前言：“厌氧氨氧化”是一种污水脱氮技术，被认为是最具颠覆性的构想之一。它起源于20世纪70年代，最初是在处理高氨氮废水的厌氧流化床中发现的。这种技术以末端治理、应用学科、成本中心为背景素材，被认为是“新兴传统”行业。

“厌氧氨氧化”技术的贡献在于其克服了传统脱氮技术（硝化反硝化进程）需要大量碱与碳源供应，成本高、容易造成二次环境污染等缺陷，在污水处理工程领域成功实现了节能降耗、减少碳排放的目标。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%），也超过了红极一时“西安四污”的指标（约15%）。

从历史角度看，“厌氧氨氧化”技术的发展并非一帆风顺。从发现这种技术到专利授权，再到应用经历了大约十年的时间。这期间涉及菌种富集、反应器设计、工程建设和启动等多个方面。最终，在荷兰戴尔福特工业大学的一个实验室里，率先实现了厌氧氨氧化的富集。

综合来看，“厌氧氨氧化”技术的发展和应用为解决污水脱氮问题提供了新的思路。这种技术的成功实践不仅体现了科学家和工程师们的创新精神和技术实力，也为环境科学和工程领域的发展提供了新的动力。

文章来源于：E20水网固废网

作者：郭永伟

近日，烟台辛安河污水厂出现主流“厌氧氨氧化”现象，相关单位陆续发布了研究成果。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%），也超过了红极一时“西安四污”的指标(约15%)。

涌现发生于有组织的整合之后。

“灵光乍现”多是假表象，“一再偶然、相似个例”背后的渐进路径和系统逻辑蕴藏着创新创意的真正归因。

奥地利Strass、新加坡樟宜、西安四污、烟台辛安河四个主流厌氧氨氧化案例之间，存在着十分相近的偶然性、结构化和系统特征。

本文以“辛安河案例”为引线，梳理“厌氧氨氧化技术”的发展现状，尝试在其尚未成型的历史中思考创新的“颠覆式”，包括——

• 科学理论层：偶然与必然
• 工艺技术层：结构与范式
• 工程应用层：系统与效率

目录：

01厌氧氨氧化——起源、命名与发展（科学理论：偶然与必然 ）

02主流化之辩与变（工艺技术：结构与范式 ）

03效率时代的集效形态（工程应用：系统与效率 ）

04结语：创新的“颠覆式”

1

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。

2

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——

3

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”。

▼(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)

4

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~

*本文原标题： “厌氧氨氧化”极简创新史：一个颠覆性构想的“主流化”之路