編者按

近期，本刊關(guān)注到國內(nèi)外一些關(guān)于生物除磷理論及工程尺度的新突破、新發(fā)展，不久前也發(fā)表過一篇論文《污水生物除磷理論及實踐新突破：從主流EBPR到側(cè)流EBPR》（《中國給水排水》2018年，34卷24期，作者：劉智曉），該文也是國內(nèi)首次系統(tǒng)性總結(jié)側(cè)流生物除磷理論發(fā)展歷程及近期生物除磷理論新發(fā)展，尤其是涉及一種新的發(fā)酵除磷菌屬被發(fā)現(xiàn)和確認的綜述。值得注意的是關(guān)于側(cè)流EBPR和Tetrasphaera菌屬已經(jīng)有較為深入的理論研究和工程案例的驗證，這無疑為未來污水處理強化生物除磷提供了一個嶄新的方向。因此，本刊就生物除磷的新發(fā)現(xiàn)以及該領(lǐng)域的最新研究和工程實踐進展對劉智曉博士進行了專訪，以下是采訪實錄。

劉智曉：山東莒縣人，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學，工學博士，首創(chuàng)股份高級專家，中國勘察設(shè)計協(xié)會水系統(tǒng)分會理事，中國水工業(yè)協(xié)會水系統(tǒng)智能化研究會理事，目前主要從事給水與污水處理工藝技術(shù)設(shè)計方案及優(yōu)化，高效、可持續(xù)水處理工藝及控制技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化等相關(guān)方面工作。

中國給水排水：近期我們關(guān)注到，國內(nèi)外一些權(quán)威學術(shù)期刊或者國際會議上的最新研究成果，提到傳統(tǒng)的強化生物除磷理論被進一步發(fā)展甚至是突破。您一直從事該領(lǐng)域的研究，可否給我們具體介紹一下？

劉智曉：好的。生物除磷現(xiàn)象其實早在20世紀50—60年代就被發(fā)現(xiàn)和確認，1975年正式提出“厭氧釋磷-好氧過度攝磷”的傳統(tǒng)生物除磷微生物生化代謝機制，很久以來，Candidatus Accumulibacter（以下稱為A.菌屬）一直被視為強化生物除磷（EBPR）最主要的PAOs。幾十年來，上述傳統(tǒng)的生物除磷理論一直在指導我們的研究和工程實踐，直至今日，該機理還是在科學研究與工程實踐中繼續(xù)發(fā)揮作用。但是，2010年前后，丹麥和美國的一些研究者從實際運行的項目中發(fā)現(xiàn)，一些未設(shè)傳統(tǒng)前置厭氧區(qū)的側(cè)流EBPR項目實現(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”工藝實際的運行狀況和出水水質(zhì)。時間回溯至2000年前后，澳大利亞、日本一些學者從活性污泥中分離出了具有聚磷能力的Tetrasphaera菌屬（以下稱為T.菌屬），并確認是一種新型的PAOs。

Tetrasphaera的生化代謝途徑

T.菌屬PAOs具有發(fā)酵特性并能直接利用葡萄糖和氨基酸進行厭氧釋磷，因此被稱為“發(fā)酵類PAOs”,這類PAOs的生理生化特性明顯區(qū)別于傳統(tǒng)的理論，因為發(fā)酵類PAOs可以不依賴進水VFAs進行厭氧釋磷，這顯然突破了傳統(tǒng)的生物除磷理論。通俗地講，即便進水中不存在VFAs，如果具備適合T.菌屬的生存條件，一樣可以獲得生物除磷效果。這一點，無疑是對傳統(tǒng)EBPR理論的極大豐富和拓展。Tetrasphaera在生物除磷過程中被發(fā)現(xiàn)和分離，以及后續(xù)對代謝生化模型的建立這些基礎(chǔ)性的前置性研究都大大推進了對傳統(tǒng)EBPR理論的拓展及完善，這也促使一些具有遠見的科學家不得不重新反思目前常規(guī)的主流脫氮除磷機理及工藝流程的技術(shù)缺欠及改進的機會。

這方面，感興趣的讀者，可以進一步查閱我不久前在《中國給水排水》雜志發(fā)表的論文（《中國給水排水》注：文章已附后）。

中國給水排水：T.菌屬在生物除磷中的作用從被發(fā)現(xiàn)到最終被確認，經(jīng)歷了怎樣的過程？

劉智曉：確實，這個問題很有意思。美國BLACK & VEATCH公司的James Barnard先生被譽為“污水脫氮除磷之父”，他也對這個問題和現(xiàn)象進行了系統(tǒng)性思考。近些年他發(fā)表了多篇論文，對傳統(tǒng)生物除磷機制進行再思考，也在不同的會議進行演講，如Rethinking and Reforming Enhanced Biological Phosphorus Removal (EBPR) Strategy – Concepts and Mechanisms of Side-Stream EBPR，正式提出側(cè)流生物除磷的理論及工藝構(gòu)型。B&V公司近幾年也在新的項目里積極推廣S2EBPR的應用。至于為何T.菌屬時至今日才被發(fā)現(xiàn)和提出，他認為有以下幾方面原因：

