厌氧氨氧化——富营养化新解药？

厌氧氨氧化——富营养化新解药？

大家可能知道(或者不知道)，污水处理中的传统脱氮工艺需要一连串的生化反应(硝化-反硝化)：水中的氨氮(ammonia)氧化成亚硝酸氮(nitrite)，然后亚硝态氮氧化成硝态氮(nitrate)，最终nitrate再反硝化(还原)成空气中的氮气。这个过程需要大量的溶解氧(DO)，这意味着要消耗大量的能源，也就是说要花费好多钱完成这工作。而在此过程中，发挥作用的微生物得以繁殖，但也把有机物转化成了大量的剩余污泥，处理这些污泥进一步增加了脱氮的实际总成本。

而我猜大家可能有所不知的是，在这个硝化反硝化过程中，还会产生氧化亚氮(N2O)这个强力温室气体。它有多强力？它的单分子增温潜势却是二氧化碳的310倍！

氮循环总图

(图源：http://www.cloacina.org/)

厌氧氨氧化工艺，英文简称Anammox (全名ANaerobic AMMonium OXidation)，因为其“神奇”的“抄近路”脱氮能力，早已成为污水处理圈的一个明星。其原理是在某特定微生物种群(有人称之为Anammox菌)在厌氧条件下将氨氮和亚硝态氮转化成氮气——这大大减少了曝气需氧量和相应地减少了污泥的产量。据荷兰代尔夫特大学TU Delft的研究显示，跟传统脱氮工艺相比，厌氧氨氧化工艺的能耗能减少60%。

厌氧氨氧化原理简图

(图源 - http://weibo.com/u/2887607560)

在此之前，厌氧氨氧化一般仅限于污水圈，而且真懂的人也几个。但受此启发，美国地质勘探局（United States Geological Survey –USGS）开展了全球范围首个地下水里的厌氧氨氧化的实地调研项目，以此加深对厌氧氨氧化的了解。他们组织了一个研究团队前往美国麻省的科德角(Cape Cod)进行调查，因为在此之前，他们已经在那里进行着地下氮循环的研究工作。研究人员发现那里确实存在的活跃的厌氧氨氧化反应。虽然其速率相对较低，但考虑到地下水中氨氮的低浓度，这个发现还是很值得关注的。 “我们初步验证了厌氧氨氧化反应在地下水中的活跃性，” 美国地质勘探局的水文学家Richard Smith说道。他同时也是这个研究报告的四位作者之一。他强调：“这个发现是非常重要的，因为迄今为止，反硝化被认为是在地下水中唯一能最终去除固氮的方式。” 在此之前在污水处理界里厌氧氨氧化的相关研究已经长达几十年的时间，而这个最新的研究发现将为厌氧氨氧化提供新的应用前景。 Smith先生说：“供水部门的管理者可能对这些结果很感兴趣。目前我们知道这可以在地下发生，但它也可以应用在化粪池、沥滤场、储水池和水回用项目的设计考虑在内。” 硝酸盐是造成地下水污染的重要污染物之一，它一旦排入地表水环境，其硝态氮会导致水华等富营养化现象。Smith先生说，基于这个项目的结果，厌氧氨氧化可能是解决这个问题的出路。

(图源 - http://i4.qhimg.com/t01b2a2cd09a8e612de.jpg)

他说：“我们正在研究氮元素在地下水和地表水交界面的最终去向，尤其是那些通过地下水进入湖泊的含有氨氮和硝酸盐的水。我们正在研究在这个界面上通过厌氧氨氧化作用去除的固氮量，以及还有多少最终流向了湖泊造成了富营养化。” 除此以外，他们还会进行其他研究以验证厌氧氨氧化能在日后的水管理能扮演什么角色，例如它是否能够成为解决藻类水华的解药。不过无论如何，厌氧氨氧化已经向我们证明了这个微生物工艺的神奇性。

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