導(dǎo)語：基于傳統(tǒng)生物除磷理論的帶有前置厭氧區(qū)的主流生物除磷脫氮工藝在過去近半個(gè)世紀(jì)的水體富營養(yǎng)化控制過程中一直發(fā)揮著主導(dǎo)作用。近些年全球范圍內(nèi)側(cè)流活性污泥水解發(fā)酵項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱S2EBPR或SSH）得到快速發(fā)展及應(yīng)用，通過對(duì)這些項(xiàng)目生物除磷的研究發(fā)現(xiàn)，這些采用側(cè)流活性污泥發(fā)酵的污水廠出現(xiàn)了高效且更加穩(wěn)定的生物除磷現(xiàn)象，但這種側(cè)流EBPR卻無法利用傳統(tǒng)經(jīng)典理論來進(jìn)行對(duì)照解釋。這種情況下，一種可以直接利用葡萄糖及氨基酸進(jìn)行發(fā)酵并釋磷的新PAO菌屬Tetrasphaeraspp.被發(fā)現(xiàn)并分離，Tetrasphaeraspp.在很多側(cè)流活性污泥水解污水廠的菌群結(jié)構(gòu)中相對(duì)傳統(tǒng)Accumulibacter菌屬占有更高的豐度(abundance)， “Accumulibacter-Tetrasphaera”共生協(xié)同的“雙PAOs協(xié)同共生除磷理論”（coexistence and synergy）及模型建立是對(duì)傳統(tǒng)生物除磷理論的重大拓展與突破。本文基于污水處理生物除磷脫氮技術(shù)發(fā)展史視角，從主流污水脫氮除磷工藝技術(shù)發(fā)展史梳理開始，對(duì)側(cè)流EBPR現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)及側(cè)流發(fā)酵機(jī)理、Tetrasphaera發(fā)現(xiàn)、生化代謝模型及其生態(tài)位（ecological niche）、雙PAOs模型的建立等方面進(jìn)行了系統(tǒng)性梳理和總結(jié)，并結(jié)合國內(nèi)外研究成果及實(shí)際案例，總結(jié)了側(cè)流活性污泥水解發(fā)酵技術(shù)工藝構(gòu)型新發(fā)展及工程化應(yīng)用現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上展示了未來側(cè)流EBPR技術(shù)的發(fā)展前景，以期為我國污水廠未來深度脫氮除磷提標(biāo)改造尤其是低C/N比污水的處理提供借鑒。

控制水體或湖泊富營養(yǎng)化的關(guān)鍵性生態(tài)因子是減少氮、磷的輸入并控制合適的N/P比，對(duì)于緩流水體和湖泊，控制水體P的濃度又是防控富營養(yǎng)化的首要控制因子，利用強(qiáng)化生物脫氮除磷（EBNR）工藝通過生化途徑去除營養(yǎng)鹽被認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)有效的方式，因此，半個(gè)多世紀(jì)以來，強(qiáng)化脫氮除磷甚至實(shí)現(xiàn)深度脫氮除磷（如達(dá)到技術(shù)極限型出水標(biāo)準(zhǔn)，LOT）、探索各種革新的工藝實(shí)現(xiàn)對(duì)N、P的高效穩(wěn)定去除一直是污水處理研究者和工程設(shè)計(jì)和運(yùn)營工程師們癡迷和追求的極致方向。

