近日，煙臺辛安河污水廠出現主流“厭氧氨氧化”現象，相關單位陸續發布了研究成果。其中“脫氮貢獻25%”的表現頗為亮眼，超過了2021年國家重點專項中的考核目標(20%），也超過了紅極一時“西安四污”的指標(約15%)。

涌現發生于有組織的整合之后。

“靈光乍現”多是假表象，“一再偶然、相似個例”背后的漸進路徑和系統邏輯蘊藏著創新創意的真正歸因。

奧地利Strass、新加坡樟宜、西安四污、煙臺辛安河四個主流厭氧氨氧化案例之間，存在著十分相近的偶然性、結構化和系統特征。

本文以“辛安河案例”為引線，梳理“厭氧氨氧化技術”的發展現狀，嘗試在其尚未成型的歷史中思考創新的“顛覆式”，包括——

科學理論層：偶然與必然

工藝技術層：結構與范式

工程應用層：系統與效率

目錄：

01厭氧氨氧化——起源、命名與發展（科學理論：偶然與必然）

02主流化之辯與變（工藝技術：結構與范式）

03效率時代的集效形態（工程應用：系統與效率）

04結語：創新的“顛覆式”

01厭氧氨氧化——起源、命名與發展科學理論：偶然與必然

多年以后，當我發號“余電并網運行”的指令時，將會時常憶起2018年“紅菌之爭”爭鳴激蕩的午后。

在環保領域探索“顛覆”是一件不平凡的事。

這是一個以末端治理、應用學科、成本中心為背景素材的“新興傳統”行業，理論橫貫穿插、創新固執綿長，來到“生態文明、高質量發展”的二十一世紀，科技支撐仍是百年活性污泥和世紀雙膜法。

要辯證認識“顛覆”，不可激進、不能困守。不激進為防止技術預期通脹和風險突變，不困守在于這“以能耗換達標、用占地換成本”的耗散結構和范式著實到了不破不立的關口。 

厭氧氨氧化是公認最具“顛覆性可能”的構想之一，對其表觀現象——無氧條件下氨氮的大規模消失——基于熱力學原理的猜想最早見報于1977年，可以視為本文創新簡史的起點。

大約十年之后，厭氧氨氧化作為微生物和作為環保的課題幾乎同時啟步。其時，工程師Arnolder Mulder在偶然之中關注到脫硫厭氧池中的“氮損”規律，隨即找到Delft大學的Gijs Kuenen著手其中機理的探索；Kuenen教授也是偶然之中，對以上提及“Two kinds of lithotrophs missing in the nature”的現象和論點別有記憶，自此開啟了他青史留名的研學生涯。

(工程師+科學家)×偶然，多么完美的故事序章。

1989年，Mulder申請了該領域第一個專利，并正式以“厭氧氨氧化”為其命名；1997年，Kuenen團隊發布節點性成果，初步形成其“代謝途徑”的結構性認識；2002年，Mark van Loosdrecht推動在鹿特丹Dokhaven污水廠建立了第一個示范工程；2010年，Kartal、Kuenen、Mark攜手在《Science》發表文章，提出該技術在市政污水主流中應用將使污水廠達成“凈產能”的構想。

“厭氧氨氧化(Anaerobic ammonia oxidation，Anammox)”命名了一類微生物，Mike Jetten團隊從基因、細胞、個體和生態系統揭示相關機理，確認了其“浮霉菌”的身份歸屬，人們因其富有想象力的特征顏色，更習慣稱之為“紅菌”。

“厭氧氨氧化Anammox”命名了一個現代污水技術大類。通常而言，“紅菌”設計于缺氧反應器中，命名為“厭氧Ana”可能純粹是為了紀念其起源場景；“氨氧化ammox”則較好理解，為反應器氮轉化中的一個反應過程。

“顛覆”者，在于其橫空開辟的一條捷徑。下圖以本文主角為視角的氮循環圖，已獲得學術界、企業界廣泛共識。

(圖片來自網絡)

在傳統路徑中，若想實現氨氮由污染物到氮氣的去除，必須經由“硝化-反硝化”路徑，過程中所需要足量(過量)的氧源、碳源、占地、停留時間等，是污水耗散范式的惡源。

“紅菌”則在系統中劃出一道花間小路，僻靜、雅致。

它以氨氮和亞硝酸鹽為底物完成轉換，在“合適的特定條件”下，可以減少60%能耗、100%碳源、80%污泥產率、90%碳排放。

但焦點也恰在這“合適、特定條件”，只在理論計算或理想環境下方能求得。“紅菌”太脆弱了，好似賴在襁褓里的嬰兒，生長緩慢、又對環境極端敏感，致使“顛覆”了近半個世紀的厭氧氨氧化仍只能算個“構想”。

