俞漢青：厭氧氨氧化廢水處理技術發展和應用啟示（上）

時間：2018-12-29 11:24

來源：水世界訂閱號

11月30日，中國科學技術大學教授俞漢青在由水環境與水生態分會主辦的2018首屆中國城市水環境與水生態發展論壇上，發表了《厭氧氨氧化廢水處理技術發展和應用的啟示》主題報告，講述了厭氧氨氧化技術發現、發展和應用的歷史，特別是總結梳理了其在中國的研究和工程進展，系統且非常生動。我們根據現場錄音和整理成文，將分兩期與讀者分享。

污水脫氮是近40年環境工程界最活躍的研究領域之一，從硝化-亞硝化，到反硝化脫氮、甲醇反硝化，再到同時硝化-反硝化、短程硝化-反硝化，脫氮技術不斷取得創新發展，并產生了厭氧氨氧化(Anaerobic ammonia oxidation，Anammox)這樣一項污水處理的顛覆性技術，開創了功能菌在復雜污水處理系統實際應用之先河。

從作為自然界的現象被發現，到基礎研究、工程應用，厭氧氨氧化技術發展也經歷了大約40年時間，這是一個需要投入和成長的過程，離不開該領域一大批人的基礎研究、論文成果和產學研的協同合作。

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，產生氮氣和硝酸的生物反應。Anammox包括兩個過程：一是分解(產能)代謝，即以氨為電子供體，亞硝酸鹽為電子受體，兩者以1:1的比例反應生成氮氣，并把產生的能量以ATP的形式儲存起來;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生的ATP合成細胞物質，并在這一過程中產生硝酸鹽。厭氧氨氧化菌 (Anaerobic ammonia oxidation bacteria, AnAOB) 是厭氧氨氧化的實施者。

Anammox現象的發現

第一個對厭氧氨氧化現象進行探索的人是奧地利理論化學家Engelbert Broda，他在1977年發表關于氮循環的論文，基于熱力學分析而指出自然界可能存在由微生物主導的氨氮與亞硝氮反應生成氮氣的反應。

20世紀90年代初，荷蘭代爾夫特理工大學 Kuenen教授指導的學生Arnold Mulder在運行一個三級廢水生物脫氮反應器時，觀察到第二級流化床反應器中氮“不明去向”的大量消失。

之后，van de Graaf開展大量的探索工作，他們結合Broda博士的化學熱力學預測，在國際上首次發現了Anammox現象。

Anammox的基礎研究

Anammox現象被發現之后，Kuenen教授的一位主要助手Mike Jetten博士專注于Anammox的微生物學研究，并在加盟荷蘭奈梅亨大學微生物系之后，組織團隊展開了長期的基礎研究工作，發現和培養了新的參與氮、硫和碳轉化的微生物，采用分子生物學、結構化學和宏基因組學從基因、細胞、個體和生態系統水平揭示相關微生物的反應機理。

他的主要學術貢獻是：

發現Anammox微生物新種。Anammox目前包含5個屬的微生物，Jetten教授團隊對其中4個屬微生物的發現都起到了非常重要的作用。

探明 Anammox反應的微生物機理。Jetten教授團隊闡明了Anammox反應的代謝路徑與菌種獨特細胞結構，發現了Anammox微生物的生態多樣性，確認厭氧氨氧化細菌的身份——隸屬于浮霉菌門(planctomycete)，生長緩慢，倍增時間長達2周。在這之后他們進一步探究了聯胺合成酶的結構，結合分子生物學實驗驗證了Anammox的過程機理，并發現anammox細菌在自然界中廣泛分布，是自然界氮循環中至關重要的一環。

Anammox細菌具有致密的厭氧氨氧化體及獨特的階梯烷膜脂結構

Anammox的應用研究——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的實際應用方面有很大的貢獻。他利用數學模型作為研究工具，并在公司的協助下，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》上發表了關于厭氧氨氧化方面的文章。