科學(xué)研究和技術(shù)的開發(fā)始于對(duì)特殊試驗(yàn)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，技術(shù)發(fā)展得益于現(xiàn)象背后的機(jī)理和規(guī)律被逐漸揭示，百年活性污泥發(fā)展史也概莫如此。早在1955年，Greenburg提出活性污泥法中磷的去除，印度Srinath研究小組和美國Alarcon研究小組分別在1959年、1961年報(bào)道了在污水廠發(fā)現(xiàn)了生物除磷現(xiàn)象，Levin and Shapiro (1965) 試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)活性污泥好氧過程的P的攝取和厭氧條件下P的釋放現(xiàn)象在此基礎(chǔ)上正式提出了PhoStrip工藝， 1967年Vacker和Connell在美國san antonio一座市政污水廠也發(fā)現(xiàn)生物超量除磷， 1975年Fuhs&Chen正式系統(tǒng)性提出聚磷菌PAO的厭氧釋磷-好氧過度攝取磷酸鹽生物機(jī)制，也是在同一年， James Barnard先生提出Bardenpho工藝、美國Specter獲得A/O及AAO工藝發(fā)明專利，1976年James Barnard正式推出Phoredox工藝的不同工藝類型組合，再到1980年UCT工藝構(gòu)型被提出，這一系列的生物除磷事件成為污水技術(shù)發(fā)展史上的里程碑，在過去近半個(gè)世紀(jì)中，上述活性污泥生物脫氮除磷及其變形或改進(jìn)工藝在世界范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用，有效削減污水中有機(jī)污染物及營養(yǎng)鹽、控制和減輕水體富營養(yǎng)化發(fā)揮了重要作用。

1側(cè)流活性污泥發(fā)酵強(qiáng)化EBPR現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)

傳統(tǒng)主流EBPR工藝除磷機(jī)理模型是建立在厭氧條件下Accumulibacter類PAO對(duì)進(jìn)水中可快速降解有機(jī)物主要是揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）的攝取而發(fā)生磷的釋放基礎(chǔ)上，運(yùn)行實(shí)踐也表明，進(jìn)水VFAs充足情況下，通過良好的設(shè)計(jì)和可靠的運(yùn)行，傳統(tǒng)EBPR工藝出水TP可以達(dá)到0.5～1.0mg/L；但是最近10～20年以來的一些沒有前置厭氧的活性污泥工藝獲得高效且較為穩(wěn)定的除磷現(xiàn)象在歐美一些污水廠被觀察到，僅依靠生物除磷出水TP可以達(dá)到0.1mg/L，經(jīng)典理論模型已經(jīng)無法解釋這種“非主流”除磷現(xiàn)象。與此同時(shí)，隨著對(duì)污水廠排放標(biāo)準(zhǔn)要求的日益提高，常規(guī)主流的強(qiáng)化生物脫氮除磷工藝面臨越來越高的技術(shù)挑戰(zhàn)，如進(jìn)水水質(zhì)特性尤其是低C/N比污水對(duì)脫氮除磷工藝運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性與可持續(xù)影響，外回流攜帶的NO3--N進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)破壞厭氧環(huán)境而影響厭氧釋磷過程。此外，傳統(tǒng)主流脫氮除磷工藝（如A/O、A2O、Bardenpho工藝）中通過生物絮凝作用捕獲和吸附的膠體、顆粒性有機(jī)物，在生化厭氧、缺氧過程中由于水解作用不充分并沒有被作為有效碳源被脫氮除磷過程充分利用。

1972年被譽(yù)為“脫氮除磷之父”的James Barnard在進(jìn)行規(guī)模為100m³/d的“A/O-A/O”構(gòu)型的脫氮中試（裝置有一個(gè)用于調(diào)節(jié)池容分配的可移動(dòng)式隔板，無意中創(chuàng)造了一個(gè)“死區(qū)”形成了一個(gè)“發(fā)酵區(qū)”）中發(fā)現(xiàn)，這個(gè)帶有“發(fā)酵死區(qū)”的“A/O-A/O”脫氮系統(tǒng)獲得了高效的生物除磷效率，在進(jìn)水TP 為9mg/L情況下，出水TP可以低于0.2mg/L，在第二段缺氧區(qū)，混合液PO43--P達(dá)到30mg/L；當(dāng)取消“死區(qū)”后，裝置出水TP達(dá)到2mg/L。試驗(yàn)分析，顯然是“死區(qū)”的厭氧過程發(fā)生了污泥和混合液的水解作用，產(chǎn)生了VFAs，大量的VFAs通過25mm連接管涌入到第二段缺氧區(qū)，促進(jìn)形成了厭氧環(huán)境進(jìn)而發(fā)生了P釋放。顯然，這次著名的四級(jí)反應(yīng)器的脫氮試驗(yàn)，那個(gè)可以來回移動(dòng)的可調(diào)節(jié)“好氧-缺氧池容”的隔板及上面25mm的2個(gè)孔洞，為日后側(cè)流活性污泥強(qiáng)化生物除磷（S2EBPR）技術(shù)的發(fā)現(xiàn)和進(jìn)一步發(fā)展，打開了一扇窗。

