纖維球濾料廠家厭氧氨氧化在全球的發展

　　纖維球濾料生產廠家厭氧氨氧化在全球的發展Gist-Brocades酵母廠位于荷蘭鹿特丹市市中心，由于工廠產生大量臭雞蛋味的氣體和含硫廢物，因此該廠并不受當地人歡迎。為了討好廠區附近的鄰居，該公司設計了一道除味的工藝，就是用厭氧池來取代密閉出水。因此該廠將80年代中期建的一所中試改成厭氧池，使得硫化物濃度有所下降。但是，當居民在呼吸上松了一口氣后，廠里的工人們卻注意到了一個奇怪的現象。道理上，氨需要氧進行降解，所以工程師認為厭氧池中的氨氮濃度應該保持不變。但是幾個月后，氨濃度仍繼續降低，并且開始產生氮氣。

　　【1】新革新的出現--厭氧氨氧化

　　出于好奇，該工廠聯系了戴爾福特工業大學的生物學家Gijs Kuenen。Kuenen猜測可能是厭氧菌的作用，厭氧菌可能會利用氨和亞硝生成氮氣和水。細菌能夠進行厭氧氨氧化或厭氧氨氧化反應的觀點大約在10年前就已經被提出，但大部分微生物學家都持懷疑態度，因為之前從來沒有發現過這種菌，并且也從沒見自然發生過。

　　Kuenen意識到神奇的厭氧氨氧化菌可能會提供一個新的污水處理方法，如果在其他地方也有所發現，那么該菌在自然界中將會非常重要。所以Kuenen決定要研究一下。他的前博士生Marc Strous說“這是一個勇敢的舉動，”Marc Strous目前在荷蘭的內梅亨大學，“Kuenen開始研究一些他所有同事都認為不存在的東西。”

　　在氮循環中的作用

　　電子顯微鏡有助于揭開未知世界。一次近距離的觀察發現，這些微生物體都居住在一個陌生的、內部的、膜結合的隔室內。這是個很大的驚喜，因為就好像跟人類本身細胞一樣，只有更加復雜(或真核)的細胞才有這種隔室，我們稱為細胞器。簡單的“原核”細胞和細菌都沒有細胞器。目前我們只知道一種菌，浮霉菌，具有這種結構，因此證明這種微生物屬于該門。

　　浮霉菌非常奇特，因為它同時含有生活中細菌、真菌和古菌三大菌屬的功能，因此有些人認為該菌在早期可能跟三大菌屬是同一個祖先。DNA的研究將它們明確歸類為細菌屬。但是他們的內部細胞器使它們更像真菌。同時，該微生物細胞壁中缺少剛性聚合肽聚糖，這使得它們又類似于單細胞膜的古菌。Strous說“它們的出現模糊了細菌的定義”。;

　　我們并不知道浮霉菌能否進行厭氧氨氧化反應，但Kuenen的團隊用氨和亞硝培養出了厭氧氨氧化菌，并觀察到培養底物的消失。基因分析證實了該微生物，它們臨時命名為Brocadiaanammoxidans;anammoxidans是它們獨特的生物化學特性，Brocadia是它們被發現的地方，由于該菌鮮紅的顏色從而留給研究者們美好而深刻的印象。

　　本文發表以后，所有同事的觀點一夜之間全部都改變。MikeJetten也是內梅亨大學微生物學家，并且繼續從事該項工作，他說“這是一個真正的轉折點”。在文章發表前，多數微生物學家不相信會發生厭氧氨氧化。但這之后，該理論得到了廣泛的認同，并且厭氧氨氧化菌在地球氮循環中也有了它們應有的位置。

　　氮循環可以將穩定的氮氣轉換成更加有用的形式，例如氨和硝酸鹽離子，然后再返回成氮氣，從而維持全球氮平衡(見背面圖)。氮氣通過固氮微生物直接轉換成氨，例如土壤中與之相關的植物根系。植物和動物消耗氨，而當他們死亡并分解后又將其釋放出來。下一步是硝化菌和古菌將氨轉換成亞硝酸鹽和硝酸鹽，然后反硝化微生物再將硝酸鹽轉換成氮氣補給到大氣中，該循環結束。而厭氧氨氧化在整個循環過程中走了個捷徑，創造了一個由氨和亞硝直接轉換成氮氣的途徑。

