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刘智晓:污水生物除磷理论的新突破及国内外工程应用进展

放大字体??缩小字体 发布日期:2019-04-18 09:09:50 ??浏览次数:77
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水处理网讯:近期,本刊关注到国内外一些关于生物除磷理论及工程尺度的新突破、新发展,不久前也发表过一篇论文《污水生物除磷理论及实践新突破:从主流EBPR到侧流EBPR》(《中国给水排水》2018年,34卷24期,作者:刘智晓),该文也是国内首次系统性总结侧流生物除磷理论发展历程及近期生物除磷理论新发展,尤其是涉及一种新的发酵除磷菌属被发现和确认的综述。值得注意的是关于侧流EBPR和Tetrasphaera菌属已经有较为深入的理论研究和工程案例的验证,这无疑为未来污水处理强化生物除磷提供了一个崭新的方向。因此,本刊就生物除磷的新发现以及该领域的最新研究和工程实践进展对刘智晓博士进行了专访,以下是采访实录。

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刘智晓:山东莒县人,毕业于哈尔滨工业大学,工学博士,首创股份高级专家,中国勘察设计协会水系统分会理事,中国水工业协会水系统智能化研究会理事,目前主要从事给水与污水处理工艺技术设计方案及优化,高效、可持续水处理工艺及控制技术研究及产业化等相关方面工作。

中国给水排水:近期我们关注到,国内外一些权威学术期刊或者国际会议上的最新研究成果,提到传统的强化生物除磷理论被进一步发展甚至是突破。您一直从事该领域的研究,可否给我们具体介绍一下?

刘智晓:好的。生物除磷现象其实早在20世纪50—60年代就被发现和确认,1975年正式提出“厌氧释磷-好氧过度摄磷”的传统生物除磷微生物生化代谢机制,很久以来,Candidatus Accumulibacter(以下称为A.菌属)一直被视为强化生物除磷(EBPR)最主要的PAOs。几十年来,上述传统的生物除磷理论一直在指导我们的研究和工程实践,直至今日,该机理还是在科学研究与工程实践中继续发挥作用。但是,2010年前后,丹麦和美国的一些研究者从实际运行的项目中发现,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。时间回溯至2000年前后,澳大利亚、日本一些学者从活性污泥中分离出了具有聚磷能力的Tetrasphaera菌属(以下称为T.菌属),并确认是一种新型的PAOs。T.菌属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,因此被称为“发酵类PAOs”,这类PAOs的生理生化特性明显区别于传统的理论,因为发酵类PAOs可以不依赖进水VFAs进行厌氧释磷,这显然突破了传统的生物除磷理论。通俗地讲,即便进水中不存在VFAs,如果具备适合T.菌属的生存条件,一样可以获得生物除磷效果。这一点,无疑是对传统EBPR理论的极大丰富和拓展。Tetrasphaera在生物除磷过程中被发现和分离,以及后续对代谢生化模型的建立这些基础性的前置性研究都大大推进了对传统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及改进的机会。

这方面,感兴趣的读者,可以进一步查阅我不久前在《中国给水排水》杂志发表的论文(《中国给水排水》注:文章已附后)。

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中国给水排水:T.菌属在生物除磷中的作用从被发现到最终被确认,经历了怎样的过程?

刘智晓:确实,这个问题很有意思。美国BLACK&VEATCH公司的JamesBarnard先生被誉为“污水脱氮除磷之父”,他也对这个问题和现象进行了系统性思考。近些年他发表了多篇论文,对传统生物除磷机制进行再思考,也在不同的会议进行演讲,如RethinkingandReformingEnhancedBiologicalPhosphorusRemoval(EBPR)Strategy–ConceptsandMechanismsofSide-StreamEBPR,正式提出侧流生物除磷的理论及工艺构型。B&V公司近几年也在新的项目里积极推广S2EBPR的应用。至于为何T.菌属时至今日才被发现和提出,他认为有以下几方面原因:

T.菌属需要的最优的生存条件是ORP低于-250mV的绝对厌氧条件,而传统的活性污泥厌氧段设计及运行控制很难实现这个目标,回流污泥携带的硝态氮、DO或者厌氧区的湍流扰动、过度混合,如搅拌器功率配置过高等,以上因素破坏厌氧区的ORP环境,实际往往在-150mV以上甚至更高。这种微生境,就很难培养出具有发酵功能的PAOs,自然也就难于被分离和发现。

除了以上原因,我认为还存在其它一些客观因素。首先,近10年来,随着侧流活性污泥发酵技术的发展,世界范围内越来越多的侧流活性污泥发酵项目投运(主要在丹麦,其次在美国和中国),侧流RAS可实现的深度厌氧环境(ORP≤-300mV)提供了发酵类PAOs菌属存在的基本条件,传统主流AAO的厌氧区(ORP在-150~-250mV甚至更高一些)则很难达到这样的环境条件;其次,就是现在分子生物学技术快速发展,使得我们有机会在更加微观的领域探秘到一些过去未知的活性污泥微生物的存在,如Raman–FISH技术的应用,丹麦奥尔堡大学PerHalkjærNielsen教授的领衔团队就是利用该技术,在丹麦数十座污水厂的活性污泥分析中发现并确立了T.菌属的生态位及其对生物除磷的贡献。

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Raman–FISH技术下的Tetrasphaera菌属形态及在活性污泥中的存在(黄色和橙色部分,绿色部分为总的活菌)

图片来源:ResolvingtheindividualcontributionofkeymicrobialpopulationstoenhancedbiologicalphosphorusremovalwithRaman–FISH.TheISMEJournal,https://doi.org/10.1038/s41396-019-0399-7.

Per Halkjær Nielsen团队近几年在国际环境及微生物学领域的一些权威期刊,如Water Research,The ISME Journal,Current Opinion in Biotechnology等,发表了多篇关于生物除磷微生物菌群结构解析和T.菌属对生物除磷贡献等方面的文章,系统论证、阐述和完善了传统生物除磷理论。PerHalkjærNielsen教授在论文中明确提出,应对传统教条地认为Ca. Accumulibacter是主要PAO的传统生物除磷理论进行补充完善和修订。他认为,T.菌属与A.菌属一样,都是生物除磷过程中最重要的PAOs,甚至在世界范围内5大洲、12个国家的不同污水厂取样调研分析中,发现很多污水厂T.菌属丰度及对P的去除贡献率都超过A.菌属。这一点,可以查阅他们2018、2019年最新发表的系列论文,感兴趣的朋友可以查阅这两篇重要的论文(部分文章截图如下)。

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当然,需要进一步说明的是,对T.菌属在EBPR中作用的确认及贡献,不仅仅是奥尔堡大学一个团队的结论,西班牙、葡萄牙、德国、美国等多个团队都有这方面的系统性研究,都可以查阅到他们的研究结果,这里不一一列举,感兴趣的也可以查阅我不久前发表在你们期刊的论文,文献中列出了一些重要的文献。T.菌属在EBPR中的生态生理特性及对生物除磷的定量贡献,已完全被理论研究和生产实践所证实和确认,已不存在疑问,未来需要进一步探索的是,如何创造更加适宜的生境条件、促进T.菌属与A.菌属更加高效率的协作,实现更加稳定高效的EBPR。

中国给水排水:基于T.菌属的生物除磷理论的发展前景和实际工程意义如何?

