为厌氧氨氧化工艺深耕不馁——记山东大学环境科学与工程学院副教授倪寿清

本刊记者　刘 江

倪寿清进行技术对接报告

若说起废水处理领域内的“明星”，厌氧氨氧化工艺自然是不得不提的。在缺氧条件下，微生物以NO2-作为电子受体，将NH4+转变成为氮气。而正是这样的生物氧化过程，以低能耗、高负荷、经济效益明显等特点吸引了大批追捧者。

作为众多“粉丝”中的一员，倪寿清十几年来同日趋恶化的环境污染周旋，为生活污水、工业废水的处理寻求最优解决方案。毫无疑问，厌氧氨氧化技术是他一项创新而卓越的选择，相对比传统生物废水脱氮，其无需氧气供应，可节省60%以上的能源消耗和100%的额外碳源，被誉为目前已知的最便捷、最具价值前景的污水脱氮工艺。

化“氨氮”为无形

早在1990年，厌氧氨氧化工艺于荷兰代尔夫特理工大学Kluyver生物技术实验室首次问世。而在我国，随着科技力量的不断崛起，工业化和城市化进程逐渐加快，关乎民生安全的水环境问题相伴而生且愈演愈烈。其中，水体富营养化是健康水资源锐减的主要因素之一，使我国乃至全球各个国家的经济社会发展均受到不同程度的掣肘。20世纪90年代，意识到水环境污染的严峻性，我国迫切寻求缓解办法并将污染治理工作上升到发展战略层面，将可持续发展观视为科学促进经济增长的核心内容。

顺应时代发展，倪寿清回首来时路却坦言并非自己选择了环保事业，而是冥冥之中被水环境研究挑中。误打误撞地投身环境保护领域，在一次近距离勘察污水处理厂后，他被生物处理废水工艺深深折服。“生物技术已经是当时水污染处理的主流工艺之一，利用自然的方式处理环境污染物，成本也相对低廉。”以自然的力量治愈自然环境，倪寿清对此表现出颇为浓烈的兴趣。

而后眼看着新闻媒体频频爆出水污染事件，诸多河流水质情况堪忧，不仅颜色黑浑还散发着刺鼻的恶臭，这让彼时正在山东大学攻读博士的倪寿清心有戚戚并萌生了出国“取经”的念头。“实事求是地讲，作为发展中国家，我们国家在环境领域还有许多有待提高和需要学习的地方。我想要出去走一走，看看别人的研究方式、科学理念究竟和我们有什么不同。”于是在美国能源部国家实验室Ames Laboratory，倪寿清度过了他的两度春秋，一边不停地汲取先进的经验，一边思考着未来科研道路该何去何从。

由科研选题的应用性、严谨性思考延伸，倪寿清结合自身优势明确了环境微生物研究方向，想要从厌氧氨氧化新型工艺中谋得突破与创新。回国后，他融合最新技术瞄准产业化应用。“厌氧氨氧化工艺最大的优点在于它的运行成本，而这恰恰是污水处理企业运行过程中考虑的主要因素。传统的生物化学法，往往需要添加诸多化学药剂，庞大的化学品消耗自然成本也就高了，而厌氧氨氧化属于自养菌，不需要外加碳源节省了试剂费用。”倪寿清解释道。

我国目前传统废水处理厂处理高浓度氨氮废水还存在一定难度，升级改造迫在眉睫。倪寿清指出，国家污水排放标准正不断提高，特别是针对总氮方面也提出了明确要求，普通的硝化—反硝化法已经无法满足严格的市场需要。加快技术升级步伐，促进产业化革新进程迫在眉睫，“我们的厌氧氨氧化工艺已经实现在工业高浓度氨氮废水处理中的应用，成功推广到3家污水处理工厂，采用自养生物脱氮技术不仅降低了占用空间和能耗，还节约了基建和运行成本。”倪寿清坦言，从2008年的技术研究起，厌氧氨氧化的应用转化到如今仅仅是一个开始，北方市政污水厂的应用将是下一个突破口。

明确定位，助推发展

时间之于科学研究的意义十分宝贵，倪寿清认为，既然有所选择便要有所坚持。“科学研究需耐得住寂寞，摆正心态方能水到渠成，结出硕果。”

