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        生物脫氮除磷最新研究進展:碳源儲存創新及生物工藝的優化(2)

        發布日期:2022-10-12 來源:全球水行業動態

        20221月,國際水協會舉行了主題InnovationsinCarbonStorageandOptimizationinBiologicalProcesses的線上研討會。在上一期里,我們主要介紹了本次研討會上對生物除磷機理的研究進展的介紹。在本期推送里,我們將介紹這些研究在實際污水廠的應用實踐。


        在第二個報告里,Black&Veatch公司的ChrisDeBarbadillo女士、西北大學的GeorgeWells教授和哥倫比亞大學的KartikChandran教授介紹了美國水研究基金會(WRF)的低能耗生物脫氮除磷項目,主要考察了如何利用反硝化聚磷菌(DPAO)實現同時的脫氮除磷的研究,并展示了該工藝在美國和丹麥多個污水廠的測試結果。

        考察的污水廠包括了美國芝加哥的JamesC.Kirie(A/O)、TerrenceO’Brien(SBR)、弗吉尼亞HRSDJamesRiver(IFAS)以及一個A2O的中試系統,俄勒岡的RockCreek深度污水處理廠(A2OS2EBPR)、科羅拉多的JamesDilorio再生水廠(JHB)、丹麥的EjbyM?lle資源回收工廠(氧化溝)。


        .美國水研究基金會(WRF)相關報告封面|圖源:WRF

        這個研究項目分成三大部分。其中第一個部分是考察DPAO的可行性,并細分為實驗室研究和在大型污水廠或中試規模的實際測試。

        實驗室研究的主要目標是對反硝化聚磷菌(DPAO)進行富集。他們的SBR反應器運行超過1000天,結果顯示系統能夠實現穩定且完全的脫氮,并且能去除一部分磷?;驕y序分析監測出幾個經典的PAO菌集。缺氧區的磷吸收率和好氧區的磷吸收率相近甚至更高。而且在試驗第四階段的運行顯示,VFA的類型可能對DPAO的影響不大,而且在有NO2-的存在時,適當延長缺氧區時間就足以選擇出高效率的DPAO。但值得注意的是,這些DPAO也會產生N2O這種強溫室氣體,研究團隊這方面的影響需要做進一步的研究評估。




        .SBR反應器的運行概況

        在實驗室工作的基礎上,項目的第二部分則是在實際的污水廠進行測試,以便制定DPAO在現有常見工藝和新興工藝的活性基準,同時有助于水務公司根據各自需求開展后續規劃。


        .參與實際測試的污水廠工藝概況

        同時他們想在這次實測里找到以下問題的答案:

        1.生物除磷工藝構造是否影響DPAO活性?

        2.旋流分離器等外力篩選器能夠將DPAO包含在好氧顆粒污泥內,從而免去設置厭氧區的需要?

        3.厭氧區的外加碳源、電子受體類型(DO/NO2-/NO3-)DPAO活性的影響?


        試驗結果

        結果顯示,所有污水廠不論DO控制策略,出水磷濃度的50th百分位值(中位數)都低于1mg/L,說明可以在低能耗的脫氮條件下實現EBPR。


        盡管EBPR的整體表現良好,但幾個低DO運行的污水廠的日波動較大(Ratio99.7-50,指99.7th百分位值/50th百分位值的比,JamesC.Kirie、TerrenceO’Brien、HRSD的中試以及丹麥EjbyMolle這四個廠的該比值都超過了10)。

        配有旋流分離器的三個污水廠(JamesRiverTP、JamesDilorioWRFEjbyM?lleWRRF)似乎有更高的DPAO相對活性。此前有關文獻顯示密度更高的顆粒污泥有DPAO的存在,這個測試結果和文獻的推測吻合。

        RockCreek污水廠的團隊對S2EBPR和傳統的A2O除磷進行平行測試。兩者的關鍵區別在于S2EBPR處理線的厭氧生物質比例是A2O處理線的兩倍。結果顯示,S2EBPR的那條線的二級出水的磷濃度相對較高,但DPAO的活性更高,以及出水波動變化較小。