2側(cè)流活性污泥發(fā)酵強(qiáng)化EBPR技術(shù)的發(fā)展

James Barnard先生1972年采用的“A/O-A/O”脫氮工藝實(shí)際上就是其1975年提出的“四段式Bardenpho”工藝的前身，根據(jù)此試驗(yàn)結(jié)果后來進(jìn)一步提出了帶有厭氧區(qū)的Bardenpho工藝，也就是目前常用的“五段式Bardenpho”工藝。然而，James Barnard那次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)“死區(qū)”促進(jìn)BPR，但當(dāng)時(shí)其并沒有在這個(gè)試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出側(cè)流污泥發(fā)酵或者混合液發(fā)酵的概念。那次試驗(yàn)的前后幾年光陰，也是活性污泥工藝前端設(shè)置一個(gè)厭氧區(qū)作為實(shí)現(xiàn)生物除磷的基本工藝控制條件剛剛被認(rèn)知的年代，也是在1975年-1976年，James Barnard在Bardenpho工藝基礎(chǔ)上正式提出個(gè)發(fā)展帶有前置厭氧段的Phoredox系列同步脫氮除磷工藝，這些工藝構(gòu)型至今仍然在污水處理領(lǐng)域中扮演重要角色。

繼續(xù)梳理側(cè)流活性污泥發(fā)酵的技術(shù)發(fā)展史會(huì)發(fā)現(xiàn)，真正提出活性污泥側(cè)流發(fā)酵理念和工程應(yīng)用是1990年后的事情了。較早介紹并將側(cè)流活性污泥水解技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)踐的是丹麥克魯格公司（Kruger A/S）及Envidan公司，Brinch P.于1997年報(bào)道了利用“回流活性污泥水解”補(bǔ)充SCOD強(qiáng)化脫氮除磷的理念和做法， Vollertsen J.G. Petersen G.等人利用丹麥Aalbog東、西兩座污水廠進(jìn)行了側(cè)流活性污泥水解的前期開創(chuàng)性工作，并對(duì)污泥水解動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。實(shí)際上，最初的實(shí)踐是對(duì)初沉污泥進(jìn)行水解，工程案例主要集中在丹麥、瑞典和北美，主要工藝控制參數(shù)SRT為2～5d。由于初沉污泥水解需控制水解和產(chǎn)酸過程，而不進(jìn)入產(chǎn)甲烷化，水解產(chǎn)物需要進(jìn)行“泥-液”二次分離，因此存在SCOD及VFAs從泥水混合液中分離、“洗出”效率的問題，同時(shí)初沉污泥水解易受到進(jìn)水水質(zhì)、水量波動(dòng)及初沉池排泥影響。相對(duì)于初沉污泥水解，活性污泥水解產(chǎn)物SCOD產(chǎn)率雖然較低，但是活性污泥水解無需進(jìn)行發(fā)酵液的二次分離，泥水混合液可全部引入到厭氧池，同時(shí)回流的活性污泥流量及濃度可控，因此，活性污泥水解工藝穩(wěn)定性更高，近些年受到越來越多的研究和工程化應(yīng)用。