T.菌屬需要的最優(yōu)的生存條件是ORP低于-250mV的絕對厭氧條件，而傳統(tǒng)的活性污泥厭氧段設(shè)計及運行控制很難實現(xiàn)這個目標，回流污泥攜帶的硝態(tài)氮、DO或者厭氧區(qū)的湍流擾動、過度混合，如攪拌器功率配置過高等，以上因素破壞厭氧區(qū)的ORP環(huán)境，實際往往在-150mV以上甚至更高。這種微生境，就很難培養(yǎng)出具有發(fā)酵功能的PAOs，自然也就難于被分離和發(fā)現(xiàn)。

除了以上原因，我認為還存在其它一些客觀因素。首先，近10年來，隨著側(cè)流活性污泥發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展，世界范圍內(nèi)越來越多的側(cè)流活性污泥發(fā)酵項目投運（主要在丹麥，其次在美國和中國），側(cè)流RAS可實現(xiàn)的深度厭氧環(huán)境（ORP≤-300mV）提供了發(fā)酵類PAOs菌屬存在的基本條件，傳統(tǒng)主流AAO的厭氧區(qū)（ORP在-150～-250mV甚至更高一些）則很難達到這樣的環(huán)境條件；其次，就是現(xiàn)在分子生物學技術(shù)快速發(fā)展，使得我們有機會在更加微觀的領(lǐng)域探秘到一些過去未知的活性污泥微生物的存在，如Raman–FISH技術(shù)的應用，丹麥奧爾堡大學Per Halkjær Nielsen教授的領(lǐng)銜團隊就是利用該技術(shù)，在丹麥數(shù)十座污水廠的活性污泥分析中發(fā)現(xiàn)并確立了T.菌屬的生態(tài)位及其對生物除磷的貢獻。

Raman–FISH技術(shù)下的Tetrasphaera菌屬形態(tài)及在活性污泥中的存在（黃色和橙色部分，綠色部分為總的活菌）

圖片來源：Resolving the individual contribution of key microbial populations to enhanced biological phosphorus removal with Raman–FISH. The ISME Journal, https://doi.org/10.1038/s41396-019-0399-7.

Per Halkjær Nielsen團隊近幾年在國際環(huán)境及微生物學領(lǐng)域的一些權(quán)威期刊，如Water Research，The ISME Journal，Current Opinion in Biotechnology等，發(fā)表了多篇關(guān)于生物除磷微生物菌群結(jié)構(gòu)解析和T.菌屬對生物除磷貢獻等方面的文章，系統(tǒng)論證、闡述和完善了傳統(tǒng)生物除磷理論。Per Halkjær Nielsen教授在論文中明確提出，應對傳統(tǒng)教條地認為Ca. Accumulibacter是主要PAO的傳統(tǒng)生物除磷理論進行補充完善和修訂。他認為，T.菌屬與A.菌屬一樣，都是生物除磷過程中最重要的PAOs，甚至在世界范圍內(nèi)5大洲、12個國家的不同污水廠取樣調(diào)研分析中，發(fā)現(xiàn)很多污水廠T.菌屬豐度及對P的去除貢獻率都超過A.菌屬。這一點，可以查閱他們2018、2019年最新發(fā)表的系列論文，感興趣的朋友可以查閱這兩篇重要的論文（部分文章截圖如下）。

當然，需要進一步說明的是，對T.菌屬在EBPR中作用的確認及貢獻，不僅僅是奧爾堡大學一個團隊的結(jié)論，西班牙、葡萄牙、德國、美國等多個團隊都有這方面的系統(tǒng)性研究，都可以查閱到他們的研究結(jié)果，這里不一一列舉，感興趣的也可以查閱我不久前發(fā)表在你們期刊的論文，文獻中列出了一些重要的文獻。

8座污水廠中不同PAO菌屬對生物除磷的貢獻對比

E. Fernando對丹麥8座污水廠EBPR中不同PAOs對生物除磷的貢獻率進行了定量研究，結(jié)果是其中6做座污水廠T.菌屬對TP的去除貢獻超過了A.菌屬�？梢哉f，綜合不同研究團隊的成果，T.菌屬在EBPR中的生態(tài)生理特性及對生物除磷的定量貢獻，已完全被理論研究和生產(chǎn)實踐所證實和確認，已不存在疑問,未來需要進一步探索的是，如何創(chuàng)造更加適宜的生境條件、促進T.菌屬與A.菌屬更加高效率的協(xié)作，實現(xiàn)更加穩(wěn)定高效的EBPR。

