前言：“厭氧氨氧化”是一種污水脫氮技術(shù)，被認(rèn)為是最具顛覆性的構(gòu)想之一。它起源于20世紀(jì)70年代，最初是在處理高氨氮廢水的厭氧流化床中發(fā)現(xiàn)的。這種技術(shù)以末端治理、應(yīng)用學(xué)科、成本中心為背景素材，被認(rèn)為是“新興傳統(tǒng)”行業(yè)。

“厭氧氨氧化”技術(shù)的貢獻(xiàn)在于其克服了傳統(tǒng)脫氮技術(shù)（硝化反硝化進(jìn)程）需要大量堿與碳源供應(yīng)，成本高、容易造成二次環(huán)境污染等缺陷，在污水處理工程領(lǐng)域成功實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗、減少碳排放的目標(biāo)。其中，“脫氮貢獻(xiàn)25%”的表現(xiàn)頗為亮眼，超過(guò)了2021年國(guó)家重點(diǎn)專項(xiàng)中的考核目標(biāo)（20%），也超過(guò)了紅極一時(shí)“西安四污”的指標(biāo)（約15%）。

從歷史角度看，“厭氧氨氧化”技術(shù)的發(fā)展并非一帆風(fēng)順。從發(fā)現(xiàn)這種技術(shù)到專利授權(quán)，再到應(yīng)用經(jīng)歷了大約十年的時(shí)間。這期間涉及菌種富集、反應(yīng)器設(shè)計(jì)、工程建設(shè)和啟動(dòng)等多個(gè)方面。最終，在荷蘭戴爾福特工業(yè)大學(xué)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室里，率先實(shí)現(xiàn)了厭氧氨氧化的富集。

綜合來(lái)看，“厭氧氨氧化”技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用為解決污水脫氮問(wèn)題提供了新的思路。這種技術(shù)的成功實(shí)踐不僅體現(xiàn)了科學(xué)家和工程師們的創(chuàng)新精神和技術(shù)實(shí)力，也為環(huán)境科學(xué)和工程領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的動(dòng)力。

文章來(lái)源于：E20水網(wǎng)固廢網(wǎng)

作者：郭永偉

近日，煙臺(tái)辛安河污水廠出現(xiàn)主流“厭氧氨氧化”現(xiàn)象，相關(guān)單位陸續(xù)發(fā)布了研究成果。其中“脫氮貢獻(xiàn)25%”的表現(xiàn)頗為亮眼，超過(guò)了2021年國(guó)家重點(diǎn)專項(xiàng)中的考核目標(biāo)(20%），也超過(guò)了紅極一時(shí)“西安四污”的指標(biāo)(約15%)。

涌現(xiàn)發(fā)生于有組織的整合之后。

“靈光乍現(xiàn)”多是假表象，“一再偶然、相似個(gè)例”背后的漸進(jìn)路徑和系統(tǒng)邏輯蘊(yùn)藏著創(chuàng)新創(chuàng)意的真正歸因。

奧地利Strass、新加坡樟宜、西安四污、煙臺(tái)辛安河四個(gè)主流厭氧氨氧化案例之間，存在著十分相近的偶然性、結(jié)構(gòu)化和系統(tǒng)特征。

本文以“辛安河案例”為引線，梳理“厭氧氨氧化技術(shù)”的發(fā)展現(xiàn)狀，嘗試在其尚未成型的歷史中思考創(chuàng)新的“顛覆式”，包括——

• 科學(xué)理論層：偶然與必然
• 工藝技術(shù)層：結(jié)構(gòu)與范式
• 工程應(yīng)用層：系統(tǒng)與效率

目錄：

01厭氧氨氧化——起源、命名與發(fā)展（科學(xué)理論：偶然與必然 ）

02主流化之辯與變（工藝技術(shù)：結(jié)構(gòu)與范式 ）

03效率時(shí)代的集效形態(tài)（工程應(yīng)用：系統(tǒng)與效率 ）

04結(jié)語(yǔ)：創(chuàng)新的“顛覆式”