也因此，其各類工藝技術的研發都以“生物強化”和“環境調控”為中心路徑。

根據“生物強化”的方式和形態，厭氧氨氧化技術可分為懸浮污泥式、顆粒污泥式、懸浮載體式或復合式。顆粒污泥式的代表是IC反應器形式的ANAMMOX，每個顆粒都可視作一個獨立的工藝系統；懸浮載體式的代表為ANITA MOX和NAUTO，延續了MBBR附載、流化、持留思路；DEMON工藝則是懸浮污泥與顆粒污泥復合共存的代表，通過水力旋流器或篩分裝置實現雙泥齡。

由“環境調控”入手則可分為限氧、濃氮、高溫等不同條件控制下的多級式、一體式。多級路線將NO2-的生成和穩定化在獨立反應器中完成，相對后者具有更高的去除負荷，SHARON+、SBR+是代表；一體式則在同一個反應器中通過時空效應合并多步效果，啟動更快、流程簡單，以CANON為代表。

工藝技術的發展依賴科學理論在底層機理上的推動、更需要工程應用位于頂層的牽拉；反過來，中間者又是上、下兩層的連接和結構支撐。本文所探討技術創新的“顛覆式”，需要深層穿透、進而系統建構。

相比由“工藝技術”本層發起的“破壞式或延續式”創新，“顛覆式”更多經由“科學理論層”首先啟動，基于偶然探索未知所必須的理論、模型、思維、機制等系統工具，相對較難自上而下拿來主義。以Delft大學和Kuenen教授為中心的科研工作對“偶然現象”的科學假設、科學證實、科學架構構成了厭氧氨氧化前20年的歷史主線；菌種富集、反應器設計、工程建設和啟動等工藝技術開發都要基于其“微生物和代謝途徑”的成果。

而后的20年，工藝技術層、工程應用層步入主線，劃出了蓬勃發展的多條分支，有的在舒適的高氨氮(污泥消化液、發酵廢水等)領域負責廣度開拓，有的則另辟蹊徑、尋求更具想象力的深度可能。

02主流化之辯與變工藝技術：結構與范式

有學者統計計算，在全世界已實施的厭氧氨氧化項目中，“污泥消化液”占比70%以上，其高氨氮、低COD、中溫等工況特征是現實中最天然的“合適、特定條件”，是目前該技術市場最成熟的場景。

側流的單位負荷雖高，卻仍只占一個水廠脫氮任務的10-15%，遠不足以發起“顛覆”。更無法達成我們所構想的范式變革。

厭氧氨氧化的完整“主流化”，意味著污水脫氮將不再需要有機物的參與，結合厭氧技術的發展，百年來高能耗、高碳排污水處理結構，有希望徹底改變。

奧地利Strass污水廠是這一理念的先行者，它采用AB+DEMON工藝，在主流中實現極限脫氮的同時、大量有機物送至側流做厭氧消化，成為世界第一個實現能量自持直至能源輸出的污水廠；新加坡樟宜再生水廠采用分段進水SFAS生化工藝，強化生物除磷與厭氧氨氧化并存，短污泥齡和適宜溶解氧同步實現了懸浮游離形態紅菌的生長，“節能降耗10%-30%、池容減少10-40%”。

(新加坡樟宜再生水廠SFAS工藝，圖片取自網絡)

時至今日，還沒有符合最佳“主流構想”的完整實踐，以上案例一是屬于“部分主流”、一個則“主流部分”。“西安四污”和“煙臺辛安河”同樣相去甚遠，所不同者，其“主流實現-常溫實現-低氨氮實現”似乎有可能走出一條更溫和、普適、具有可復制意義的中間路徑。

因此，當下工藝技術層的“主流化”語境，重音應落在這“化”字上，關鍵任務是確認偶然現象中的必然結構，構建“部分優先”四梁八柱之夯基，涉及“哪一部分、多少部分、何種優先、如何優先”的戰略決策，需要在實踐中對工藝技術層作建構、解構、重構。

這也是我所理解“紅菌之爭”的中心論辯。

據西安四污專家介紹，在出水格網處不得不增加的曝氣吹掃措施，使缺氧池形成了0.8-0.4-0.1mg/L的沿程微氧環境，“短程硝化-厭氧氨氧化”PN/A結構因之成為可能。

這里的“微氧”當屬一類“宏環境”，可以代言恰其合適的溫度、PH、微量元素等工況結構，使一邊催化氨氧化菌AOB的半短程亞硝化，一邊抑制亞硝酸鹽氧化菌NOB和異養反硝化菌DNB的生存或干擾其活性，紅菌可以悠然長成。

與之相對應的“微環境”，則通過自然誘導或載體吸附使團聚或附著生長。在其生態結構中，會形成梯級不同的功能菌群和工況環境，從而導向厭氧氨氧化菌與競爭者共生共存的自然選擇。

