11月30日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授俞漢青在由水環(huán)境與水生態(tài)分會(huì)主辦的2018首屆中國城市水環(huán)境與水生態(tài)發(fā)展論壇上，發(fā)表了《厭氧氨氧化廢水處理技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的啟示》主題報(bào)告，講述了厭氧氨氧化技術(shù)發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和應(yīng)用的歷史，特別是總結(jié)梳理了其在中國的研究和工程進(jìn)展，系統(tǒng)且非常生動(dòng)。我們根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)錄音和整理成文，將分兩期與讀者分享。

污水脫氮是近40年環(huán)境工程界最活躍的研究領(lǐng)域之一，從硝化-亞硝化，到反硝化脫氮、甲醇反硝化，再到同時(shí)硝化-反硝化、短程硝化-反硝化，脫氮技術(shù)不斷取得創(chuàng)新發(fā)展，并產(chǎn)生了厭氧氨氧化(Anaerobic ammonia oxidation，Anammox)這樣一項(xiàng)污水處理的顛覆性技術(shù)，開創(chuàng)了功能菌在復(fù)雜污水處理系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用之先河。

從作為自然界的現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，到基礎(chǔ)研究、工程應(yīng)用，厭氧氨氧化技術(shù)發(fā)展也經(jīng)歷了大約40年時(shí)間，這是一個(gè)需要投入和成長的過程，離不開該領(lǐng)域一大批人的基礎(chǔ)研究、論文成果和產(chǎn)學(xué)研的協(xié)同合作。

什么是Anammox?

Anammox是在無氧條件下，以氨為電子供體、亞硝酸為電子受體，產(chǎn)生氮?dú)夂拖跛岬纳锓磻?yīng)。Anammox包括兩個(gè)過程：一是分解(產(chǎn)能)代謝，即以氨為電子供體，亞硝酸鹽為電子受體，兩者以1:1的比例反應(yīng)生成氮?dú)?，并把產(chǎn)生的能量以ATP的形式儲(chǔ)存起來;二是合成代謝，即以亞硝酸鹽為電子受體提供還原力，利用碳源二氧化碳以及分解代謝產(chǎn)生的ATP合成細(xì)胞物質(zhì)，并在這一過程中產(chǎn)生硝酸鹽。厭氧氨氧化菌 (Anaerobic ammonia oxidation bacteria, AnAOB) 是厭氧氨氧化的實(shí)施者。

Anammox現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)

第一個(gè)對(duì)厭氧氨氧化現(xiàn)象進(jìn)行探索的人是奧地利理論化學(xué)家Engelbert Broda，他在1977年發(fā)表關(guān)于氮循環(huán)的論文，基于熱力學(xué)分析而指出自然界可能存在由微生物主導(dǎo)的氨氮與亞硝氮反應(yīng)生成氮?dú)獾姆磻?yīng)。

20世紀(jì)90年代初，荷蘭代爾夫特理工大學(xué) Kuenen教授指導(dǎo)的學(xué)生Arnold Mulder在運(yùn)行一個(gè)三級(jí)廢水生物脫氮反應(yīng)器時(shí)，觀察到第二級(jí)流化床反應(yīng)器中氮“不明去向”的大量消失。

之后，van de Graaf開展大量的探索工作，他們結(jié)合Broda博士的化學(xué)熱力學(xué)預(yù)測(cè)，在國際上首次發(fā)現(xiàn)了Anammox現(xiàn)象。

Anammox的基礎(chǔ)研究

Anammox現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)之后，Kuenen教授的一位主要助手Mike Jetten博士專注于Anammox的微生物學(xué)研究，并在加盟荷蘭奈梅亨大學(xué)微生物系之后，組織團(tuán)隊(duì)展開了長期的基礎(chǔ)研究工作，發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)了新的參與氮、硫和碳轉(zhuǎn)化的微生物，采用分子生物學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)和宏基因組學(xué)從基因、細(xì)胞、個(gè)體和生態(tài)系統(tǒng)水平揭示相關(guān)微生物的反應(yīng)機(jī)理。

他的主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)是：

發(fā)現(xiàn)Anammox微生物新種。Anammox目前包含5個(gè)屬的微生物，Jetten教授團(tuán)隊(duì)對(duì)其中4個(gè)屬微生物的發(fā)現(xiàn)都起到了非常重要的作用。

探明 Anammox反應(yīng)的微生物機(jī)理。Jetten教授團(tuán)隊(duì)闡明了Anammox反應(yīng)的代謝路徑與菌種獨(dú)特細(xì)胞結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了Anammox微生物的生態(tài)多樣性，確認(rèn)厭氧氨氧化細(xì)菌的身份——隸屬于浮霉菌門(planctomycete)，生長緩慢，倍增時(shí)間長達(dá)2周 。在這之后他們進(jìn)一步探究了聯(lián)胺合成酶的結(jié)構(gòu)，結(jié)合分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Anammox的過程機(jī)理，并發(fā)現(xiàn)anammox細(xì)菌在自然界中廣泛分布，是自然界氮循環(huán)中至關(guān)重要的一環(huán) 。

Anammox細(xì)菌具有致密的厭氧氨氧化體及獨(dú)特的階梯烷膜脂結(jié)構(gòu)

Anammox的應(yīng)用研究——第一座示范工程

Kuenen教授的另一位主要助手Mark van Loosdrecht教授則在Anammox的實(shí)際應(yīng)用方面有很大的貢獻(xiàn)。他利用數(shù)學(xué)模型作為研究工具，并在公司的協(xié)助下，建立了全球第一座Anammox示范工程——荷蘭鹿特丹Dokhaven污水廠。他在2007年和2014年在《Science》上發(fā)表了關(guān)于厭氧氨氧化方面的文章。

Anammox的國際工程應(yīng)用

目前，Anammox主要用于污泥消化液和含高氨氮工業(yè)廢水的處理，且技術(shù)發(fā)展已較為成熟，在美國、德國、瑞士等有較多的應(yīng)用案例。

根據(jù)Anammox污泥形態(tài)的不同，目前Anammox工藝分為以絮體為主的DEMON工藝、以生物膜為主的ANITA工藝和以顆粒為主的ANAMMOX工藝。

編輯：趙凡