“厌氧氨氧化”极简创新史：一个颠覆性构想的“主流化”之路

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厌氧氨氧化——起源、命名与发展      

科学理论：偶然与必然      

     

多年以后，当我发号“余电并网运行”的指令时，将会时常忆起2018年“红菌之争”争鸣激荡的午后。  

在环保领域探索“颠覆”是一件不平凡的事。  

这是一个以末端治理、应用学科、成本中心为背景素材的“新兴传统”行业，理论横贯穿插、创新固执绵长，来到“生态文明、高质量发展”的二十一世纪，科技支撑仍是百年活性污泥和世纪双膜法。  

要辩证认识“颠覆”，不可激进、不能困守。不激进为防止技术预期通胀和风险突变，不困守在于这“以能耗换达标、用占地换成本”的耗散结构和范式着实到了不破不立的关口。   

厌氧氨氧化是公认最具“颠覆性可能”的构想之一，对其表观现象——无氧条件下氨氮的大规模消失——基于热力学原理的猜想最早见报于1977年，可以视为本文创新简史的起点。    

大约十年之后，厌氧氨氧化作为微生物和作为环保的课题几乎同时启步。其时，工程师Arnolder Mulder在偶然之中关注到脱硫厌氧池中的“氮损”规律，随即找到Delft大学的Gijs Kuenen着手其中机理的探索；Kuenen教授也是偶然之中，对以上提及“Two kinds of lithotrophs missing in the nature”的现象和论点别有记忆，自此开启了他青史留名的研学生涯。  

(工程师+科学家)×偶然，多么完美的故事序章。    

1989年，Mulder申请了该领域第一个专利，并正式以“厌氧氨氧化”为其命名；1997年，Kuenen团队发布节点性成果，初步形成其“代谢途径”的结构性认识；2002年，Mark van Loosdrecht推动在鹿特丹Dokhaven污水厂建立了第一个示范工程；2010年，Kartal、Kuenen、Mark携手在《Science》发表文章，提出该技术在市政污水主流中应用将使污水厂达成“净产能”的构想。  

“厌氧氨氧化(Anaerobic ammonia oxidation，Anammox)”命名了一类微生物，Mike Jetten团队从基因、细胞、个体和生态系统揭示相关机理，确认了其“浮霉菌”的身份归属，人们因其富有想象力的特征颜色，更习惯称之为“红菌”。  

“厌氧氨氧化Anammox”命名了一个现代污水技术大类。通常而言，“红菌”设计于缺氧反应器中，命名为“厌氧Ana”可能纯粹是为了纪念其起源场景；“氨氧化ammox”则较好理解，为反应器氮转化中的一个反应过程。  

“颠覆”者，在于其横空开辟的一条捷径   。下图以本文主角为视角的氮循环图，已获得学术界、企业界广泛共识。  

(图片来自网络)  

在传统路径中，若想实现氨氮由污染物到氮气的去除，必须经由“硝化-反硝化”路径，过程中所需要足量(过量)的氧源、碳源、占地、停留时间等，是污水耗散范式的恶源。  

“红菌”则在系统中划出一道花间小路，僻静、雅致。  

它以氨氮和亚硝酸盐为底物完成转换，在“合适的特定条件”下，可以减少60%能耗、100%碳源、80%污泥产率、90%碳排放。  

但焦点也恰在这“合适、特定条件”，只在理论计算或理想环境下方能求得。“红菌”太脆弱了，好似赖在襁褓里的婴儿，生长缓慢、又对环境极端敏感，致使“颠覆”了近半个世纪的厌氧氨氧化仍只能算个“构想”。  

也因此，其各类工艺技术的研发都以“生物强化”和“环境调控”为中心路径。    

根据“生物强化”的方式和形态，厌氧氨氧化技术可分为悬浮污泥式、颗粒污泥式、悬浮载体式或复合式。颗粒污泥式的代表是IC反应器形式的ANAMMOX，每个颗粒都可视作一个独立的工艺系统；悬浮载体式的代表为ANITA MOX和NAUTO，延续了MBBR附载、流化、持留思路；DEMON工艺则是悬浮污泥与颗粒污泥复合共存的代表，通过水力旋流器或筛分装置实现双泥龄。  

由“环境调控”入手则可分为限氧、浓氮、高温等不同条件控制下的多级式、一体式。多级路线将NO2-的生成和稳定化在独立反应器中完成，相对后者具有更高的去除负荷，SHARON+、SBR+是代表；一体式则在同一个反应器中通过时空效应合并多步效果，启动更快、流程简单，以CANON为代表。  

