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3份报告看过去5年生物脱氮除磷的进展
水星漫谈 Vol. 63
世界各地的污水厂都在努力进一步降低出水的氮磷浓度，这也给这些污水厂的管理团队提出新的挑战——怎样才能找到合适的工艺技术？
2021年，美国水研究基金会(WRF)发布了三份和生物脱氮除磷及回收相关的研究报告，WRF旗下杂志《水研究进展(Advances in Water Research)》在其2022年第一期里，专门为三份报告撰写了文章。在本期专栏里，我们来看看三份报告都传达了什么信息。
生物脱氮除磷最新进展
污水处理厂航拍图 | 图源：WRF
了解脱氮处理的技术选择
我们先来看看第一个报告的内容概况。
如何有效地回收资源，是 21世纪污水处理的主要挑战。这要求污水厂用更少的投入（能源、化学品、劳动力），稳定可靠地去除水中的营养物，减少对环境的影响(如富营养化等问题）。以斯坦福大学学者为主的团队，对多达285篇行业及学术报告进行了全面的回顾，从中总结出了154种污水的脱氮除磷技术，并把它们分成了38组。
他们发现，这些综述大多(>80%)只关注了各方法的去除效率和出水浓度，但很少提及能耗和成本(对于氮和磷处理，能耗分占31%和19%，成本分占11%和26%)。
除了查阅文献，他们还对54名从业者（其中的80%是公共污水处理或环卫设施的代表）进行问卷调查，了解从业人员对当前和规划中的脱氮除磷实践的见解；搜集评估工艺技术的关键信息，以及这些技术面对的阻碍和促进因素。
对应的WRF研究项目的截图 | 图源：WRF
这份报告涵盖了颗粒污泥、电解析、膜过滤和微生物燃料电池等技术。在完成工艺分组后，研究团队制定出可以用来评估工艺组别中的通用指标，其中包括：
-
氮和磷的去处效率
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氮磷的去处或回收的成本
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氮磷的去处或回收的能耗
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氮磷的去处或回收的温室气体排放
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出水可以达到的浓度水平
显然，了解各工艺组别在上述指标的表现，能够帮助污水厂运行及管理人员更好对各工艺技术的价值进行整体考虑。
在小编看来，这份报告最大的亮点，就是把评估结果整理下边这个图表了。如该图所示，某些工艺技术在工程应用级别有不错的表现(例如藻类工艺、沉淀和传统强化生物除磷等)。但他们也指出，该表有其局限性，例如虽然电容去离子(CDI)的脱氮除磷似乎表现良好，但他们能找到的都是实验室规模的研究结果，所以这些表现能否在中试或实际工程中顺利复制还是未知数。
无论如何，这图表应该是目前行内比较全的一次汇总了，值得大家收藏。
联合研究项目截图 | 图源：WRF
在研究团队看来，这次分析有多重意义：首先它有助于从业者去评估相关技术的实施可行性，然后能提高同行对脱氮除磷工艺效果的理解，第三能帮助研究人员将他们的工作与其他工艺进行比较，了解各工艺组别的研究差距，这样可能便于研究者安排好日后工作的优先次序。
他们也在问卷调查中得到一个重要反馈，就是从业者表示希望有一个持续更新的数据库，它汇总了各工艺的当前最新资讯，这样的平台能够加快新工艺的开发和资源共享。
生物脱氮的创新
污水处理的脱氮系统，至今为止最常见的还是基于两步式的微生物进程，主要依靠氨氧化菌(AOB)和亚硝氮氧化菌(NOB)完成硝化反应。不过，在2016年初学界确认了完全氨氧化菌 (comammox) 的存在后，可能会对现有的脱氮系统的设计和运行产生重大影响。
脱氮系统中的 Comammox菌的丰度和活性，究竟对现有工艺的稳定性和处理效率有多少影响呢？是否能利用它研发出什么创新工艺呢？
对于这些问题，美国水研究基金会(WRF)成立了相关课题组，来估算Comammox 对脱氮系统的氨氧化的贡献。
调研结果于2021年公布在WRF的官网，上图是该项目报告的下载页面截图。该项目评估了Comammox菌在多种脱氮工艺中的常见程度，以及各工艺的配置、运行和环境变量对其丰度和活性的影响。
他们对15种脱氮系统进行了调查，宏基因组分析显示，硝化/反硝化系统和同步硝化反硝化系统(SND)中都检测到 Comammox菌，但未在部分亚硝化-厌氧氨氧化系统中检出。目前的研究显示，所有已知的Comammox菌都属于第二亚系Nitrospira菌 (sublineage II)，目前分为两个进化枝系A和B (clade A&B)。这个项目检测到的都属于A枝系。
但他们也发现，宏基因组学虽然可用于检测 Comammox菌存在与否存在，但这种方法对准确定量而言不太可靠，而且大规模使用的话成本过高。因此研究团队选择采用定量聚合酶链反应 (qPCR) 测定法(这种方法最近大家几乎每天都接触到)，他们认为这是更可靠的方法来对comammox菌进行量化检测。其原理是将comammox菌的氨单加氧酶B亚基(amoB)的基因作为靶向，他们发现这能实现精准量化，并消除非特异性产物带来的干扰。通过qPCR分析，他们也发现comammox菌的丰度随脱氮系统的SRT的增加而增加。
除磷新方法
第三份报告是关于磷回收技术的。许多污水处理厂在实施生物除磷后都发现，生物除磷似乎对污泥脱水有负面影响，主要是鸟粪石结垢问题。其中一个缓解此问题的方法是在脱水前使用磷沉淀工艺除磷。具体来说，他们要考察的是CalPrex®这项技术。
CalPrex是一种基于氢氧化钙，用浓缩发酵污泥或酸化消化物作为进料的磷回收技术，并使磷以钙磷石（CaHPO4·2H2O，英文名为Brushite）的形式得到回收。在CalPrex工艺过程中，将pH调至6.5，可溶性磷与氢氧化钙反应，絮凝沉淀后得到钙磷石。提取透钙磷石可以加工成为有价值的肥料。
该项目的中试位于美国威斯康星州的麦迪逊污水处理局的Nine Springs污水处理厂。该厂规模约为160000m³/天，中试始于2018年春，规模约65m³/天，反应器设于酸化厌氧池和产甲烷厌氧池之间。酸化的消化物经离心脱水后，含固率升至约20%，浓缩液和氢氧化钙反应，经沉降后得到钙磷石。钙磷石在斜板沉淀池内进一步固液分离，溢流液和酸化消化泥饼混合后进入后续的产甲烷消化器。底部的钙磷石经过干化后，就成为优质的肥料(A级生物固体)。
技术指南
上边就是小编对三个项目的概述，由于水平有限，若有不对之处，请多多指正。总的来说，这三个研究项目的结果都为美国的污水处理厂的升级改造提供了宝贵信息，各污水厂可以基于这些信息选择适合的生物脱氮除磷的创新工艺，以应对日后更加严格的出水要求。
与此同时，WRF还设立了另一个名为Guidelines for Optimizing Nutrient Removal Plant Performance的研究项目。顾名思义，就是为生物脱氮除磷工艺的优化编写技术指南，制定技术路线图。该项目计划于2023年结题。若有重要进展，小编届时会和大家分享起报告成果。
