前言：“厭氧氨氧化”是一種污水脫氮技術，被認為是最具顛覆性的構(gòu)想之一。它起源于20世紀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。這種技術以末端治理、應用學科、成本中心為背景素材，被認為是“新興傳統(tǒng)”行業(yè)。
“厭氧氨氧化”技術的貢獻在于其克服了傳統(tǒng)脫氮技術（硝化反硝化進程）需要大量堿與碳源供應，成本高、容易造成二次環(huán)境污染等缺陷，在污水處理工程領域成功實現(xiàn)了節(jié)能降耗、減少碳排放的目標。其中，“脫氮貢獻25%”的表現(xiàn)頗為亮眼，超過了2021年國家重點專項中的考核目標（20%），也超過了紅極一時“西安四污”的指標（約15%）。
從歷史角度看，“厭氧氨氧化”技術的發(fā)展并非一帆風順。從發(fā)現(xiàn)這種技術到專利授權，再到應用經(jīng)歷了大約十年的時間。這期間涉及菌種富集、反應器設計、工程建設和啟動等多個方面。最終，在荷蘭戴爾福特工業(yè)大學的一個實驗室里，率先實現(xiàn)了厭氧氨氧化的富集。
綜合來看，“厭氧氨氧化”技術的發(fā)展和應用為解決污水脫氮問題提供了新的思路。這種技術的成功實踐不僅體現(xiàn)了科學家和工程師們的創(chuàng)新精神和技術實力，也為環(huán)境科學和工程領域的發(fā)展提供了新的動力。
脫氮貢獻25%！“厭氧氨氧化”極簡創(chuàng)新史
文章來源于：E20水網(wǎng)固廢網(wǎng)
作者：郭永偉
近日，煙臺辛安河污水廠出現(xiàn)主流“厭氧氨氧化”現(xiàn)象，相關單位陸續(xù)發(fā)布了研究成果。其中“脫氮貢獻25%”的表現(xiàn)頗為亮眼，超過了2021年國家重點專項中的考核目標(20%），也超過了紅極一時“西安四污”的指標(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、相似個例”背后的漸進路徑和系統(tǒng)邏輯蘊藏著創(chuàng)新創(chuàng)意的真正歸因。
奧地利Strass、新加坡樟宜、西安四污、煙臺辛安河四個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”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——
- 科學理論層：偶然與必然
- 工藝技術層：結(jié)構(gòu)與范式
- 工程應用層：系統(tǒng)與效率
目錄：
01厭氧氨氧化——起源、命名與發(fā)展（科學理論：偶然與必然 ）
02主流化之辯與變（工藝技術：結(jié)構(gòu)與范式 ）
03效率時代的集效形態(tài)（工程應用：系統(tǒng)與效率 ）
04結(jié)語：創(chuàng)新的“顛覆式”
1
厭氧氨氧化——起源、命名與發(fā)展
科學理論：偶然與必然
多年以后，當我發(fā)號“余電并網(wǎng)運行”的指令時，將會時常憶起2018年“紅菌之爭”爭鳴激蕩的午后。
在環(huán)保領域探索“顛覆”是一件不平凡的事。
這是一個以末端治理、應用學科、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，來到“生態(tài)文明、高質(zhì)量發(fā)展”的二十一世紀，科技支撐仍是百年活性污泥和世紀雙膜法。
要辯證認識“顛覆”，不可激進、不能困守。不激進為防止技術預期通脹和風險突變，不困守在于這“以能耗換達標、用占地換成本”的耗散結(jié)構(gòu)和范式著實到了不破不立的關口。
厭氧氨氧化是公認最具“顛覆性可能”的構(gòu)想之一，對其表觀現(xiàn)象——無氧條件下氨氮的大規(guī)模消失——基于熱力學原理的猜想最早見報于1977年，可以視為本文創(chuàng)新簡史的起點。
大約十年之后，厭氧氨氧化作為微生物和作為環(huán)保的課題幾乎同時啟步。其時，工程師Arnolder Mulder在偶然之中關注到脫硫厭氧池中的“氮損”規(guī)律，隨即找到Delft大學的Gijs Kuenen著手其中機理的探索；Kuenen教授也是偶然之中，對以上提及“Two kinds of lithotrophs missing in the nature”的現(xiàn)象和論點別有記憶，自此開啟了他青史留名的研學生涯。
(工程師+科學家)×偶然，多么完美的故事序章。
1989年，Mulder申請了該領域第一個專利，并正式以“厭氧氨氧化”為其命名；1997年，Kuenen團隊發(fā)布節(jié)點性成果，初步形成其“代謝途徑”的結(jié)構(gòu)性認識；2002年，Mark van Loosdrecht推動在鹿特丹Dokhaven污水廠建立了第一個示范工程；2010年，Kartal、Kuenen、Mark攜手在《Science》發(fā)表文章，提出該技術在市政污水主流中應用將使污水廠達成“凈產(chǎn)能”的構(gòu)想。
“厭氧氨氧化(Anaerobic ammonia oxidation，Anammox)”命名了一類微生物，Mike Jetten團隊從基因、細胞、個體和生態(tài)系統(tǒng)揭示相關機理，確認了其“浮霉菌”的身份歸屬，人們因其富有想象力的特征顏色，更習慣稱之為“紅菌”。
“厭氧氨氧化Anammox”命名了一個現(xiàn)代污水技術大類。通常而言，“紅菌”設計于缺氧反應器中，命名為“厭氧Ana”可能純粹是為了紀念其起源場景；“氨氧化ammox”則較好理解，為反應器氮轉(zhuǎn)化中的一個反應過程。