3活性污泥發(fā)酵強(qiáng)化EBPR機(jī)理新發(fā)展

筆者曾對(duì)側(cè)流活性污泥發(fā)酵技術(shù)工藝構(gòu)型做過總結(jié)，在早期的側(cè)流活性污泥水解案例中，設(shè)置側(cè)流污泥發(fā)酵單元的初衷就是對(duì)部分回流活性污泥（RAS）進(jìn)行厭氧水解發(fā)酵，將產(chǎn)生的SCOD和VFAs提供給主流厭氧區(qū)的PAOs釋磷過程，因此，2010年前的關(guān)于側(cè)流活性污泥發(fā)酵的文獻(xiàn)，都是關(guān)于水解產(chǎn)率、影響因素及動(dòng)力學(xué)等方面研究和論述。

3.1Tetrasphaera菌屬的發(fā)現(xiàn)與分離

很久以來，CandidatusAccumulibacter一直被視為EBPR最主要的PAOs。2010年前后，丹麥和美國一些研究者發(fā)現(xiàn)一些未設(shè)傳統(tǒng)前置厭氧區(qū)的側(cè)流EBPR項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了高效生物除磷，而按照傳統(tǒng)PAOs生化代謝模型已經(jīng)不能解釋和擬合這些“非主流”工藝實(shí)際的運(yùn)行狀況和出水水質(zhì)。但是，當(dāng)時(shí)的研究關(guān)注點(diǎn)尚未對(duì)水解發(fā)酵過程微觀領(lǐng)域如菌群結(jié)構(gòu)特性等進(jìn)一步解析，只是停留在宏觀水解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)及影響因子的定量化研究等方面，對(duì)側(cè)流活性污泥技術(shù)的認(rèn)知也不夠深入。后來分子生物學(xué)技術(shù)手段的快速發(fā)展為揭開動(dòng)力學(xué)參數(shù)背后隱藏的“秘密”提供了通道，實(shí)際上，2000年前后Maszenan A.M.等人、Hanada A.等人從活性污泥中分離出了具有聚磷能力的Tetrasphaera菌屬，并確認(rèn)為是一種新型的PAOs，這一發(fā)現(xiàn)拓展了對(duì)PAOs菌屬種類的認(rèn)知及定義。但這個(gè)時(shí)期的研究?jī)H僅是確認(rèn)了Tetrasphaera的形態(tài)、生理生化及分類特性，Tetrasphaera菌屬的生態(tài)位及其與深度厭氧環(huán)境、側(cè)流RAS發(fā)酵之間的本質(zhì)聯(lián)系并沒有被揭示。丹麥奧爾堡大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)丹麥實(shí)際污水廠EBPR菌群結(jié)構(gòu)的定量化解析，發(fā)現(xiàn)Tetrasphaera的豐度超過了Accumulibacter,且Tetrasphaera類PAOs具有發(fā)酵特性并能直接利用葡萄糖和氨基酸進(jìn)行厭氧釋磷，并在后續(xù)工作中進(jìn)一步建立了Tetrasphaera生化代謝模型（見圖1）。美國東北大學(xué)April G.團(tuán)隊(duì)通過傳統(tǒng)主流EBPR和側(cè)流EBPR系統(tǒng)的對(duì)比也發(fā)現(xiàn)了類似規(guī)律，即S2EBPR工藝的活性污泥中Tetrasphaera具有較高的豐度，側(cè)流EBPR系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的除磷效率，此外，與傳統(tǒng)主流除磷工藝相比，S2EBPR中較低含量的GAOs（聚糖菌）使其出水水質(zhì)更為穩(wěn)定。上述兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的研究確立了深度厭氧環(huán)境下EBPR菌群結(jié)構(gòu)的多樣性，尤其是側(cè)流EBPR工藝與Tetrasphaera菌屬與之間的內(nèi)在本質(zhì)聯(lián)系�？梢哉f，Tetrasphaera在生物除磷過程中的發(fā)現(xiàn)和分離，以及后續(xù)對(duì)代謝生化模型的建立大大推進(jìn)了對(duì)傳統(tǒng)EBPR理論的拓展及完善，這也促使一些具有遠(yuǎn)見的科學(xué)家不得不重新反思目前常規(guī)的主流脫氮除磷機(jī)理及工藝流程的技術(shù)缺欠和改進(jìn)的機(jī)會(huì)。

