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俞汉青:厌氧氨氧化废水处理技术发展和应用启示(完整版)

2019-01-02 10:54:51来源:JIEI创新实验室 张莹莹 阅读量:6213

  【manbetx怎样下载 技术前沿】2018年11月30日,中国科学技术大学教授俞汉青在由水环境与水生态分会主办的2018首届中国城市水环境与水生态发展论坛上,发表了《厌氧氨氧化废水处理技术发展和应用的启示》主题报告,讲述了厌氧氨氧化技术发现、发展和应用的历史,特别是总结梳理了其在中国的研究和工程进展,系统且非常生动。我们根据现场录音和整理成文与读者分享。
 
  污水脱氮是近40年环境工程界最活跃的研究领域之一,从硝化-亚硝化,到反硝化脱氮、甲醇反硝化,再到同时硝化-反硝化、短程硝化-反硝化,脱氮技术不断取得创新发展,并产生了厌氧氨氧化(Anaerobic ammonia oxidation,Anammox)这样一项污水处理的颠覆性技术,开创了功能菌在复杂污水处理系统实际应用之先河。
 
  从作为自然界的现象被发现,到基础研究、工程应用,厌氧氨氧化技术发展也经历了大约40年时间,这是一个需要投入和成长的过程,离不开该领域一大批人的基础研究、论文成果和产学研的协同合作。
 
  什么是Anammox?
 
  Anammox是在无氧条件下,以氨为电子供体、亚硝酸为电子受体,产生氮气和硝酸的生物反应。Anammox包括两个过程:一是分解(产能)代谢,即以氨为电子供体,亚硝酸盐为电子受体,两者以1:1的比例反应生成氮气,并把产生的能量以ATP的形式储存起来;二是合成代谢,即以亚硝酸盐为电子受体提供还原力,利用碳源二氧化碳以及分解代谢产生的ATP合成细胞物质,并在这一过程中产生硝酸盐。厌氧氨氧化菌 (Anaerobic ammonia oxidation bacteria, AnAOB) 是厌氧氨氧化的实施者。
 
NH4++ NO2-= N2+ 2H2OΔG=-358kg/mol
 
ANAMMOX
厌氧氨氧化菌 
  Anammox现象的发现
 
  第一个对厌氧氨氧化现象进行探索的人是奥地利理论化学家Engelbert Broda,他在1977年发表关于氮循环的论文,基于热力学分析而指出自然界可能存在由微生物主导的氨氮与亚硝氮反应生成氮气的反应。
 
  Engelbert Broda (1910 -1983)
 
  奥地利理论化学家
 
  20世纪90年代初,荷兰代尔夫特理工大学 Kuenen教授指导的学生Arnold Mulder在运行一个三级废水生物脱氮反应器时,观察到第二级流化床反应器中氮“不明去向”的大量消失。
 
  Johannes Gijsbrecht Kuenen教授
 
  (原荷兰微生物学学会会长)
 
  Mr. Arnold Mulder
 
  之后,van de Graaf开展大量的探索工作,他们结合Broda博士的化学热力学预测,在国际上首次发现了Anammox现象。
 
  van de Graaf博士
 
  Anammox的基础研究
 
  Anammox现象被发现之后,Kuenen教授的一位主要助手Mike Jetten博士专注于Anammox的微生物学研究,并在加盟荷兰奈梅亨大学微生物系之后,组织团队展开了长期的基础研究工作,发现和培养了新的参与氮、硫和碳转化的微生物,采用分子生物学、结构化学和宏基因组学从基因、细胞、个体和生态系统水平揭示相关微生物的反应机理。
 
  M.S.M. Jetten教授
 
  荷兰奈梅亨大学微生物系
 
  他的主要学术贡献是:发现Anammox微生物新种。Anammox目前包含5个属的微生物,Jetten教授团队对其中4个属微生物的发现都起到了非常重要的作用。
 
  探明 Anammox反应的微生物机理。Jetten教授团队阐明了Anammox反应的代谢路径与菌种独特细胞结构,发现了Anammox微生物的生态多样性,确认厌氧氨氧化细菌的身份——隶属于浮霉菌门(planctomycete),生长缓慢,倍增时间长达2周 。在这之后他们进一步探究了联胺合成酶的结构,结合分子生物学实验验证了Anammox的过程机理,并发现anammox细菌在自然界中广泛分布,是自然界氮循环中至关重要的一环 。
Anammox细菌具有致密的厌氧氨氧化体及独特的阶梯烷膜脂结构
 
  Anammox的应用研究——第一座示范工程
 
  Kuenen教授的另一位主要助手Mark van Loosdrecht教授则在Anammox的实际应用方面有很大的贡献。他利用数学模型作为研究工具,并在公司的协助下,建立了全球第一座Anammox示范工程——荷兰鹿特丹Dokhaven污水厂。他在2007年和2014年在《Science》上发表了关于厌氧氨氧化方面的文章。
 
