俞汉青：厌氧氨氧化废水处理技术发展和使用启示（完整版）

　　【我国环保在线 技能前沿】2018年11月30日，我国科学技能大学教授俞汉青在由水环境与水生态分会主办的2018首届我国城市水环境与水生态展开论坛上，宣布了《厌氧氨氧化废水处理技能展开和使用的启示》主题陈述，叙述了厌氧氨氧化技能发现、展开和使用的前史，特别是总结梳理了其在我国的研讨和工程展开，体系且十分生动。咱们依据现场录音和收拾成文与读者共享。
　　污水脱氮是近40年环境工程界活泼的研讨范畴之一，从硝化-亚硝化，到反硝化脱氮、甲醇反硝化，再到一起硝化-反硝化、短程硝化-反硝化，脱氮技能不断获得立异展开，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能，创始了功用菌在杂乱污水处理体系实践使用之先河。
　　从作为天然界的现象被发现，到根底研讨、工程使用，厌氧氨氧化技能展开也阅历了大约40年时刻，这是一个需求投入和生长的进程，离不开该范畴一大批人的根底研讨、论文效果和产学研的协同协作。
　　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响。Anammox包含两个进程：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，两者以1:1的份额反响生成氮气，并把产生的能量以ATP的方式贮存起来；二是组成代谢，即以亚硝酸盐为电子受体供给复原力，使用碳源二氧化碳以及分化代谢产生的ATP组成细胞物质，并在这一进程中产生硝酸盐。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）　　Anammox现象的发现
　　个对厌氧氨氧化现象进行探求的人是奥地利理论化学家Engelbert Broda，他在1977年宣布关于氮循环的论文，依据热力学剖析而指出天然界或许存在由微生物主导的氨氮与亚硝氮反响生成氮气的反响。
　　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教授辅导的学生Arnold Mulder在运转一个三级废水生物脱氮反响器时，观察到第二级流化床反响器中氮“不明去向”的很多消失。
　　Johannes Gijsbrecht Kuenen教授
　　(原荷兰微生物学学会会长)
　　Mr. Arnold Mulder
　　之后，van de Graaf展开很多的探求作业，他们结合Broda博士的化学热力学猜测，在上发现了Anammox现象。
　　van de Graaf博士
　　Anammox的根底研讨
　　Anammox现象被发现之后，Kuenen教授的一位首要帮手Mike Jetten博士专心于Anammox的微生物学研讨，并在加盟荷兰奈梅亨大学微生物系之后，安排团队展开了长时刻的根底研讨作业，发现和培育了新的参加氮、硫和碳转化的微生物，选用分子生物学、结构化学和宏基因组学从基因、细胞、个别和生态体系水平提醒相关微生物的反响机理。
　　M.S.M. Jetten教授
　　荷兰奈梅亨大学微生物系　　他的首要学术奉献是：发现Anammox微生物新种。Anammox现在包含5个属的微生物，Jetten教授团队对其间4个属微生物的发现都起到了十分重要的效果。　　探明 Anammox反响的微生物机理。Jetten教授团队阐明晰Anammox反响的代谢途径与菌种共同细胞结构，发现了Anammox微生物的生态多样性，承认厌氧氨氧化细菌的身份——隶属于浮霉菌门(planctomycete)，生长缓慢，倍增时刻长达2周 。在这之后他们进一步探求了联胺组成酶的结构，结合分子生物学试验验证了Anammox的进程机理，并发现anammox细菌在天然界中广泛散布，是天然界氮循环中至关重要的一环 。　　Anammox的使用研讨——座演示工程
　　Kuenen教授的另一位首要帮手Mark van Loosdrecht教授则在Anammox的实践使用方面有很大的奉献。他使用数学模型作为研讨东西，并在公司的帮忙下，建立了座Anammox演示工程——荷兰鹿特丹Dokhaven污水厂。他在2007年和2014年在《Science》上宣布了关于厌氧氨氧化方面的文章。
　　Mark van Loosdrecht教授Anammox的工程使用