“顛覆”者，在于其橫空開辟的一條捷徑。下圖以本文主角為視角的氮循環(huán)圖，已獲得學術界、企業(yè)界廣泛共識。
▼(圖片來自網(wǎng)絡)
在傳統(tǒng)路徑中，若想實現(xiàn)氨氮由污染物到氮氣的去除，必須經(jīng)由“硝化-反硝化”路徑，過程中所需要足量(過量)的氧源、碳源、占地、停留時間等，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。
但焦點也恰在這“合適、特定條件”，只在理論計算或理想環(huán)境下方能求得。“紅菌”太脆弱了，好似賴在襁褓里的嬰兒，生長緩慢、又對環(huán)境極端敏感，致使“顛覆”了近半個世紀的厭氧氨氧化仍只能算個“構(gòu)想”。
也因此，其各類工藝技術的研發(fā)都以“生物強化”和“環(huán)境調(diào)控”為中心路徑。
根據(jù)“生物強化”的方式和形態(tài)，厭氧氨氧化技術可分為懸浮污泥式、顆粒污泥式、懸浮載體式或復合式。顆粒污泥式的代表是IC反應器形式的ANAMMOX，每個顆粒都可視作一個獨立的工藝系統(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合共存的代表，通過水力旋流器或篩分裝置實現(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式、一體式。多級路線將NO2-的生成和穩(wěn)定化在獨立反應器中完成，相對后者具有更高的去除負荷，SHARON+、SBR+是代表；一體式則在同一個反應器中通過時空效應合并多步效果，啟動更快、流程簡單，以CANON為代表。
工藝技術的發(fā)展依賴科學理論在底層機理上的推動、更需要工程應用位于頂層的牽拉；反過來，中間者又是上、下兩層的連接和結(jié)構(gòu)支撐。本文所探討技術創(chuàng)新的“顛覆式”，需要深層穿透、進而系統(tǒng)建構(gòu)。
相比由“工藝技術”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“科學理論層”首先啟動，基于偶然探索未知所必須的理論、模型、思維、機制等系統(tǒng)工具，相對較難自上而下拿來主義。 以Delft大學和Kuenen教授為中心的科研工作對“偶然現(xiàn)象”的科學假設、科學證實、科學架構(gòu)構(gòu)成了厭氧氨氧化前20年的歷史主線；菌種富集、反應器設計、工程建設和啟動等工藝技術開發(fā)都要基于其“微生物和代謝途徑”的成果。
而后的20年，工藝技術層、工程應用層步入主線，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)領域負責廣度開拓，有的則另辟蹊徑、尋求更具想象力的深度可能。
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主流化之辯與變
工藝技術：結(jié)構(gòu)與范式
有學者統(tǒng)計計算，在全世界已實施的厭氧氨氧化項目中，“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)實中最天然的“合適、特定條件”，是目前該技術市場最成熟的場景。
側(cè)流的單位負荷雖高，卻仍只占一個水廠脫氮任務的10-15%，遠不足以發(fā)起“顛覆”。更無法達成我們所構(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物的參與，結(jié)合厭氧技術的發(fā)展，百年來高能耗、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，在主流中實現(xiàn)極限脫氮的同時、大量有機物送至側(cè)流做厭氧消化，成為世界第一個實現(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水SFAS生化工藝，強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現(xiàn)了懸浮游離形態(tài)紅菌的生長，“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)
時至今日，還沒有符合最佳“主流構(gòu)想”的完整實踐，以上案例一是屬于“部分主流”、一個則“主流部分”。“西安四污”和“煙臺辛安河”同樣相去甚遠，所不同者，其“主流實現(xiàn)-常溫實現(xiàn)-低氨氮實現(xiàn)”似乎有可能走出一條更溫和、普適、具有可復制意義的中間路徑。
因此，當下工藝技術層的“主流化”語境，重音應落在這“化”字上，關鍵任務是確認偶然現(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，需要在實踐中對工藝技術層作建構(gòu)、解構(gòu)、重構(gòu)。
這也是我所理解“紅菌之爭”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”當屬一類“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，紅菌可以悠然長成。
與之相對應的“微環(huán)境”，則通過自然誘導或載體吸附使團聚或附著生長。在其生態(tài)結(jié)構(gòu)中，會形成梯級不同的功能菌群和工況環(huán)境，從而導向厭氧氨氧化菌與競爭者共生共存的自然選擇。
