焦点提醒：中国科学手艺年夜学 俞汉青：厌氧氨氧化废水处置手艺成长和利用启迪（完全版）

俞汉青：厌氧氨氧化废水处置手艺成长和利用启迪（完全版）

来历：JIEI立异尝试室（微旌旗灯号：huanbaochanye）

11月30日，中国科学手艺年夜学传授俞汉青在由水情况与水生态分会主办的2018首届中国城市水情况与水生态成长论坛上，颁发了《厌氧氨氧化废水处置手艺成长和利用的启迪》主题陈述，讲述了厌氧氨氧化手艺发觉、成长和利用的汗青，特殊是总结梳理了其在中国的研究和项目进展，系统且很是活泼。我们按照现场灌音和清算成文与读者分享。

污水脱氮是近40年情况项目界最活跃的研究范畴之一，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，脱氮手艺不竭获得立异成长，并发生了厌氧氨氧化（Anaerobic ammonia oxidation，Anammox）如许一项污水处置的倾覆性手艺，首创了功能菌在复杂污水处置系统现实利用之先河。

从作为天然界的现象被发觉，到根本研究、项目利用，厌氧氨氧化手艺成长也履历了年夜约40年时候，这是一个需要投入和成长的进程，离不开该范畴一多量人的根本研究、论文功效和产学研的协同合作。

甚么是Anammox？

Anammox是在无氧前提下，以氨为电子供体、亚硝酸为电子受体，发生氮气和硝酸的生物反映。Anammox包罗两个进程：一是分化（产能）代谢，即以氨为电子供体，亚硝酸盐为电子受体，二者以1:1的比例反映生成氮气，并把发生的能量以ATP的情势贮存起来；二是合成代谢，即以亚硝酸盐为电子受体供给还原力，操纵碳源二氧化碳和分化代谢发生的ATP合成细胞物资，并在这一进程中发生硝酸盐。厌氧氨氧化菌 (Anaerobic ammonia oxidation bacteria, AnAOB) 是厌氧氨氧化的实行者。

NH4++ NO2-= N2+ 2H2O，ΔG=-358kg/mol

（ANAMMOX）

厌氧氨氧化菌

Anammox现象的发觉

第一个对厌氧氨氧化现象进行摸索的人是奥地利理论化学家Engelbert Broda，他在1977年颁发关在氮轮回的论文，基在热力学阐发而指出天然界可能具有由微生物主导的氨氮与亚硝氮反映生成氮气的反映。

Engelbert Broda (1910 -1983)

奥地利理论化学家

20世纪90年月初，荷兰代尔夫特理工年夜学 Kuenen传授指点的学生Arnold Mulder在运转一个三级废水生物脱氮反映器时，不雅察到第二级流化床反映器中氮“不明去向”的年夜量消逝。

Johannes Gijsbrecht Kuenen传授

（原荷兰微生物学学会会长）

Mr. Arnold Mulder

以后，van de Graaf展开年夜量的摸索工作，他们连系Broda博士的化学热力学猜测，在国际上初次发觉了Anammox现象。

van de Graaf博士

Anammox的根本研究

Anammox现象被发觉以后，Kuenen传授的一名首要助手Mike Jetten博士专注在Anammox的微生物学研究，并在加盟荷兰奈梅亨年夜学微生物系以后，组织团队睁开了持久的根本研究工作，发觉和培育了新的介入氮、硫和碳转化的微生物，采取份子生物学、布局化学和宏基因组学从基因、细胞、个别和生态系统程度揭露相干微生物的反映机理。

M.S.M. Jetten传授

荷兰奈梅亨年夜学微生物系

他的首要学术进献是：

• 发觉Anammox微生物新种。Anammox今朝包括5个属的微生物，Jetten传授团队对此中4个属微生物的发觉都起到了很是主要的感化。

  • 探明 Anammox反映的微生物机理。Jetten传授团队说明了Anammox反映的代谢路径与菌种怪异细胞布局，发觉了Anammox微生物的生态多样性，确认厌氧氨氧化细菌的身份——附属在浮霉菌门（planctomycete），发展迟缓，倍增时候长达2周 。在这以后他们进一步探讨了联胺合成酶的布局，连系份子生物学尝试验证了Anammox的进程机理，并发觉anammox细菌在天然界中普遍散布，是天然界氮轮回中相当主要的一环 。

    

    

    Anammox细菌具有致密的厌氧氨氧化体和怪异的阶梯烷膜脂布局

    Anammox的利用研究——第一座示范项目

    Kuenen传授的另外一位首要助手Mark van Loosdrecht传授则在Anammox的现实利用方面有很年夜的进献。他操纵数学模子作为研究东西，并在公司的协助下，成立了全球第一座Anammox示范项目——荷兰鹿特丹Dokhaven污水厂。他在2007年和2014年在《Science》上颁发了关在厌氧氨氧化方面的文章。

    

    Mark van Loosdrecht传授

    