　　现在，Anammox首要用于污泥消化液和含高氨氮工业废水的处理，且技能展开已较为老练，在美国、德国、瑞士等有较多的使用事例。　　依据Anammox污泥形状的不同，现在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污水处理厂是首座选用DEMON的污水厂。污泥消化液的厌氧氨氧化首要有两个方面的核心技能：一是依据pH的DO实时操控短程硝化，另一个是依据物理别离技能完成双泥龄，选用旋流别离器(DEMON1.0)，后改善为微挑选择器(DEMON2.0)。Strass污水厂现在在厌氧氨氧化做的十分成功，氨氮去除率约80%，总氮去除率20%-25%，出水氨氮操控在5mg/L以下。现在这种工艺在美国、德国、瑞士等也都做的十分好。
　　2.ANITATMMox(生物膜) ——瑞典Sjölunda污水厂　　瑞典Sjölunda污水厂是首座选用ANITATMMox生物膜的污水厂，核心技能是MBBR，凭借填料富集并长时刻持有厌氧氨氧化细菌。Sjölunda污水厂之后对工艺进行了改善，包含用IFAS 进行工艺改善，氨氮的去除率获得更进一步的提高，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国际第四大马铃薯加工厂，选用其的Anammox颗粒技能—— PhospaqTM既可去除80%磷，又使用厌氧氨氧化去除90%的氨氮，这是国际前次将PhospaqTM和厌氧氨氧化技能的结合使用。
　　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，近五年扩展了对Anammox在城市污水主流程中的使用。新加坡樟宜再生水厂是新加坡大的再生水厂，也是上强化生物除磷与厌氧氨氧化在大型污水厂共存的事例。短污泥龄和适合溶解氧是完成悬浮游离厌氧氨氧化菌生长的必要条件，在好氧区完成部分硝化和亚硝酸盐堆集，缺氧区进行厌氧氨氧化反响(脱氮奉献率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技能的设计和使用中发挥了重要效果。　　厌氧氨氧化的出现，使得污水处理厂从耗能除污的结尾，有时机转化为零能耗或许能量输出的化工厂，并以其本身强壮的优势将推进污水处理工艺出现“革命性” 改动，也是我国污水处理概念厂要点注重的核心技能之一。从上世纪厌氧氨氧化菌被带回国内点燃环境地的研制热潮至今，厌氧氨氧化技能在我国的研制、使用继续升温，但也面临着国内日子污水进水高C/N比、低氮浓度以及低温环境等应战。
　　Anammox菌种被带回我国——我国展开厌氧氨氧化体系研讨
　　浙江大学郑平教授，被称为我国Anammox之父，自上世纪80年代初开端，长时刻从事环境微生物与废水生物处理方面的教育和科研作业。
　　浙江大学郑平教授
　　上世纪90年代，郑平教授将荷兰的一些Anammox菌种带回国内开端了长时刻的研讨，首要做了三方面的作业：一是Anammox菌种的研讨；二是依据Anammox的菌种的工艺研讨；三是依据Anammox的菌种的配备研讨。其首要方针是获得更高的容积去污才能、更低的运转本钱和更安稳的工艺性能。
　　郑平教授团队改善的Anammox工艺容积效能到达文献报导高值(74.3~76.7kg N·m-3·d)，并成功使用于浙江的海森药业有限公司废水处理工程，这是我国个厌氧氨氧化废水处理的实践工程。
　　此外，郑平教授辅导的学生注册公司，在Anammox技能处理禽畜饲养废水、制药、光伏废水方面作出了突出奉献。　　郑平教授曾经的学生--浙江大学胡宝兰教授研讨了Anammox细菌在我国不同天然生态体系中的散布及奉献。她发现，Anammox细菌广泛存在于不同的天然生境中，且沉积物的有机碳和无机氮是影响Anammox散布的首要因素。她还发现人类活动影响了Anammox菌的散布，乃至特定Anammox菌可作为人类活动的指示菌。
　　浙江大学胡宝兰教
　　郑平教授的另一位学生--杭州师范大学金仁村教授对Anammox技能的研讨也做出了重要奉献：处理了Anammox工艺的低温运转技能难题；挑选出了Anammox工艺要害按捺因子，把握了相应的调控对策；研制出Anammox菌种的挑选、培育、保藏和重激活的体系办法。
　　杭州师范大学金仁村教授
