1 、相關背景
在本世紀初，污水處理領域有兩個非常著名的發現：第一個是厭氧氨氧化，第二個是好氧顆粒污泥，這給污水處理的發展帶來非常大的變數。好氧顆粒污泥和厭氧氨氧化實際已經有一二十年的歷史，但是一直沒有引起足夠的關注。對于厭氧氨氧化的研究，荷蘭代爾夫特理工大學的Mark教授在《Science》上發表了一篇文章，認為厭氧氨氧化可以使污水處理廠達到凈的產能，這就給污水處理廠下一步的發展指明了一條道路。
2、主流厭氧氨氧化的發展
正因為厭氧氨氧化如此重要，所以世界各國比如荷蘭、新加坡、美國等紛紛將其作為研究前沿。著名的Strass污水處理廠利用旁路厭氧氨氧化產生厭氧氨氧化的顆粒污泥，在主流中加入這些顆粒污泥，再利用水力旋流器等將其回收。這一方法存在的問題是無法定量描述和控制厭氧氨氧化在主流中的脫氮效率。
因為中試氮去除率達到60%~70%，但是在不穩定的狀態下可能只有10%~20%。 最近Mark教授提出，顆粒污泥類型的主流厭氧氨氧化今后應主要解決運行穩定性問題。
3、西安第四污水處理廠是否發生了主流厭氧氨氧化？
西安第四污水處理廠總處理能力為50萬噸/d，分一期、二期和三期工程，厭氧氨氧化主要在一期25萬噸/d工程改造中實現。一期改造工程將倒置AO改為加填料的AO。西安地處中西部，屬于溫帶地區，污水水溫在10~20℃之間變化。眾所周知，新加坡的樟宜污水廠已經實現了部分厭氧氨氧化，但其水溫常年為30℃左右。相比之下，西安第四污水處理廠這樣的大型污水廠在常溫條件下實現厭氧氨氧化，將具有非常重要的意義。
在改造過程中可以看到，生物池有兩格厭氧段和兩格缺氧段，在缺氧段的第一個格里投放了填料，而在第二個格沒有投放填料。關于改造項目介紹，參見錢亮發表在《中國給水排水》的論文。
從三年多的統計數據來看，一期出水總氮的濃度要顯著低于二期的出水總氮濃度。按平均值來看，平均的出水TN只有5mg/L。第四污水處理廠一期工程按照達到一級A的標準來改造，實際上出水TN能達到5mg/L，其他的指標也都達到Ⅳ類標準，需要認真研究這一特殊現象。
研究發現：第一，無論在厭氧填料區還是缺氧填料區，載體上污泥顏色都變紅了，而紅色是厭氧氨氧化的一個特征顏色；第二，在缺氧區氨氮濃度發生了顯著的變化，因為在厭氧和缺氧區，如果沒有氧的供應氨氮不可能發生變化；第三，把缺氧區的填料取出來，采用厭氧氨氧化的活性實驗，測試厭氧氨氧化的活性是在52mg/(L·d)，這是非常高的活性數值。根據污泥顏色變化、沿程氨氮的監測和厭氧氨氧化活性的測試，可以初步判定發生了厭氧氨氧化反應。
為什么會發生這種反應？要對改造過程中的一些問題進行探究。眾所周知，在填料改造過程中，如果不恰當地設置攔網，填料會在攔網處堆積。而攔網設置的地點和設置方式非常有講究。好氧區的填料由于曝氣以后水的密度和填料的密度相接近，所以很容易形成流化。而缺氧區不采用曝氣，僅僅采用攪拌要實現充分流化，是存在一定難度的。西安第四污水廠的改造過程設立了吹掃系統，采用攪拌和曝氣雙重吹掃的機制。當然，吹掃設備一般是在填料攔網發生堵塞時才啟用。
實際工程運行時，為了運行方便，吹掃系統連續開啟，所以實際上進行了充氧曝氣，這是一個意外，正是這個意外導致了部分主流厭氧氨氧化的發生。對缺氧填料區進行了溶解氧測定，吹掃區的DO濃度是0.8mg/L，而在整個池子相當一部分DO分為三個區，分別是0.8、0.4和0.1mg/L，在缺氧區形成了微氧條件。因此，有理由推論，在微氧條件下氨氮轉變成了亞硝酸鹽，而與缺氧區填料上面的微環境中形成了有利于發生厭氧氨氧化反應，這是對西安第四污水處理廠發生厭氧氨氧化的一個判斷。
