新加坡再生水厂发现主流厌氧氨氧化和强化生物除磷共存现象
主流短程硝化厌氧氨氧化（PN/A）已经在世界不同国家的若干污水厂里开始了不同规模的实地测试。新加坡的樟宜再生水厂就是其中的先锋领地之一。参与该项目的研究团队在研究主流PN/A的同时，意外地发现强化生物除磷的存在，并对其进行了量化的分析验证。以曹业始博士为首的新加坡本土团队联合了来自国际水协专家组成员、荷兰代尔夫特理工大学的Mark van Loosdrecht教授和前国际水协主席、美国密歇根大学的Glen Daigger教授对樟宜再生水厂主流PN/A中的EBPR进行了研究考察。
▲ 新加坡樟宜再生水厂外观
樟宜再生水厂是新加坡最大的再生水厂，采用分段进水活性污泥法（SFAS），日处理量高达800,000 m3/d。
▲ 新加坡樟宜再生水厂完整工艺示意图
该污水厂共有四条平行处理线，每条的日处理量为200,000m3/d，其中三条包含COD去除和生物脱氮除磷工艺（BNR)，剩下的一条只去除COD。
▲ 樟宜再生水厂的BNR分段进水活性污泥工艺图
▲ 初沉池出水和最总出水水质对比
上表是樟宜再生水厂的关键运行参数情况。BNR工艺的SRT为5天，缺氧和好氧区各占2.5天。污水温度全年保持在28-32°C 。历史年平均总氮去除率为86%, 总磷去除率为66%，进水的COD/N比为8.2 （BOD/N为3.4）。挥发性脂肪酸(VFAs)的浓度约为38.0 (±3.1) mg VFA/L (45.0mg COD/L)，其中乙酸是主要成分，约为31.0 (±2.4) mg/L，丙酸为5.4 (±1.2)mg/L，还有少量的丁酸和戊酸。
虽然该厂采用传统的分段进料设计为的是脱氮除磷，但却在好氧区观察到部分亚硝化以及在缺氧区发现厌氧氨氧化反应(Anammox)的发生。q-PCR测试显示其Anammox优势菌种为Candidatus Brocadia sp. 40, 与之前在荷兰代尔夫特理工大学培养的菌种相同。
尽管此前PUB的团队就曾报告过樟宜再生水厂里有强化生物除磷（EBPR）和主流短程硝化厌氧氨氧化（PN/A）共存的现象，但并没有量化的结果和具体的分析。此前学术界的主流观点认为EBPR很难甚至不可能在气候温暖地区(25−30°C)发生，因为在热带地区聚糖菌(GAOs)和聚磷菌(PAOs)之间争夺挥发性脂肪酸(VFAs)的现象会加剧。
另外，据称更短的SRT，稳定持续的碳源供给（乙酸或丙酸）以及稍高的pH(7.0 − 8.0)，或者不同粒径的颗粒污泥的分离能促进PAOs在竞争中取得优势。但至今这个观点很少在大型污水厂得到验证，而有关在温暖地区的EBPR污水厂的报告也是这几年才开始积累起来。
在这样的背景之下，研究团队对樟宜再生水厂的主流PN/A中的EBPR进行了考察，内容包括原位工艺表现和动力学分析、异位特定活性测定和原理分析、微生物种群分析、EBPR对COD去除率的影响等
主要的目标有：
(i) 认识EBPR的动力学和反应机理
(ii) 通过碳平衡的分析理解EBPR和PN/A之间的潜在互动影响
(iii) 探究将EBPR结合到主流PN/A的可能性，尤其是热带地区
研究结果显示，原位EBPR的效率和异位测定的磷的释放和吸收的活性都高。磷的实际总去除率达88%。
▲ 初沉池出水的Diurnal VFA浓度变化以及第一缺氧区入口和最后一个好氧区出口的磷去除率采样情况
▲ 左图是樟宜再生水厂SFAS工艺不同阶段的磷的浓度。误差表示的是标准差。右图是SFAS工艺不同阶段的校正磷释出和吸收的浓度。ano.in是缺氧区入口，ano.out是缺氧区出口，ae.out是好氧区出口
▲ 磷酸释出和吸收的异位活性测定情况
上图显示当NO3-或NO2-耗完之后，缺氧区用初沉池出水的碳源作为电子供体时，PO4-P 的吸收似乎也停止了。
上图显示当缺氧区用乙酸作为电子供体时，PO4-P 的吸收和厌氧氨氧化同时发生。这意味着厌氧氨氧化(Anammox)和反硝化PAO（DPAO）的共存。但DPAO和Anammox之间对NO2-潜在的竞争关系有待进一步的调查研究。
上边四个小图显示PAO可以用NO2- 和 NO3- 作为磷吸收的电子受体。下表汇总了缺氧区和好氧区的磷吸收和硝态氮和亚硝态氮的相对活性。
FISH原位荧光杂交成像显示聚磷菌PAOs是优势菌群，活性污泥里的聚糖菌GAOs很少。
▲ FISH原位荧光杂交成像显示的PAO(绿色)和GAO(暗粉色)
COD的物料平衡分析显示用于EPBR的碳跟用于异养反硝化的碳量相同，原因是自养型PN/A的转化。与传统的生物脱氮工艺相比，主流PN/A的碳源需求大大降低，并可能实现高效的EBPR。
从动力学的角度来说，聚磷菌在厌氧/缺氧区对挥发性脂肪酸COD的快速吸收大大限制可供于异养反硝化的碳源。同时，这使得BOD5/N的比值从3.4降至1.6，这是适合Anammox工艺的条件。新加坡的这个案例是首个高效EBPR跟PN/A在大型污水厂共存的案例，它展示了EBPR能在热暖地区正常运行。更重要的是，它和美国圣彼得堡西南再生水厂的短程脱氮工艺出现的EBPR都显示了EBPR跟主流PN/A工艺结合的可行性。当然这个可行性要跟当地的运行条件想结合，例如温度等。
参考资料
Yeshi Cao, Bee Hong Kwok, Mark C. M. van Loosdrecht, Glen T. Daigger, Hui Yi Png, Wah Yuen Long, Chua Seng Chye, Yahya A. B. D. Ghani. The occurrence of enhanced biological phosphorus removal in a 200,000 m3/day partial nitration and Anammox activated sludge process at the Changi Water Reclamation Plant, Singapore, Water Science and Technology. DOI:10.2166/wst.2016.565