2018年11月30日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授俞漢青在由水環(huán)境與水生態(tài)分會主辦的2018首屆中國城市水環(huán)境與水生態(tài)發(fā)展論壇上，發(fā)表了《厭氧氨氧化廢水處理技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的啟示》主題報告，講述了厭氧氨氧化技術(shù)發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和應(yīng)用的歷史，特別是總結(jié)梳理了其在中國的研究和工程進(jìn)展，系統(tǒng)且非常生動。我們根據(jù)現(xiàn)場錄音和整理成文與讀者分享。
污水脫氮是近40年環(huán)境工程界最活躍的研究領(lǐng)域之一，從硝化-亞硝化，到反硝化脫氮、甲醇反硝化，再到同時硝化-反硝化、短程硝化-反硝化，脫氮技術(shù)不斷取得創(chuàng)新發(fā)展，并產(chǎn)生了厭氧氨氧化(Anaerobic ammonia oxidation，Anammox)這樣一項污水處理的顛覆性技術(shù)，開創(chuàng)了功能菌在復(fù)雜污水處理系統(tǒng)實際應(yīng)用之先河。
從作為自然界的現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，到基礎(chǔ)研究、工程應(yīng)用，厭氧氨氧化技術(shù)發(fā)展也經(jīng)歷了大約40年時間，這是一個需要投入和成長的過程，離不開該領(lǐng)域一大批人的基礎(chǔ)研究、論文成果和產(chǎn)學(xué)研的協(xié)同合作。
什么是Anammox？
Anammox是在無氧條件下，以氨為電子供體、亞硝酸為電子受體，產(chǎn)生氮氣和硝酸的生物反應(yīng)。Anammox包括兩個過程：一是分解(產(chǎn)能)代謝，即以氨為電子供體，亞硝酸鹽為電子受體，兩者以1:1的比例反應(yīng)生成氮氣，并把產(chǎn)生的能量以ATP的形式儲存起來；二是合成代謝，即以亞硝酸鹽為電子受體提供還原力，利用碳源二氧化碳以及分解代謝產(chǎn)生的ATP合成細(xì)胞物質(zhì)，并在這一過程中產(chǎn)生硝酸鹽。厭氧氨氧化菌 (Anaerobic ammonia oxidation bacteria, AnAOB) 是厭氧氨氧化的實施者。
NH4++ NO2-= N2+ 2H2O，ΔG=-358kg/mol
（ANAMMOX）
厭氧氨氧化菌
Anammox現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)
第一個對厭氧氨氧化現(xiàn)象進(jìn)行探索的人是奧地利理論化學(xué)家Engelbert Broda，他在1977年發(fā)表關(guān)于氮循環(huán)的論文，基于熱力學(xué)分析而指出自然界可能存在由微生物主導(dǎo)的氨氮與亞硝氮反應(yīng)生成氮氣的反應(yīng)。
Engelbert Broda (1910 -1983)
奧地利理論化學(xué)家
20世紀(jì)90年代初，荷蘭代爾夫特理工大學(xué) Kuenen教授指導(dǎo)的學(xué)生Arnold Mulder在運行一個三級廢水生物脫氮反應(yīng)器時，觀察到第二級流化床反應(yīng)器中氮“不明去向”的大量消失。
Johannes Gijsbrecht Kuenen教授
(原荷蘭微生物學(xué)學(xué)會會長)
Mr. Arnold Mulder
之后，van de Graaf開展大量的探索工作，他們結(jié)合Broda博士的化學(xué)熱力學(xué)預(yù)測，在國際上首次發(fā)現(xiàn)了Anammox現(xiàn)象。
van de Graaf博士
Anammox的基礎(chǔ)研究
Anammox現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)之后，Kuenen教授的一位主要助手Mike Jetten博士專注于Anammox的微生物學(xué)研究，并在加盟荷蘭奈梅亨大學(xué)微生物系之后，組織團隊展開了長期的基礎(chǔ)研究工作，發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)了新的參與氮、硫和碳轉(zhuǎn)化的微生物，采用分子生物學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)和宏基因組學(xué)從基因、細(xì)胞、個體和生態(tài)系統(tǒng)水平揭示相關(guān)微生物的反應(yīng)機理。