　　實際上，這些細菌能擁有這么一種絕技已經是足夠卓越了。但是當研究者研究它們是怎么做到時，又出現了更多的驚喜。研究結果顯示，厭氧氨氧化反應發生在胞內膜或厭氧氨氧化體中，且產生聯氨作為中間產物。為什么該菌會產生聯氨(一種強效的火箭燃料)?并且這種爆炸分子在自然的任何地方都找不到。Jetten說“我們仍然困惑的是發生了什么”。

　　價值

　　或許該過程需要高能聯氨來驅動厭氧氨氧化反應。但是并不知道這些細菌是怎樣管理它們產生的有毒的聯氨并且不殺死細菌本身。由于聯氨能夠在細胞膜間輕松的擴散，所以Jetten懷疑厭氧氨氧化體的生物膜絕對是不同尋常的，該生物膜能防止肼擴散，甚至有些情況下可以包含危險載體。

　　他聯系了來自NetherlandsInstitute從事海洋研究的脂質專家Jaap Sinninghe Damsté，并一起分析了細胞器膜。其結果又是一項非凡的發現。“我們將結果其展示給阿姆斯特丹大學的有機化學家們，而他們說這些都是不可能的” Damsté說。

　　這些生物膜的脂質由五個碳環融合在一起形成一個密集的階梯。這種“梯形烷”脂質是獨特的，因為它需要大的能量建成，并且很不穩定。可以認為，這種結構使得該膜非常致密，所以能夠阻止聯氨泄漏到細胞其余地方。“這完全是一個謎，大自然怎會創造出這種脂質”來自哈佛大學的有機化學家兼諾貝爾獎獲得者Elias Corey說道，目前Elias Corey已經在實驗室構造出該脂質的結構。科學家們目前正在解析該菌的基因組，目的是想解釋這種生物膜是怎么形成的。荷蘭團隊已經對生產這種脂質的工藝申請專利，希望微電子產業能夠為這種堅不可摧的膜提供一個用武之地。

　　厭氧氨氧化菌最實際的應用在于污水的處理。污水廠和一些制造化肥或精煉石油的工廠會產生數百萬升富含氨的廢水，所有的這些含氮廢水都需要降解掉。傳統方法是使用硝化菌將氨轉換成亞硝酸鹽或硝酸鹽，然后反硝化菌再將其還原成氮氣。硝化過程的微生物需要氧氣，并且需要巨量的氧氣，因此一些機器就要耗費大量的電來為這些污泥進行曝氣。不但如此，反硝化過程還需要外碳源，例如甲醇，甲醇燃燒又會產生二氧化碳。所以，這種工藝是代價高昂的，不僅占用大量空間還對環境不好。

　　而厭氧氨氧化污水處理工藝的形成，提供了重要的優勢。厭氧氨氧化菌能夠利用氨作為他們的能源，這就不需要再用昂貴的甲醇。并且該反應不需要氧氣，所以厭氧氨氧化工藝會消耗更少的電量。該工藝不僅不產生二氧化碳，反而還會消耗它，所以該工藝是非常環保的。總之，與傳統的工藝相比，厭氧氨氧化工藝會減少90%的運行費并節省50%的空間面積。

　　荷蘭Paques公司，總部位于Balk，該公司已經開發出第一個厭氧氨氧化反應器。原型已經建成，并且作為鹿特丹城市污水處理廠的一部分，現在運行良好。

　　雖然厭氧氨氧化很可能成為污水處理中重要的一部分，但是它在廣闊的世界里中作的用可能是更深遠的。海洋學家對厭氧氨氧化的研究推斷，如果該反應能夠在缺氧池中進行，那么也可能在海洋中的部分貧氧區發生，有助于海洋中氮循環。如果是這樣的話，這將會解決一個40年之久的海洋之謎。