對填料和懸浮污泥，厭氧區和缺氧區的微生物進行了高通量分析，在門水平，缺氧段生物膜中的豐度是非常高的，遠遠高于懸浮態和厭氧段。而屬的水平也進一步證實了這一點，可以看到K型厭氧氨氧化菌（Candidatus Kuenenia ）的豐度非常高，并且在缺氧區填料中的豐度是最高的。
2018年，采用同位素示蹤法進一步證實了在缺氧環境下厭氧氨氧化反應，證實了在缺氧區厭氧氨氧化是一個非常重要的途徑，并且定量測定的結果厭氧氨氧化過程占脫氮的比例達到30%左右。
清華大學團隊于2015年、2016年、2017年和2018年對載體厭氧氨氧化菌的豐度分別進行了測定，2015年、2016年采用454測序方法，2017年采用lllumina方法，而2018年采用宏基因方法，由于三種方法的精度不同，相互之間的可比性不大。圖中缺氧區填料上厭氧氨氧化菌的豐度逐漸升高，在2017年已經接近10%。進一步來看,在填料中有兩種厭氧氨氧化菌的豐度有很大差別，一種是新加坡樟宜污水廠發現的B型厭氧氨氧化菌（Ca. Brocadia sp 40），它遠遠低于西安第四污水處理廠發現的K型厭氧氨氧化細菌。分析主要是溫度所致，新加坡樟宜污水廠的水溫是30°C，而西安第四污水處理廠水溫為11~20°C。
從三年的運行數據來看，總的來說，西安第四污水處理廠一期工程COD、總氮和磷均達到準Ⅳ類水體標準，特別是一期的總氮的濃度顯著低于二期，也顯著低于10mg/L。將一期工程與第三污水廠、第五污水廠對比，可以看到在總的停留時間上，其他兩個廠最高是它的1.8倍，而在總的處理效果上四污一期是最好的。所以通過微生物三年連續的高通量測序、同位素示蹤和宏基因組測定，確定了厭氧氨氧化系的豐度，氮的去除比例和主要功能菌種。上述的研究應該說填補了國際上在常溫生產性裝置研究的空白，有些現象還是首次報道。
一是穩定性。新加坡樟宜20萬噸/d污水廠的厭氧氨氧化發生在30°C的條件下，至于能否發生在30°C以下溫度，還不能確定。而西安第四污水廠在25萬噸/d的情況下，COD與總氮的比例，總氮的去除率等指標，達到了基本相同的去除效果，所以意義重大。荷蘭的厭氧氨氧化顆粒污泥中試仍然要在穩定性上下工夫，而Demon工藝對可控性和去除定量描述方面存在不足。在樟宜污水處理廠厭氧氨氧化對整體氮去除的貢獻率將近30%，而在四污是達到了15%，這主要是受溫度和泥齡的影響，還有優化的空間。
二是人們都想追求完全主流的厭氧氨氧化，但是現在看來存在一定的困難。這讓我們想起一個非常有意思的問題，全世界在研究清潔汽車的過程中，氫能源汽車是最高效和最清潔的，但是大家花了幾十年的時間沒有取得實質性、突破性的進展。而這時候日本研發了混合動力車，在將近10~20年里頭占據了市場很大的份額。對厭氧氨氧化的態度應該借鑒這一案例，在達到最終目的之前，實際上西安第四污水廠項目給了人們中間階段的一個選擇。
對比國內和國外的污水處理工藝，我國要達到一級A和IV類標準，一般需要采用MBR和反硝化濾池工藝，而國際上只要采用比較傳統的活性污泥的變形工藝就能達到。西安第四污水廠項目提供了一個可能性,就是在傳統污水廠進行一級A的提標改造，出水水質可以達到類IV類標準。
三是我國八大流域COD小于150mg/L占了50%以上，平均在55%以上，存在著低COD高總氮的情況，采用什么樣的技術，一直是個難題。最近在漢中污水處理廠采用這個技術，在COD為100mg/L、總氮40mg/L的情況下，出水總氮達到了5mg/L以下，因此，這一技術對低濃度污水的提標改造非常有意義。表中列出了通過改進后工藝正在實施和設計中的一些工程信息。所以。通過上述的實踐初步表明了上述工藝已經可以應用于生產，并且具有可復制性，而工藝的主要特征是雙泥齡、混合型部分厭氧氨氧化的低耗脫氮工藝。
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