    Anammox的国际项目利用

    今朝，Anammox首要用在污泥消化液和含高氨氮工业废水的处置，且手艺成长已较为成熟，在美国、德国、瑞士等有较多的利用案例。

    

    

    按照Anammox污泥形态的分歧，今朝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污水处置厂是全球首坐采取DEMON的污水厂。污泥消化液的厌氧氨氧化首要有两个方面的焦点手艺：一是基在pH的DO及时节制短程硝化，另外一个是基在物理分手手艺实现双泥龄，采取旋流分手器（DEMON1.0），后改良为微挑选择器（DEMON2.0）。Strass污水厂今朝在厌氧氨氧化做的很是成功，氨氮去除率约80%，总氮去除率20%-25%，出水氨氮节制在5mg/L以下。今朝这类工艺在美国、德国、瑞士等也都做的很是好。

    

    2.ANITATMMox(生物膜) ——瑞典Sjölunda污水厂

    瑞典Sjölunda污水厂是全球首坐采取ANITATMMox生物膜的污水厂，焦点手艺是MBBR，借助填料富集并持久持有厌氧氨氧化细菌。Sjölunda污水厂以后对工艺进行了改良，包罗用IFAS 进行工艺改良，氨氮的去除率取得更进一步的晋升，比MBBR工艺提高了200%~300% 。

    

    3.ANAMMOX®(颗粒)—— 荷兰Olburgen污水厂

    荷兰Olburgen污水厂污水首要来自世界第四年夜土豆加工场，采取其独创的Anammox颗粒手艺—— PhospaqTM既可去除80%磷，又操纵厌氧氨氧化去除90%的氨氮，这是世界上第一次将PhospaqTM和厌氧氨氧化手艺的连系利用。

    

    

    4.Mainstream/悬浮发展——新加坡樟宜再生水厂

    除污泥消化液、工业废水，近五年全球扩年夜了对Anammox在城市污水支流程中的利用。新加坡樟宜再生水厂是新加坡最年夜的再生水厂，也是国际上首个强化生物除磷与厌氧氨氧化在年夜型污水厂共存的案例。短污泥龄和适合消融氧是实现悬浮游离厌氧氨氧化菌发展的需要前提，在好氧区实现部门硝化和亚硝酸盐堆集，缺氧区进行厌氧氨氧化反映（脱氮进献率30%），全体工艺能耗下降10%-30%，池容削减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手艺的设想和利用中阐扬了主要感化。

    

    厌氧氨氧化的呈现，使得污水处置厂从耗能除污的结尾，无机会转化为零能耗或能量输出的化工场，并以其本身壮大的劣势将鞭策污水处置工艺显现“革命性” 改变，也是中国污水处置概念厂重点存眷的焦点手艺之一。从上世纪厌氧氨氧化菌被带回国内引燃情况界的研发烧潮至今，厌氧氨氧化手艺在中国的研发、利用延续升温，但也面对着国内糊口污水进水高C/N比、低氮浓度和低温情况等挑战。

    Anammox菌种被带回中国——中国展开厌氧氨氧化系统研究

    浙江年夜学郑平传授，被称为中国Anammox之父，自上世纪80年月初最先，持久处置情况微生物与废水生物处置方面的讲授和科研工作。

    

    浙江年夜学郑平传授

    上世纪90年月，郑平传授将荷兰的一些Anammox菌种带回国内最先了持久的研究，首要做了三方面的工作：一是Anammox菌种的研究；二是基在Anammox的菌种的工艺研究；三是基在Anammox的菌种的设备研究。其首要方针是获得更高的容积去污能力、更低的运转本钱和更不变的工艺机能。

    郑平传授团队改良的Anammox工艺容积效能到达文献报导最高值(74.3~76.7kg N·m-3·d)，并成功利用在浙江的海森药业无限公司废水处置项目，这是中国第一个厌氧氨氧化废水处置的现实项目。

    另外，郑平传授指点的学生注册公司，在Anammox手艺处置禽畜养殖废水、制药、光伏废水方面作出了凸起进献。

    

    

    郑平传授之前的学生--浙江年夜学胡宝兰传授研究了Anammox细菌在中国分歧天然生态系统中的散布和进献。她发觉，Anammox细菌普遍具有在分歧的天然生境中，且堆积物的无机碳和无机氮是影响Anammox散布的首要身分。她还发觉人类勾当影响了Anammox菌的散布，乃至特定Anammox菌可作为人类勾当的唆使菌。

    

    浙江年夜学胡宝兰传授

    

    郑平传授的另外一位学生--杭州师范年夜学金仁村传授对Anammox手艺的研究也做出了主要进献：处理了Anammox工艺的低温运转手艺困难；挑选出了Anammox工艺要害按捺因子，把握了响应的调控对策；研发出Anammox菌种的挑选、培育、收藏和重激活的系统方式。

    