▼（懸浮載體生物膜微環(huán)境機理：圖片取自網(wǎng)絡）
“紅菌之爭”另一端的觀點即認為：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)境中實現(xiàn)閉環(huán)。
煙臺辛安河案例支持后一種結(jié)構(gòu)。其中“脫氮貢獻25%”的表現(xiàn)頗為亮眼，超過了2021年國家重點專項中的考核目標(20%），也超過了“西安四污”的指標(約15%)：“其缺氧池載體中的菌群豐度有1.5%，相當于西安四污的15倍，同時，辛安河反應器的填充率是55%、西安四污則是5%；兩項疊加，前者的紅菌數(shù)量相當于后者的100倍之多”。
進一步探索顯示：生物膜中反硝化菌相對豐度為12-25%，尤其好氧區(qū)所達到的400-500μm厚度，非常有利于同步硝化反硝化的發(fā)生，經(jīng)測算貢獻率約為13%。則SND+AMX=38%。
思普潤“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，同時又節(jié)省了0.34元/噸的碳源藥劑費。
以下以Dokhaven污水廠為這第二階段簡史的起點，以辛安河污水廠為新時期的轉(zhuǎn)折，繪制厭氧氨氧化“主流化”的不凡之路——
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效率時代的集效形態(tài)
工程應用：系統(tǒng)與效率
在環(huán)保行業(yè)，“30%的效率提升”是廣泛認可的創(chuàng)新評價指標,因為底層科學和工藝技術的“顛覆”最終都要體現(xiàn)到工程應用的“效率”中，包括用地、用電、人工、運行成本等多個維度。
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的綠化用地完成擴容，這促使用戶走向思普潤BFM、又迫使BFM走向極限效率，進而推導生成了理想形態(tài)“集效”。
▼(煙臺辛安河極限效率圖示：圖片取自思普潤宣傳資料)
在2023（第二十一屆）水業(yè)戰(zhàn)略論壇上，思普潤公司創(chuàng)始合伙人宋美芹介紹BFM時拋出了一個筆者思索甚久的問題：在污水廠建設中，100畝地的能力極限是多少？
這是時代之問。
我確信，即便厭氧氨氧化終究無法達成它的完整構(gòu)想，也一定會在“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)新的時代奇點。
效率是：在給定條件下、最有效使用資源(能源、土地等)以滿足所設定效果和需要的評價方式。
效率是：標準、成本、穩(wěn)定性的系統(tǒng)歸集。
污水廠以“效率”為目標，需要集約整合、交叉復合，單一科學理論的突破、或獨立工藝技術的變革都很難達成“30%”的目標。
由此再考察辛安河案例所選用的思普潤BFM生物集效工藝，其實質(zhì)是 “(生物+材料）×算法”系統(tǒng)整合而涌現(xiàn)的生化新品類。
從一個角度分析，它實現(xiàn)了徹底的封閉控制。BFM運行以進出水為唯一輸入、中間不再有任何人工干擾，縮小時間尺度、剔除效率冗余，使反應器“宏環(huán)境”保持特定和恒定，做到“灰箱設計、黑箱運行”。
另一個維度再看，又是充分自然的模糊控制�；谌苎酢囟取H、基質(zhì)等多維因子構(gòu)建的“白箱模型”，使微生物生存、活動之“微環(huán)境”的生態(tài)和穩(wěn)態(tài)成為可能。
亞里士多德說：整體大于部分之和。
系統(tǒng)能力、整合能力決定了21世紀“科學理論、工藝技術、工程應用”的共同走向。這里的“整合”不是粗放疊加的概念，而是把諸多事務有序聯(lián)系起來、并賦予自組織能力的運作，包含了對組分的整理、安排、配置、約束等操作，是創(chuàng)新中的高階能力。
諸如思普潤BFM一類創(chuàng)新穿透和系統(tǒng)整合帶來的絕不僅是所謂“精確曝氣”細節(jié)優(yōu)化，而在于所賦予污水廠的時代變革，使諸如厭氧氨氧化等顛覆性構(gòu)想一步步踏向現(xiàn)實。
▼(懸浮載體“紅菌”掛膜圖片：取自思普潤宣傳資料)
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結(jié)語：創(chuàng)新的“顛覆式”
在中國環(huán)保系統(tǒng)內(nèi)，“科學理論層”通常由科研院校獨立負責，企業(yè)的領域多在工藝技術層和工程應用層。二者間的配合并不理想，呈現(xiàn)為：一邊研學無用、一邊創(chuàng)新無門。其實質(zhì)一方面是普遍忽視了“工藝技術”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)新平臺的稀缺導致三層結(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)和個人，在其中讀取“式”卻有非常之必要，是學習、實踐“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。
最后，什么樣的技術會是效率時代的需要？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~
*本文原標題： “厭氧氨氧化”極簡創(chuàng)新史：一個顛覆性構(gòu)想的“主流化”之路