　　在60年代中期，來自西雅圖華盛頓大學的Francis Richards注意到，在缺氧的海灣，氨總是莫名其妙的減少。他推測這些氨一定是在厭氧條件下被氧化成氮氣，要么是無機的，要么是通過一些未知的微生物。當時，海洋學家覺得這個想法很荒謬。

　　但是到了2001年12月，來自德國不萊梅馬克斯普朗克研究所的Marcel Kuypers(從事海洋微生物研究)和它的同事決定去黑海對厭氧氨氧化菌進行調查，而黑海則是全球最大的缺氧流域。

　　這個團隊從水下85到100米深的地方取水樣，因為在該深水層氧氣是不存在，并且發現該水層中只含有微量的氨。正如推測的那樣，海洋中也發現了厭氧氨氧化菌，這也是他們首次在海洋中發現該菌。厭氧氨氧化菌是異常高效的，并且認為海洋中氮氣的產生，一半是來自厭氧氨氧化菌。該現象迫我們使對全球氮循環進行一次重大的反思，并且慢慢說服海洋學家反硝化菌并不是唯一產生氮氣的群體。

　　在確定了厭氧氨氧化菌的存在后，我們也同樣對它們在這個星球上的能力進行了驗證。發現，厭氧氨氧化菌無處不在的，在淡水中、咸水中、公海、海洋沉積物以及污水處理廠都有發現。“有一天你發現了一個被認為是不可能的現象，”Kuenen說，“然后10年后這種現象被證實是無處不在的，并且在全球范圍都是很重要的。它們甚至可能躲在你的廚房水槽的排水系統中。”

　　【2】關于厭氧氨氧化——不得不知道的事

　　關于厭氧氨氧化——不得不知道的事

　　目前在國內外水處理行業，厭氧氨氧化已經是家喻戶曉的概念。我們都知道厭氧氨氧化能成功減少污水廠六成的能源消耗、節省一至兩倍的開銷，也減少了九成的二氧化碳排放，成為當下國際上研究最為火熱的課題。但是，我們對厭氧氨氧化真的非常了解嗎?第一個發現厭氧氨氧化的人是誰、誰又是第一個建立厭氧氨氧化實際工程……下面讓小編帶你一起漲姿勢。

　　一、厭氧氨氧化究竟有多熱

　　在目前的污水處理領域，如果說不知道厭氧氨氧化技術，真覺得有點不好意思。

　　(1)厭氧氨氧化是未來概念廠的核心技術

　　(降低能耗)由于厭氧氨氧化工藝是在厭氧條件下直接將氨氮和亞硝氮轉化成氮氣，同時在好氧段只需將氨氮氧化為亞硝氮，省略后續亞硝氮氧化為硝態氮，所以節省了曝氣量。

　　(能源回收)厭厭氧氨氧化菌將傳統反硝化過程所需的外加碳源全部省略，污水中的有機物可最大限度的進行回收產甲烷，而不是被氧化成二氧化碳。產生的甲烷又可以作為能源重新利用，從而使污水變廢為寶，成為“液體黃金”。

　　因此說，厭氧氨氧化的出現使得污水處理廠從耗能除污的末端，有機會轉化為零能耗或者能量輸出的化工廠。

　　(2)厭氧氨氧化獲得了第五屆“李光耀水源榮譽大獎”

　　荷蘭專家Mark van Loosdrecht成為“第五屆李光耀水源獎”得主。《聯合早報》記者黎遠漪報道，馬克·梵·洛斯德萊特(Mark van Loosdrecht)對厭氧氨氧化技術的發明已廣受多國的采納，而公用事業局在兩年前也已在樟宜水供回收廠就這個方法進行實驗性測試計劃，至今的測試結果相當正面，發言人預計若進展一切順利，可在一年內進行更大規模的測試。

　　(3)厭氧氨氧化近年來學術文章的發表數量呈井噴姿態

　　下圖是web of science 中以anammox檢索的文獻數量。圖中可以看出，從1996年第一篇有關厭氧氨氧化的文章問世，一直到2014年刊載243篇，厭氧氨氧化文章年發表量呈指數增長。可見厭氧氨氧化技術目前在國際上研究是多么火熱。