    杭州师范年夜学金仁村传授

    在截止到2018年6月份的全球颁发的Anammox研究的SCI论文统计中，Mike Jetten传授颁发的论文数最多，其次就是金仁村传授。彭永臻院士、郑平传授和Mark van Loosdrecht传授的Anammox论文数别离列全球第3、4和5位。这也从侧面反应了我国粹者对Anammox研究的主要进献。

    我本身的尝试室也曾展开过关在Anammox的研究工作，测验考试操纵通俗的好氧颗粒污泥作为培育接种污泥，历经近5个月培育出告终构密实、活性杰出的Anammox颗粒污泥，为Anammox种污泥的获得找到了一个路子。

    

    北京排水团体的“红菌”脱氮手艺研究和中试

    彭永臻院士的学生--张树军博士在到北京城市排水团体工作以后，在公司的延续撑持下展开了“红菌”脱氮手艺的研究工作，从尝试室研究到中试和示范再到财产化推行都获得了不错的功效。

    

    北京城市排水团体张树军博士

    

    

    张树军博士获得了四个方面的功效：研发了出产性范围的红菌富集和纯化手艺；芮诺卡红菌生物脱氮工艺和集成手艺；红菌种菌出产、贮存和复壮手艺；低碳氮比城市污水厌氧氨氧化脱硫手艺。这类景象是国内水业不多见的优异案例。

    

    项目利用：Mainstream/生物膜——西安第四污水处置厂

    西安第四污水处置厂设想总范围50 万吨/天，一期范围为25 万吨/天，采取颠倒A/A/O工艺，履行一级B排放尺度，后经进级，革新为正置A/A/O工艺，在缺氧和厌氧池投加填料并耽误HRT，经由过程搅拌+曝气实现填料流化，出水水质成功由一级B晋升为一级A尺度。

    

    该厂的MBBR在持久运转后，缺氧池和厌氧池内所投加填料概况生物膜显现微红色。因为Anammox细菌富含细胞色素c等卵白，红色为其区分在其他脱氮微生物的特点色彩。这暗示Anammox有可能在填料概况实现了富集。

    

    国内分歧单元经由过程污泥厌氧氨氧化活性测试、基因组学测序、同位素示踪反映等多种手段的分析检测，得出两个结论：

    • 填料上确切富集了Anammox细菌，其品貌显著高在悬浮污泥；
    • Anammox介入到污水脱氮进程，且对TN脱除的进献率约占15%。

      

      西安第四污水厂Anammox现象的发觉像我们提出了以下的问题：

      • 西安第四污水厂现象产生的机制是甚么？
      • 鸿沟前提是甚么？
      • 若何进一步优化以晋升Anammox对TN去除的进献率？
      • 西安第四污水厂现象是偶尔仍是必定现象？
      • 若何在其它现实项目中完全复制？

        Anammox在城市污水支流程现实利用的挑战

        一是若何在低温前提下高效不变运转？Anammox菌的活����APP性跟着温度下降而降落， 但只需运转节制适当，该进程是能够在适中温度下进行。

        二是若何在高C/N对照、低氮浓度和低温情况下裁减或按捺异养反硝化菌DNB和亚硝酸盐氧化菌NOB？一些节制策略如：残存氨氮、DO限制、短暂缺氧、进水COD限制、好氧SRT的节制等可以或许实现对DNB和NOB的裁减和按捺。

        三是若何有用包管Anammox菌在反映器内有足够的生物逗留时候从而抵消其低发展速度的影响？Anammox反映器的载体或生物扩增可实现生物持留结果。

        

        Anammox手艺利用的启迪

        从研究的角度，起首要正视对偶尔性成果的深切分解，假如一最先没有科研人员对尝试中现象频频的长时候的投入研究，就难以有Anammox的发觉；其次是论文颁发的需要性和文献浏览的主要性，假如没有Engelbert Broda传授1977年颁发的关在天然界氮轮回热力学阐发的论文，还Kuenen课题构成员的浏览，也许厌氧氨氧化的发觉还要推后良多年；再次是根本研究的主要性，好的根本研究能够鞭策厌氧氨氧化的成长；另外，世人拾柴火焰高，科研人员的合尴尬刁难在新手艺的研发是十分主要的。

        从手艺的角度，一最先Anammox的手艺利用就找到了绝佳切入点——高温、高氨氮的污泥消化液；随后发觉Anammox菌对无机物、重金属、毒物等具有超强的耐受力；Anammox手艺首创了功能菌在复杂污水处置系统现实利用的先河；虽然污水处置系统极为复杂，功能微生物可以或许在此中阐扬主要的感化。

        从根本研究到现实利用的进程其实不对峙，这个进程需要一个投入和成长的进程，还需要产学研的协同合作来实现。

        称谢

        感激郑平传授（浙江年夜学）、胡宝兰传授（浙江年夜学）、王伟副传授(合肥工业年夜学)、金仁村传授(杭州师范年夜学)、黄宝成博士(杭州师范年夜学)和张正哲同窗 (同济年夜学)供给的贵重材料

        
        

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