        另外,他們進行異位測試測量好氧區的磷吸收、缺氧區分別用NO2-NO3-作為電子受體的磷吸收最大值。結果如下圖所示,在O’BrienSBR工藝里,以亞硝氮為電子受體的磷吸收是好氧吸磷的17%,以亞硝氮的話則只有14%;丹麥EjbyM?lle的情況相對好點,但以缺氧區以NO2-NO3-為電子受體的磷吸收也只有好氧吸磷的40%47%。他們認為這些數據說明NO2-NO3-DPAO影響不大,而DPAO對在除磷方面的作用并不是最主要的。但總的來說,那些有更長的SRT的缺氧區的系統以及有旋流分離器的系統,缺氧區的磷吸收率更高些。




        ChrisDeBarbadillo女士在發言里特別介紹了RockCreek污水廠的案例。研究團隊選取了6號和7號池進行平行對照試驗,其中6號池維持A2O不變,7號池改成了S2EBPR工藝,第一個厭氧區不做攪拌,變成深度缺氧區,提高VFA含量。結果顯示,7號池的DPAO活性更高,而且和上邊的結果一樣,7號池的缺氧區的磷吸收率比6號池高。


        除了運行效果,項目團隊還對污泥樣本進行DNA和宏基因組的分析。在這次線上研討會上,哥倫比亞大學的KartikChandran教授對這部分工作的成果進行了匯報。他總結說這些工作從三個方面加深了對生物脫氮除磷工藝認識:

        群落結構(Whoisthere?

        蛋白功能(Whatcantheydo?

        現存功能(Whataretheydoing?


        結果顯示,所有樣品的綱層面的群落結構是相似的。檢測出最常見的AOBNOB分別屬于NitrosomonasNitrospira(),而最常見的PAO屬于CandidatusAccumulibacter屬。有旋流分離器系統有更高的PAO豐度,這說明旋流分離器對PAO的篩選是起作用的。

        通過DNA測序(shotgunDNAsequencing),他們發現所有群落都有脫氮除磷的完整轉化路徑,并且能檢測出DPAOComammox等新興的結構功能的微生物組。

        Chandran教授看來,這個研究更重要的結果是了解到這些微生物究竟在干什么。如下圖所示,他們找到每一步轉化對應的蛋白酶,以及在好氧或缺氧的條件下,這些酶對應的基因表達的變化情況(上升或下降)。

        一般來說,基因表達譜圖可以揭示微生物如何在特定環境條件里,調動和脫氮除磷相關的功能。這種原位采樣的好處在于捕捉在實際系統中的一些非理想狀態的影響,這是實驗室規模的研究無法復制的。這次工作中應用的方法提供了很好的機會去評估各種工藝系統是如何對復雜的運行條件因素做出響應的。

        總的來說,負責硝化和磷吸收的基因的表達和預期結果一致,而在好氧區一些反硝化基因表達的增加可能和低DO運行條件有關,但釋磷基因的表達則不太一致,對此,Chandran等人也沒法給出確切解釋,指表示認為可能和酶的可逆性有關。這些觀察結果也凸顯了在非理想工程廢水處理過程中,基因表達圖譜的使用還有不少的挑戰尚待克服。


        除了對DPAO相關研究之外,WRF這個研究項目還有另外兩部分的內容,包括了考察基于AB法的HRAS(High‐rateactivatedsludge)EBPR結合的可行性,以及通過使用金屬鹽混凝劑作為磷回收的另一種途徑的可行性。由于篇幅關系,就不在此文里展開細說??偟膩碚f,這兩部分的研究首先在HRAS里,A段可以在非常低的SRTHRT條件下實現高速生物除磷,這也為B段的自養脫氮提供支持;其次則是污水資源回收工廠提供了一條生物除磷和化學除磷相結合的磷回收路線。

        小結

        最后,對本次在線研討會做一個小結。這個研討會主要有三大目的:

        讓觀眾了解強化生物除磷(EBPR)和短程脫氮工藝如何有機結合

        加深對內碳源管理在低能耗生物脫氮除磷(BNR)和營養物回收系統中的作用的理解

        激發水行業對污水中碳資源利用的新思維

        由于本次研討會的信息量較大,我們無法在有限篇幅里濃縮還原會議的全部內容。對污水資源回收或生物除磷感興趣的讀者,還請訪問IWA官網或點擊下方視頻,回看本次研討會的全程視頻

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