　　二、“五個1”說明厭氧氨氧化的發現到底有多偶然

　　1 個100年以來的觀點

　　長期以來大家都認為氨氮只能在有氧的條件下被氧化，根本不相信有厭氧氨氧化的存在。因此對于此觀點，就需要非常大的勇氣去質疑。

　　1 個很容易被忽視的預測

　　1979年，Broda發表了厭氧氨氧化反應可能存在的預測。但是“不是很多人看了這個文獻，看過這個文獻的人也不一定記得”。甚至有人嘗試富集，但是沒有成功。

　　1 個富集了厭氧氨氧化菌的反應器。

　　事實證明，在某些運行的高氨氮廢水處理工程中，厭氧氨氧化現象會自然發生。但是對于不明的氮損失，大家或傾向于忽視，或傾向于用原有理論解釋。大家想想青霉素發現的故事就可以理解了。

　　1 次工程界和科研界的會晤。

　　發現厭氧氨氧化現象的工程師Mulder，有著敏銳的洞察力，將Anammox申請為專利。更重要的是，他想用科學來解釋這個現象。于是和戴爾福特大學教授Kunen就此事交換了意見。從后續的事情來看，這次會面完全改寫了歷史的發展過程。

　　1 個有能力和有魄力的科學家

　　Kuene一直是小編的偶像之一。Kuene與Mulder交談完后，說“我記得我在10年前讀過一篇報道該現象的文章”。(這也太牛了，上星期的文獻小編基本都不記得)。Kuene的回憶使他產生了研究興趣，更重要的是，他有錢有實驗室還有博士生。他開始著手研究，他自己的女博士生格拉芙也顯得異于常人的勇氣，接受了對當時認為不存在的微生物的研究，幸運的是真發現了厭氧氨氧化，并取得了成功。 最后，為了對科學家Gijs Kuenen的紀念，國際上將厭氧氨氧化菌的第一個鑒定的菌屬命名為Candidatus “Kuenen”。

　　寫到這里小編突然想起Malcolm Gladwell的《UTLIERS - The Story of Success》書中對于成功的定義：歷史的發展總是很難預測，你不知道接下來哪里會有突破，這里面有智慧，勤奮，也有一定的運氣。

　　三、厭氧氨氧化的爆炸性效應

　　這個發現就像在懸崖上滾落的雪球，從此全球氮素循環，生命演替歷程，污水處理發展都發生了翻天覆地的變化。

　　首先，厭氧氨氧化菌的出現“模糊了細菌的定義”。因為DNA的研究將它們明確歸類為細菌屬，但是他們的內部細胞器使它們更像真菌。同時，該微生物細胞壁中缺少剛性聚合肽聚糖，這使得它們又類似于單細胞膜的古菌。所以Strous說“它們的出現模糊了細菌的定義”。

　　其次，厭氧氨氧化現象的發現，使全球氮循環也發生變化，因為厭氧氨氧化在整個循環過程中走了個捷徑，創造了一個由氨和亞硝直接轉換成氮氣的途徑。

　　最后，厭氧氨氧化技術一旦成熟，那么它將以其自身強大的優勢迫使“污水處理工藝的改變”。

　　【3】不可不知的專業詞

　　Anammox(Anoxic ammonium oxidation)：

　　厭氧氨氧化

　　Single-stage anammox process：

　　單級厭氧氨氧化工藝

　　One-stage anammox process：

　　一段式厭氧氨氧化工藝

　　Partial-nitrification anammox process(PN/A)：

　　短程硝化-厭氧氨氧化工藝

　　Nitritation-anammox process：

　　亞硝化-厭氧氨氧化工藝

　　以上均指的是短程硝化反應和厭氧氨氧化反應在同一個反應器中同時進行，即氨氧化菌(AOB)和厭氧氨氧化菌(anammox-bacteria)同時存在。

　　典型的一體化工藝：

　　OLAND：

　　(oxygen limited autotrophic nitrification denification)限氧自養硝化反硝化工藝。最初由比利時根特大學的Willey教授在1998年提出，這位也是大牛，有興趣可以搜搜他的文章。這個名稱從限氧出發，意在從運行條件說明工藝特點。

