俞汉青：厌氧氨氧化废水处理技术发展和应用启示（上）

11月30日，中国科学技术大学教授俞汉青在由水环境与水生态分会主办的2018首届中国城市水环境与水生态发展论坛上，发表了《厌氧氨氧化废水处理技术发展和应用的启示》主题报告，讲述了厌氧氨氧化技术发现、发展和应用的历史，特别是总结梳理了其在中国的研究和工程进展，系统且非常生动。我们根据现场录音和整理成文，将分两期与读者分享。

污水脱氮是近40年环境工程界最活跃的研究领域之一，从硝化-亚硝化，到反硝化脱氮、甲醇反硝化，再到同时硝化-反硝化、短程硝化-反硝化，脱氮技术不断取得创新发展，并产生了厌氧氨氧化（Anaerobic ammonia oxidation，Anammox）这样一项污水处理的颠覆性技术，开创了功能菌在复杂污水处理系统实际应用之先河。

从作为自然界的现象被发现，到基础研究、工程应用，厌氧氨氧化技术发展也经历了大约40年时间，这是一个需要投入和成长的过程，离不开该领域一大批人的基础研究、论文成果和产学研的协同合作。

什么是Anammox？

Anammox是在无氧条件下，以氨为电子供体、亚硝酸为电子受体，产生氮气和硝酸的生物反应。Anammox包括两个过程：一是分解（产能）代谢，即以氨为电子供体，亚硝酸盐为电子受体，两者以1:1的比例反应生成氮气，并把产生的能量以ATP的形式储存起来；二是合成代谢，即以亚硝酸盐为电子受体提供还原力，利用碳源二氧化碳以及分解代谢产生的ATP合成细胞物质，并在这一过程中产生硝酸盐。厌氧氨氧化菌 (Anaerobic ammonia oxidation bacteria, AnAOB) 是厌氧氨氧化的实施者。

NH₄⁺+ NO₂^-= N₂+ 2H₂O，ΔG=-358kg/mol

（ANAMMOX）

厌氧氨氧化菌

Anammox现象的发现

第一个对厌氧氨氧化现象进行探索的人是奥地利理论化学家Engelbert Broda，他在1977年发表关于氮循环的论文，基于热力学分析而指出自然界可能存在由微生物主导的氨氮与亚硝氮反应生成氮气的反应。

Engelbert Broda (1910 -1983) 

奥地利理论化学家

20世纪90年代初，荷兰代尔夫特理工大学 Kuenen教授指导的学生Arnold Mulder在运行一个三级废水生物脱氮反应器时，观察到第二级流化床反应器中氮“不明去向”的大量消失。

Johannes Gijsbrecht Kuenen教授

（原荷兰微生物学学会会长）

Mr. Arnold Mulder

之后，van de Graaf开展大量的探索工作，他们结合Broda博士的化学热力学预测，在国际上首次发现了Anammox现象。

van de Graaf博士

Anammox的基础研究

Anammox现象被发现之后，Kuenen教授的一位主要助手Mike Jetten博士专注于Anammox的微生物学研究，并在加盟荷兰奈梅亨大学微生物系之后，组织团队展开了长期的基础研究工作，发现和培养了新的参与氮、硫和碳转化的微生物，采用分子生物学、结构化学和宏基因组学从基因、细胞、个体和生态系统水平揭示相关微生物的反应机理。

M.S.M. Jetten教授

荷兰奈梅亨大学微生物系

他的主要学术贡献是：

• 发现Anammox微生物新种。Anammox目前包含5个属的微生物，Jetten教授团队对其中4个属微生物的发现都起到了非常重要的作用。

• 探明 Anammox反应的微生物机理。Jetten教授团队阐明了Anammox反应的代谢路径与菌种独特细胞结构，发现了Anammox微生物的生态多样性，确认厌氧氨氧化细菌的身份——隶属于浮霉菌门（planctomycete），生长缓慢，倍增时间长达2周 。在这之后他们进一步探究了联胺合成酶的结构，结合分子生物学实验验证了Anammox的过程机理，并发现anammox细菌在自然界中广泛分布，是自然界氮循环中至关重要的一环 。

