為厭氧氨氧化工藝深耕不餒
——記山東大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院副教授倪壽清

本刊記者　劉 江

倪壽清進(jìn)行技術(shù)對接報(bào)告

若說起廢水處理領(lǐng)域內(nèi)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(zhuǎn)變成為氮?dú)狻６沁@樣的生物氧化過程，以低能耗、高負(fù)荷、經(jīng)濟(jì)效益明顯等特點(diǎn)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(huán)境污染周旋，為生活污水、工業(yè)廢水的處理尋求最優(yōu)解決方案。毫無疑問，厭氧氨氧化技術(shù)是他一項(xiàng)創(chuàng)新而卓越的選擇，相對比傳統(tǒng)生物廢水脫氮，其無需氧氣供應(yīng)，可節(jié)省60%以上的能源消耗和100%的額外碳源，被譽(yù)為目前已知的最便捷、最具價(jià)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(xué)Kluyver生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室首次問世。而在我國，隨著科技力量的不斷崛起，工業(yè)化和城市化進(jìn)程逐漸加快，關(guān)乎民生安全的水環(huán)境問題相伴而生且愈演愈烈。其中，水體富營養(yǎng)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(gè)國家的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展均受到不同程度的掣肘。20世紀(jì)90年代，意識到水環(huán)境污染的嚴(yán)峻性，我國迫切尋求緩解辦法并將污染治理工作上升到發(fā)展戰(zhàn)略層面，將可持續(xù)發(fā)展觀視為科學(xué)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長的核心內(nèi)容。

順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，倪壽清回首來時(shí)路卻坦言并非自己選擇了環(huán)保事業(yè)，而是冥冥之中被水環(huán)境研究挑中。誤打誤撞地投身環(huán)境保護(hù)領(lǐng)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(shù)已經(jīng)是當(dāng)時(shí)水污染處理的主流工藝之一，利用自然的方式處理環(huán)境污染物，成本也相對低廉。”以自然的力量治愈自然環(huán)境，倪壽清對此表現(xiàn)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(zhì)情況堪憂，不僅顏色黑渾還散發(fā)著刺鼻的惡臭，這讓彼時(shí)正在山東大學(xué)攻讀博士的倪壽清心有戚戚并萌生了出國“取經(jīng)”的念頭。“實(shí)事求是地講，作為發(fā)展中國家，我們國家在環(huán)境領(lǐng)域還有許多有待提高和需要學(xué)習(xí)的地方。我想要出去走一走，看看別人的研究方式、科學(xué)理念究竟和我們有什么不同。”于是在美國能源部國家實(shí)驗(yàn)室Ames Laboratory，倪壽清度過了他的兩度春秋，一邊不停地汲取先進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)，一邊思考著未來科研道路該何去何從。

由科研選題的應(yīng)用性、嚴(yán)謹(jǐn)性思考延伸，倪壽清結(jié)合自身優(yōu)勢明確了環(huán)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(chuàng)新。回國后，他融合最新技術(shù)瞄準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。“厭氧氨氧化工藝最大的優(yōu)點(diǎn)在于它的運(yùn)行成本，而這恰恰是污水處理企業(yè)運(yùn)行過程中考慮的主要因素。傳統(tǒng)的生物化學(xué)法，往往需要添加諸多化學(xué)藥劑，龐大的化學(xué)品消耗自然成本也就高了，而厭氧氨氧化屬于自養(yǎng)菌，不需要外加碳源節(jié)省了試劑費(fèi)用。”倪壽清解釋道。

我國目前傳統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)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(jīng)無法滿足嚴(yán)格的市場需要。加快技術(shù)升級步伐，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化革新進(jìn)程迫在眉睫，“我們的厭氧氨氧化工藝已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在工業(yè)高濃度氨氮廢水處理中的應(yīng)用，成功推廣到3家污水處理工廠，采用自養(yǎng)生物脫氮技術(shù)不僅降低了占用空間和能耗，還節(jié)約了基建和運(yùn)行成本。”倪壽清坦言，從2008年的技術(shù)研究起，厭氧氨氧化的應(yīng)用轉(zhuǎn)化到如今僅僅是一個(gè)開始，北方市政污水廠的應(yīng)用將是下一個(gè)突破口。

明確定位，助推發(fā)展

時(shí)間之于科學(xué)研究的意義十分寶貴，倪壽清認(rèn)為，既然有所選擇便要有所堅(jiān)持。“科學(xué)研究需耐得住寂寞，擺正心態(tài)方能水到渠成，結(jié)出碩果。”

長久以來，倪壽清的堅(jiān)持與厭氧氨氧化工藝的提升難解難分，與區(qū)域性、富營養(yǎng)化的水資源污染持續(xù)抗?fàn)帯Ｋ憫?yīng)國家《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，在國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等大力支持下，陸續(xù)開展了針對DNRA（硝酸鹽異化還原菌）、零價(jià)鐵協(xié)同厭氧氨氧化脫氮過程的基礎(chǔ)理論性研究，并在微生物的反應(yīng)器啟動(dòng)、致敏機(jī)制以及化學(xué)與生物的途徑協(xié)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(fā)表SCI論文23篇，授權(quán)發(fā)明專利8項(xiàng)，受邀擔(dān)任SCI期刊客座編輯，并在國際會(huì)議上作大會(huì)特邀報(bào)告和Keynote報(bào)告。

