劉智曉：污水生物除磷理論的新突破及國(guó)內(nèi)外工程應(yīng)用進(jìn)展

水處理網(wǎng)訊:近期，本刊關(guān)注到國(guó)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(shí)踐新突破：從主流EBPR到側(cè)流EBPR》（《中國(guó)給水排水》2018年，34卷24期，作者：劉智曉），該文也是國(guó)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(rèn)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(yàn)證，這無(wú)疑為未來(lái)污水處理強(qiáng)化生物除磷提供了一個(gè)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(shí)踐進(jìn)展對(duì)劉智曉博士進(jìn)行了專訪，以下是采訪實(shí)錄。

劉智曉：山東莒縣人，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，工學(xué)博士，首創(chuàng)股份高級(jí)專家，中國(guó)勘察設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)水系統(tǒng)分會(huì)理事，中國(guó)水工業(yè)協(xié)會(huì)水系統(tǒng)智能化研究會(huì)理事，目前主要從事給水與污水處理工藝技術(shù)設(shè)計(jì)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(guó)給水排水：近期我們關(guān)注到，國(guó)內(nèi)外一些權(quán)威學(xué)術(shù)期刊或者國(guó)際會(huì)議上的最新研究成果，提到傳統(tǒng)的強(qiáng)化生物除磷理論被進(jìn)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(shí)早在20世紀(jì)50—60年代就被發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)，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(jī)制，很久以來(lái)，Candidatus Accumulibacter（以下稱為A.菌屬）一直被視為強(qiáng)化生物除磷（EBPR）最主要的PAOs。幾十年來(lái)，上述傳統(tǒng)的生物除磷理論一直在指導(dǎo)我們的研究和工程實(shí)踐，直至今日，該機(jī)理還是在科學(xué)研究與工程實(shí)踐中繼續(xù)發(fā)揮作用。但是，2010年前后，丹麥和美國(guó)的一些研究者從實(shí)際運(yùn)行的項(xiàng)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(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)。時(shí)間回溯至2000年前后，澳大利亞、日本一些學(xué)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(rèn)是一種新型的PAOs。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(jìn)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?yàn)榘l(fā)酵類PAOs可以不依賴進(jìn)水VFAs進(jìn)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(jìn)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(diǎn)，無(wú)疑是對(duì)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(duì)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(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)缺欠及改進(jìn)的機(jī)會(huì)。

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

中國(guó)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(rèn)，經(jīng)歷了怎樣的過程？

劉智曉：確實(shí)，這個(gè)問題很有意思。美國(guó)BLACK&VEATCH公司的JamesBarnard先生被譽(yù)為“污水脫氮除磷之父”，他也對(duì)這個(gè)問題和現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)性思考。近些年他發(fā)表了多篇論文，對(duì)傳統(tǒng)生物除磷機(jī)制進(jìn)行再思考，也在不同的會(huì)議進(jìn)行演講，如RethinkingandReformingEnhancedBiologicalPhosphorusRemoval(EBPR)Strategy–ConceptsandMechanismsofSide-StreamEBPR，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(xiàng)目里積極推廣S2EBPR的應(yīng)用。至于為何T.菌屬時(shí)至今日才被發(fā)現(xiàn)和提出，他認(rèn)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(duì)厭氧條件，而傳統(tǒng)的活性污泥厭氧段設(shè)計(jì)及運(yùn)行控制很難實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，回流污泥攜帶的硝態(tài)氮、DO或者厭氧區(qū)的湍流擾動(dòng)、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(shí)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(rèn)為還存在其它一些客觀因素。首先，近10年來(lái)，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(lái)越多的側(cè)流活性污泥發(fā)酵項(xiàng)目投運(yùn)（主要在丹麥，其次在美國(guó)和中國(guó)），側(cè)流RAS可實(shí)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(dá)到這樣的環(huán)境條件；其次，就是現(xiàn)在分子生物學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，使得我們有機(jī)會(huì)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(yīng)用，丹麥奧爾堡大學(xué)PerHalkjærNielsen教授的領(lǐng)銜團(tuán)隊(duì)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(duì)生物除磷的貢獻(xiàn)。

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(lái)源：ResolvingtheindividualcontributionofkeymicrobialpopulationstoenhancedbiologicalphosphorusremovalwithRaman–FISH.TheISMEJournal,https://doi.org/10.1038/s41396-019-0399-7.

