摘要：厌氧氨氧化工艺是一项绿色低碳生物脱氮技术，可替代传统硝化反硝化工艺，节省曝气能耗、碳源消耗，降低污泥产量。本文归纳了厌氧氨氧化工艺的技术原理、类型特点及适用场景，列举了厌氧氨氧化工艺在多个行业的应用实例，探讨了

厌氧氨氧化工艺的机遇与挑战，最后介绍了华自科技的厌氧氨氧化工艺解决方案，以期推动厌氧氨氧化工艺的工程应用。

1 引言 氮素污染是引发水体富营养化与黑臭化的关键因素之

一，降低水环境质量，威胁水资源安全、人类身体健康与水生

物种安全。城乡生活污水、农业养殖废水和工业生产废水等

是重要的氮素污染源。目前，传统硝化反硝化是主要的水体

氮素削减工艺。然而，传统硝化反硝化工艺存在曝气能耗高、

外碳源消耗多和污泥产量高等问题，不利于“双碳”目标的实

现。与传统硝化反硝化工艺相比，基于厌氧氨氧化的新型生

物脱氮工艺可有效降低曝气能耗、碳源需要量和污泥产量，

实现大幅度节能降耗，符合绿色低碳理念。厌氧氨氧化工艺

有望协助污水处理厂实现能源自给、资源回用以及碳中和，促

进污水处理厂向水资源回收工厂蜕变。 厌氧氨氧化工艺在高含氮废水处理领域的工程应用早已

超过100项，且呈指数增长[1]。我国生态环保部、科技部正积

极推动厌氧氨氧化工艺的应用，厌氧氨氧化技术多次入选国

家先进技术目录。中科院也将厌氧氨氧化技术与应用评为全

球Top10热点前沿。多本著名国际、国内期刊对厌氧氨氧化发

布专刊、专栏。因此，厌氧氨氧化工艺是未来污水生物脱氮的

重要发展方向[2]，值得工农企业、水务公司和环保公司等的

共同关注。

2 厌氧氨氧化工艺的技术原理 厌氧氨氧化工艺是指以厌氧氨氧化反应为核心的一系

列工艺流程体系。厌氧氨氧化反应可在厌氧条件下，分别以

氨氮（NH4+）和亚硝氮（NO2-）为电子供体和电子受体，以

生成氮气的形式实现两者的同步脱除，是一种自养脱氮反应

（式）。厌氧氨氧化反应的电子受体是亚硝氮（NO2-），产生

亚硝氮的生化反应包括亚硝化和短程反硝化。亚硝化反应是

氨氮氧化为亚硝氮的生化过程（NH4+→NO2-），是一种自养

反应（式）。当只有部分氨氮氧化为亚硝氮（50%左右）时，称

为部分亚硝化反应。短程反硝化反应是硝氮还原为亚硝氮的

生化过程（NO3-→NO2-）,该反应的电子供体可以是有机物

和无机物，工程应用中以消耗有机物的异养反应为主。以乙酸

为有机底物的短程反硝化反应式如式所示。

厌氧氨氧化反应的功能菌称为厌氧氨氧化菌，为严格厌

氧菌，革兰氏阴性菌，隶属于浮霉菌门，具有独特的细胞结构

（图1（a）），厌氧氨氧化反应主要由内部的厌氧氨氧化体完

成。厌氧氨氧化菌由于富含血红素呈显现为鲜明的红色（图1

（b）），故也称为“红菌”。

亚硝化反应的功能菌称为亚硝酸菌或者氨氧化菌，分为

氨氧化细菌和氨氧化古菌。通常认为，亚硝化反应氨单加氧

酶和羟胺氧化还原酶共同完成。短程反硝化菌以消耗有机碳

源的异养菌为主，称为普通短程反硝化菌。根据硝酸盐还原、

亚硝酸盐还原功能基因的具备情况与表达状态，短程反硝化

菌可分为基因型短程反硝化菌和表现型短程反硝化菌。

3 厌氧氨氧化工艺的类型特点 根据亚硝氮的生成途径，厌氧氨氧化工艺可分为：（1）

部分亚硝化/厌氧氨氧化工艺；（2）硝化/短程反硝化/厌氧氨

氧化工艺；（3）部分亚硝化/短程反硝化/厌氧氨氧化工艺。此

外，还有一种比传统硝化反硝化工艺先进，但不以厌氧氨氧化

为核心的工艺，即亚硝化/反硝化工艺。上述五种生物脱氮工

艺的碳氮转化流程见图2。 由图2可见，与传统硝化/反硝化工艺相比，亚硝化/反硝