M.S.M. Jetten教授
荷蘭奈梅亨大學(xué)微生物系
他的主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)是：發(fā)現(xiàn)Anammox微生物新種。Anammox目前包含5個屬的微生物，Jetten教授團隊對其中4個屬微生物的發(fā)現(xiàn)都起到了非常重要的作用。
探明 Anammox反應(yīng)的微生物機理。Jetten教授團隊闡明了Anammox反應(yīng)的代謝路徑與菌種獨特細(xì)胞結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了Anammox微生物的生態(tài)多樣性，確認(rèn)厭氧氨氧化細(xì)菌的身份——隸屬于浮霉菌門(planctomycete)，生長緩慢，倍增時間長達(dá)2周 。在這之后他們進(jìn)一步探究了聯(lián)胺合成酶的結(jié)構(gòu)，結(jié)合分子生物學(xué)實驗驗證了Anammox的過程機理，并發(fā)現(xiàn)anammox細(xì)菌在自然界中廣泛分布，是自然界氮循環(huán)中至關(guān)重要的一環(huán) 。
Anammox細(xì)菌具有致密的厭氧氨氧化體及獨特的階梯烷膜脂結(jié)構(gòu)
Anammox的應(yīng)用研究——第一座示范工程
Kuenen教授的另一位主要助手Mark van Loosdrecht教授則在Anammox的實際應(yīng)用方面有很大的貢獻(xiàn)。他利用數(shù)學(xué)模型作為研究工具，并在公司的協(xié)助下，建立了全球第一座Anammox示范工程——荷蘭鹿特丹Dokhaven污水廠。他在2007年和2014年在《Science》上發(fā)表了關(guān)于厭氧氨氧化方面的文章。
Mark van Loosdrecht教授
Anammox的國際工程應(yīng)用
目前，Anammox主要用于污泥消化液和含高氨氮工業(yè)廢水的處理，且技術(shù)發(fā)展已較為成熟，在美國、德國、瑞士等有較多的應(yīng)用案例。
根據(jù)Anammox污泥形態(tài)的不同，目前Anammox工藝分為以絮體為主的DEMON工藝、以生物膜為主的ANITA工藝和以顆粒為主的ANAMMOX工藝。
1.DEMON(懸浮)——奧地利Strass污水廠
奧地利Strass污水處理廠是全球首座采用DEMON的污水廠。污泥消化液的厭氧氨氧化主要有兩個方面的核心技術(shù)：一是基于pH的DO實時控制短程硝化，另一個是基于物理分離技術(shù)實現(xiàn)雙泥齡，采用旋流分離器(DEMON1.0)，后改進(jìn)為微篩選擇器(DEMON2.0)。Strass污水廠目前在厭氧氨氧化做的非常成功，氨氮去除率約80%，總氮去除率20%-25%，出水氨氮控制在5mg/L以下。目前這種工藝在美國、德國、瑞士等也都做的非常好。
2.ANITATMMox(生物膜) ——瑞典Sjölunda污水廠
瑞典Sjölunda污水廠是全球首座采用ANITATMMox生物膜的污水廠，核心技術(shù)是MBBR，借助填料富集并長期持有厭氧氨氧化細(xì)菌。Sjölunda污水廠之后對工藝進(jìn)行了改進(jìn)，包括用IFAS 進(jìn)行工藝改進(jìn)，氨氮的去除率獲得更進(jìn)一步的提升，比MBBR工藝提高了200%~300% 。
3.ANAMMOX®(顆粒)—— 荷蘭Olburgen污水廠
荷蘭Olburgen污水廠污水主要來自世界第四大馬鈴薯加工廠，采用其獨創(chuàng)的Anammox顆粒技術(shù)—— PhospaqTM既可去除80%磷，又利用厭氧氨氧化去除90%的氨氮，這是世界上第一次將PhospaqTM和厭氧氨氧化技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用。
4.Mainstream/懸浮生長——新加坡樟宜再生水廠