  Mark van Loosdrecht教授
Anammox的国际工程应用
 
  目前,Anammox主要用于污泥消化液和含高氨氮工业废水的处理,且技术发展已较为成熟,在美国、德国、瑞士等有较多的应用案例。
  根据Anammox污泥形态的不同,目前Anammox工艺分为以絮体为主的DEMON工艺、以生物膜为主的ANITA工艺和以颗粒为主的ANAMMOX工艺。
 
  1.DEMON(悬浮)——奥地利Strass污水厂
 
  奥地利Strass污水处理厂是全球首座采用DEMON的污水厂。污泥消化液的厌氧氨氧化主要有两个方面的核心技术:一是基于pH的DO实时控制短程硝化,另一个是基于物理分离技术实现双泥龄,采用旋流分离器(DEMON1.0),后改进为微筛选择器(DEMON2.0)。Strass污水厂目前在厌氧氨氧化做的非常成功,氨氮去除率约80%,总氮去除率20%-25%,出水氨氮控制在5mg/L以下。目前这种工艺在美国、德国、瑞士等也都做的非常好。

  2.ANITATMMox(生物膜) ——瑞典Sjölunda污水厂
 
  瑞典Sjölunda污水厂是全球首座采用ANITATMMox生物膜的污水厂,核心技术是MBBR,借助填料富集并长期持有厌氧氨氧化细菌。Sjölunda污水厂之后对工艺进行了改进,包括用IFAS 进行工艺改进,氨氮的去除率获得更进一步的提升,比MBBR工艺提高了200%~300% 。

  3.ANAMMOX®(颗粒)—— 荷兰Olburgen污水厂
 
  荷兰Olburgen污水厂污水主要来自世界第四大马铃薯加工厂,采用其独创的Anammox颗粒技术—— PhospaqTM既可去除80%磷,又利用厌氧氨氧化去除90%的氨氮,这是世界上第一次将PhospaqTM和厌氧氨氧化技术的结合应用。

  4.Mainstream/悬浮生长——新加坡樟宜再生水厂
 
  除了污泥消化液、工业废水,近五年全球扩大了对Anammox在城市污水主流程中的应用。新加坡樟宜再生水厂是新加坡最大的再生水厂,也是国际上首个强化生物除磷与厌氧氨氧化在大型污水厂共存的案例。短污泥龄和适宜溶解氧是实现悬浮游离厌氧氨氧化菌生长的必要条件,在好氧区实现部分硝化和亚硝酸盐积累,缺氧区进行厌氧氨氧化反应(脱氮贡献率30%),整体工艺能耗降低10%-30%,池容减少10%-40%。新加坡公用事业局的科学家曹业始博士在该污水厂Anammox技术的设计和应用中发挥了重要作用。
  厌氧氨氧化的出现,使得污水处理厂从耗能除污的末端,有机会转化为零能耗或者能量输出的化工厂,并以其自身强大的优势将推动污水处理工艺呈现“革命性” 改变,也是中国污水处理概念厂重点关注的核心技术之一。从上世纪厌氧氨氧化菌被带回国内引燃环境界的研发热潮至今,厌氧氨氧化技术在中国的研发、应用持续升温,但也面临着国内生活污水进水高C/N比、低氮浓度以及低温环境等挑战。
 
  Anammox菌种被带回中国——中国开展厌氧氨氧化系统研究
 
  浙江大学郑平教授,被称为中国Anammox之父,自上世纪80年代初开始,长期从事环境微生物与废水生物处理方面的教学和科研工作。
 
  浙江大学郑平教授
 
  上世纪90年代,郑平教授将荷兰的一些Anammox菌种带回国内开始了长期的研究,主要做了三方面的工作:一是Anammox菌种的研究;二是基于Anammox的菌种的工艺研究;三是基于Anammox的菌种的装备研究。其主要目标是取得更高的容积去污能力、更低的运行成本和更稳定的工艺性能。
 
  郑平教授团队改进的Anammox工艺容积效能达到文献报道最高值(74.3~76.7kg N·m-3·d),并成功应用于浙江的海森药业有限公司废水处理工程,这是中国第一个厌氧氨氧化废水处理的实际工程。
 
  此外,郑平教授指导的学生注册公司,在Anammox技术处理禽畜养殖废水、制药、光伏废水方面作出了突出贡献。
  郑平教授以前的学生--浙江大学胡宝兰教授研究了Anammox细菌在中国不同自然生态系统中的分布及贡献。她发现,Anammox细菌广泛存在于不同的自然生境中,且沉积物的有机碳和无机氮是影响Anammox分布的主要因素。她还发现人类活动影响了Anammox菌的分布,甚至特定Anammox菌可作为人类活动的指示菌。
 
  浙江大学胡宝兰教授
  郑平教授的另一位学生--杭州师范大学金仁村教授对Anammox技术的研究也做出了重要贡献:解决了Anammox工艺的低温运行技术难题;筛选出了Anammox工艺关键抑制因子,掌握了相应的调控对策;研发出Anammox菌种的筛选、培养、保藏和重激活的系统方法。
 