基于對不同啟動(dòng)策略實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化快速啟動(dòng)可行性的了解，倪壽清設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種具有易操作、低污染的外置式生物膜反應(yīng)器，創(chuàng)新性地提出了啟動(dòng)新策略。相關(guān)成果為進(jìn)一步研究反應(yīng)器的快速啟動(dòng)與運(yùn)行特點(diǎn)，以及系統(tǒng)的微生物群落結(jié)構(gòu)等提供了富有價(jià)值的參考依據(jù)，被國內(nèi)外權(quán)威專家（如荷蘭院士、Water Research主編、李光耀水獎(jiǎng)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(jià)。除此之外，他還帶領(lǐng)課題組系統(tǒng)解析了自養(yǎng)脫氮微生物致敏機(jī)制與活性保持機(jī)理，明確了基質(zhì)和有機(jī)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(fù)方法，為反應(yīng)器的啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的理論指導(dǎo)。

負(fù)責(zé)多項(xiàng)新型厭氧氨氧化脫氮協(xié)同體系的構(gòu)建與機(jī)理研究，倪壽清表示，通過構(gòu)建DNRA耦合厭氧氨氧化脫氮體系，將兩個(gè)生物過程耦合能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)總氮去除率的優(yōu)化，依據(jù)同位素示蹤法等技術(shù)手段則進(jìn)一步揭示了氮素的遷移轉(zhuǎn)化過程，解析了協(xié)同脫氮體系中氮降解途徑。與此同時(shí)，他所在的課題組還引入零價(jià)鐵構(gòu)建新的協(xié)同體系，實(shí)現(xiàn)了氮化合物在生物和化學(xué)途徑上的協(xié)同降解，并經(jīng)過后續(xù)研究的強(qiáng)化，從酶學(xué)和群落水平上揭示出DNRA、ZVI協(xié)同氧氨氧化微生物脫氮的協(xié)同機(jī)制。在項(xiàng)目成果書中，倪壽清就新型厭氧氨氧化工藝協(xié)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(xié)同微生物過程的強(qiáng)化新思路，經(jīng)過適應(yīng)后，材料通過釋放鐵離子和磁致生物效應(yīng)等方式可以促進(jìn)污泥微生物處理性能和功能微生物活性，可為現(xiàn)有工藝的改良與強(qiáng)化以適應(yīng)越來越高的環(huán)保要求提供技術(shù)支持。”據(jù)了解，相關(guān)體系已得到國際專業(yè)學(xué)者的認(rèn)可，可使污染物降解速率在原有基礎(chǔ)上最高可提高55%。

理論研究雖誕生于實(shí)驗(yàn)室，但毫無疑問的是所有技術(shù)最終必定要走向市場，接受來自企業(yè)、機(jī)構(gòu)等應(yīng)用環(huán)節(jié)的考驗(yàn)。如果說參與制定典型領(lǐng)域水系統(tǒng)集成與水回用共性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是倪壽清面向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用、指導(dǎo)企業(yè)產(chǎn)業(yè)升級的第一步，那么將成果應(yīng)用于污水處理廠的升級改造則是他為自身研究發(fā)展所制定下的進(jìn)一步規(guī)劃。在與企業(yè)合作的過程中，他同團(tuán)隊(duì)利用高活性污泥啟動(dòng)中試反應(yīng)器策略，順利實(shí)現(xiàn)了中試規(guī)模反應(yīng)器快速啟動(dòng)及穩(wěn)定運(yùn)行。他們還首次擬合了中試尺度反應(yīng)器的動(dòng)力學(xué)過程，提出了擬合基質(zhì)去除和產(chǎn)氣動(dòng)力學(xué)最適宜模型，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了驗(yàn)證。為了使更多企業(yè)享受厭氧氨氧化研究成果，倪壽清課題組將多項(xiàng)技術(shù)成果應(yīng)用于氨基酸、食品、養(yǎng)殖等行業(yè)廢水處理，圓滿完成企業(yè)所要求的改造升級任務(wù)，使處理后的廢水氮素穩(wěn)定達(dá)到國家相關(guān)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，取得了較好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

“在繼續(xù)從事基礎(chǔ)科研的基礎(chǔ)上，我希望把更多的精力用于技術(shù)推廣，同時(shí)將環(huán)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(fā)展，倪壽清有明確的格局規(guī)劃。他強(qiáng)調(diào)，不論是研究工作還是教育教學(xué)都應(yīng)事先進(jìn)行預(yù)判，深思熟慮過后再?zèng)Q定做什么、如何做。教學(xué)過程中，他會(huì)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容精心設(shè)計(jì)板書，會(huì)將學(xué)科內(nèi)容與實(shí)際發(fā)展形勢和工程案例相結(jié)合，準(zhǔn)確傳達(dá)教學(xué)知識并積極引導(dǎo)學(xué)生互動(dòng)交流。

“周末有時(shí)候我會(huì)到學(xué)校去工作，不過一般有時(shí)間還是會(huì)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(huì)憑著滿腔的熱情去開疆?dāng)U土。