除了污泥消化液、工業(yè)廢水，近五年全球擴大了對Anammox在城市污水主流程中的應(yīng)用。新加坡樟宜再生水廠是新加坡最大的再生水廠，也是國際上首個強化生物除磷與厭氧氨氧化在大型污水廠共存的案例。短污泥齡和適宜溶解氧是實現(xiàn)懸浮游離厭氧氨氧化菌生長的必要條件，在好氧區(qū)實現(xiàn)部分硝化和亞硝酸鹽積累，缺氧區(qū)進(jìn)行厭氧氨氧化反應(yīng)(脫氮貢獻(xiàn)率30%)，整體工藝能耗降低10%-30%，池容減少10%-40%。新加坡公用事業(yè)局的科學(xué)家曹業(yè)始博士在該污水廠Anammox技術(shù)的設(shè)計和應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用。
厭氧氨氧化的出現(xiàn)，使得污水處理廠從耗能除污的末端，有機會轉(zhuǎn)化為零能耗或者能量輸出的化工廠，并以其自身強大的優(yōu)勢將推動污水處理工藝呈現(xiàn)“革命性” 改變，也是中國污水處理概念廠重點關(guān)注的核心技術(shù)之一。從上世紀(jì)厭氧氨氧化菌被帶回國內(nèi)引燃環(huán)境界的研發(fā)熱潮至今，厭氧氨氧化技術(shù)在中國的研發(fā)、應(yīng)用持續(xù)升溫，但也面臨著國內(nèi)生活污水進(jìn)水高C/N比、低氮濃度以及低溫環(huán)境等挑戰(zhàn)。
Anammox菌種被帶回中國——中國開展厭氧氨氧化系統(tǒng)研究
浙江大學(xué)鄭平教授，被稱為中國Anammox之父，自上世紀(jì)80年代初開始，長期從事環(huán)境微生物與廢水生物處理方面的教學(xué)和科研工作。
浙江大學(xué)鄭平教授
上世紀(jì)90年代，鄭平教授將荷蘭的一些Anammox菌種帶回國內(nèi)開始了長期的研究，主要做了三方面的工作：一是Anammox菌種的研究；二是基于Anammox的菌種的工藝研究；三是基于Anammox的菌種的裝備研究。其主要目標(biāo)是取得更高的容積去污能力、更低的運行成本和更穩(wěn)定的工藝性能。
鄭平教授團隊改進(jìn)的Anammox工藝容積效能達(dá)到文獻(xiàn)報道最高值(74.3~76.7kg N·m-3·d)，并成功應(yīng)用于浙江的海森藥業(yè)有限公司廢水處理工程，這是中國第一個厭氧氨氧化廢水處理的實際工程。
此外，鄭平教授指導(dǎo)的學(xué)生注冊公司，在Anammox技術(shù)處理禽畜養(yǎng)殖廢水、制藥、光伏廢水方面作出了突出貢獻(xiàn)。
鄭平教授以前的學(xué)生--浙江大學(xué)胡寶蘭教授研究了Anammox細(xì)菌在中國不同自然生態(tài)系統(tǒng)中的分布及貢獻(xiàn)。她發(fā)現(xiàn)，Anammox細(xì)菌廣泛存在于不同的自然生境中，且沉積物的有機碳和無機氮是影響Anammox分布的主要因素。她還發(fā)現(xiàn)人類活動影響了Anammox菌的分布，甚至特定Anammox菌可作為人類活動的指示菌。
浙江大學(xué)胡寶蘭教授
鄭平教授的另一位學(xué)生--杭州師范大學(xué)金仁村教授對Anammox技術(shù)的研究也做出了重要貢獻(xiàn)：解決了Anammox工藝的低溫運行技術(shù)難題；篩選出了Anammox工藝關(guān)鍵抑制因子，掌握了相應(yīng)的調(diào)控對策；研發(fā)出Anammox菌種的篩選、培養(yǎng)、保藏和重激活的系統(tǒng)方法。
杭州師范大學(xué)金仁村教授
在截止到2018年6月份的全球發(fā)表的Anammox研究的SCI論文統(tǒng)計中，Mike Jetten教授發(fā)表的論文數(shù)最多，其次就是金仁村教授。彭永臻院士、鄭平教授和Mark van Loosdrecht教授的Anammox論文數(shù)分別列全球第3、4和5位。這也從側(cè)面反映了我國學(xué)者對Anammox研究的重要貢獻(xiàn)。
我自己的實驗室也曾開展過關(guān)于Anammox的研究工作，嘗試?yán)闷胀ǖ暮醚躅w粒污泥作為培養(yǎng)接種污泥，歷經(jīng)近5個月培養(yǎng)出了結(jié)構(gòu)密實、活性良好的Anammox顆粒污泥，為Anammox種污泥的獲取找到了一個途徑。
北京排水集團的“紅菌”脫氮技術(shù)研究和中試
彭永臻院士的學(xué)生--張樹軍博士在到北京城市排水集團工作之后，在公司的持續(xù)支持下開展了“紅菌”脫氮技術(shù)的研究工作，從實驗室研究到中試及示范再到產(chǎn)業(yè)化推廣都取得了不錯的成果。
北京城市排水集團張樹軍博士
張樹軍博士取得了四個方面的成果：研發(fā)了生產(chǎn)性規(guī)模的紅菌富集和純化技術(shù)；芮諾卡紅菌生物脫氮工藝及集成技術(shù)；紅菌種菌生產(chǎn)、儲存及復(fù)壯技術(shù)；低碳氮比城市污水厭氧氨氧化脫硫技術(shù)。這種情形是國內(nèi)水業(yè)不多見的優(yōu)秀案例。