　　CANON：

　　(Completelyautotrophic ammonium removal over nitrite)基于亞硝的全稱自養脫氮工藝。這個名稱主要是從機理出發，可能主要是為了區別其他的自養反硝化。該工藝開發和提出，目前在中文期刊中，常見到一體式厭氧氨氧化工藝常采用這種說法。但是小編不常用這個說法，第一CANON像是佳能相機，像是卡農鋼琴曲，猛一看還像加農炮(CANNON)。

　　DEMON：

　　原來的名字是deammonification。因為進水時氨氮，出來全部沒有了，也不知道以什么途徑去除，就起名為脫氨工藝。后來在推廣過程中，這個名字偏長而且不太好記憶，就簡化成了DEMON。

　　還有一些水務公司注冊的商標，如威立雅的ANITA Mox。實質脫氮原理類似，也是利用氨氧化菌(AOB)和厭氧氨氧化菌(AAOB)的協同作用，將短程硝化和厭氧氨氧化置于同一反應器中進行脫氮。

　　Two-stage anammox process兩段式工藝：

　　短程硝化和厭氧氨氧化反應各在一個反應器中，即，AOB和anammox-bacteria不同時存在。在荷蘭啟動成功的第一所厭氧氨氧化實際工程案例就是兩段式。

　　目前還有一些提法，是沿用了同步硝化反硝化的簡寫，但是略有區別。如：

　　SND：

　　(simultaneous nitrification and denitrification)同步硝化反硝化

　　SNA：

　　(simultaneous nitritation andanammox)同步亞硝化厭氧氨氧化

　　SNAD

　　(simultaneous nitritation， anammox and denitrification)同步亞硝化厭氧氨氧化和反硝化

　　【4】一體化厭氧氨氧化工藝

　　首先我們了解下一體化厭氧氨氧化的技術原理：一體化厭氧氨氧化工藝是指AOB和Anammox菌存在同一反應器內，反應器在充氧的條件下，同時發生短程硝化和厭氧氨氧化反應，將進水中的氨氮直接轉化為氮氣。

　　其方程式是這樣的：

　　短程硝化(Nitritation)

　　1.32NH3+1.98O2

　　→ 1.32NO2- + 1.32H+ + 1.3H2O

　　厭氧氨氧化(Anammox)

　　NH3+1.32NO2 + H+

　　→0.26NO3- + 1.02N2+2H2O

　　整體反應(Deammonification)

　　NH3+ 0.85O2

　　→ 0.44N2 + 0.11NO3-+ 1.43H2O + 0.14H+

　　而實際上，一體化厭氧氨氧化工藝是與兩段式工藝平行發展起來的，梳理一體化工藝的發展歷史，大家會發現工程應用領域和科學研究領域之間微妙的關系。

　　一體化工藝的發展歷史

　　1.來自學術界的嘗試：

　　在厭氧氨氧化菌初期研究，有重要的一個觀點是“厭氧氨氧化菌會受到DO的抑制而失去活性”。從此在富集厭氧氨氧化菌的試驗研究中，科研工作者都會盡可能避免溶解氧對厭氧氨氧化菌增殖的抑制。小編在培養厭氧氨氧化菌試驗過程中，也對進水進行氮氣吹脫以避免氧氣影響，也經歷過氧氣混入進水導致系統脫氮效果大幅下降的情況。因此對于一體化厭氧氨氧化工藝，大家的思維慣性認知是：一體化富集培養厭氧氨氧化菌雖然可行，但是存在溶解氧抑制，一體化較之兩段式應該更加困難富集厭氧氨氧化菌。