圖1Tetrasphaera的厭氧生化代謝模型

3.2 “雙PAOs”共生協(xié)同作用及模型建立

生化過程機(jī)理一旦被解析，工藝控制條件隨之被認(rèn)識(shí)和優(yōu)化，后續(xù)工藝控制條件的深入研究進(jìn)一步揭示了深度厭氧環(huán)境（ORP為-300mV）獨(dú)特的工藝特性。傳統(tǒng)厭氧區(qū)的ORP在-150~-250mV，實(shí)際項(xiàng)目往往存在過度混合，且SRT往往較短（≤1.5h），難以培育更加豐富的厭氧生物菌群結(jié)構(gòu)， PAOs主要以Accumulibacter為主；深度厭氧環(huán)境下，ORP可以穩(wěn)定保持在-300mV以下，且污泥在側(cè)流池內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)，使得EBPR菌群結(jié)構(gòu)更加豐富，尤其是PAOs多樣性發(fā)生很大變化，Mielczarek A.T.等利用FISH技術(shù)對(duì)丹麥具有EBPR功能的污水廠活性污泥種群進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)兩種不同的PAOs協(xié)同共生，其中Tetrasphaera占據(jù)活菌總量的27%，而傳統(tǒng)的Accumulibacter僅占3.7%。美國東北大學(xué)的 April Z. Gu團(tuán)隊(duì)研究也發(fā)現(xiàn)，S2EBPR系統(tǒng)的生物除磷性能顯著高于常規(guī)AAO系統(tǒng)，且S2EBPR釋磷比（P/PHA）是AAO的3倍，進(jìn)一步的菌群結(jié)構(gòu)定量分析表明，相對(duì)傳統(tǒng)主流EBPR，S2EBPR污泥中Tetrasphaera在聚磷菌占據(jù)主體地位（見表1）,且GAO數(shù)量要顯著低于常規(guī)AAO系統(tǒng)，在側(cè)流活性污泥工藝中，同時(shí)發(fā)現(xiàn)對(duì)EBPR有負(fù)面作用的Competibacter類的GAO生長(zhǎng)受到明顯抑制。

表1. 側(cè)流活性污泥水解工藝PAOs、GAOs組成及釋磷比情況

過去傳統(tǒng)生物除磷理論認(rèn)為PAOs（主要是指Accumulibacter菌屬）利用進(jìn)水中VFAs（揮發(fā)性脂肪酸）進(jìn)行厭氧釋磷，因此進(jìn)水中的VFAs含量直接決定了厭氧釋磷的效果，在Tetrasphaera與Accumulibacter共生協(xié)同機(jī)制被揭示后，美國Black& Veatch公司開發(fā)了基于“雙PAOs”側(cè)流EBPR模型（見圖2）。不同種類的PAOs在EBPR過程中可有選擇地實(shí)現(xiàn)不同的生化代謝途徑，Tetrasphaera菌屬可以直接利用大分子的葡萄糖、氨基酸等進(jìn)行發(fā)酵釋磷，而糖酵解途徑比TCA循環(huán)更具有優(yōu)勢(shì)，這就意味著Tetrasphaera菌屬的發(fā)酵作用減少了對(duì)進(jìn)水VFAs的依賴，這也是為何沒有前置厭氧區(qū)的“非主流”工藝能取得高效生物除磷效果的原因所在。進(jìn)一步講，在側(cè)流反應(yīng)器內(nèi)，Tetrasphaera與Accumulibacter存在共生協(xié)同促進(jìn)作用，Tetrasphaera在深度厭氧環(huán)境下通過水解發(fā)酵作用將污水中的可慢速降解有機(jī)物進(jìn)行水解產(chǎn)生VFAs并釋放磷酸鹽，水解過程產(chǎn)生的VFAs被Accumulibacter吸收儲(chǔ)存并同時(shí)釋磷，顯然，對(duì)于碳源不足或者進(jìn)水VFAs匱乏的污水處理，通過引進(jìn)側(cè)流污泥發(fā)酵、利用“雙PAOs”協(xié)同作用可有效強(qiáng)化EBPR。

