文章中作者利用模型模擬了底物和溶解氧在顆粒中滲透的過程，結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明，DO濃度沿顆粒半徑迅速下降，導(dǎo)致了缺氧/厭氧內(nèi)層的形成(除了半徑為25 μm、溶解氧濃度為0.5 mg/L和底物為36.7 mg/L的情況)。這表明，盡管在微氧-好氧耦合沉淀反應(yīng)器中培養(yǎng)的污泥粒徑相對較小，但在微氧池中低溶解氧濃度條件下，分層現(xiàn)象仍然存在，即粒徑在100~200 μm之間的小顆粒(占比超過65%)也可以充分形成好氧外層和缺氧/厭氧內(nèi)層，從而完成同步去除碳氮磷的重要功能。如圖3所示，批次實驗進(jìn)一步證實了不僅粒徑大于200 μm的污泥具有同步硝化反硝化能力，粒徑小于200 μm的污泥同樣具有同步硝化反硝化能力。

圖2 微氧池中半徑為(a)25 μm、(b)50 μm、(c)75 μm和(d)100 μm的污泥中DO和COD的分布

圖3 好氧條件下不同污泥：(a)粒徑>200 μm的污泥占比20%;(b)不含粒徑>200 μm的污泥的氮素降解曲線

　　基于以上發(fā)現(xiàn)，文章沒有再繼續(xù)糾纏顆粒污泥的定義，而是明確提出了好氧顆粒污泥工藝的定義。好氧顆粒污泥工藝應(yīng)具有以下特征：(1)能夠在特定好氧反應(yīng)體系中，通過微生物自固定過程形成具有機(jī)械穩(wěn)定性且粒徑相對較大的聚集體;(2)在沉降過程中形成的顆粒不發(fā)生再絮凝，而是以獨立的單體形式沉降，污泥整體沉降速度明顯快于絮狀活性污泥;(3)顆粒污泥具有功能性分層結(jié)構(gòu)的微生態(tài)系統(tǒng)。通過控制環(huán)境條件(如基質(zhì)濃度和DO等)，可以同步去除碳、氮和磷，并具有較高的比活性。3 文章還發(fā)現(xiàn)，在微氧-好氧條件下，生物除磷的效果顯著。這一反常的現(xiàn)象引發(fā)了人們的思考：是否存在新的生物除磷途徑?這一問題有待學(xué)術(shù)屆和工程界進(jìn)一步探討和研究

　　傳統(tǒng)的生物除磷方法要求將電子供體和電子受體進(jìn)行厭氧和好氧條件的物理分離。然而，文章所描述的微氧池連續(xù)曝氣條件下的生物除磷過程，卻打破了這一傳統(tǒng)觀念。如圖4所示，微需氧池對NH4+-N、TN和TP的去除率分別占平均進(jìn)水日負(fù)荷的78%、83%和93%，而好氧池的貢獻(xiàn)率僅為21%、3%和0%。這一發(fā)現(xiàn)促使我們對現(xiàn)有生物除磷理論進(jìn)行重新思考。

　　目前普遍接受的生物除磷理論認(rèn)為，生物除磷需要先在厭氧條件下降解內(nèi)部儲存的聚磷酸鹽來釋放磷，然后在好氧條件下過量吸收磷，或者說厭氧條件是磷轉(zhuǎn)化背后的主要驅(qū)動力。然而，這一理論與文章在微氧池內(nèi)觀察到的生物除磷現(xiàn)象大相徑庭。因此，是否存在一種無需厭氧條件釋磷的新生物除磷途徑?

　　早在2000年，Daigger和Littleton報道了7個實際污水處理廠在沒有缺氧區(qū)和厭氧區(qū)時，仍具有穩(wěn)定的高效的同步硝化反硝化除磷性能。他們提出了三種可能的機(jī)制，分別是：(1)生物反應(yīng)器內(nèi)混合不均勻，導(dǎo)致存在宏觀的缺氧/厭氧區(qū);(2)絮體內(nèi)部存在微觀的缺氧/厭氧的環(huán)境;(3)存在新型的能夠在曝氣的生物反應(yīng)器中去除營養(yǎng)物的微生物。同樣，Vargas等人在僅好氧的強(qiáng)化生物除磷系統(tǒng)中實現(xiàn)了46天的生物除磷。最近，Iannacone等人在DO濃度為1.0±0.2 mg/L的連續(xù)流動移動床生物膜反應(yīng)器中也獲得了類似的結(jié)果，實現(xiàn)了對溶解有機(jī)碳、總無機(jī)氮和磷酸鹽的同步去除，去除效率分別為100%、62%和75%。他們將同步硝化、反硝化和除磷歸因于Hydrogenophaga和Pseudomonas的富集，這與本研究中觀察到DPAOs的富集類似。基于這些發(fā)現(xiàn)，推測新的生物除磷途徑可能通過DPAOs在好氧、缺氧/厭氧的微環(huán)境中實現(xiàn)。

　　這一現(xiàn)象可能會改變我們對生物除磷過程的理解，并可能為現(xiàn)有的污水處理系統(tǒng)提供一種新的、更具競爭力的生物除磷方法。

　　圖4 微氧-好氧耦合沉淀反應(yīng)器內(nèi)(a)COD、(b)NH4+-N、(c)TN和(d)TP的質(zhì)量衡算

　　4 生產(chǎn)性連續(xù)流好氧顆粒污泥的工程實踐文章采用了微氧-好氧耦合沉淀反應(yīng)器(如圖5所示)，成功將AAO工藝升級為設(shè)計規(guī)模為2.5×104 m3/d的連續(xù)流好氧顆粒污泥工藝。實際的工程應(yīng)用證明，現(xiàn)有污水處理設(shè)施經(jīng)過輕量改造后升級為連續(xù)流好氧顆粒污泥工藝是可行的。在穩(wěn)定運行階段，污泥平均粒徑由31.9增大至138.5 μm，粒徑>200 μm的污泥占比達(dá)28.9%，平均SVI30為51.4 mL/g;污染物主要通過微氧池內(nèi)的同步硝化反硝化除磷去除，出水COD、NH4+-N和TN的第95百分位濃度分別為35.0、1.2和13.3 mg/L(如圖6所示)。升級后的工藝可減少38.2%的占地面積，并節(jié)省約三分之一的污泥回流能耗，為現(xiàn)有污水處理提供了一種具有競爭力的替代方案。

圖5 微氧-好氧耦合沉淀反應(yīng)器構(gòu)型

圖6 實際處理水量和出水水質(zhì)

　　作者介紹

　　王凱軍，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授，中國沼氣學(xué)會理事長，國家環(huán)境保護(hù)技術(shù)管理與評估中心主任，博士生導(dǎo)師。長期從事污水和生物質(zhì)廢棄物前沿處理技術(shù)的研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化和推廣應(yīng)用等工作。發(fā)表論文百余篇，授權(quán)國家發(fā)明專利30余項。曾榮獲教育部科技進(jìn)步獎、教育部技術(shù)發(fā)明獎和環(huán)保科技進(jìn)步獎等獎項10余次。

　　通訊郵箱：wkj@tsinghua.edu.cn

編輯：趙凡