中國給水排水：基于T.菌屬的生物除磷理論的發(fā)展前景和實際工程意義如何？

劉智曉：我們國家很多地區(qū)，面臨進水碳源相對N、P指標嚴重匱乏的先天稟賦不足的情況，往往不得不投加大量碳源和化學除磷藥劑，尤其是隨著對出水N、P指標的要求日益嚴格，如地標京A，甚至出現(xiàn)TP為0.05mg/L的極限標準，TP從一級A0.5mg/L到0.2mg/L甚至更低，所需化學除磷藥劑將會是指數(shù)式上升，僅靠化學除磷實際上這是不可持續(xù)的，無疑需要進一步提升生物除磷的貢獻率，因為這是最經(jīng)濟和綠色的。

前面提到，基于傳統(tǒng)主流EBPR理論的經(jīng)典活性污泥法設(shè)計，存在一些工藝上的弊端，很難獲得深度厭氧，僅僅依賴傳統(tǒng)主流生物除磷作用，出水TP可以達到0.5～1.0mg/L，難以進一步提升；其次，未來隨著排放標準對TP要求的日益提高，傳統(tǒng)活性污泥工藝設(shè)計構(gòu)型在出水穩(wěn)定性及經(jīng)濟性等方面已經(jīng)不能滿足。在這種背景下，側(cè)流活性污泥水解發(fā)酵技術(shù)得到開發(fā)與應用，從最初的回流污泥反硝化脫出殘存的硝態(tài)氮，再發(fā)展到厭氧發(fā)酵以產(chǎn)生VFA為目的活性污泥水解，最終到目前的側(cè)流EBPR，美國B&V公司和美國東北大學團隊稱為S2EBPR技術(shù)，以上工藝的逐步演變，其實也是在隨著生產(chǎn)尺度上對該技術(shù)不斷探索與改進而對該技術(shù)的機理認識不斷加深。S2EBPR能實現(xiàn)穩(wěn)定的深度厭氧環(huán)境，進而使得PAOs菌群結(jié)構(gòu)更加多樣性，培養(yǎng)出T.菌屬等發(fā)酵類PAO，這類PAO可以不依賴進水揮發(fā)性脂肪酸的含量，就可以發(fā)揮穩(wěn)定的生物除磷作用。根據(jù)丹麥和美國的案例，側(cè)流EBPR在很多項目上出水可以達到0.1mg/L，這無論是從減少化學藥劑的使用、清潔生產(chǎn)、降低處理過程GHG排放等角度，都是可持續(xù)的綠色技術(shù)。

美國近幾年側(cè)流活性污泥發(fā)酵項目得到快速發(fā)展，舉個例子，TomahawkCreek污水廠為了強化生物除磷，將原來五段式Bardenpho工藝的厭氧區(qū)改造為側(cè)流EBPR：

還有在美國和北歐的其它幾十個案例，不再一一列舉。

我也留意到，美國WEF近兩年的會議，不僅將S2EBPR列為下一代營養(yǎng)鹽去除工藝，還單獨設(shè)置了Side-stream EBPR(S2EBPR) / RAS Fermentation 方面的會議專題�？梢哉f在這個領(lǐng)域，我們國內(nèi)的步伐已經(jīng)遠遠滯后于美國和丹麥，國內(nèi)對S2EBPR的關(guān)注度、認識深度遠遠不夠。

美國B&V公司總結(jié)了上世紀70年代以來污水處理營養(yǎng)鹽去除技術(shù)發(fā)展歷程（見上圖），認為2010年以后的污水處理應該是以側(cè)流S2EBPR和工藝緊湊化&過程強化為基本特征的新時代。

總之，我非�？春脗�(cè)流活性污泥技術(shù)在未來的發(fā)展前景。再補充一句，側(cè)流發(fā)酵EBPR目的不僅僅是降低或取消碳源的使用量，它是創(chuàng)造性地實現(xiàn)了RAS深度厭氧環(huán)境，使得PAOs種群更加多樣化，發(fā)酵類PAOs易占據(jù)優(yōu)勢并發(fā)揮主導作用實現(xiàn)穩(wěn)定的生物除磷，同時，研究顯示這一過程GAO受到了明顯抑制。