圖2 發(fā)酵PAO-Tetrasphaera與傳統(tǒng)PAO共生協(xié)同促進(jìn)代謝機(jī)制

在 “雙PAO模型”基礎(chǔ)上，Black & Veatch公司進(jìn)一步建立了基于ORP抑制的Tetrasphaera厭氧發(fā)酵因子函數(shù)，發(fā)現(xiàn)厭氧ORP對(duì)Tetrasphaera厭氧活性具有直接影響，隨著ORP升高，其發(fā)酵及釋磷活性大幅降低（見圖3），顯然，這進(jìn)一步證實(shí)了Tetrasphaera與Accumulibacter具有完全不同的生態(tài)位。

圖3 ORP對(duì)Tetrasphaera類聚磷菌厭氧發(fā)酵及釋磷效率的影響

綜上所述，Tetrasphaera的發(fā)現(xiàn)和其代謝模型的建立，使是對(duì)幾十年以來傳統(tǒng)生物除磷理論的重大拓展和突破，必將更新對(duì)傳統(tǒng)生物除磷的技術(shù)認(rèn)知，并促進(jìn)設(shè)計(jì)及運(yùn)營兩個(gè)層面從不同的維度，去思考如何優(yōu)化現(xiàn)有EBPR系統(tǒng)、如何重新構(gòu)建新型的高效EBPR系統(tǒng)。

4S2EBPR技術(shù)的主要工藝構(gòu)型及發(fā)展

4.1基本構(gòu)型

實(shí)際上，工藝的最初提出和發(fā)展并不是始于特殊功能的微生物的發(fā)現(xiàn)，而是始于運(yùn)營中特殊現(xiàn)象、效果被發(fā)現(xiàn)而逐漸優(yōu)化改進(jìn)處理工藝，側(cè)流污泥水解工藝就是如此，最初的側(cè)流活性污泥工藝構(gòu)型由丹麥研究團(tuán)隊(duì)提出，即側(cè)流活性污泥水解概念（Side-stream activated sludge hydrolysis）；美國東北大學(xué)及BLACK&VEATCH公司提出了“S2EBPR”概念及構(gòu)型，雖然歸屬不同的名詞，但本質(zhì)上都是“側(cè)流（side-stream）活性污泥發(fā)酵”范疇，即旨在創(chuàng)造一個(gè)深度厭氧環(huán)境（ORP≤-300mV）以提高PAO種群多樣性、促進(jìn)Tetrasphaera的繁殖。

側(cè)流反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)和功能上是獨(dú)立于主生物池之外，通過獨(dú)立的反應(yīng)器設(shè)置，獨(dú)立的生境環(huán)境，進(jìn)行污泥或者混合液的發(fā)酵和特殊功能微生物的培育，進(jìn)而為主生物池進(jìn)行接種。側(cè)流反應(yīng)器可以與生物池合建，也可以單獨(dú)另行新建；對(duì)于改造項(xiàng)目，也可以從主生物池首端劃分出一個(gè)區(qū)段作為側(cè)流池�；钚晕勰喟l(fā)酵工藝常用的設(shè)計(jì)流程見圖（4）所示。

