 Bardenpho 工艺了。美国第一座使用改良Bardenpho工艺的污水厂是1977年的佛罗里达州的Palmetto污水厂，实现总氮<3mg/L和总磷<1 mg/L的药企毫无问题)。基于这些案例，专家们过去就此认为PAOs在厌氧区需要VFAs，特别是乙酸或丙酸。在早期，这正好又成功解释了为什么EBPR工艺在炎热气候环境下表现更好，因为发酵作用在污水收集系统就已经快速进行。1977年加拿大不列颠哥伦比亚省的Kelowna污水厂在设计阶段，大家都担心初沉池出水没有足够的VFAs来维持EBPR。 一个现成的储泥池被用来发酵初始污泥，以给工艺提供必须的VFA。发酵罐的上清液直接进入厌氧区，而初沉池出水则以一定比例进入厌氧区，以避免VFA被稀释。Kelowna和附近的一个Westbank污水厂一样，剩下的初沉池出水就进入缺氧区。这就像下图展示的那样。因为回流污泥的硝酸盐的存在，回流污泥先进入一个前置缺氧区，和一些初沉池出水混合来帮助反硝化（出水标准为TN<6mg/L和TP<0.25 mg/L）。但运行人员发现，不按传统EBPR的工序来操作并没有问题，相反他们逐年减少初沉池出水进入厌氧区的比例，除磷率还不断改善中。这让Barnard开始注意到不寻常。
图3. 加拿大Westbank Regional污水厂的工艺流程图
VFAs不是必要条件
过去大家一般认为，如果系统里的VFAs不足，需要添加外置的污泥发酵工艺来补充PAOs。但是，Barnard和Kristiansen等人发现其实只用一些PAOs需要依赖VFAs，例如Accumulibacter。还有一组PAO，例如Tetrasphaera，它们不依赖于VFA，照样可以进行发酵和聚磷作用。不过 Tetrasphaera需要较长的停留时间，而且要在低还原电位（<200 mV）的环境中进行发酵。
传统的EBPR工艺里，所有初沉池出水都流经第一阶段的厌氧区，这不利于Tetrasphaera的发酵作用——因为停留时间太短而氧化还原电位（ORP）太高。而另外一些替代设置方式，例如其中一小部分初沉池出水控制性地送入厌氧区，而其余出水被旁路进入缺氧或好氧区的话，就更有利于Tetrasphaera的生长。分析结果也显示，在这些替代方案中的Tetrasphaera也显示出比Accumulibacter更高的丰度。
图4.简化的Tetrasphaera 在厌氧和好氧条件下的反应原理(左侧是厌氧，右侧是好氧的情况) | 图源：Dunlap et al., 2016
这些结果显示，事实上EBPR比上述的机制复杂得多，而传统的EBPR工艺可能无意中选择了效率较低的PAOs。
报告统计的非传统EBPR污水厂的运行指标
EBPR的教科书要改写了？
这篇paper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优化设计得到的结果来进行狭义的解释，而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。非常佩服Barnard博士这种实事求是的精神，在这么高龄的情况下还孜孜不倦地追求知识的真理。目前，美国的Water Research Foundation也有相应的项目对生物除磷的所有可能方案进行重新的评估，并由美国的东北大学作为研究的主要实施机构，项目编号是WERF Project U1R13，感兴趣的朋友可以搜索该项目了解更多详情。
传统的EBPR工艺可能排斥了其他PAOs的生长空间，例如Tetrasphaera和其他Accumulibacter分支细菌这些可在更深的厌氧条件下茁壮成长的微生物。讽刺的是，生物除磷的这个传统观点通过模型研究得到进一步加强。这些研究集中于在非理想环境中生长的微生物，甚至弄得这些模型比实际观察的情况还要“真实”。
传统EBPR污水厂的厌氧区其实有一些物理限制：
搅拌导致其表面夹带过多氧气，阻止了那些需要更严格厌氧条件的微生物的生长（低OPR）;
过多的初沉池出水的进入稀释了厌氧区的物质浓度，也缩短了厌氧停留时间。 这些初沉池出水往往是DO高，VFA浓度低（特别是在暴雨天气），这也可能阻止严格厌氧区的形成;
过去大家偏向设计单个完全混合的反应池，这导致ORP值高，这表明发酵没有调至适合多种PAOs生长的最佳条件，这也导致了模型的缺点。
总之，这篇报告告诉我们，大家要修正过去根深蒂固的“厌氧区”的设计概念了，EBPR系统应该具有更大的灵活性，例如允许充足的旁流、不同的混合方案、甚至是让一部分RAS进入厌氧区。但这些新发现其实是个大好消息，这使得对现有污水厂进行生物除磷的改造变得更加容易。
宏基因组学技术的发展使得我们能够对污水处理过去的假设提出质疑。这包括假设包括对单元工艺的选择（即应该选择侧流还是第一阶段厌氧区）和达标所需的运行参数（例如SRT和固体量）。通过宏基因组学了解微生物群落组成，可以大大提高我们对一座处理厂的运行认知。就例如其实Tetrasphaera和Accumulibacter都可以完成强化生物除磷，但机制却大不相同。
Westbank污水厂污泥的FISH成像，橙色的是Tet2-174 (Tetrasphaera clade 2B)
希望看到这篇文章的老师们都及时跟学生们更正之前的教科书里关于生物除磷的解释吧。这并没什么丢脸的，我们对于微生物世界还处在盲人摸象的前景阶段。
来源：奥尼卡水处理创新中心
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