1

厭氧氨氧化——起源、命名與發(fā)展

科學(xué)理論：偶然與必然

多年以后，當(dāng)我發(fā)號(hào)“余電并網(wǎng)運(yùn)行”的指令時(shí)，將會(huì)時(shí)常憶起2018年“紅菌之爭(zhēng)”爭(zhēng)鳴激蕩的午后。

在環(huán)保領(lǐng)域探索“顛覆”是一件不平凡的事。

這是一個(gè)以末端治理、應(yīng)用學(xué)科、成本中心為背景素材的“新興傳統(tǒng)”行業(yè)，理論橫貫穿插、創(chuàng)新固執(zhí)綿長(zhǎng)，來(lái)到“生態(tài)文明、高質(zhì)量發(fā)展”的二十一世紀(jì)，科技支撐仍是百年活性污泥和世紀(jì)雙膜法。

要辯證認(rèn)識(shí)“顛覆”，不可激進(jìn)、不能困守。不激進(jìn)為防止技術(shù)預(yù)期通脹和風(fēng)險(xiǎn)突變，不困守在于這“以能耗換達(dá)標(biāo)、用占地?fù)Q成本”的耗散結(jié)構(gòu)和范式著實(shí)到了不破不立的關(guān)口。

厭氧氨氧化是公認(rèn)最具“顛覆性可能”的構(gòu)想之一，對(duì)其表觀現(xiàn)象——無(wú)氧條件下氨氮的大規(guī)模消失——基于熱力學(xué)原理的猜想最早見(jiàn)報(bào)于1977年，可以視為本文創(chuàng)新簡(jiǎn)史的起點(diǎn)。

大約十年之后，厭氧氨氧化作為微生物和作為環(huán)保的課題幾乎同時(shí)啟步。其時(shí)，工程師Arnolder Mulder在偶然之中關(guān)注到脫硫厭氧池中的“氮損”規(guī)律，隨即找到Delft大學(xué)的Gijs Kuenen著手其中機(jī)理的探索；Kuenen教授也是偶然之中，對(duì)以上提及“Two kinds of lithotrophs missing in the nature”的現(xiàn)象和論點(diǎn)別有記憶，自此開(kāi)啟了他青史留名的研學(xué)生涯。

(工程師+科學(xué)家)×偶然，多么完美的故事序章。

1989年，Mulder申請(qǐng)了該領(lǐng)域第一個(gè)專利，并正式以“厭氧氨氧化”為其命名；1997年，Kuenen團(tuán)隊(duì)發(fā)布節(jié)點(diǎn)性成果，初步形成其“代謝途徑”的結(jié)構(gòu)性認(rèn)識(shí)；2002年，Mark van Loosdrecht推動(dòng)在鹿特丹Dokhaven污水廠建立了第一個(gè)示范工程；2010年，Kartal、Kuenen、Mark攜手在《Science》發(fā)表文章，提出該技術(shù)在市政污水主流中應(yīng)用將使污水廠達(dá)成“凈產(chǎn)能”的構(gòu)想。

“厭氧氨氧化(Anaerobic ammonia oxidation，Anammox)”命名了一類(lèi)微生物，Mike Jetten團(tuán)隊(duì)從基因、細(xì)胞、個(gè)體和生態(tài)系統(tǒng)揭示相關(guān)機(jī)理，確認(rèn)了其“浮霉菌”的身份歸屬，人們因其富有想象力的特征顏色，更習(xí)慣稱之為“紅菌”。

“厭氧氨氧化Anammox”命名了一個(gè)現(xiàn)代污水技術(shù)大類(lèi)。通常而言，“紅菌”設(shè)計(jì)于缺氧反應(yīng)器中，命名為“厭氧Ana”可能純粹是為了紀(jì)念其起源場(chǎng)景；“氨氧化ammox”則較好理解，為反應(yīng)器氮轉(zhuǎn)化中的一個(gè)反應(yīng)過(guò)程。

