編者按

近期，本刊關注到國內外一些關于生物除磷理論及工程尺度的新突破、新發展，不久前也發表過一篇論文《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），該文也是國內首次系統性總結側流生物除磷理論發展歷程及近期生物除磷理論新發展，尤其是涉及一種新的發酵除磷菌屬被發現和確認的綜述。值得注意的是關于側流EBPR和Tetrasphaera菌屬已經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現以及該領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，畢業于哈爾濱工業大學，工學博士，首創股份高級專家，中國勘察設計協會水系統分會理事，中國水工業協會水系統智能化研究會理事，目前主要從事給水與污水處理工藝技術設計方案及優化，高效、可持續水處理工藝及控制技術研究及產業化等相關方面工作。

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

劉智曉：好的。生物除磷現象其實早在20世紀50—60年代就被發現和確認，1975年正式提出“厭氧釋磷-好氧過度攝磷”的傳統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發揮作用。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現，一些未設傳統前置厭氧區的側流EBPR項目實現了高效生物除磷，而按照傳統PAOs生化代謝模型已經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。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“發酵類PAOs”,這類PAOs的生理生化特性明顯區別于傳統的理論，因為發酵類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EBPR理論的極大豐富和拓展。Tetrasphaera在生物除磷過程中被發現和分離，以及后續對代謝生化模型的建立這些基礎性的前置性研究都大大推進了對傳統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的主流脫氮除磷機理及工藝流程的技術缺欠及改進的機會。

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現到最終被確認，經歷了怎樣的過程？

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象進行了系統性思考。近些年他發表了多篇論文，對傳統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，正式提出側流生物除磷的理論及工藝構型。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現和提出，他認為有以下幾方面原因：

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

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，隨著側流活性污泥發酵技術的發展，世界范圍內越來越多的側流活性污泥發酵項目投運（主要在丹麥，其次在美國和中國），側流RAS可實現的深度厭氧環境（ORP≤-300mV）提供了發酵類PAOs菌屬存在的基本條件，傳統主流AAO的厭氧區（ORP在-150～-250mV甚至更高一些）則很難達到這樣的環境條件；其次，就是現在分子生物學技術快速發展，使得我們有機會在更加微觀的領域探秘到一些過去未知的活性污泥微生物的存在，如Raman–FISH技術的應用，丹麥奧爾堡大學Per Halkjær Nielsen教授的領銜團隊就是利用該技術，在丹麥數十座污水廠的活性污泥分析中發現并確立了T.菌屬的生態位及其對生物除磷的貢獻。

Raman–FISH技術下的Tetrasphaera菌屬形態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境及微生物學領域的一些權威期刊，如Water Research，The ISME Journal，Current Opinion in Biotechnology等，發表了多篇關于生物除磷微生物菌群結構解析和T.菌屬對生物除磷貢獻等方面的文章，系統論證、闡述和完善了傳統生物除磷理論。Per Halkjær Nielsen教授在論文中明確提出，應對傳統教條地認為Ca. Accumulibacter是主要PAO的傳統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5大洲、12個國家的不同污水廠取樣調研分析中，發現很多污水廠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論，西班牙、葡萄牙、德國、美國等多個團隊都有這方面的系統性研究，都可以查閱到他們的研究結果，這里不一一列舉，感興趣的也可以查閱我不久前發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。可以說，綜合不同研究團隊的成果，T.菌屬在EBPR中的生態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作，實現更加穩定高效的EBPR。

中國給水排水：基于T.菌屬的生物除磷理論的發展前景和實際工程意義如何？

劉智曉：我們國家很多地區，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式上升，僅靠化學除磷實際上這是不可持續的，無疑需要進一步提升生物除磷的貢獻率，因為這是最經濟和綠色的。

前面提到，基于傳統主流EBPR理論的經典活性污泥法設計，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，傳統活性污泥工藝設計構型在出水穩定性及經濟性等方面已經不能滿足。在這種背景下，側流活性污泥水解發酵技術得到開發與應用，從最初的回流污泥反硝化脫出殘存的硝態氮，再發展到厭氧發酵以產生VFA為目的活性污泥水解，最終到目前的側流EBPR，美國B&V公司和美國東北大學團隊稱為S2EBPR技術，以上工藝的逐步演變，其實也是在隨著生產尺度上對該技術不斷探索與改進而對該技術的機理認識不斷加深。S2EBPR能實現穩定的深度厭氧環境，進而使得PAOs菌群結構更加多樣性，培養出T.菌屬等發酵類PAO，這類PAO可以不依賴進水揮發性脂肪酸的含量，就可以發揮穩定的生物除磷作用。根據丹麥和美國的案例，側流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、降低處理過程GHG排放等角度，都是可持續的綠色技術。

美國近幾年側流活性污泥發酵項目得到快速發展，舉個例子，TomahawkCreek污水廠為了強化生物除磷，將原來五段式Bardenpho工藝的厭氧區改造為側流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列為下一代營養鹽去除工藝，還單獨設置了Side-stream EBPR(S2EBPR) / RAS Fermentation 方面的會議專題。可以說在這個領域，我們國內的步伐已經遠遠滯后于美國和丹麥，國內對S2EBPR的關注度、認識深度遠遠不夠。

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

總之，我非常看好側流活性污泥技術在未來的發展前景。再補充一句，側流發酵EBPR目的不僅僅是降低或取消碳源的使用量，它是創造性地實現了RAS深度厭氧環境，使得PAOs種群更加多樣化，發酵類PAOs易占據優勢并發揮主導作用實現穩定的生物除磷，同時，研究顯示這一過程GAO受到了明顯抑制。

中國給水排水：據我們了解，您一直致力于該領域的研究，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流活性污泥技術，2007年在國內實施第一座側流腐殖土活性污泥生物除臭技術，并在你們期刊做了系統性總結和報導（腐殖土活性污泥技術的除污效能及除臭效果，2007年14期），后來國內進一步開發稱為“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酵技術研究與應用，與丹麥的合作伙伴和當時的首創愛華團隊在國內最早開展了側流活性污泥技術在中國的應用和示范。截至目前，與中國市政華北院、東北院等設計院合作完成了大概10座污水廠的側流工藝設計，有改造，也有新建項目，已經運行的側流項目取得了比較理想的效果，明顯改善了脫氮除磷效果，節省了大量的碳源。當然，實事求是地說，此類技術正在發展中，還有很多技術細節需要我們以后持續性地研究、優化和解決。我知道的情況，國內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，國內目前應該不少于20座側流項目。

此外，在這個領域，通過近10年的系統性研究和技術積累，已經初步形成和搭建了側流活性污泥工藝的技術理論體系，可以支持未來側流活性污泥技術在國內的進一步工程化應用。同時，我也非常期望，國內同行關注側流技術的發展，以共同推動綠色、可持續污水處理技術在國內的應用，為我們水環境的改善做出貢獻。

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酵補充碳源優化脫氮除磷[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流活性污泥水解技術強化生物脫氮除磷[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.側流污泥生物強化技術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，分享了國際和國內關于生物除磷的最新進展，后續我們將持續關注該領域的發展動態。

劉智曉：謝謝。

本文轉載于《中國給水排水》；小編對原文略有補充。

采編：衣春敏

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