為厭氧氨氧化工藝深耕不餒
——記山東大學環境科學與工程學院副教授倪壽清

本刊記者　劉 江

倪壽清進行技術對接報告

若說起廢水處理領域內的“明星”，厭氧氨氧化工藝自然是不得不提的。在缺氧條件下，微生物以NO2-作為電子受體，將NH4+轉變成為氮氣。而正是這樣的生物氧化過程，以低能耗、高負荷、經濟效益明顯等特點吸引了大批追捧者。

作為眾多“粉絲”中的一員，倪壽清十幾年來同日趨惡化的環境污染周旋，為生活污水、工業廢水的處理尋求最優解決方案。毫無疑問，厭氧氨氧化技術是他一項創新而卓越的選擇，相對比傳統生物廢水脫氮，其無需氧氣供應，可節省60%以上的能源消耗和100%的額外碳源，被譽為目前已知的最便捷、最具價值前景的污水脫氮工藝。

化“氨氮”為無形

早在1990年，厭氧氨氧化工藝于荷蘭代爾夫特理工大學Kluyver生物技術實驗室首次問世。而在我國，隨著科技力量的不斷崛起，工業化和城市化進程逐漸加快，關乎民生安全的水環境問題相伴而生且愈演愈烈。其中，水體富營養化是健康水資源銳減的主要因素之一，使我國乃至全球各個國家的經濟社會發展均受到不同程度的掣肘。20世紀90年代，意識到水環境污染的嚴峻性，我國迫切尋求緩解辦法并將污染治理工作上升到發展戰略層面，將可持續發展觀視為科學促進經濟增長的核心內容。

順應時代發展，倪壽清回首來時路卻坦言并非自己選擇了環保事業，而是冥冥之中被水環境研究挑中。誤打誤撞地投身環境保護領域，在一次近距離勘察污水處理廠后，他被生物處理廢水工藝深深折服。“生物技術已經是當時水污染處理的主流工藝之一，利用自然的方式處理環境污染物，成本也相對低廉。”以自然的力量治愈自然環境，倪壽清對此表現出頗為濃烈的興趣。

而后眼看著新聞媒體頻頻爆出水污染事件，諸多河流水質情況堪憂，不僅顏色黑渾還散發著刺鼻的惡臭，這讓彼時正在山東大學攻讀博士的倪壽清心有戚戚并萌生了出國“取經”的念頭。“實事求是地講，作為發展中國家，我們國家在環境領域還有許多有待提高和需要學習的地方。我想要出去走一走，看看別人的研究方式、科學理念究竟和我們有什么不同。”于是在美國能源部國家實驗室Ames Laboratory，倪壽清度過了他的兩度春秋，一邊不停地汲取先進的經驗，一邊思考著未來科研道路該何去何從。

由科研選題的應用性、嚴謹性思考延伸，倪壽清結合自身優勢明確了環境微生物研究方向，想要從厭氧氨氧化新型工藝中謀得突破與創新。回國后，他融合最新技術瞄準產業化應用。“厭氧氨氧化工藝最大的優點在于它的運行成本，而這恰恰是污水處理企業運行過程中考慮的主要因素。傳統的生物化學法，往往需要添加諸多化學藥劑，龐大的化學品消耗自然成本也就高了，而厭氧氨氧化屬于自養菌，不需要外加碳源節省了試劑費用。”倪壽清解釋道。

我國目前傳統廢水處理廠處理高濃度氨氮廢水還存在一定難度，升級改造迫在眉睫。倪壽清指出，國家污水排放標準正不斷提高，特別是針對總氮方面也提出了明確要求，普通的硝化—反硝化法已經無法滿足嚴格的市場需要。加快技術升級步伐，促進產業化革新進程迫在眉睫，“我們的厭氧氨氧化工藝已經實現在工業高濃度氨氮廢水處理中的應用，成功推廣到3家污水處理工廠，采用自養生物脫氮技術不僅降低了占用空間和能耗，還節約了基建和運行成本。”倪壽清坦言，從2008年的技術研究起，厭氧氨氧化的應用轉化到如今僅僅是一個開始，北方市政污水廠的應用將是下一個突破口。

明確定位，助推發展

時間之于科學研究的意義十分寶貴，倪壽清認為，既然有所選擇便要有所堅持。“科學研究需耐得住寂寞，擺正心態方能水到渠成，結出碩果。”