工艺技术的发展依赖科学理论在底层机理上的推动、更需要工程应用位于顶层的牵拉；反过来，中间者又是上、下两层的连接和结构支撑。本文所探讨技术创新的“颠覆式”，需要深层穿透、进而系统建构。  

相比由“工艺技术”本层发起的“破坏式或延续式”创新，“颠覆式”更多经由“科学理论层”首先启动，基于偶然探索未知所必须的理论、模型、思维、机制等系统工具，相对较难自上而下拿来主义。 以Delft大学和Kuenen教授为中心的科研工作对“偶然现象”的科学假设、科学证实、科学架构构成了厌氧氨氧化前20年的历史主线；菌种富集、反应器设计、工程建设和启动等工艺技术开发都要基于其“微生物和代谢途径”的成果。  

而后的20年，工艺技术层、工程应用层步入主线，划出了蓬勃发展的多条分支，有的在舒适的高氨氮(污泥消化液、发酵废水等)领域负责广度开拓，有的则另辟蹊径、寻求更具想象力的深度可能。  

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主流化之辩与变      

工艺技术：结构与范式      

     

有学者统计计算，在全世界已实施的厌氧氨氧化项目中，“污泥消化液”占比70%以上，其高氨氮、低COD、中温等工况特征是现实中最天然的“合适、特定条件”，是目前该技术市场最成熟的场景。  

侧流的单位负荷虽高，却仍只占一个水厂脱氮任务的10-15%，远不足以发起“颠覆”。更无法达成我们所构想的范式变革。  

厌氧氨氧化的完整“主流化”，意味着污水脱氮将不再需要有机物的参与，结合厌氧技术的发展，百年来高能耗、高碳排污水处理结构，有希望彻底改变。    

奥地利Strass污水厂是这一理念的先行者，它采用AB+DEMON工艺，在主流中实现极限脱氮的同时、大量有机物送至侧流做厌氧消化，成为世界第一个实现能量自持直至能源输出的污水厂；新加坡樟宜再生水厂采用分段进水SFAS生化工艺，强化生物除磷与厌氧氨氧化并存，短污泥龄和适宜溶解氧同步实现了悬浮游离形态红菌的生长，“节能降耗10%-30%、池容减少10-40%”。  

(新加坡樟宜再生水厂SFAS工艺，图片取自网络)  

时至今日，还没有符合最佳“主流构想”的完整实践，以上案例一是属于“部分主流”、一个则“主流部分”。“西安四污”和“烟台辛安河”同样相去甚远，所不同者，其“主流实现-常温实现-低氨氮实现”似乎有可能走出一条更温和、普适、具有可复制意义的中间路径。  

因此，当下工艺技术层的“主流化”语境，重音应落在这“化”字上，关键任务是确认偶然现象中的必然结构，构建“部分优先”四梁八柱之夯基，涉及“哪一部分、多少部分、何种优先、如何优先”的战略决策，需要在实践中对工艺技术层作建构、解构、重构。  

这也是我所理解“红菌之争”的中心论辩。  

据西安四污专家介绍，在出水格网处不得不增加的曝气吹扫措施，使缺氧池形成了0.8-0.4-0.1mg/L的沿程微氧环境，“短程硝化-厌氧氨氧化”PN/A结构因之成为可能。  

这里的“微氧”当属一类“宏环境”，可以代言恰其合适的温度、PH、微量元素等工况结构，使一边催化氨氧化菌AOB的半短程亚硝化，一边抑制亚硝酸盐氧化菌NOB和异养反硝化菌DNB的生存或干扰其活性，红菌可以悠然长成。  

与之相对应的“微环境”，则通过自然诱导或载体吸附使团聚或附着生长。在其生态结构中，会形成梯级不同的功能菌群和工况环境，从而导向厌氧氨氧化菌与竞争者共生共存的自然选择。  

（悬浮载体生物膜微环境机理：图片取自网络）  

“红菌之争”另一端的观点即认为：是缺氧区载体的创意性投加使“短程反硝化-厌氧氨氧化”PDN/A在生物膜微环境中实现闭环。  

烟台辛安河案例支持后一种结构。其中“脱氮贡献25%”的表现颇为亮眼，超过了2021年国家重点专项中的考核目标(20%），也超过了“西安四污”的指标(约15%)：“其缺氧池载体中的菌群丰度有1.5%，相当于西安四污的15倍，同时，辛安河反应器的填充率是55%、西安四污则是5%；两项叠加，前者的红菌数量相当于后者的100倍之多”。  

