主流短程硝化厭氧氨氧化（PN/A）已經在世界不同國家的若干污水廠里開始了不同規模的實地測試。新加坡的樟宜再生水廠就是其中的先鋒領地之一。參與該項目的研究團隊在研究主流PN/A的同時，意外地發現強化生物除磷的存在，并對其進行了量化的分析驗證。

以曹業始博士為首的新加坡本土團隊聯合了來自國際水協專家組成員、荷蘭代爾夫特理工大學的MarkvanLoosdrecht教授和前國際水協主席、美國密歇根大學的GlenDaigger教授對樟宜再生水廠主流PN/A中的EBPR進行了研究考察。

▲新加坡樟宜再生水廠外觀

樟宜再生水廠簡介

樟宜再生水廠是新加坡最大的再生水廠，采用分段進水活性污泥法（SFAS），日處理量高達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分段進水活性污泥工藝圖

▲初沉池出水和最總出水水質對比

上表是樟宜再生水廠的關鍵運行參數情況。BNR工藝的SRT為5天，缺氧和好氧區各占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%，進水的COD/N比為8.2（BOD/N為3.4）。揮發性脂肪酸(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。

 

雖然該廠采用傳統的分段進料設計為的是脫氮除磷，但卻在好氧區觀察到部分亞硝化以及在缺氧區發現厭氧氨氧化反應(Anammox)的發生。q-PCR測試顯示其Anammox優勢菌種為CandidatusBrocadiasp.40,與之前在荷蘭代爾夫特理工大學培養的菌種相同。

強化生物除磷在新加坡的挑戰

盡管此前PUB的團隊就曾報告過樟宜再生水廠里有強化生物除磷（EBPR）和主流短程硝化厭氧氨氧化（PN/A）共存的現象，但并沒有量化的結果和具體的分析。此前學術界的主流觀點認為EBPR很難甚至不可能在氣候溫暖地區(25−30°C)發生，因為在熱帶地區聚糖菌(GAOs)和聚磷菌(PAOs)之間爭奪揮發性脂肪酸(VFAs)的現象會加劇。

另外，據稱更短的SRT，穩定持續的碳源供給（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PAOs在競爭中取得優勢。但至今這個觀點很少在大型污水廠得到驗證，而有關在溫暖地區的EBPR污水廠的報告也是這幾年才開始積累起來。

在這樣的背景之下，研究團隊對樟宜再生水廠的主流PN/A中的EBPR進行了考察，內容包括原位工藝表現和動力學分析、異位特定活性測定和原理分析、微生物種群分析、EBPR對COD去除率的影響等

主要的目標有：

(i)認識EBPR的動力學和反應機理

(ii)通過碳平衡的分析理解EBPR和PN/A之間的潛在互動影響

(iii)探究將EBPR結合到主流PN/A的可能性，尤其是熱帶地區

研究結果

研究結果顯示，原位EBPR的效率和異位測定的磷的釋放和吸收的活性都高。磷的實際總去除率達88%。

▲初沉池出水的DiurnalVFA濃度變化以及第一缺氧區入口和最后一個好氧區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。誤差表示的是標準差。右圖是SFAS工藝不同階段的校正磷釋出和吸收的濃度。ano.in是缺氧區入口，ano.out是缺氧區出口，ae.out是好氧區出口

▲磷酸釋出和吸收的異位活性測定情況

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

上圖顯示當缺氧區用乙酸作為電子供體時，PO4-P的吸收和厭氧氨氧化同時發生。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NO2-潛在的競爭關系有待進一步的調查研究。

上邊四個小圖顯示PAO可以用NO2-和NO3-作為磷吸收的電子受體。下表匯總了缺氧區和好氧區的磷吸收和硝態氮和亞硝態氮的相對活性。

FISH原位熒光雜交成像顯示聚磷菌PAOs是優勢菌群，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的碳跟用于異養反硝化的碳量相同，原因是自養型PN/A的轉化。與傳統的生物脫氮工藝相比，主流PN/A的碳源需求大大降低，并可能實現高效的EBPR。

總結評價

從動力學的角度來說，聚磷菌在厭氧/缺氧區對揮發性脂肪酸COD的快速吸收大大限制可供于異養反硝化的碳源。同時，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。新加坡的這個案例是首個高效EBPR跟PN/A在大型污水廠共存的案例，它展示了EBPR能在熱暖地區正常運行。更重要的是，它和美國圣彼得堡西南再生水廠的短程脫氮工藝出現的EBPR都顯示了EBPR跟主流PN/A工藝結合的可行性。當然這個可行性要跟當地的運行條件想結合，例如溫度等。