為實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)，低碳脫氮新技術(shù)的開發(fā)及其工程化應(yīng)用成為污水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。污水生物脫氮的主要途徑為傳統(tǒng)的硝化反硝化反應(yīng)，但其工程應(yīng)用仍存在能耗高且難實(shí)現(xiàn)低碳化的問(wèn)題。厭氧氨氧化（anammox）可在厭氧條件下，以氨氮為電子供體、亞硝氮為電子受體，實(shí)現(xiàn)氨氮和亞硝氮的同步脫除并生成氮?dú)�。與傳統(tǒng)硝化反硝化工藝相比，基于厭氧氨氧化的新工藝可有效降低曝氣成本、減少污泥產(chǎn)量及有機(jī)碳源需求量，是未來(lái)污水生物脫氮的重要發(fā)展方向。

1977年，奧地利理論化學(xué)家BRODA Engelbert運(yùn)用熱力學(xué)理論推斷并提出存在一種生物反應(yīng)，可利用氨氮和亞硝氮生成氮?dú)猓�預(yù)測(cè)可能存在該生物反應(yīng)。20世紀(jì)90年代，荷蘭Gist Brocades公司的MULDER Arnold發(fā)現(xiàn)該公司的反硝化中試流化床裝置中存在：在厭氧條件下，當(dāng)污水中含有硝氮時(shí)，反應(yīng)器中氨氮明顯減少并伴有氮?dú)獾漠a(chǎn)出。該現(xiàn)象被命名為厭氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation）。MULDER Arnold將此現(xiàn)象介紹給了荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的KUENEN Gijs教授。1995年，KUENEN Gijs的學(xué)生VAN DE GRAAF Astrid通過(guò)向基質(zhì)中加入N¹⁵標(biāo)記NH₄⁺ -N和N¹⁴NO₂^–-N生產(chǎn)^14-15N₂，直接證明了厭氧氨氧化生物反應(yīng)的存在。

KUENEN Gijs團(tuán)隊(duì)從1997年開始對(duì)anammox展開系統(tǒng)性的基礎(chǔ)研究。首先，STROUS Marc利用序批式反應(yīng)器將厭氧氨氧化菌富集純化至70%以上，確定了anammox菌隸屬于浮霉菌門(Planctomycete)，將實(shí)驗(yàn)株命名為Candidatus Brocadia anammoxidans，并提出了厭氧氨氧化反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量式。從化學(xué)式中可看出anammox菌的增殖系數(shù)非常低，消耗每摩爾NH₄⁺生產(chǎn)出的anammox生物質(zhì)含有（0.066±0.01）mol碳，即anammox菌每消耗1 g N會(huì)生成0.0486 g anammox生物質(zhì)，相當(dāng)于0.164 g COD，其倍增時(shí)間更長(zhǎng)達(dá)11 d。STROUS Marc和JETTEN Mike S M對(duì)神秘的厭氧氨氧化菌進(jìn)行了宏基因分析，確認(rèn)了潛在的中間代謝產(chǎn)物羥氨（NH₂OH）和肼（N₂H₄）及潛在的代謝路徑并修正了厭氧氨氧化反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量式。

圖1 厭氧氨氧化生物反應(yīng)發(fā)現(xiàn)與探索進(jìn)程（請(qǐng)橫屏觀看）

Fig. 1 Discovery and exploration of biological reaction of anammox

1998年，比利時(shí)根特大學(xué)的VERSTRAETE Willy團(tuán)隊(duì)采用序批式反應(yīng)器率先提出氧限制型自養(yǎng)硝化反硝化工藝（OLAND)。2001年，JETTEN Mike S M團(tuán)隊(duì)以氧氣為限制條件控制部分亞硝化過(guò)程，利用序批式反應(yīng)器提出了基于亞硝酸鹽的完全自養(yǎng)脫氮CANON的一段式工藝。2005年，古川憲治團(tuán)隊(duì)使用固定床生物膜培養(yǎng)富集厭氧氨氧化菌，并提出一段式部分亞硝化-厭氧氨氧化脫氮工藝（SNAP)。由于厭氧氨氧化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生硝氮，其比例達(dá)進(jìn)水總氮的7.5%~11.2%，故需要進(jìn)一步去除。2008年，大連理工大學(xué)楊鳳林團(tuán)隊(duì)結(jié)合反硝化工藝提出了同步部分亞硝化、厭氧氨氧化和反硝化工藝（SNAD)，以去除剩余的硝氮。