長久以來，倪壽清的堅持與厭氧氨氧化工藝的提升難解難分，與區域性、富營養化的水資源污染持續抗爭。他響應國家《水污染防治行動計劃》，在國家自然科學基金、國家重點基礎研究發展計劃、山東省重點研發計劃等大力支持下，陸續開展了針對DNRA（硝酸鹽異化還原菌）、零價鐵協同厭氧氨氧化脫氮過程的基礎理論性研究，并在微生物的反應器啟動、致敏機制以及化學與生物的途徑協作方面卓有成就。近5年來，他先后在Water Research、J Mater Chem A、Appl Microbiol Biotechnol等期刊上發表SCI論文23篇，授權發明專利8項，受邀擔任SCI期刊客座編輯，并在國際會議上作大會特邀報告和Keynote報告。

基于對不同啟動策略實現厭氧氨氧化快速啟動可行性的了解，倪壽清設計并開發了一種具有易操作、低污染的外置式生物膜反應器，創新性地提出了啟動新策略。相關成果為進一步研究反應器的快速啟動與運行特點，以及系統的微生物群落結構等提供了富有價值的參考依據，被國內外權威專家（如荷蘭院士、Water Research主編、李光耀水獎得主Mark van Loosdrecht教授、日本厭氧氨氧化第一人Kenji Furukawa教授、彭永臻院士等）引用并予以高度評價。除此之外，他還帶領課題組系統解析了自養脫氮微生物致敏機制與活性保持機理，明確了基質和有機物等因素對厭氧氨氧化性能和生物活性的影響，并提出了厭氧氨氧化菌活性的有效恢復方法，為反應器的啟動和穩定運行提供了堅實的理論指導。

負責多項新型厭氧氨氧化脫氮協同體系的構建與機理研究，倪壽清表示，通過構建DNRA耦合厭氧氨氧化脫氮體系，將兩個生物過程耦合能夠實現對系統總氮去除率的優化，依據同位素示蹤法等技術手段則進一步揭示了氮素的遷移轉化過程，解析了協同脫氮體系中氮降解途徑。與此同時，他所在的課題組還引入零價鐵構建新的協同體系，實現了氮化合物在生物和化學途徑上的協同降解，并經過后續研究的強化，從酶學和群落水平上揭示出DNRA、ZVI協同氧氨氧化微生物脫氮的協同機制。在項目成果書中，倪壽清就新型厭氧氨氧化工藝協同體系的建立、前景作出了明確分析。“我們提出了鐵納米材料、磁鐵礦、電磁場等協同微生物過程的強化新思路，經過適應后，材料通過釋放鐵離子和磁致生物效應等方式可以促進污泥微生物處理性能和功能微生物活性，可為現有工藝的改良與強化以適應越來越高的環保要求提供技術支持。”據了解，相關體系已得到國際專業學者的認可，可使污染物降解速率在原有基礎上最高可提高55%。

理論研究雖誕生于實驗室，但毫無疑問的是所有技術最終必定要走向市場，接受來自企業、機構等應用環節的考驗。如果說參與制定典型領域水系統集成與水回用共性技術標準是倪壽清面向產業應用、指導企業產業升級的第一步，那么將成果應用于污水處理廠的升級改造則是他為自身研究發展所制定下的進一步規劃。在與企業合作的過程中，他同團隊利用高活性污泥啟動中試反應器策略，順利實現了中試規模反應器快速啟動及穩定運行。他們還首次擬合了中試尺度反應器的動力學過程，提出了擬合基質去除和產氣動力學最適宜模型，并通過實驗數據對模型進行了驗證。為了使更多企業享受厭氧氨氧化研究成果，倪壽清課題組將多項技術成果應用于氨基酸、食品、養殖等行業廢水處理，圓滿完成企業所要求的改造升級任務，使處理后的廢水氮素穩定達到國家相關污染物排放標準，取得了較好的環境效益和經濟效益。

“在繼續從事基礎科研的基礎上，我希望把更多的精力用于技術推廣，同時將環境微生物的研究拓展到土壤微生物、海洋微生物等。”對于接下來的發展，倪壽清有明確的格局規劃。他強調，不論是研究工作還是教育教學都應事先進行預判，深思熟慮過后再決定做什么、如何做。教學過程中，他會根據教學內容精心設計板書，會將學科內容與實際發展形勢和工程案例相結合，準確傳達教學知識并積極引導學生互動交流。

“周末有時候我會到學校去工作，不過一般有時間還是會盡可能地陪陪家人。”倪壽清表示投身科研始于熱愛，多年研究離不開家人背后的支持，今后他更會憑著滿腔的熱情去開疆擴土。