Anammox细菌具有致密的厌氧氨氧化体及独特的阶梯烷膜脂结构

Anammox的应用研究——第一座示范工程

Kuenen教授的另一位主要助手Mark van Loosdrecht教授则在Anammox的实际应用方面有很大的贡献。他利用数学模型作为研究工具，并在公司的协助下，建立了全球第一座Anammox示范工程——荷兰鹿特丹Dokhaven污水厂。他在2007年和2014年在《Science》上发表了关于厌氧氨氧化方面的文章。

Mark van Loosdrecht教授

Anammox的国际工程应用

目前，Anammox主要用于污泥消化液和含高氨氮工业废水的处理，且技术发展已较为成熟，在美国、德国、瑞士等有较多的应用案例。

根据Anammox污泥形态的不同，目前Anammox工艺分为以絮体为主的DEMON工艺、以生物膜为主的ANITA工艺和以颗粒为主的ANAMMOX工艺。

1.DEMON(悬浮)——奥地利Strass污水厂

奥地利Strass污水处理厂是全球首座采用DEMON的污水厂。污泥消化液的厌氧氨氧化主要有两个方面的核心技术：一是基于pH的DO实时控制短程硝化，另一个是基于物理分离技术实现双泥龄，采用旋流分离器（DEMON1.0），后改进为微筛选择器（DEMON2.0）。Strass污水厂目前在厌氧氨氧化做的非常成功，氨氮去除率约80%，总氮去除率20%-25%，出水氨氮控制在5mg/L以下。目前这种工艺在美国、德国、瑞士等也都做的非常好。

2.ANITATMMox(生物膜) ——瑞典Sjölunda污水厂

瑞典Sjölunda污水厂是全球首座采用ANITATMMox生物膜的污水厂，核心技术是MBBR，借助填料富集并长期持有厌氧氨氧化细菌。Sjölunda污水厂之后对工艺进行了改进，包括用IFAS 进行工艺改进，氨氮的去除率获得更进一步的提升，比MBBR工艺提高了200%~300% 。

3.ANAMMOX®(颗粒)—— 荷兰Olburgen污水厂

荷兰Olburgen污水厂污水主要来自世界第四大马铃薯加工厂，采用其独创的Anammox颗粒技术—— PhospaqTM既可去除80%磷，又利用厌氧氨氧化去除90%的氨氮，这是世界上第一次将PhospaqTM和厌氧氨氧化技术的结合应用。

4.Mainstream/悬浮生长——新加坡樟宜再生水厂

除了污泥消化液、工业废水，近五年全球扩大了对Anammox在城市污水主流程中的应用。新加坡樟宜再生水厂是新加坡最大的再生水厂，也是国际上首个强化生物除磷与厌氧氨氧化在大型污水厂共存的案例。短污泥龄和适宜溶解氧是实现悬浮游离厌氧氨氧化菌生长的必要条件，在好氧区实现部分硝化和亚硝酸盐积累，缺氧区进行厌氧氨氧化反应（脱氮贡献率30%），整体工艺能耗降低10%-30%，池容减少10%-40%。新加坡公用事业局的科学家曹业始博士在该污水厂Anammox技术的设计和应用中发挥了重要作用。

未完待续，敬请期待《俞汉青：厌氧氨氧化废水处理技术发展和应用启示（下）——厌氧氨氧化在中国》

致谢

感谢郑平教授（浙江大学）、胡宝兰教授（浙江大学）、王伟副教授(合肥工业大学)、金仁村教授(杭州师范大学)、黄宝成博士(杭州师范大学)和张正哲同学 (同济大学)提供的宝贵资料。

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