1997—1998年，德國(guó)的80 m³的全程自養(yǎng)脫氮（DEMON）工藝和瑞士的33 m³生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器在處理高濃度氨氮的垃圾滲濾液時(shí)均發(fā)生厭氧氨氧化反應(yīng)。2001—2006年，VAN LOOSDRECHT Mark及其同事與帕克公司合作，用兩年時(shí)間在荷蘭鹿特丹市啟動(dòng)了第1個(gè)兩段式SHARON®-Anammox®脫氮示范工程，用以處理污泥消化回流液。該工藝的前段SHARON是采用1 800 m³完全混合式的部分亞硝化工藝（PN），而PN出水進(jìn)入70 m³內(nèi)循環(huán)（IC）厭氧反應(yīng)器，并通過(guò)厭氧氨氧化顆粒污泥轉(zhuǎn)化為氮?dú)狻?004年，WETT Bernhard和HELL Martin在奧地利Strass污水處理廠采用500 m³序批式反應(yīng)器用兩年半時(shí)間成功啟動(dòng)一段式厭氧氨氧化懸浮污泥脫氮工藝（DEMON®）。該工藝基于硝化反應(yīng)產(chǎn)H⁺原理，通過(guò)檢測(cè)pH調(diào)節(jié)曝氣實(shí)現(xiàn)部分亞硝化，并采用旋流分離器和微篩選擇器截留污泥，以控制污泥停留時(shí)間、減少厭氧氨氧化菌流失。為進(jìn)一步去除厭氧氨氧化反應(yīng)產(chǎn)生的硝氮，臺(tái)灣省交通大學(xué)林志高團(tuán)隊(duì)在臺(tái)北市成功啟動(dòng)同步部分亞硝化、厭氧氨氧化和反硝化（SNAD）工藝（384 m³），用以處理垃圾滲濾液，美國(guó)俄克拉荷馬市藍(lán)色平原污水處理廠建立全球最大的側(cè)流全程自養(yǎng)脫氮工藝（DEMON®）。該污水處理廠的氮處理能力為11 800 kg·d^-1，并且節(jié)省了60%的能耗、減少了90%的污泥。

截止2014年，全球范圍內(nèi)采用厭氧氨氧化工藝建成的商用污水處理廠已超過(guò)100座，但這些污水處理廠主要用于處理高氨氮濃度的污水。2016年，新加坡公用事業(yè)局的曹業(yè)始及其同事在樟宜再生水廠的市政污水處理單元（處理量為20×10⁴t·d^-1）中實(shí)現(xiàn)了部分厭氧氨氧化工藝（處理貢獻(xiàn)率＞30%）。該工藝較傳統(tǒng)脫氮工藝降低了10%～30%能耗，減少了10%～40%池容。2019年，北京工業(yè)大學(xué)彭永臻院士團(tuán)隊(duì)利用移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（MBBR）改造西安第四污水廠（處理量為25×10⁴t·d^-1），實(shí)現(xiàn)了部分厭氧氨氧化工藝（處理貢獻(xiàn)率＞16%）。2021年，日本東北大學(xué)李玉友團(tuán)隊(duì)在市政污水處理廠的厭氧膜生物反應(yīng)器出水后實(shí)現(xiàn)了中試規(guī)模一段式流動(dòng)載體型的部分亞硝化-厭氧氨氧化工藝（處理貢獻(xiàn)率＞89%），并開發(fā)了中試規(guī)模一段式部分亞硝化-厭氧氨氧化-羥基磷酸鈣型的脫氮磷回收工藝（PNA-HAP）。