圖4 不同的活性污泥水解工藝構(gòu)型

其中4（a）是活性污泥的側(cè)流水解經(jīng)典流程，將回流污泥RAS一部分引入到一個(gè)獨(dú)立的側(cè)流反應(yīng)器進(jìn)行水解產(chǎn)酸過程；4（b）與4（a）類似，只不過是4（b）在采用RAS發(fā)酵的同時(shí)還進(jìn)一步補(bǔ)充VFA，這部分VFA可以來自初沉污泥的發(fā)酵液，亦可以單獨(dú)投加商業(yè)碳源，投加VFA的目的是縮短側(cè)流水解池的SRT。圖4（c）為混合液在線發(fā)酵，通過厭缺氧區(qū)攪拌器的關(guān)閉實(shí)現(xiàn)了活性污泥混合液的水解發(fā)酵；4（d）是混合液的側(cè)流離線發(fā)酵模式，將混合液引入一個(gè)獨(dú)立的側(cè)流反應(yīng)器進(jìn)行水解。

4.2近些年工程化應(yīng)用及構(gòu)型新發(fā)展

隨著機(jī)理的解析，工藝技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用方式也愈加靈活和紛呈。側(cè)流污泥水解除了上述經(jīng)典的構(gòu)型，實(shí)際中還有很多與不同工藝相結(jié)合的靈活運(yùn)用方式，可將S2EBPR理念嫁接到不同的主流處理工藝中。

側(cè)流活性污泥發(fā)酵工藝在歐美快速發(fā)展，近些年中國也開展了針對(duì)國內(nèi)低C/P、C/N比污水的相關(guān)工程化應(yīng)用，截至目前，國內(nèi)設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)行中的側(cè)流項(xiàng)目大概有10座，如淮南第一污水廠、白銀市污水廠等項(xiàng)目，主要采用的工藝構(gòu)型見圖5，引10%～30%的RAS至側(cè)流SSH池，已運(yùn)行的案例證明側(cè)流RAS水解發(fā)酵技術(shù)可實(shí)現(xiàn)低C/N比污水的強(qiáng)化生物除磷，大大降低了外加碳源及化學(xué)除磷藥劑的投加量。

圖5 側(cè)流活性污泥水解強(qiáng)化脫氮除磷流程

美國在S2EBRP方面探索了較為靈活多樣的技術(shù)構(gòu)型，科羅拉多州的Pinery WRF中試項(xiàng)目關(guān)閉混合器后，采用UMIF運(yùn)行模式，出水TP可以穩(wěn)定在0.5mg/L以下而無需化學(xué)除磷；Henderson WRF項(xiàng)目采用UMIF運(yùn)行模式后，出水TP可以穩(wěn)定在0.1mg/L以下，采用UMIF運(yùn)行反應(yīng)器內(nèi)實(shí)際的SRT可達(dá)3d，這樣可為活性污泥發(fā)酵提供充分的“深度厭氧”環(huán)境及充足的SRT。

South Cary污水廠主流工藝在四段式Bardenpho工藝構(gòu)型中嵌入了S2EBPR，二沉池回流污泥RAS不像傳統(tǒng)回流模式直接至主生物池，而是將全部RAS順序經(jīng)過串聯(lián)的側(cè)流“缺氧/厭氧”池，其中再抽取厭氧池一部分污泥進(jìn)入活性污泥發(fā)酵池進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)酵后的污泥再回流到厭氧池。該廠出水TN可以穩(wěn)定達(dá)到3～4mg/L，出水TP達(dá)到0.5mg/L，可見，回流污泥的側(cè)流發(fā)酵大大提高了生化工藝脫氮除磷效率。

美國West Kelowna B.C.的Westside污水廠采用全部回流污泥側(cè)流發(fā)酵構(gòu)型，為了減小側(cè)流發(fā)酵池的SRT，將初沉污泥發(fā)酵產(chǎn)生的VFAs引入側(cè)流RAS池，初沉出水不進(jìn)入?yún)捬醭囟�直接進(jìn)入第一個(gè)缺氧區(qū)進(jìn)行反硝化，這樣在側(cè)流RAS池HRT只有1.3h的情況下，出水TP≤0.1mg/L，根據(jù)對(duì)氮的物料平衡分析，缺氧區(qū)發(fā)生了明顯的反硝化除磷作用，對(duì)TN的去除貢獻(xiàn)了20%～40%。這種工藝構(gòu)型對(duì)于低C/N比污水具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以充分挖掘和使用污水內(nèi)碳源，減少或取消外部碳源的投加。