　　但是科研工作者總是喜歡挑戰困難，并且利用事實來說明道理。因此科研工作者運用不同的工藝和啟動方式進行了一系列的嘗試和研究，通過接種厭氧氨氧化菌或者硝化污泥，控制溶解氧等，在2000年前后，就成功建立了實驗室規模的短程硝化-厭氧氨氧化系統。典型的一體化工藝有：OLAND、CANON工藝等。實驗室的研究說明一體化工藝具有技術可行性。但是實驗室中一體化工藝的負荷較之兩段式偏低，導致當時一體化工藝的推廣應用的吸引力有限。

　　2.來自工程界的現象：

　　本世紀初，郝曉地教授與Mark教授合作發文，通過模型推測在高氨氮硝化生物膜中必然存在厭氧氨氧化菌生長的條件。那么在實際的高氨氮廢水處理工程，能否觀察到厭氧氨氧化現象呢?答案是肯定的。在德國的漢諾威等一些高氨氮污水處理廠，在氨氮負荷情況下出現了不明的氮損失，用反硝化反應、同化反應等已知途徑都無法合理的解釋。2002年到科研人員應用氮示蹤和分子生物學技術確認了氮損失主要來自于厭氧氨氧化途徑。同時在世界其他各地，也陸續發現高氨氮廢水系統中紅色生物膜的出現。實際工程中出現的厭氧氨氧化現象說明一體化工藝的工程可行性。

　　3.商業化的嘗試：

　　隨著對一體化厭氧氨氧化研究的深入，人們逐漸發現，一體化厭氧氨氧化工藝具有啟動迅速、流程簡單、操作方便的優點。雖然在去除負荷等方面不及兩段式工藝，但是一體化在工程應用中的綜合優勢明顯。隨著工程建設經驗的積累和運行控制策略的完善，目前高氨氮廢水厭氧氨氧化工程已經進入到全面推廣的階段。在這個過程中有兩個公司走在了全球應用推廣的前列。

　　第一個是Paques公司。上一期介紹到，帕克公司參與了世界上首個兩段式厭氧氨氧化工程的應用研究。與此同時該公司基于荷蘭代爾夫特的技術支持，也開展顆粒污泥形式的一體化厭氧氨氧化工程示范，目前該公司主要推廣的也是該工藝形式，而帕克公司建設運行的厭氧氨氧化工程，其處理規模全球第一。

　　另外一個是DEMON公司。DEMON公司在瑞士注冊，以絮體污泥和顆粒污泥結合的形式，通過pH進行在線控制，通過旋流分離器實現菌種持留。年推測該公司可能和德國水務集團、瑞士EAWAG以及奧地利因斯布魯克大學的Benard Wett教授密切相關。目前DEMON公司建設運行的厭氧氨氧化工程，數量全球第一。

　　4.未來發展：

　　目前多家水務集團都開發了不同類型的一體化厭氧氨氧化工藝，并注冊專利技術，在國內外進行推廣。未來應用厭氧氨氧化技術處理的工程項目會不斷增加。高氨氮廢水厭氧氨氧化處理領域，還是環保領域的藍海。

　　【5】厭氧氨氧化為何用于污水處理

　　通過前幾期內容，想必大家已經對厭氧氨氧化這個概念已經有了一定的了解。厭氧氨氧化是在缺氧條件下能夠將氨氮和亞硝氮轉化成氮氣的反應，而厭氧氨氧化菌本身屬于一種自養菌。自1989年Mulder和Kuenen在厭氧流化床中發現厭氧氨氧化現象以后，厭氧氨氧化反應如雨后春筍在科學界蔓延開來。

　　在生物學領域，學者們通過基因組學研究，到目前為止已發現厭氧氨氧化菌共有5屬15種。

　　在地質學領域里，學者們發現厭氧氨氧化菌遍布全球各地。在黑海、阿拉伯海、勝利油田、冰川、地下水、峽灣沉積層及實驗室反應器內，甚至是家庭廚房的下水道里都有厭氧氨氧化菌的發現。

　　那么，為什么厭氧氨氧化會用于污水處理行業?