2013年，澳大利亞昆士蘭大學(xué)袁志國(guó)團(tuán)隊(duì)提出利用甲烷型反硝化耦合厭氧氨氧化的工藝。該工藝中，厭氧甲烷氧化反硝化（denitrifying anaerobic methane oxidation，DAMO）菌可利用厭氧氨氧化反應(yīng)產(chǎn)出的硝氮及發(fā)酵液中的溶解性甲烷，進(jìn)而生成亞硝氮或者氮?dú)狻Ｖ�后，亞硝氮還可繼續(xù)被厭氧氨氧化菌利用。該工藝有3個(gè)優(yōu)勢(shì)：提高脫氮效率；去除厭氧出水中溶解性甲烷，防止溫室氣體甲烷釋放至大氣中；無(wú)需額外補(bǔ)充有機(jī)物就能去除硝氮。同年，北京工業(yè)大學(xué)彭永臻院士團(tuán)隊(duì)提出了部分反硝化（NO₃^--NO₂^-）耦合厭氧氨氧化的工藝[37]。部分反硝化（partial denitrification，PD）將厭氧氨氧化產(chǎn)生的硝氮（NO₃^-）轉(zhuǎn)化成亞硝氮（NO₂^-）被厭氧氨氧化菌利用，從而有效減少系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物的需求。更重要的是，由于在低濃度氨氮環(huán)境中，亞硝酸鹽氧化菌更容易將亞硝氮氧化成硝氮，故制約了厭氧氨氧化技術(shù)應(yīng)用。針對(duì)此問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)將產(chǎn)生的硝氮通過(guò)部分反硝化菌還原成亞硝氮作為厭氧氨氧化的基質(zhì)，為厭氧氨氧化在市政污水中的穩(wěn)定運(yùn)行提出了新思路。

2018年，李玉友團(tuán)隊(duì)利用膨脹顆粒污泥床（EGSB），在厭氧氨氧化顆粒污泥的基礎(chǔ)上耦合化學(xué)結(jié)晶法，實(shí)現(xiàn)了磷的回收。該工藝中形成的新型anammox-HAP顆粒污泥外層為厭氧氨氧化生物膜，可實(shí)現(xiàn)脫氮，其內(nèi)核為堿式磷酸鈣結(jié)晶。這種顆粒污泥的沉降速度可達(dá)到300 m·h^-1，使得系統(tǒng)污泥流失率大大減小。該工藝已發(fā)展出一段式和兩段式2種類型，在溫度為7～35 ℃、進(jìn)水總氮濃度為200～1 500 mg·L^-1條件下，已長(zhǎng)期運(yùn)行并高效地實(shí)現(xiàn)了氮的去除和磷的回收。阿里格爾穆斯林大學(xué)BASHEE Farrukh團(tuán)隊(duì)和北京工業(yè)大學(xué)彭永臻院士團(tuán)隊(duì)先后提出利用反硝化聚磷酸菌回收污水中磷的耦合厭氧氨氧化工藝。該工藝既可減少厭氧氨氧化產(chǎn)出硝氮，又能高效地實(shí)現(xiàn)磷的回收。利用該工藝處理市政污水時(shí)，出水的平均TN為5.0 mg·L^-1、平均NH₄⁺-N為1.5 mg·L^-1、平均TP為0.2 mg·L^-1，氮去除率和磷去除率可分別達(dá)到90%和70%。

圖2 厭氧氨氧化的工藝開發(fā)與應(yīng)用進(jìn)展（請(qǐng)橫屏觀看）

Fig.2 Progress in development and application of anammox process

目前，在厭氧氨氧化的實(shí)際工程應(yīng)用中，仍面臨菌種倍增時(shí)間長(zhǎng)、亞硝氮來(lái)源受限、易發(fā)生抑制、運(yùn)行不穩(wěn)定等諸多問(wèn)題。如何高效富集anammox細(xì)菌、快速啟動(dòng)反應(yīng)器，以及如何優(yōu)化調(diào)控NO₂^-/ NH₄⁺比和NO₃^-生成以達(dá)到高效穩(wěn)定的脫氮效果，實(shí)現(xiàn)anammox在含氮污水處理中的大規(guī)模化工程應(yīng)用和普及，需要開展以下2方面的研究：從理論上進(jìn)一步闡明anammox菌的生理代謝特征，探討相關(guān)微生物群落結(jié)構(gòu)（生物膜和顆粒）和互利共生的調(diào)控機(jī)制；從技術(shù)上合理利用一段法和兩段法，探索anammox菌高效持留、互利菌群種間高效協(xié)同等技術(shù)策略，提升該相關(guān)工藝控制和運(yùn)營(yíng)技術(shù)，提高最大處理能力和抗環(huán)境沖擊能力，開發(fā)適用于不同類型污水的快速啟動(dòng)、穩(wěn)定高效運(yùn)行新技術(shù)。

2022年第1期

2022年第2期

2022年第3期

2021年第4期

2021年第5期

2021年第6期

2021年第7期

2021年第8期

2021年第9期

2021年第10期

2021年第11期

2021年第12期