Per Halkjær Nielsen團(tuán)隊(duì)近幾年在國(guó)際環(huán)境及微生物學(xué)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(duì)生物除磷貢獻(xiàn)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。PerHalkjærNielsen教授在論文中明確提出，應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)教條地認(rèn)為Ca. Accumulibacter是主要PAO的傳統(tǒng)生物除磷理論進(jìn)行補(bǔ)充完善和修訂。他認(rèn)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(gè)國(guó)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(duì)P的去除貢獻(xiàn)率都超過A.菌屬。這一點(diǎn)，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(dāng)然，需要進(jìn)一步說明的是，對(duì)T.菌屬在EBPR中作用的確認(rèn)及貢獻(xiàn)，不僅僅是奧爾堡大學(xué)一個(gè)團(tuán)隊(duì)的結(jié)論，西班牙、葡萄牙、德國(guó)、美國(guó)等多個(gè)團(tuán)隊(duì)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(xiàn)中列出了一些重要的文獻(xiàn)。T.菌屬在EBPR中的生態(tài)生理特性及對(duì)生物除磷的定量貢獻(xiàn)，已完全被理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐所證實(shí)和確認(rèn)，已不存在疑問,未來(lái)需要進(jìn)一步探索的是，如何創(chuàng)造更加適宜的生境條件、促進(jìn)T.菌屬與A.菌屬更加高效率的協(xié)作，實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)定高效的EBPR。

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

劉智曉：我們國(guó)家很多地區(qū)，面臨進(jìn)水碳源相對(duì)N、P指標(biāo)嚴(yán)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(xué)除磷藥劑，尤其是隨著對(duì)出水N、P指標(biāo)的要求日益嚴(yán)格，如地標(biāo)京A，甚至出現(xiàn)TP為0.05mg/L的極限標(biāo)準(zhǔn)，TP從一級(jí)A0.5mg/L到0.2mg/L甚至更低，所需化學(xué)除磷藥劑將會(huì)是指數(shù)式上升，僅靠化學(xué)除磷實(shí)際上這是不可持續(xù)的，無(wú)疑需要進(jìn)一步提升生物除磷的貢獻(xiàn)率，因?yàn)檫@是最經(jīng)濟(jì)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(jì)，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(dá)到0.5～1.0mg/L，難以進(jìn)一步提升；其次，未來(lái)隨著排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)TP要求的日益提高，傳統(tǒng)活性污泥工藝設(shè)計(jì)構(gòu)型在出水穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)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(yīng)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(guó)B&V公司和美國(guó)東北大學(xué)團(tuán)隊(duì)稱為S2EBPR技術(shù)，以上工藝的逐步演變，其實(shí)也是在隨著生產(chǎn)尺度上對(duì)該技術(shù)不斷探索與改進(jìn)而對(duì)該技術(shù)的機(jī)理認(rèn)識(shí)不斷加深。S2EBPR能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的深度厭氧環(huán)境，進(jìn)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(jìn)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(guó)的案例，側(cè)流EBPR在很多項(xiàng)目上出水可以達(dá)到0.1mg/L，這無(wú)論是從減少化學(xué)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(guó)近幾年側(cè)流活性污泥發(fā)酵項(xiàng)目得到快速發(fā)展，舉個(gè)例子，TomahawkCreek污水廠為了強(qiáng)化生物除磷，將原來(lái)五段式Bardenpho工藝的厭氧區(qū)改造為側(cè)流EBPR：