　　由于厭氧氨氧化細菌在自然界氮循環方面是一個革命性的發現，它們會在氮循環中可以產生“短程”現象，從而徹底改變了傳統氮循環中NH4+ 只有通過硝化—反硝化途徑才能被轉變為N2的認識。此外，厭氧氨氧化反應過程中無需有機碳源和氧的介入，因此，如果將厭氧氨氧化技術運用到污水處理中，并且能實現工程化，那就意味著污水脫氮技術有可能朝著可持續的方向發展。

　　當荷蘭人Mulder和Kuenen發現厭氧氨氧化后，當時他們想直接利用厭氧氨氧化途徑實現氮“短程”轉化的嘗試，但并沒有取得成功。在厭氧氨氧化工程應用變為現實前，荷蘭戴爾福特大學在厭氧氨氧化微生物富集和證實方面做了大量研究工作，使厭氧氨氧化在工程化方面邁進了一大步。之后，荷蘭一家公司與戴爾福特大學合作，并獲得厭氧氨氧化技術專用權，開始對厭氧氨氧化技術進行工程化應用。此外，在歐洲以及亞洲等地也相繼看到厭氧氨氧化技術的中試和應用實例。

　　從污水處理工程應用角度看，厭氧氨氧化過程比傳統硝化—反硝化脫氮方式具有明顯優勢。這一過程可以徹底改變過去需要通過投加電子供體(碳源)才能脫氮的傳統途徑(反硝化)，無需外加碳源。同時，厭氧氨氧化過程不需要曝氣，降低曝氣能耗，厭氧氨氧化也可以使剩余污泥產量降至最低，從而節省大量的污泥處置費用。如果將厭氧氨氧化以顆粒污泥的形式富集于反應器中，便能維持較高的容積負荷率，這樣不僅可以節省占地，還可以節約投資。此外能量消耗減少便意味著CO2排放的降低，因此厭氧氨氧化技術還具有明顯的可持續性。

　　【6】厭氧氨氧化在污水處理中的發展史

　　上期向大家介紹了厭氧氨氧化技術為什么會用于處理廢水，并對其展開詳細解說。那么這一期小編將給大家講述厭氧氨氧化技術是如何走出試驗室，進入到實際的污水處理領域，并在世界范圍內引發了大規模的關注。

　　厭氧氨氧化技術從發現到實際工程應用，總共經歷了四個階段：

　　①起點：厭氧氨氧化反應是在一個處理高氨氮廢水的厭氧流化床中發現的。當時發現者之一 Mulder 就敏銳的判斷到了該技術在污水處理中的應用前景，并順利申請了專利。Anoxic ammoniaoxidation. US Patent 5, 078, 884 (1992). 從專利到應用經過了十年的時間，包括菌種富集、反應器設計、工程建設和啟動等方面。

　　從這個專利來看，厭氧氨氧化應該翻譯成缺氧氨氧化。至今仍有人問小編，為什么有硝酸鹽參與的反應，還會被叫做厭氧氨氧化?我總解釋說，這只是個名字，不要太在意。

　　②富集：如何應用厭氧氨氧化處理污水呢?第一步應該是怎么富集出來這種特殊的微生物。隨著人們對這種菌的研究，底物明確為氨氮和亞硝酸鹽，適宜的生長條件(pH，溫度，微量元素)，抑制因素(DO，有機物)等也逐漸清晰。最終在荷蘭戴爾福特工業大學的一個實驗室中，率先實現了厭氧氨氧化的富集。富集厭氧氨氧化的反應器有UASB、 SBR、 生物轉盤等，這些反應器經證實都是可行形式。

　　③技術流程：那么厭氧氨氧化菌富集成功后，怎么應用呢?我們都知道，厭氧氨氧化反應需要同時存在氨氮和亞硝酸鹽氮，且氨氮與亞硝氮的比例接近1:1.32。而半短程硝化反應恰好可以將進水的一半氨氮通過 AOB 傳化成亞硝酸鹽，正好滿足厭氧氨氧化反應的進水要求。而半短程硝化反應器也可以采用 SHARON， SBR 等多種形式。

　　④工程化：荷蘭相關科研人員將原有的試驗室條件下的反應器，通過數學模型直接擴大10000 倍，在鹿特丹水廠建立了兩段式 SHARON + ANAMMOX 實際工程處理污泥消化液。

　　至此，想必大家腦海中會有個疑問，為什么第一個實際工程是處理消化污泥脫水液?