“顛覆”者，在于其橫空開(kāi)辟的一條捷徑。下圖以本文主角為視角的氮循環(huán)圖，已獲得學(xué)術(shù)界、企業(yè)界廣泛共識(shí)。

▼(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))

在傳統(tǒng)路徑中，若想實(shí)現(xiàn)氨氮由污染物到氮?dú)獾娜コ�，必須�?jīng)由“硝化-反硝化”路徑，過(guò)程中所需要足量(過(guò)量)的氧源、碳源、占地、停留時(shí)間等，是污水耗散范式的惡源。

“紅菌”則在系統(tǒng)中劃出一道花間小路，僻靜、雅致。

它以氨氮和亞硝酸鹽為底物完成轉(zhuǎn)換，在“合適的特定條件”下，可以減少60%能耗、100%碳源、80%污泥產(chǎn)率、90%碳排放。

但焦點(diǎn)也恰在這“合適、特定條件”，只在理論計(jì)算或理想環(huán)境下方能求得。“紅菌”太脆弱了，好似賴在襁褓里的嬰兒，生長(zhǎng)緩慢、又對(duì)環(huán)境極端敏感，致使“顛覆”了近半個(gè)世紀(jì)的厭氧氨氧化仍只能算個(gè)“構(gòu)想”。

也因此，其各類(lèi)工藝技術(shù)的研發(fā)都以“生物強(qiáng)化”和“環(huán)境調(diào)控”為中心路徑。

根據(jù)“生物強(qiáng)化”的方式和形態(tài)，厭氧氨氧化技術(shù)可分為懸浮污泥式、顆粒污泥式、懸浮載體式或復(fù)合式。顆粒污泥式的代表是IC反應(yīng)器形式的ANAMMOX，每個(gè)顆粒都可視作一個(gè)獨(dú)立的工藝系統(tǒng)；懸浮載體式的代表為ANITA MOX和NAUTO，延續(xù)了MBBR附載、流化、持留思路；DEMON工藝則是懸浮污泥與顆粒污泥復(fù)合共存的代表，通過(guò)水力旋流器或篩分裝置實(shí)現(xiàn)雙泥齡。

由“環(huán)境調(diào)控”入手則可分為限氧、濃氮、高溫等不同條件控制下的多級(jí)式、一體式。多級(jí)路線將NO2-的生成和穩(wěn)定化在獨(dú)立反應(yīng)器中完成，相對(duì)后者具有更高的去除負(fù)荷，SHARON+、SBR+是代表；一體式則在同一個(gè)反應(yīng)器中通過(guò)時(shí)空效應(yīng)合并多步效果，啟動(dòng)更快、流程簡(jiǎn)單，以CANON為代表。

工藝技術(shù)的發(fā)展依賴科學(xué)理論在底層機(jī)理上的推動(dòng)、更需要工程應(yīng)用位于頂層的牽拉；反過(guò)來(lái)，中間者又是上、下兩層的連接和結(jié)構(gòu)支撐。本文所探討技術(shù)創(chuàng)新的“顛覆式”，需要深層穿透、進(jìn)而系統(tǒng)建構(gòu)。

相比由“工藝技術(shù)”本層發(fā)起的“破壞式或延續(xù)式”創(chuàng)新，“顛覆式”更多經(jīng)由“科學(xué)理論層”首先啟動(dòng)，基于偶然探索未知所必須的理論、模型、思維、機(jī)制等系統(tǒng)工具，相對(duì)較難自上而下拿來(lái)主義。 以Delft大學(xué)和Kuenen教授為中心的科研工作對(duì)“偶然現(xiàn)象”的科學(xué)假設(shè)、科學(xué)證實(shí)、科學(xué)架構(gòu)構(gòu)成了厭氧氨氧化前20年的歷史主線；菌種富集、反應(yīng)器設(shè)計(jì)、工程建設(shè)和啟動(dòng)等工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)都要基于其“微生物和代謝途徑”的成果。