（懸浮載體生物膜微環境機理：圖片取自網絡）

“紅菌之爭”另一端的觀點即認為：是缺氧區載體的創意性投加使“短程反硝化-厭氧氨氧化”PDN/A在生物膜微環境中實現閉環。

煙臺辛安河案例支持后一種結構。其中“脫氮貢獻25%”的表現頗為亮眼，超過了2021年國家重點專項中的考核目標(20%），也超過了“西安四污”的指標(約15%)：“其缺氧池載體中的菌群豐度有1.5%，相當于西安四污的15倍，同時，辛安河反應器的填充率是55%、西安四污則是5%；兩項疊加，前者的紅菌數量相當于后者的100倍之多”。

進一步探索顯示：生物膜中反硝化菌相對豐度為12-25%，尤其好氧區所達到的400-500μm厚度，非常有利于同步硝化反硝化的發生，經測算貢獻率約為13%。則SND+AMX=38%。

思普潤“BFM生物集效工藝”的PDN+AMX+SND系統結構，讓辛安河污水廠總氮穩定在2mg/L以下，同時又節省了0.34元/噸的碳源藥劑費。

以下以Dokhaven污水廠為這第二階段簡史的起點，以辛安河污水廠為新時期的轉折，繪制厭氧氨氧化“主流化”的不凡之路——

03效率時代的集效形態工程應用：系統與效率

在環保行業，“30%的效率提升”是廣泛認可的創新評價指標,因為底層科學和工藝技術的“顛覆”最終都要體現到工程應用的“效率”中，包括用地、用電、人工、運行成本等多個維度。

辛安河污水廠“偶然背后的必然”便發始于“極限占地”的訴求。它的初心是利用廠區邊緣一段極其受限狹長的綠化用地完成擴容，這促使用戶走向思普潤BFM、又迫使BFM走向極限效率，進而推導生成了理想形態“集效”。

(煙臺辛安河極限效率圖示：圖片取自思普潤宣傳資料)

在2023（第二十一屆）水業戰略論壇上，思普潤公司創始合伙人宋美芹介紹BFM時拋出了一個筆者思索甚久的問題：在污水廠建設中，100畝地的能力極限是多少？

這是時代之問。

我確信，即便厭氧氨氧化終究無法達成它的完整構想，也一定會在“部分優先”的途中催生其他新工藝涌現，去革了那高占地、高耗能、高碳排污水治理耗散傳統的命。

效率，是創新的時代奇點。

效率是：在給定條件下、最有效使用資源(能源、土地等)以滿足所設定效果和需要的評價方式。

效率是：標準、成本、穩定性的系統歸集。

污水廠以“效率”為目標，需要集約整合、交叉復合，單一科學理論的突破、或獨立工藝技術的變革都很難達成“30%”的目標。

由此再考察辛安河案例所選用的思普潤BFM生物集效工藝，其實質是“(生物+材料）×算法”系統整合而涌現的生化新品類。

從一個角度分析，它實現了徹底的封閉控制。BFM運行以進出水為唯一輸入、中間不再有任何人工干擾，縮小時間尺度、剔除效率冗余，使反應器“宏環境”保持特定和恒定，做到“灰箱設計、黑箱運行”。

另一個維度再看，又是充分自然的模糊控制。基于溶氧、溫度、PH、基質等多維因子構建的“白箱模型”，使微生物生存、活動之“微環境”的生態和穩態成為可能。

亞里士多德說：整體大于部分之和。

系統能力、整合能力決定了21世紀“科學理論、工藝技術、工程應用”的共同走向。這里的“整合”不是粗放疊加的概念，而是把諸多事務有序聯系起來、并賦予自組織能力的運作，包含了對組分的整理、安排、配置、約束等操作，是創新中的高階能力。

諸如思普潤BFM一類創新穿透和系統整合帶來的絕不僅是所謂“精確曝氣”細節優化，而在于所賦予污水廠的時代變革，使諸如厭氧氨氧化等顛覆性構想一步步踏向現實。

(懸浮載體“紅菌”掛膜圖片：取自思普潤宣傳資料)

04結語：創新的“顛覆式”

在中國環保系統內，“科學理論層”通常由科研院校獨立負責，企業的領域多在工藝技術層和工程應用層。二者間的配合并不理想，呈現為：一邊研學無用、一邊創新無門。其實質一方面是普遍忽視了“工藝技術”的結構化視野，要么偏上、要么傾下，短了其系統性連接的作用；二則創新系統、創新平臺的稀缺導致三層結構的整合未成顯效，常常失落在“偶然到必然”的途中。

因此，盡管“顛覆”一詞不適用于絕大多數企業和個人，在其中讀取“式”卻有非常之必要，是學習、實踐“創新穿透和系統整合”的重要途徑，我將在后續文中繼續展開。

最后，什么樣的技術會是效率時代的需要？集約？低碳？智能？產品化？它一定是顛覆式的嗎？期待您留言探討~

編輯：李丹