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）
來源：JIEI創(chuàng)新實驗室（微信號：huanbaochanye）
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(tuán)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(jī)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(tuán)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(jī)理。Jetten教授團(tuán)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(jī)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(kuò)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(qiáng)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(jī)會轉(zhuǎn)化為零能耗或者能量輸出的化工廠，并以其自身強(qiáng)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(tuán)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(jī)碳和無機(jī)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(tuán)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(tuán)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(tuán)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(jī)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(kuò)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(jī)物、重金屬、毒物等具有超強(qiáng)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(jì)大學(xué))提供的寶貴資料