實(shí)際上，有些污水廠其實(shí)“無意中”已經(jīng)探索內(nèi)碳源開發(fā)模式下的污泥水解模式運(yùn)行，有污水廠運(yùn)行人員摸索發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)泥池按照污泥水解理念調(diào)整并改變運(yùn)行方式后也能發(fā)生部分污泥水解，上清液回收引入?yún)捜毖醭睾筇岬搅嗣摰�除磷效果，如中國嵊州市嵊新污水處理廠將儲(chǔ)泥池上清液引入缺氧池后TN去除量提高了3mg/L；有污水廠厭缺氧區(qū)攪拌器故障或停運(yùn)后，發(fā)現(xiàn)這樣可導(dǎo)致污泥沉淀進(jìn)而發(fā)生沉積層深度厭氧條件下的水解發(fā)酵，提高了脫氮除磷效率，因此將推流器或攪拌器改為“ON/OFF”實(shí)現(xiàn)UMIF模式運(yùn)行，取得了意想不到的脫氮除磷效果。

5結(jié) 語

污水處理技術(shù)的突破與發(fā)展起初往往是始于特殊現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與效果的確認(rèn)，很多情況，是實(shí)踐先于“理論”解釋，從最初的現(xiàn)象描述到新機(jī)理的揭示再到動(dòng)力學(xué)和生化代謝模型的建立，進(jìn)而逐漸形成比較完整的技術(shù)理論體系；新的理論體系完善后又進(jìn)一步促進(jìn)了對(duì)原有技術(shù)的變革在科學(xué)研究及工程實(shí)踐中不斷完善和優(yōu)化前續(xù)成果，實(shí)現(xiàn)技術(shù)發(fā)展的反復(fù)迭代過程。側(cè)流活性污泥發(fā)酵技術(shù)的發(fā)現(xiàn)發(fā)展軌跡也恰恰演繹了這種從“現(xiàn)象到理論”的技術(shù)發(fā)展邏輯。側(cè)流EBPR并不是對(duì)主流EBPR的技術(shù)顛覆，而是進(jìn)一步拓展和豐富了傳統(tǒng)生物除磷技術(shù)理論，闡釋了深度厭氧環(huán)境下（-300mV）可利用葡萄糖.氨基酸進(jìn)行發(fā)酵并除磷的Tetrasphaera菌屬與傳統(tǒng)Accumulibacter菌屬存在共生協(xié)同、促進(jìn)EBPR過程效率的機(jī)理，“雙PAOs”模型除磷理論體系的建立為未來可持續(xù)、更加高效穩(wěn)定的生物脫氮除磷技術(shù)開辟了一條嶄新的技術(shù)選擇路線，尤其是對(duì)于我國很多地區(qū)低C/N比碳源匱乏污水的處理提供了一個(gè)嶄新的可持續(xù)工藝解決方案。

近幾年，出現(xiàn)非常有趣的現(xiàn)象是，對(duì)于生物脫氮，專家們的眼光從“側(cè)流”轉(zhuǎn)向了“主流”；然而，對(duì)于生物除磷，關(guān)注點(diǎn)卻是從“主流”轉(zhuǎn)向了“側(cè)流”，脫氮與除磷這對(duì)孿生的“矛盾兄弟”，通過這次空間順序的輪換，是否能為未來的污水處理工藝發(fā)展締造一個(gè)新的里程碑？這不是意外，也不是巧合，亦無人導(dǎo)演，但此過程卻不以你我的意志為轉(zhuǎn)移，魅力無窮，這一切都依賴于科學(xué)家們對(duì)未知領(lǐng)域新探索新發(fā)現(xiàn)的逐步打開。

原標(biāo)題:劉智曉|生物除磷理論及實(shí)踐新突破：從主流EBPR到側(cè)流EBPR