工程應(yīng)用：Mainstream/生物膜——西安第四污水處理廠
西安第四污水處理廠設(shè)計總規(guī)模50 萬噸/天，一期規(guī)模為25 萬噸/天，采用倒置A/A/O工藝，執(zhí)行一級B排放標(biāo)準(zhǔn)，后經(jīng)升級，改造為正置A/A/O工藝，在缺氧及厭氧池投加填料并延長HRT，通過攪拌+曝氣實現(xiàn)填料流化，出水水質(zhì)成功由一級B提升為一級A標(biāo)準(zhǔn)。
該廠的MBBR在長期運行后，缺氧池和厭氧池內(nèi)所投加填料表面生物膜呈現(xiàn)微紅色。由于Anammox細(xì)菌富含細(xì)胞色素c等蛋白，紅色為其區(qū)別于其他脫氮微生物的特征顏色。這暗示Anammox有可能在填料表面實現(xiàn)了富集。
國內(nèi)不同單位通過污泥厭氧氨氧化活性測試、基因組學(xué)測序、同位素示蹤反應(yīng)等多種手段的綜合檢測，得出兩個結(jié)論：
填料上確實富集了Anammox細(xì)菌，其豐度顯著高于懸浮污泥；
Anammox參與到污水脫氮過程，且對TN脫除的貢獻(xiàn)率約占15%。
西安第四污水廠Anammox現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)像我們提出了如下的問題：
西安第四污水廠現(xiàn)象發(fā)生的機制是什么？
邊界條件是什么？
如何進(jìn)一步優(yōu)化以提升Anammox對TN去除的貢獻(xiàn)率？
西安第四污水廠現(xiàn)象是偶然還是必然現(xiàn)象？
如何在其它實際工程中完整復(fù)制？
Anammox在城市污水主流程實際應(yīng)用的挑戰(zhàn)
一是如何在低溫條件下高效穩(wěn)定運行？Anammox菌的活性隨著溫度降低而下降， 但只要運行控制得當(dāng)，該過程是可以在適中溫度下進(jìn)行。
二是如何在高C/N對比、低氮濃度以及低溫環(huán)境下淘汰或者抑制異養(yǎng)反硝化菌DNB和亞硝酸鹽氧化菌NOB？一些控制策略如：殘余氨氮、DO限制、短暫缺氧、進(jìn)水COD限制、好氧SRT的控制等能夠?qū)崿F(xiàn)對DNB和NOB的淘汰和抑制。
三是如何有效保證Anammox菌在反應(yīng)器內(nèi)有足夠的生物停留時間從而抵消其低生長速率的影響？ Anammox反應(yīng)器的載體或者生物擴增可實現(xiàn)生物持留效果。
Anammox技術(shù)應(yīng)用的啟示
從研究的角度，首先要重視對偶然性結(jié)果的深入剖析，如果一開始沒有科研人員對實驗中現(xiàn)象反復(fù)的長時間的投入研究，就難以有Anammox的發(fā)現(xiàn)；其次是論文發(fā)表的必要性以及文獻(xiàn)閱讀的重要性，如果沒有Engelbert Broda教授1977年發(fā)表的關(guān)于自然界氮循環(huán)熱力學(xué)分析的論文，還有Kuenen課題組成員的閱讀，或許厭氧氨氧化的發(fā)現(xiàn)還要推后很多年；再次是基礎(chǔ)研究的重要性，好的基礎(chǔ)研究可以推動厭氧氨氧化的發(fā)展；此外，眾人拾柴火焰高，科研人員的合作對于新技術(shù)的研發(fā)是十分重要的。
從技術(shù)的角度，一開始Anammox的技術(shù)應(yīng)用就找到了絕佳切入點——高溫、高氨氮的污泥消化液；隨后發(fā)現(xiàn)Anammox菌對有機物、重金屬、毒物等具有超強的耐受力；Anammox技術(shù)開創(chuàng)了功能菌在復(fù)雜污水處理系統(tǒng)實際應(yīng)用的先河；盡管污水處理系統(tǒng)極其復(fù)雜，功能微生物能夠在其中發(fā)揮重要的作用。
從基礎(chǔ)研究到實際應(yīng)用的過程并不對立，這個過程需要一個投入和成長的過程，還需要產(chǎn)學(xué)研的協(xié)同合作來實現(xiàn)。
致謝
感謝鄭平教授(浙江大學(xué))、胡寶蘭教授(浙江大學(xué))、王偉副教授(合肥工業(yè)大學(xué))、金仁村教授(杭州師范大學(xué))、黃寶成博士(杭州師范大學(xué))和張正哲同學(xué) (同濟大學(xué))提供的寶貴資料。
原標(biāo)題：JIEI | 俞漢青：厭氧氨氧化廢水處理技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用啟示(完整版)