进一步探索显示：生物膜中反硝化菌相对丰度为12-25%，尤其好氧区所达到的400-500μm厚度，非常有利于同步硝化反硝化的发生，经测算贡献率约为13%。则SND+AMX=38%。  

思普润“BFM生物集效工艺”的PDN+AMX+SND系统结构，让辛安河污水厂总氮稳定在2mg/L以下，同时又节省了0.34元/吨的碳源药剂费。  

以下以Dokhaven污水厂为这第二阶段简史的起点，以辛安河污水厂为新时期的转折，绘制厌氧氨氧化“主流化”的不凡之路——  

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效率时代的集效形态      

工程应用：系统与效率      

     

在环保行业，“30%的效率提升”是广泛认可的创新评价指标,因为底层科学和工艺技术的“颠覆”最终都要体现到工程应用的“效率”中，包括用地、用电、人工、运行成本等多个维度。  

辛安河污水厂“偶然背后的必然”便发始于“极限占地”的诉求。它的初心是利用厂区边缘一段极其受限狭长的绿化用地完成扩容，这促使用户走向思普润BFM、又迫使BFM走向极限效率，进而推导生成了理想形态“集效”。  

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(烟台辛安河极限效率图示：图片取自思普润宣传资料)  

在   2023（第二十一届）水业战略论坛上   ，思普润公司创始合伙人宋美芹介绍BFM时抛出了一个笔者思索甚久的问题：在污水厂建设中，100亩地的能力极限是多少？  

这是时代之问。  

我确信，即便厌氧氨氧化终究无法达成它的完整构想，也一定会在“部分优先”的途中催生其他新工艺涌现，去革了那高占地、高耗能、高碳排污水治理耗散传统的命。  

效率，是创新的时代奇点。  

效率是：在给定条件下、最有效使用资源(能源、土地等)以满足所设定效果和需要的评价方式。  

效率是：标准、成本、稳定性的系统归集。    

污水厂以“效率”为目标，需要集约整合、交叉复合，单一科学理论的突破、或独立工艺技术的变革都很难达成“30%”的目标。  

由此再考察辛安河案例所选用的思普润BFM生物集效工艺，其实质是 “ (生物+材料）×算法” 系统整合而涌现的生化新品类。  

从一个角度分析，它实现了彻底的封闭控制。BFM运行以进出水为唯一输入、中间不再有任何人工干扰，缩小时间尺度、剔除效率冗余，使反应器“宏环境”保持特定和恒定，做到“灰箱设计、黑箱运行”。  

另一个维度再看，又是充分自然的模糊控制。基于溶氧、温度、PH、基质等多维因子构建的“白箱模型”，使微生物生存、活动之“微环境”的生态和稳态成为可能。  

亚里士多德说：整体大于部分之和。  

系统能力、整合能力决定了21世纪“科学理论、工艺技术、工程应用”的共同走向。这里的“整合”不是粗放叠加的概念，而是把诸多事务有序联系起来、并赋予自组织能力的运作，包含了对组分的整理、安排、配置、约束等操作，是创新中的高阶能力。    

诸如思普润BFM一类创新穿透和系统整合带来的绝不仅是所谓“精确曝气”细节优化，而在于所赋予污水厂的时代变革，使诸如厌氧氨氧化等颠覆性构想一步步踏向现实。  

(悬浮载体“红菌”挂膜图片：取自思普润宣传资料)  

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结语：创新的“颠覆式”      

     

在中国环保系统内，“科学理论层”通常由科研院校独立负责，企业的领域多在工艺技术层和工程应用层。二者间的配合并不理想，呈现为：一边研学无用、一边创新无门。其实质一方面是普遍忽视了“工艺技术”的结构化视野，要么偏上、要么倾下，短了其系统性连接的作用；二则创新系统、创新平台的稀缺导致三层结构的整合未成显效，常常失落在“偶然到必然”的途中。  

因此，尽管“颠覆”一词不适用于绝大多数企业和个人，在其中读取“式”却有非常之必要，是学习、实践“创新穿透和系统整合”的重要途径，我将在后续文中继续展开。  

最后，什么样的技术会是效率时代的需要？集约？低碳？智能？产品化？它一定是颠覆式的吗？期待您留言探讨~

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