刘智晓:我们国家很多地区,面临进水碳源相对N、P指标严重匮乏的先天禀赋不足的情况,往往不得不投加大量碳源和化学除磷药剂,尤其是随着对出水N、P指标的要求日益严格,如地标京A,甚至出现TP为0.05mg/L的极限标准,TP从一级A0.5mg/L到0.2mg/L甚至更低,所需化学除磷药剂将会是指数式上升,仅靠化学除磷实际上这是不可持续的,无疑需要进一步提升生物除磷的贡献率,因为这是最经济和绿色的。

前面提到,基于传统主流EBPR理论的经典活性污泥法设计,存在一些工艺上的弊端,很难获得深度厌氧,仅仅依赖传统主流生物除磷作用,出水TP可以达到0.5~1.0mg/L,难以进一步提升;其次,未来随着排放标准对TP要求的日益提高,传统活性污泥工艺设计构型在出水稳定性及经济性等方面已经不能满足。在这种背景下,侧流活性污泥水解发酵技术得到开发与应用,从最初的回流污泥反硝化脱出残存的硝态氮,再发展到厌氧发酵以产生VFA为目的活性污泥水解,最终到目前的侧流EBPR,美国B&V公司和美国东北大学团队称为S2EBPR技术,以上工艺的逐步演变,其实也是在随着生产尺度上对该技术不断探索与改进而对该技术的机理认识不断加深。S2EBPR能实现稳定的深度厌氧环境,进而使得PAOs菌群结构更加多样性,培养出T.菌属等发酵类PAO,这类PAO可以不依赖进水挥发性脂肪酸的含量,就可以发挥稳定的生物除磷作用。根据丹麦和美国的案例,侧流EBPR在很多项目上出水可以达到0.1mg/L,这无论是从减少化学药剂的使用、清洁生产、降低处理过程GHG排放等角度,都是可持续的绿色技术。

美国近几年侧流活性污泥发酵项目得到快速发展,举个例子,TomahawkCreek污水厂为了强化生物除磷,将原来五段式Bardenpho工艺的厌氧区改造为侧流EBPR:

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还有在美国和北欧的其它几十个案例,不再一一列举。

我也留意到,美国WEF近两年的会议,不仅将S2EBPR列为下一代营养盐去除工艺,还单独设置了Side-streamEBPR(S2EBPR)/RASFermentation方面的会议专题。可以说在这个领域,我们国内的步伐已经远远滞后于美国和丹麦,国内对S2EBPR的关注度、认识深度远远不够。

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美国B&V公司总结了上世纪70年代以来污水处理营养盐去除技术发展历程(见上图),认为2010年以后的污水处理应该是以侧流S2EBPR和工艺紧凑化&过程强化为基本特征的新时代。

总之,我非常看好侧流活性污泥技术在未来的发展前景。再补充一句,侧流发酵EBPR目的不仅仅是降低或取消碳源的使用量,它是创造性地实现了RAS深度厌氧环境,使得PAOs种群更加多样化,发酵类PAOs易占据优势并发挥主导作用实现稳定的生物除磷,同时,研究显示这一过程GAO受到了明显抑制。

中国给水排水:据我们了解,您一直致力于该领域的研究,并积极探索进行工程化推广应用,这个方面可否介绍一下最新的进展?

刘智晓:实际上,我从博士期间年开始研究侧流活性污泥技术,2007年在国内实施第一座侧流腐殖土活性污泥生物除臭技术,并在你们期刊做了系统性总结和报导(腐殖土活性污泥技术的除污效能及除臭效果,2007年14期),后来国内进一步开发称为“全流程生物除臭”。2009年在丹麦政府资助下正式开展活性污泥水解发酵技术研究与应用,与丹麦的合作伙伴和当时的首创爱华团队在国内最早开展了侧流活性污泥技术在中国的应用和示范。截至目前,与中国市政华北院、东北院等设计院合作完成了大概10座污水厂的侧流工艺设计,有改造,也有新建项目,已经运行的侧流项目取得了比较理想的效果,明显改善了脱氮除磷效果,节省了大量的碳源。当然,实事求是地说,此类技术正在发展中,还有很多技术细节需要我们以后持续性地研究、优化和解决。我知道的情况,国内还有其它公司在开展这方面的研究和应用,如果算上第三方团队的项目,我粗略估计,国内目前应该不少于20座侧流项目。