　　在截止到2018年6月份的宣布的Anammox研讨的SCI论文计算中，Mike Jetten教授宣布的论文数多，其次便是金仁村教授。彭永臻院士、郑平教授和Mark van Loosdrecht教授的Anammox论文数别离列第3、4和5位。这也从旁边面反映了我国学者对Anammox研讨的重要奉献。
　　我自己的试验室也曾展开过关于Anammox的研讨作业，测验使用一般的好氧颗粒污泥作为培育接种污泥，历经近5个月培育出了结构密实、活性杰出的Anammox颗粒污泥，为Anammox种污泥的获取找到了一个途径。
　　北京排水集团的“红菌”脱氮技能研讨和中试　　彭永臻院士的学生--张树军博士在到北京城市排水集团作业之后，在公司的继续支持下展开了“红菌”脱氮技能的研讨作业，从试验室研讨到中试及演示再到产业化推行都获得了不错的效果。
　　北京城市排水集团张树军博士　　张树军博士获得了四个方面的效果：研制了出产性规划的红菌富集和纯化技能；芮诺卡红菌生物脱氮工艺及集成技能；红菌种菌出产、贮存及复壮技能；低碳氮比城市污水厌氧氨氧化脱硫技能。这种景象是国内水业不多见的事例。
　　工程使用：Mainstream/生物膜——西安第四污水处理厂　　西安第四污水处理厂设计总规划50 万吨/天，一期规划为25 万吨/天，选用倒置A/A/O工艺，履行一级B排放规范，后经晋级，改造为正置A/A/O工艺，在缺氧及厌氧池投加填料并延伸HRT，经过拌和+曝气完成填料流化，出水水质成功由一级B提高为一级A规范。　　该厂的MBBR在长时刻运转后，缺氧池和厌氧池内所投加填料外表生物膜出现微赤色。因为Anammox细菌富含细胞色素c等蛋白，赤色为其差异于其他脱氮微生物的特征色彩。这暗示Anammox有或许在填料外表完成了富集。　　国内不同单位经过污泥厌氧氨氧化活性测验、基因组学测序、同位素示踪反响等多种手段的归纳检测，得出两个定论：
　　填料上的确富集了Anammox细菌，其丰度明显高于悬浮污泥；
　　Anammox参加到污水脱氮进程，且对TN脱除的奉献率约占15%。　　西安第四污水厂Anammox现象的发现像咱们提出了如下的问题：　　西安第四污水厂现象产生的机制是什么？
　　边界条件是什么？
　　怎么进一步优化以提高Anammox对TN去除的奉献率？
　　西安第四污水厂现象是偶尔仍是必定现象？
　　怎么在其它实践工程中完好仿制？
　　Anammox在城市污水主流程实践使用的应战
　　一是怎么在低温条件下安稳运转？Anammox菌的活性跟着温度下降而下降， 但只需运转操控妥当，该进程是可以在适中温度下进行。
　　二是怎么在高C/N比照、低氮浓度以及低温环境下筛选或许按捺异养反硝化菌DNB和亚硝酸盐氧化菌NOB？一些操控战略如：剩余氨氮、DO约束、时间短缺氧、进水COD约束、好氧SRT的操控等可以完成对DNB和NOB的筛选和按捺。
　　三是怎么有用确保Anammox菌在反响器内有满足的生物停留时刻然后抵消其低生长速率的影响？Anammox反响器的载体或许生物扩增可完成生物持留效果。
　　Anammox技能使用的启示　　从研讨的视点，首先要注重对偶尔性成果的深化剖析，假如一开端没有科研人员对试验中现象重复的长时刻的投入研讨，就难以有Anammox的发现；其次是论文宣布的必要性以及文献阅览的重要性，假如没有Engelbert Broda教授1977年宣布的关于天然界氮循环热力学剖析的论文，还有Kuenen课题组成员的阅览，或许厌氧氨氧化的发现还要推后很多年；再次是根底研讨的重要性，好的根底研讨可以推进厌氧氨氧化的展开；此外，众人拾柴火焰高，科研人员的协作关于新技能的研制是十分重要的。
　　从技能的视点，一开端Anammox的技能使用就找到了切入点——高温、高氨氮的污泥消化液；随后发现Anammox菌对有机物、重金属、毒物等具有超强的耐受力；Anammox技能创始了功用菌在杂乱污水处理体系实践使用的先河；虽然污水处理体系极端杂乱，功用微生物可以在其间发挥重要的效果。
　　从根底研讨到实践使用的进程并不敌对，这个进程需求一个投入和生长的进程，还需求产学研的协同协作来完成。
　　称谢
　　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)供给的名贵材料。
　　原标题：JIEI | 俞汉青：厌氧氨氧化废水处理技能展开和使用启示(完好版)