而后的20年，工藝技術(shù)層、工程應(yīng)用層步入主線，劃出了蓬勃發(fā)展的多條分支，有的在舒適的高氨氮(污泥消化液、發(fā)酵廢水等)領(lǐng)域負(fù)責(zé)廣度開(kāi)拓，有的則另辟蹊徑、尋求更具想象力的深度可能。

2

主流化之辯與變

工藝技術(shù)：結(jié)構(gòu)與范式

有學(xué)者統(tǒng)計(jì)計(jì)算，在全世界已實(shí)施的厭氧氨氧化項(xiàng)目中，“污泥消化液”占比70%以上，其高氨氮、低COD、中溫等工況特征是現(xiàn)實(shí)中最天然的“合適、特定條件”，是目前該技術(shù)市場(chǎng)最成熟的場(chǎng)景。

側(cè)流的單位負(fù)荷雖高，卻仍只占一個(gè)水廠脫氮任務(wù)的10-15%，遠(yuǎn)不足以發(fā)起“顛覆”。更無(wú)法達(dá)成我們所構(gòu)想的范式變革。

厭氧氨氧化的完整“主流化”，意味著污水脫氮將不再需要有機(jī)物的參與，結(jié)合厭氧技術(shù)的發(fā)展，百年來(lái)高能耗、高碳排污水處理結(jié)構(gòu)，有希望徹底改變。

奧地利Strass污水廠是這一理念的先行者，它采用AB+DEMON工藝，在主流中實(shí)現(xiàn)極限脫氮的同時(shí)、大量有機(jī)物送至側(cè)流做厭氧消化，成為世界第一個(gè)實(shí)現(xiàn)能量自持直至能源輸出的污水廠；新加坡樟宜再生水廠采用分段進(jìn)水SFAS生化工藝，強(qiáng)化生物除磷與厭氧氨氧化并存，短污泥齡和適宜溶解氧同步實(shí)現(xiàn)了懸浮游離形態(tài)紅菌的生長(zhǎng)，“節(jié)能降耗10%-30%、池容減少10-40%”。

▼(新加坡樟宜再生水廠SFAS工藝，圖片取自網(wǎng)絡(luò))

時(shí)至今日，還沒(méi)有符合最佳“主流構(gòu)想”的完整實(shí)踐，以上案例一是屬于“部分主流”、一個(gè)則“主流部分”。“西安四污”和“煙臺(tái)辛安河”同樣相去甚遠(yuǎn)，所不同者，其“主流實(shí)現(xiàn)-常溫實(shí)現(xiàn)-低氨氮實(shí)現(xiàn)”似乎有可能走出一條更溫和、普適、具有可復(fù)制意義的中間路徑。

因此，當(dāng)下工藝技術(shù)層的“主流化”語(yǔ)境，重音應(yīng)落在這“化”字上，關(guān)鍵任務(wù)是確認(rèn)偶然現(xiàn)象中的必然結(jié)構(gòu)，構(gòu)建“部分優(yōu)先”四梁八柱之夯基，涉及“哪一部分、多少部分、何種優(yōu)先、如何優(yōu)先”的戰(zhàn)略決策，需要在實(shí)踐中對(duì)工藝技術(shù)層作建構(gòu)、解構(gòu)、重構(gòu)。

這也是我所理解“紅菌之爭(zhēng)”的中心論辯。

據(jù)西安四污專家介紹，在出水格網(wǎng)處不得不增加的曝氣吹掃措施，使缺氧池形成了0.8-0.4-0.1mg/L的沿程微氧環(huán)境，“短程硝化-厭氧氨氧化”PN/A結(jié)構(gòu)因之成為可能。

這里的“微氧”當(dāng)屬一類(lèi)“宏環(huán)境”，可以代言恰其合適的溫度、PH、微量元素等工況結(jié)構(gòu)，使一邊催化氨氧化菌AOB的半短程亞硝化，一邊抑制亞硝酸鹽氧化菌NOB和異養(yǎng)反硝化菌DNB的生存或干擾其活性，紅菌可以悠然長(zhǎng)成。