此外,在这个领域,通过近10年的系统性研究和技术积累,已经初步形成和搭建了侧流活性污泥工艺的技术理论体系,可以支持未来侧流活性污泥技术在国内的进一步工程化应用。同时,我也非常期望,国内同行关注侧流技术的发展,以共同推动绿色、可持续污水处理技术在国内的应用,为我们水环境的改善做出贡献。

中国给水排水:可否提供一些刚刚提到的这方面的主要文献,以便感兴趣的读者进一步了解?

刘智晓:好的。以下列举一些代表性的文章,感兴趣的读者可以查阅,包括本人近几年发表的这方面论文,主要有7篇:

[1]刘智晓.生物除磷理论及实践新突破——从主流EBPR到侧流EBPR[J].中国给水排水,2018,34(24):19-25.

https://mp.weixin.qq.com/s/sWK_3Hp3pd-cYVgZLVDlag

[2]刘智晓.未来污水处理能源自给新途径——碳源捕获及碳源改向[J].中国给水排水,2017,33(8):43-52.

https://mp.weixin.qq.com/s/p0Np9DYTLTS7XWwQLd0L6A

[3]刘智晓,等.利用活性污泥水解发酵补充碳源优化脱氮除磷[J].中国给水排水,2013,29(4):12-16.

https://mp.weixin.qq.com/s/yzozlphD9qwDHS6mpae-2Q

[4]刘智晓,等.低碳源条件下利用侧流活性污泥水解技术强化生物脱氮除磷[J].给水排水,2013,49(1):53-57.

[5]刘智晓,等.污泥作为污水厂内碳源的水解特性及工艺选择[J].中国给水排水,2011,27(22):30-35.

[6]刘智晓,等.侧流污泥生物强化技术及其在污水厂升级改造中的适用性[J].中国给水排水,2010,26(16):1-6.

[7]刘智晓,等.腐殖土活性污泥技术的除污效能及除臭效果[J].中国给水排水,2007,23(14):18-22.

还有,国际同行的重要文献:

[1]Per HalkjærNielsen,et al.Re-evaluatingthemicrobiologyoftheenhancedbiologicalphosphorusremovalprocess.CurrentOpinioninBiotechnology,2019,57:111–118.

[2]Fernando Y.E.Resolving the individual contribution of key microbial populations to enhanced biological phosphorus removal with Raman–FISH. The ISME Journal,2019.3

[3]RikkeKristiansen.AmetabolicmodelformembersofthegenusTetrasphaerainvolvedinenhancedbiologicalphosphorusremoval.TheISMEJournal,2013,7:543–554.

[4]Mielczarek A T,et al.PopulationdynamicsofbacteriainvolvedinenhancedbiologicalphosphorusremovalinDanishwastewatertreatmentplants.WaterResearch,2013,47:1529-1544.

[5]BoteroL.,BarnardJ.SidestreamBiologicalPhosphorusRemoval:TheNewFrontier.FloridaWaterResourcesJournal,2018,1:44-49.

[6]Marques R.,et al.metabolismandecologicalnicheofTetrasphaeraandCa.Accumulibacterinenhancedbiologicalphosphorusremoval.WaterResearch,2017,122:159-171.

[7]Lanham A.B.,et al.metabolicversatilityinfull-scalewastewatertreatmentplantsperformingenhancedbiologicalphosphorusremoval.WaterResearch,2013,47:7032-7041.

中国给水排水:感谢您接受本刊专访,分享了国际和国内关于生物除磷的最新进展,后续我们将持续关注该领域的发展动态。

刘智晓:谢谢。

延伸阅读:

《污水生物除磷理论及实践新突破:从主流EBPR到侧流EBPR》

原标题:专访ǀ刘智晓: 污水生物除磷理论的新突破及国内外工程应用进展

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