长久以来，倪寿清的坚持与厌氧氨氧化工艺的提升难解难分，与区域性、富营养化的水资源污染持续抗争。他响应国家《水污染防治行动计划》，在国家自然科学基金、国家重点基础研究发展计划、山东省重点研发计划等大力支持下，陆续开展了针对DNRA（硝酸盐异化还原菌）、零价铁协同厌氧氨氧化脱氮过程的基础理论性研究，并在微生物的反应器启动、致敏机制以及化学与生物的途径协作方面卓有成就。近5年来，他先后在Water Research、J Mater Chem A、Appl Microbiol Biotechnol等期刊上发表SCI论文23篇，授权发明专利8项，受邀担任SCI期刊客座编辑，并在国际会议上作大会特邀报告和Keynote报告。

基于对不同启动策略实现厌氧氨氧化快速启动可行性的了解，倪寿清设计并开发了一种具有易操作、低污染的外置式生物膜反应器，创新性地提出了启动新策略。相关成果为进一步研究反应器的快速启动与运行特点，以及系统的微生物群落结构等提供了富有价值的参考依据，被国内外权威专家（如荷兰院士、Water Research主编、李光耀水奖得主Mark van Loosdrecht教授、日本厌氧氨氧化第一人Kenji Furukawa教授、彭永臻院士等）引用并予以高度评价。除此之外，他还带领课题组系统解析了自养脱氮微生物致敏机制与活性保持机理，明确了基质和有机物等因素对厌氧氨氧化性能和生物活性的影响，并提出了厌氧氨氧化菌活性的有效恢复方法，为反应器的启动和稳定运行提供了坚实的理论指导。

负责多项新型厌氧氨氧化脱氮协同体系的构建与机理研究，倪寿清表示，通过构建DNRA耦合厌氧氨氧化脱氮体系，将两个生物过程耦合能够实现对系统总氮去除率的优化，依据同位素示踪法等技术手段则进一步揭示了氮素的迁移转化过程，解析了协同脱氮体系中氮降解途径。与此同时，他所在的课题组还引入零价铁构建新的协同体系，实现了氮化合物在生物和化学途径上的协同降解，并经过后续研究的强化，从酶学和群落水平上揭示出DNRA、ZVI协同氧氨氧化微生物脱氮的协同机制。在项目成果书中，倪寿清就新型厌氧氨氧化工艺协同体系的建立、前景作出了明确分析。“我们提出了铁纳米材料、磁铁矿、电磁场等协同微生物过程的强化新思路，经过适应后，材料通过释放铁离子和磁致生物效应等方式可以促进污泥微生物处理性能和功能微生物活性，可为现有工艺的改良与强化以适应越来越高的环保要求提供技术支持。”据了解，相关体系已得到国际专业学者的认可，可使污染物降解速率在原有基础上最高可提高55%。

理论研究虽诞生于实验室，但毫无疑问的是所有技术最终必定要走向市场，接受来自企业、机构等应用环节的考验。如果说参与制定典型领域水系统集成与水回用共性技术标准是倪寿清面向产业应用、指导企业产业升级的第一步，那么将成果应用于污水处理厂的升级改造则是他为自身研究发展所制定下的进一步规划。在与企业合作的过程中，他同团队利用高活性污泥启动中试反应器策略，顺利实现了中试规模反应器快速启动及稳定运行。他们还首次拟合了中试尺度反应器的动力学过程，提出了拟合基质去除和产气动力学最适宜模型，并通过实验数据对模型进行了验证。为了使更多企业享受厌氧氨氧化研究成果，倪寿清课题组将多项技术成果应用于氨基酸、食品、养殖等行业废水处理，圆满完成企业所要求的改造升级任务，使处理后的废水氮素稳定达到国家相关污染物排放标准，取得了较好的环境效益和经济效益。

“在继续从事基础科研的基础上，我希望把更多的精力用于技术推广，同时将环境微生物的研究拓展到土壤微生物、海洋微生物等。”对于接下来的发展，倪寿清有明确的格局规划。他强调，不论是研究工作还是教育教学都应事先进行预判，深思熟虑过后再决定做什么、如何做。教学过程中，他会根据教学内容精心设计板书，会将学科内容与实际发展形势和工程案例相结合，准确传达教学知识并积极引导学生互动交流。

“周末有时候我会到学校去工作，不过一般有时间还是会尽可能地陪陪家人。”倪寿清表示投身科研始于热爱，多年研究离不开家人背后的支持，今后他更会凭着满腔的热情去开疆扩土。