  杭州师范大学金仁村教授
 
  在截止到2018年6月份的全球发表的Anammox研究的SCI论文统计中,Mike Jetten教授发表的论文数最多,其次就是金仁村教授。彭永臻院士、郑平教授和Mark van Loosdrecht教授的Anammox论文数分别列全球第3、4和5位。这也从侧面反映了我国学者对Anammox研究的重要贡献。
 
  我自己的实验室也曾开展过关于Anammox的研究工作,尝试利用普通的好氧颗粒污泥作为培养接种污泥,历经近5个月培养出了结构密实、活性良好的Anammox颗粒污泥,为Anammox种污泥的获取找到了一个途径。

  北京排水集团的“红菌”脱氮技术研究和中试
 
  彭永臻院士的学生--张树军博士在到北京城市排水集团工作之后,在公司的持续支持下开展了“红菌”脱氮技术的研究工作,从实验室研究到中试及示范再到产业化推广都取得了不错的成果。
 
  北京城市排水集团张树军博士
  张树军博士取得了四个方面的成果:研发了生产性规模的红菌富集和纯化技术;芮诺卡红菌生物脱氮工艺及集成技术;红菌种菌生产、储存及复壮技术;低碳氮比城市污水厌氧氨氧化脱硫技术。这种情形是国内水业不多见的优秀案例。

  工程应用:Mainstream/生物膜——西安第四污水处理厂
 
  西安第四污水处理厂设计总规模50 万吨/天,一期规模为25 万吨/天,采用倒置A/A/O工艺,执行一级B排放标准,后经升级,改造为正置A/A/O工艺,在缺氧及厌氧池投加填料并延长HRT,通过搅拌+曝气实现填料流化,出水水质成功由一级B提升为一级A标准。
  该厂的MBBR在长期运行后,缺氧池和厌氧池内所投加填料表面生物膜呈现微红色。由于Anammox细菌富含细胞色素c等蛋白,红色为其区别于其他脱氮微生物的特征颜色。这暗示Anammox有可能在填料表面实现了富集。
  国内不同单位通过污泥厌氧氨氧化活性测试、基因组学测序、同位素示踪反应等多种手段的sunbet官网检测,得出两个结论:
 
  填料上确实富集了Anammox细菌,其丰度显著高于悬浮污泥;
 
  Anammox参与到污水脱氮过程,且对TN脱除的贡献率约占15%。
 
  西安第四污水厂Anammox现象的发现像我们提出了如下的问题:
 
  西安第四污水厂现象发生的机制是什么?
 
  边界条件是什么?
 
  如何进一步优化以提升Anammox对TN去除的贡献率?
 
  西安第四污水厂现象是偶然还是必然现象?
 
  如何在其它实际工程中完整复制?
 
  Anammox在城市污水主流程实际应用的挑战
 
  一是如何在低温条件下高效稳定运行?Anammox菌的活性随着温度降低而下降, 但只要运行控制得当,该过程是可以在适中温度下进行。
 
  二是如何在高C/N对比、低氮浓度以及低温环境下淘汰或者抑制异养反硝化菌DNB和亚硝酸盐氧化菌NOB?一些控制策略如:残余氨氮、DO限制、短暂缺氧、进水COD限制、好氧SRT的控制等能够实现对DNB和NOB的淘汰和抑制。
 
  三是如何有效保证Anammox菌在反应器内有足够的生物停留时间从而抵消其低生长速率的影响? Anammox反应器的载体或者生物扩增可实现生物持留效果。

  Anammox技术应用的启示
 
  从研究的角度,首先要重视对偶然性结果的深入剖析,如果一开始没有科研人员对实验中现象反复的长时间的投入研究,就难以有Anammox的发现;其次是论文发表的必要性以及文献阅读的重要性,如果没有Engelbert Broda教授1977年发表的关于自然界氮循环热力学分析的论文,还有Kuenen课题组成员的阅读,或许厌氧氨氧化的发现还要推后很多年;再次是基础研究的重要性,好的基础研究可以推动厌氧氨氧化的发展;此外,众人拾柴火焰高,科研人员的合作对于新技术的研发是十分重要的。
 
  从技术的角度,一开始Anammox的技术应用就找到了绝佳切入点——高温、高氨氮的污泥消化液;随后发现Anammox菌对有机物、重金属、毒物等具有超强的耐受力;Anammox技术开创了功能菌在复杂污水处理系统实际应用的先河;尽管污水处理系统极其复杂,功能微生物能够在其中发挥重要的作用。
 
  从基础研究到实际应用的过程并不对立,这个过程需要一个投入和成长的过程,还需要产学研的协同合作来实现。
 
  致谢
 
  感谢郑平教授(浙江大学)、胡宝兰教授(浙江大学)、王伟副教授(合肥工业大学)、金仁村教授(杭州师范大学)、黄宝成博士(杭州师范大学)和张正哲同学 (同济大学)提供的宝贵资料。
 
  原标题:JIEI | 俞汉青:厌氧氨氧化废水处理技术发展和应用启示(完整版)

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