中國給水排水：據(jù)我們了解，您一直致力于該領(lǐng)域的研究，并積極探索進行工程化推廣應用，這個方面可否介紹一下最新的進展？

劉智曉：實際上，我從博士期間年開始研究側(cè)流活性污泥技術(shù)，2007年在國內(nèi)實施第一座側(cè)流腐殖土活性污泥生物除臭技術(shù)，并在你們期刊做了系統(tǒng)性總結(jié)和報導（腐殖土活性污泥技術(shù)的除污效能及除臭效果，2007年14期），后來國內(nèi)進一步開發(fā)稱為“全流程生物除臭”。2009年在丹麥政府資助下正式開展活性污泥水解發(fā)酵技術(shù)研究與應用，與丹麥的合作伙伴和當時的首創(chuàng)愛華團隊在國內(nèi)最早開展了側(cè)流活性污泥技術(shù)在中國的應用和示范。截至目前，與中國市政華北院、東北院等設(shè)計院合作完成了大概10座污水廠的側(cè)流工藝設(shè)計，有改造，也有新建項目，已經(jīng)運行的側(cè)流項目取得了比較理想的效果，明顯改善了脫氮除磷效果，節(jié)省了大量的碳源。當然，實事求是地說，此類技術(shù)正在發(fā)展中，還有很多技術(shù)細節(jié)需要我們以后持續(xù)性地研究、優(yōu)化和解決。我知道的情況，國內(nèi)還有其它公司在開展這方面的研究和應用，如果算上第三方團隊的項目，我粗略估計，國內(nèi)目前應該不少于20座側(cè)流項目。

此外，在這個領(lǐng)域，通過近10年的系統(tǒng)性研究和技術(shù)積累，已經(jīng)初步形成和搭建了側(cè)流活性污泥工藝的技術(shù)理論體系，可以支持未來側(cè)流活性污泥技術(shù)在國內(nèi)的進一步工程化應用。同時，我也非常期望，國內(nèi)同行關(guān)注側(cè)流技術(shù)的發(fā)展，以共同推動綠色、可持續(xù)污水處理技術(shù)在國內(nèi)的應用，為我們水環(huán)境的改善做出貢獻。

中國給水排水：可否提供一些剛剛提到的這方面的主要文獻，以便感興趣的讀者進一步了解？

劉智曉：好的。以下列舉一些代表性的文章，感興趣的讀者可以查閱，包括本人近幾年發(fā)表的這方面論文，主要有7篇：

[1]劉智曉.生物除磷理論及實踐新突破——從主流EBPR到側(cè)流EBPR[J].中國給水排水,2018,34(24):19-25.

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

[2]劉智曉.未來污水處理能源自給新途徑——碳源捕獲及碳源改向[J].中國給水排水,2017,33(8):43-52.

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

[3]劉智曉,等.利用活性污泥水解發(fā)酵補充碳源優(yōu)化脫氮除磷[J].中國給水排水,2013,29(4):12-16.

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

[4]劉智曉,等.低碳源條件下利用側(cè)流活性污泥水解技術(shù)強化生物脫氮除磷[J].給水排水,2013,49(1):53-57.

[5]劉智曉,等.污泥作為污水廠內(nèi)碳源的水解特性及工藝選擇[J].中國給水排水,2011,27(22):30-35.

[6]劉智曉,等.側(cè)流污泥生物強化技術(shù)及其在污水廠升級改造中的適用性[J].中國給水排水,2010,26(16):1-6.

[7]劉智曉,等.腐殖土活性污泥技術(shù)的除污效能及除臭效果[J].中國給水排水,2007，23(14):18-22.

還有，國際同行的重要文獻：

[1]Per HalkjærNielsen, et al. Re-evaluating the microbiology of the enhanced biological phosphorus removal process. Current Opinion in Biotechnology， 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]Rikke Kristiansen. A metabolic model for members of the genus Tetrasphaera involved in enhanced biological phosphorus removal. The ISME Journal, 2013,7:543–554.

[4]Mielczarek A T, et al. Population dynamics of bacteria involved in enhanced biological phosphorus removal in Danish wastewater treatment plants. Water Research, 2013,47:1529-1544.

[5]Botero L., Barnard J. Sidestream Biological Phosphorus Removal: The New Frontier. Florida Water Resources Journal,2018,1:44-49.

[6]Marques R., et al. Metabolism and ecological niche of Tetrasphaera and Ca.Accumulibacter in enhanced biological phosphorus removal. Water Research, 2017,122:159-171.

[7]Lanham A.B., et al. Metabolicversatility in full-scale wastewater treatment plants performing enhanced biological phosphorus removal. Water Research,2013,47:7032-7041.

中國給水排水：感謝您接受本刊專訪，分享了國際和國內(nèi)關(guān)于生物除磷的最新進展，后續(xù)我們將持續(xù)關(guān)注該領(lǐng)域的發(fā)展動態(tài)。

劉智曉：謝謝。

本文轉(zhuǎn)載于《中國給水排水》；小編對原文略有補充。

采編：衣春敏

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審核：李德強