主流短程硝化厭氧氨氧化（PN/A）已經(jīng)在世界不同國(guó)家的若干污水廠里開始了不同規(guī)模的實(shí)地測(cè)試。新加坡的樟宜再生水廠就是其中的先鋒領(lǐng)地之一。參與該項(xiàng)目的研究團(tuán)隊(duì)在研究主流PN/A的同時(shí)，意外地發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化生物除磷的存在，并對(duì)其進(jìn)行了量化的分析驗(yàn)證。

以曹業(yè)始博士為首的新加坡本土團(tuán)隊(duì)聯(lián)合了來自國(guó)際水協(xié)專家組成員、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的MarkvanLoosdrecht教授和前國(guó)際水協(xié)主席、美國(guó)密歇根大學(xué)的GlenDaigger教授對(duì)樟宜再生水廠主流PN/A中的EBPR進(jìn)行了研究考察。

▲新加坡樟宜再生水廠外觀

樟宜再生水廠簡(jiǎn)介

樟宜再生水廠是新加坡最大的再生水廠，采用分段進(jìn)水活性污泥法（SFAS），日處理量高達(dá)800,000m3/d。

▲新加坡樟宜再生水廠完整工藝示意圖

該污水廠共有四條平行處理線，每條的日處理量為200,000m3/d，其中三條包含COD去除和生物脫氮除磷工藝（BNR)，剩下的一條只去除COD。

▲樟宜再生水廠的BNR分段進(jìn)水活性污泥工藝圖

▲初沉池出水和最總出水水質(zhì)對(duì)比

上表是樟宜再生水廠的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)情況。BNR工藝的SRT為5天，缺氧和好氧區(qū)各占2.5天。污水溫度全年保持在28-32°C。歷史年平均總氮去除率為86%,總磷去除率為66%，進(jìn)水的COD/N比為8.2（BOD/N為3.4）。揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)的濃度約為38.0(±3.1)mgVFA/L(45.0mgCOD/L)，其中乙酸是主要成分，約為31.0(±2.4)mg/L，丙酸為5.4(±1.2)mg/L，還有少量的丁酸和戊酸。

 

雖然該廠采用傳統(tǒng)的分段進(jìn)料設(shè)計(jì)為的是脫氮除磷，但卻在好氧區(qū)觀察到部分亞硝化以及在缺氧區(qū)發(fā)現(xiàn)厭氧氨氧化反應(yīng)(Anammox)的發(fā)生。q-PCR測(cè)試顯示其Anammox優(yōu)勢(shì)菌種為CandidatusBrocadiasp.40,與之前在荷蘭代爾夫特理工大學(xué)培養(yǎng)的菌種相同。

強(qiáng)化生物除磷在新加坡的挑戰(zhàn)

盡管此前PUB的團(tuán)隊(duì)就曾報(bào)告過樟宜再生水廠里有強(qiáng)化生物除磷（EBPR）和主流短程硝化厭氧氨氧化（PN/A）共存的現(xiàn)象，但并沒有量化的結(jié)果和具體的分析。此前學(xué)術(shù)界的主流觀點(diǎn)認(rèn)為EBPR很難甚至不可能在氣候溫暖地區(qū)(25−30°C)發(fā)生，因?yàn)樵跓釒У貐^(qū)聚糖菌(GAOs)和聚磷菌(PAOs)之間爭(zhēng)奪揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)的現(xiàn)象會(huì)加劇。

另外，據(jù)稱更短的SRT，穩(wěn)定持續(xù)的碳源供給（乙酸或丙酸）以及稍高的pH(7.0−8.0)，或者不同粒徑的顆粒污泥的分離能促進(jìn)PAOs在競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)。但至今這個(gè)觀點(diǎn)很少在大型污水廠得到驗(yàn)證，而有關(guān)在溫暖地區(qū)的EBPR污水廠的報(bào)告也是這幾年才開始積累起來。

在這樣的背景之下，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)樟宜再生水廠的主流PN/A中的EBPR進(jìn)行了考察，內(nèi)容包括原位工藝表現(xiàn)和動(dòng)力學(xué)分析、異位特定活性測(cè)定和原理分析、微生物種群分析、EBPR對(duì)COD去除率的影響等

主要的目標(biāo)有：

(i)認(rèn)識(shí)EBPR的動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)機(jī)理

(ii)通過碳平衡的分析理解EBPR和PN/A之間的潛在互動(dòng)影響

(iii)探究將EBPR結(jié)合到主流PN/A的可能性，尤其是熱帶地區(qū)

研究結(jié)果

研究結(jié)果顯示，原位EBPR的效率和異位測(cè)定的磷的釋放和吸收的活性都高。磷的實(shí)際總?cè)コ�率達(dá)88%。

▲初沉池出水的DiurnalVFA濃度變化以及第一缺氧區(qū)入口和最后一個(gè)好氧區(qū)出口的磷去除率采樣情況

▲左圖是樟宜再生水廠SFAS工藝不同階段的磷的濃度。誤差表示的是標(biāo)準(zhǔn)差。右圖是SFAS工藝不同階段的校正磷釋出和吸收的濃度。ano.in是缺氧區(qū)入口，ano.out是缺氧區(qū)出口，ae.out是好氧區(qū)出口

▲磷酸釋出和吸收的異位活性測(cè)定情況

上圖顯示當(dāng)NO3-或NO2-耗完之后，缺氧區(qū)用初沉池出水的碳源作為電子供體時(shí)，PO4-P的吸收似乎也停止了。

上圖顯示當(dāng)缺氧區(qū)用乙酸作為電子供體時(shí)，PO4-P的吸收和厭氧氨氧化同時(shí)發(fā)生。這意味著厭氧氨氧化(Anammox)和反硝化PAO（DPAO）的共存。但DPAO和Anammox之間對(duì)NO2-潛在的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系有待進(jìn)一步的調(diào)查研究。

上邊四個(gè)小圖顯示PAO可以用NO2-和NO3-作為磷吸收的電子受體。下表匯總了缺氧區(qū)和好氧區(qū)的磷吸收和硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的相對(duì)活性。

FISH原位熒光雜交成像顯示聚磷菌PAOs是優(yōu)勢(shì)菌群，活性污泥里的聚糖菌GAOs很少。

▲FISH原位熒光雜交成像顯示的PAO(綠色)和GAO(暗粉色)

COD的物料平衡分析顯示用于EPBR的碳跟用于異養(yǎng)反硝化的碳量相同，原因是自養(yǎng)型PN/A的轉(zhuǎn)化。與傳統(tǒng)的生物脫氮工藝相比，主流PN/A的碳源需求大大降低，并可能實(shí)現(xiàn)高效的EBPR。

總結(jié)評(píng)價(jià)

從動(dòng)力學(xué)的角度來說，聚磷菌在厭氧/缺氧區(qū)對(duì)揮發(fā)性脂肪酸COD的快速吸收大大限制可供于異養(yǎng)反硝化的碳源。同時(shí)，這使得BOD5/N的比值從3.4降至1.6，這是適合Anammox工藝的條件。新加坡的這個(gè)案例是首個(gè)高效EBPR跟PN/A在大型污水廠共存的案例，它展示了EBPR能在熱暖地區(qū)正常運(yùn)行。更重要的是，它和美國(guó)圣彼得堡西南再生水廠的短程脫氮工藝出現(xiàn)的EBPR都顯示了EBPR跟主流PN/A工藝結(jié)合的可行性。當(dāng)然這個(gè)可行性要跟當(dāng)?shù)氐倪\(yùn)行條件想結(jié)合，例如溫度等。