還有在美國(guó)和北歐的其它幾十個(gè)案例，不再一一列舉。

我也留意到，美國(guó)WEF近兩年的會(huì)議，不僅將S2EBPR列為下一代營(yíng)養(yǎng)鹽去除工藝，還單獨(dú)設(shè)置了Side-streamEBPR(S2EBPR)/RASFermentation方面的會(huì)議專題?？梢哉f在這個(gè)領(lǐng)域，我們國(guó)內(nèi)的步伐已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于美國(guó)和丹麥，國(guó)內(nèi)對(duì)S2EBPR的關(guān)注度、認(rèn)識(shí)深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

美國(guó)B&V公司總結(jié)了上世紀(jì)70年代以來(lái)污水處理營(yíng)養(yǎng)鹽去除技術(shù)發(fā)展歷程（見上圖），認(rèn)為2010年以后的污水處理應(yīng)該是以側(cè)流S2EBPR和工藝緊湊化&過程強(qiáng)化為基本特征的新時(shí)代。

總之，我非?？春脗?cè)流活性污泥技術(shù)在未來(lái)的發(fā)展前景。再補(bǔ)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(shí)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(shì)并發(fā)揮主導(dǎo)作用實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的生物除磷，同時(shí)，研究顯示這一過程GAO受到了明顯抑制。

中國(guó)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(jìn)行工程化推廣應(yīng)用，這個(gè)方面可否介紹一下最新的進(jìn)展？

劉智曉：實(shí)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(guó)內(nèi)實(shí)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(bào)導(dǎo)（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(lái)國(guó)內(nèi)進(jìn)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(yīng)用，與丹麥的合作伙伴和當(dāng)時(shí)的首創(chuàng)愛華團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)最早開展了側(cè)流活性污泥技術(shù)在中國(guó)的應(yīng)用和示范。截至目前，與中國(guó)市政華北院、東北院等設(shè)計(jì)院合作完成了大概10座污水廠的側(cè)流工藝設(shè)計(jì)，有改造，也有新建項(xiàng)目，已經(jīng)運(yùn)行的側(cè)流項(xiàng)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(dāng)然，實(shí)事求是地說，此類技術(shù)正在發(fā)展中，還有很多技術(shù)細(xì)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(guó)內(nèi)還有其它公司在開展這方面的研究和應(yīng)用，如果算上第三方團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目，我粗略估計(jì)，國(guó)內(nèi)目前應(yīng)該不少于20座側(cè)流項(xiàng)目。

此外，在這個(gè)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(lái)側(cè)流活性污泥技術(shù)在國(guó)內(nèi)的進(jìn)一步工程化應(yīng)用。同時(shí)，我也非常期望，國(guó)內(nèi)同行關(guān)注側(cè)流技術(shù)的發(fā)展，以共同推動(dòng)綠色、可持續(xù)污水處理技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用，為我們水環(huán)境的改善做出貢獻(xiàn)。

中國(guó)給水排水：可否提供一些剛剛提到的這方面的主要文獻(xiàn)，以便感興趣的讀者進(jìn)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(shí)踐新突破——從主流EBPR到側(cè)流EBPR[J].中國(guó)給水排水,2018,34(24):19-25.

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

[2]劉智曉.未來(lái)污水處理能源自給新途徑——碳源捕獲及碳源改向[J].中國(guó)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(bǔ)充碳源優(yōu)化脫氮除磷[J].中國(guó)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(qiáng)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(guó)給水排水,2011,27(22):30-35.

[6]劉智曉,等.側(cè)流污泥生物強(qiáng)化技術(shù)及其在污水廠升級(jí)改造中的適用性[J].中國(guó)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(guó)給水排水,2007，23(14):18-22.

還有，國(guó)際同行的重要文獻(xiàn)：

[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.

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

劉智曉：謝謝。

延伸閱讀：

《污水生物除磷理論及實(shí)踐新突破：從主流EBPR到側(cè)流EBPR》

原標(biāo)題:專訪ǀ劉智曉: 污水生物除磷理論的新突破及國(guó)內(nèi)外工程應(yīng)用進(jìn)展