與之相對(duì)應(yīng)的“微環(huán)境”，則通過(guò)自然誘導(dǎo)或載體吸附使團(tuán)聚或附著生長(zhǎng)。在其生態(tài)結(jié)構(gòu)中，會(huì)形成梯級(jí)不同的功能菌群和工況環(huán)境，從而導(dǎo)向厭氧氨氧化菌與競(jìng)爭(zhēng)者共生共存的自然選擇。

▼（懸浮載體生物膜微環(huán)境機(jī)理：圖片取自網(wǎng)絡(luò)）

“紅菌之爭(zhēng)”另一端的觀點(diǎn)即認(rèn)為：是缺氧區(qū)載體的創(chuàng)意性投加使“短程反硝化-厭氧氨氧化”PDN/A在生物膜微環(huán)境中實(shí)現(xiàn)閉環(huán)。

煙臺(tái)辛安河案例支持后一種結(jié)構(gòu)。其中“脫氮貢獻(xiàn)25%”的表現(xiàn)頗為亮眼，超過(guò)了2021年國(guó)家重點(diǎn)專項(xiàng)中的考核目標(biāo)(20%），也超過(guò)了“西安四污”的指標(biāo)(約15%)：“其缺氧池載體中的菌群豐度有1.5%，相當(dāng)于西安四污的15倍，同時(shí)，辛安河反應(yīng)器的填充率是55%、西安四污則是5%；兩項(xiàng)疊加，前者的紅菌數(shù)量相當(dāng)于后者的100倍之多”。

進(jìn)一步探索顯示：生物膜中反硝化菌相對(duì)豐度為12-25%，尤其好氧區(qū)所達(dá)到的400-500μm厚度，非常有利于同步硝化反硝化的發(fā)生，經(jīng)測(cè)算貢獻(xiàn)率約為13%。則SND+AMX=38%。

思普潤(rùn)“BFM生物集效工藝”的PDN+AMX+SND系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，讓辛安河污水廠總氮穩(wěn)定在2mg/L以下，同時(shí)又節(jié)省了0.34元/噸的碳源藥劑費(fèi)。

以下以Dokhaven污水廠為這第二階段簡(jiǎn)史的起點(diǎn)，以辛安河污水廠為新時(shí)期的轉(zhuǎn)折，繪制厭氧氨氧化“主流化”的不凡之路——

3

效率時(shí)代的集效形態(tài)

工程應(yīng)用：系統(tǒng)與效率

在環(huán)保行業(yè)，“30%的效率提升”是廣泛認(rèn)可的創(chuàng)新評(píng)價(jià)指標(biāo),因?yàn)榈讓涌茖W(xué)和工藝技術(shù)的“顛覆”最終都要體現(xiàn)到工程應(yīng)用的“效率”中，包括用地、用電、人工、運(yùn)行成本等多個(gè)維度。

辛安河污水廠“偶然背后的必然”便發(fā)始于“極限占地”的訴求。它的初心是利用廠區(qū)邊緣一段極其受限狹長(zhǎng)的綠化用地完成擴(kuò)容，這促使用戶走向思普潤(rùn)BFM、又迫使BFM走向極限效率，進(jìn)而推導(dǎo)生成了理想形態(tài)“集效”。

▼(煙臺(tái)辛安河極限效率圖示：圖片取自思普潤(rùn)宣傳資料)

在2023（第二十一屆）水業(yè)戰(zhàn)略論壇上，思普潤(rùn)公司創(chuàng)始合伙人宋美芹介紹BFM時(shí)拋出了一個(gè)筆者思索甚久的問(wèn)題：在污水廠建設(shè)中，100畝地的能力極限是多少？

這是時(shí)代之問(wèn)。

我確信，即便厭氧氨氧化終究無(wú)法達(dá)成它的完整構(gòu)想，也一定會(huì)在“部分優(yōu)先”的途中催生其他新工藝涌現(xiàn)，去革了那高占地、高耗能、高碳排污水治理耗散傳統(tǒng)的命。