　　消化污泥脫水液單獨處理對污水處理廠有諸多好處。而且其水質水量特點非常適合厭氧氨氧化工藝。首先，污泥消化液的溫度可達 30 ～ 35℃ ，恰好為后續厭氧氨氧化反應提供良好的進水溫度。其次，污泥消化液單獨處理可利用原水溫度提高微生物的活性，并且結合消化液的高氨氮的抑制作用實現穩定的短程硝化。而消化液中氨氮與堿度的比例適中，有利于控制進水中50%的氨氮被氧化，提供厭氧氨氧化反應器適宜的進水。正是因為消化液上述特點，在2014年的全球范圍內的厭氧氨氧化工程統計中，75%的項目是處理污泥消化液。

　　為什么選擇SHARON工藝?

　　荷蘭、德國等歐洲國家在污水處理新工藝和新設備開發領域一直走在世界的前列。SHARON 工藝由荷蘭開發，并且成功應用到鹿特丹水廠污泥消化液的處理中。因此，SHARON 工藝的出水可以直接提供 Anammox 的反應器的進水。

　　帕克公司設計了IC反應器形式的 Anammox 反應器，通過接種試驗室培養的anammox 種泥，歷經三年，兩段式 SHARON + ANAMMOX 工藝終于啟動成功，培養出負荷為10kg的厭氧氨氧化顆粒污泥，并保持了長時間的穩定運行。它成為世界上第一個兩段式的厭氧氨氧化實際工程，并為后續的工程應用奠定了堅實的基礎。

　　另外，第一個兩段式厭氧氨氧化工程成功啟動后，給全世界的科研和工程人員強烈的信心。如果你自己也做厭氧氨氧化工藝開發和工程應用研究，你會知道不是這個技術不行，而是還沒有找到方法或者時機未到。自此，厭氧氨氧化脫氮技術正處于推廣應用的新階段。

　　為什么荷蘭會成為厭氧氨氧化工程轉化的先行者?

　　這個原因可能有多個，小編認為最重要的一點就在于“產學研用”的模式。戴爾福特大學提供了理論和技術支持，帕克公司提供反應器設計和運行經驗，鹿特丹水廠提供了工程實踐的場所。這背后還有荷蘭國家基金的支持。工程建設成功后，大學獲得學術聲譽，水務集團獲得市場推廣的技術，水廠降低了運行費用。國內也從基金領域嘗試建立產業聯盟，支持產學研結合。但是仍然有一些問題存在，這里就不進一步討論了。

　　【7】厭氧氨氧化在中國(中國在AMX科學研究與工程應用中的貢獻)

　　一、科學研究

　　(1)以發表SCI數量統計，全球研究厭氧氨氧化的科研院所前十名單中，中國占了六席，其中中國科學院、北京工業大學(彭永臻院士SCI數量全球第三)、浙江大學(鄭平教授SCI數量全球第四)、哈爾濱工業大學分別位列全球科研院校第三、四、五、六名。

　　(2)以發表SCI數量統計，全球研究厭氧氨氧化的國家名單中，中國排名第一，前五名分別是中國、美國、荷蘭、德國、日本。

　　二、工程應用

　　(1)鄭平教授指導的學生注冊公司，在Anammox技術處理禽畜養殖廢水、制藥、光伏廢水方面作出了突出貢獻。

　　(2)彭永臻院士的學生--張樹軍博士在到北京城市排水集團工作之后，在公司的持續支持下開展了“紅菌”脫氮技術的研究工作，從實驗室研究到中試及示范再到產業化推廣都取得了不錯的成果。

　　張樹軍博士取得了四個方面的成果：研發了生產性規模的紅菌富集和純化技術;芮諾卡紅菌生物脫氮工藝及集成技術;紅菌種菌生產、儲存及復壯技術;低碳氮比城市污水厭氧氨氧化脫硫技術。這種情形是國內水業不多見的優秀案例。

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