效率，是創(chuàng)新的時(shí)代奇點(diǎn)。

效率是：在給定條件下、最有效使用資源(能源、土地等)以滿足所設(shè)定效果和需要的評(píng)價(jià)方式。

效率是：標(biāo)準(zhǔn)、成本、穩(wěn)定性的系統(tǒng)歸集。

污水廠以“效率”為目標(biāo)，需要集約整合、交叉復(fù)合，單一科學(xué)理論的突破、或獨(dú)立工藝技術(shù)的變革都很難達(dá)成“30%”的目標(biāo)。

由此再考察辛安河案例所選用的思普潤(rùn)BFM生物集效工藝，其實(shí)質(zhì)是 “(生物+材料）×算法”系統(tǒng)整合而涌現(xiàn)的生化新品類(lèi)。

從一個(gè)角度分析，它實(shí)現(xiàn)了徹底的封閉控制。BFM運(yùn)行以進(jìn)出水為唯一輸入、中間不再有任何人工干擾，縮小時(shí)間尺度、剔除效率冗余，使反應(yīng)器“宏環(huán)境”保持特定和恒定，做到“灰箱設(shè)計(jì)、黑箱運(yùn)行”。

另一個(gè)維度再看，又是充分自然的模糊控制。基于溶氧、溫度、PH、基質(zhì)等多維因子構(gòu)建的“白箱模型”，使微生物生存、活動(dòng)之“微環(huán)境”的生態(tài)和穩(wěn)態(tài)成為可能。

亞里士多德說(shuō)：整體大于部分之和。

系統(tǒng)能力、整合能力決定了21世紀(jì)“科學(xué)理論、工藝技術(shù)、工程應(yīng)用”的共同走向。這里的“整合”不是粗放疊加的概念，而是把諸多事務(wù)有序聯(lián)系起來(lái)、并賦予自組織能力的運(yùn)作，包含了對(duì)組分的整理、安排、配置、約束等操作，是創(chuàng)新中的高階能力。

諸如思普潤(rùn)BFM一類(lèi)創(chuàng)新穿透和系統(tǒng)整合帶來(lái)的絕不僅是所謂“精確曝氣”細(xì)節(jié)優(yōu)化，而在于所賦予污水廠的時(shí)代變革，使諸如厭氧氨氧化等顛覆性構(gòu)想一步步踏向現(xiàn)實(shí)。

▼(懸浮載體“紅菌”掛膜圖片：取自思普潤(rùn)宣傳資料)

4

結(jié)語(yǔ)：創(chuàng)新的“顛覆式”

在中國(guó)環(huán)保系統(tǒng)內(nèi)，“科學(xué)理論層”通常由科研院校獨(dú)立負(fù)責(zé)，企業(yè)的領(lǐng)域多在工藝技術(shù)層和工程應(yīng)用層。二者間的配合并不理想，呈現(xiàn)為：一邊研學(xué)無(wú)用、一邊創(chuàng)新無(wú)門(mén)。其實(shí)質(zhì)一方面是普遍忽視了“工藝技術(shù)”的結(jié)構(gòu)化視野，要么偏上、要么傾下，短了其系統(tǒng)性連接的作用；二則創(chuàng)新系統(tǒng)、創(chuàng)新平臺(tái)的稀缺導(dǎo)致三層結(jié)構(gòu)的整合未成顯效，常常失落在“偶然到必然”的途中。

因此，盡管“顛覆”一詞不適用于絕大多數(shù)企業(yè)和個(gè)人，在其中讀取“式”卻有非常之必要，是學(xué)習(xí)、實(shí)踐“創(chuàng)新穿透和系統(tǒng)整合”的重要途徑，我將在后續(xù)文中繼續(xù)展開(kāi)。

最后，什么樣的技術(shù)會(huì)是效率時(shí)代的需要？集約？低碳？智能？產(chǎn)品化？它一定是顛覆式的嗎？期待您留言探討~

*本文原標(biāo)題： “厭氧氨氧化”極簡(jiǎn)創(chuàng)新史：一個(gè)顛覆性構(gòu)想的“主流化”之路