化工艺、部分亚硝化/厌氧氨氧化工艺、硝化/短程反硝化/厌

氧氨氧化工艺、以及部分亚硝化/短程反硝化/厌氧氨氧化工

艺等新型生物脱氮工艺，均可在不同程度上降低氧气需要量、

碳源需要量及污泥产量，但基于厌氧氨氧化的三种工艺的节

能降耗效果更明显。其中，部分亚硝化/厌氧氨氧化工艺在节

省碳源方面最具优势，碳源需要量可降低100%，此外，氧气需

要量和污泥产量分别降低42.5%和95.1%。部分亚硝化/短程

反硝化/厌氧氨氧化工艺在降低氧气需要量和污泥产量两个方

面潜力最大，降低程度分别为48.9%和95.5%，碳源需要量节

省程度也较高，为94.7%。与其他两种厌氧氨氧化技术相比，

硝化/短程反硝化/厌氧氨氧化工艺的节能降耗效果处于中等

水平，氧气需要量、碳源需要量及污泥产量降低程度分别为

4 厌氧氨氧化工艺的适用场景

三种厌氧氨氧化工艺适宜的应用场景不同。尽管部分亚

硝化/厌氧氨氧化工艺的碳源需要量最低，但由于厌氧氨氧化

反应自身不能将氨氮和亚硝氮全部转化为氮气，而是有部分

硝氮生成，导致该工艺的最大理论脱氮率为89%。因此，当最

大理论脱氮率不满足相应的出水总氮排放标准时，应考虑其

他两种厌氧氨氧化工艺，或者将厌氧氨氧化生成的硝氮完全

还原为氮气。因此，部分亚硝化/厌氧氨氧化工艺一般适用于

两种情形：（1）氨氮浓度高但无排放限值；（2）排放限值严

格但氨氮浓度低。 部分亚硝化/短程反硝化/厌氧氨氧化工艺主要是针对厌

氧氨氧化反应自身缺陷提出的。短程反硝化反应可将厌氧氨

氧化反应生成的硝氮还原为亚硝氮，再次作为厌氧氨氧化反

应的电子受体与残余氨氮同步脱除。理论上，部分亚硝化/短

程反硝化/厌氧氨氧化工艺的脱氮率可达100%。因此，当污水

部分亚硝化反应容易实现，处理出水水质标准高，且可提供少

量优质碳源（可来源于污水、污泥发酵）的前提下，可采用部分

亚硝化/短程反硝化/厌氧氨氧化工艺。 硝化/短程反硝化/厌氧氨氧化工艺主要是针对部分亚硝

化反应实现、维持困难，或者污水的氮素以硝氮为主的情形

提出的。城镇污水中的氮素以氨氮和有机氮为主，后者通过

氨化作用也可转化为氨氮。但与厌氧消化上清液等高氨氮废

水相比，城镇污水氨氮浓度较低且波动大，冬季水温较低，部

分亚硝化难以稳定实现，氨氮氧化生成的亚硝氮极易被硝酸

菌氧化为硝氮。因此，可考虑将氨氮部分完全氧化为硝氮，再

通过短程反硝化将硝氮还原为亚硝氮。短程反硝化与厌氧氨

氧化协同，可实现100%的脱氮率。有些高含氮工业废水，如

光伏废水，氮素以硝氮形式存在，原则上不可通过厌氧氨氧

化脱氮。但可与城镇污水混合处理，利用城镇污水中的有机

碳源将这些工业废水中硝氮短程反硝化为亚硝氮，城镇污水

中还含有氨氮，为厌氧氨氧化脱氮创造了条件，实现工业废水

与城镇污水的协同低耗脱氮。

5 厌氧氨氧化工艺的应用案例

5.1 污泥消化液 城镇污泥厌氧消化液是厌氧氨氧化工艺的主要应用场

景。全球首例厌氧氨氧化工艺的应用工程处理的就是荷兰

鹿特丹Dokhaven城镇污水处理厂的污泥厌氧消化液，于

2002年6月开始运行[3, 4]。进水水量为氨氮浓度约为1200

mg/L，进水水温和反应器混合液温度保持在32~33 ℃。厌

氧氨氧化工艺的类型为部分亚硝化/厌氧氨氧化工艺，部分

亚硝化反应、厌氧氨氧化反应分别在两个不同的反应器中完

成，前者称为SHARON反应器，尺寸为1800

m3，特点是水

力停留时间与固体停留时间相等（1.5

d），无需污泥回流；

后者称为ANAMMOX反应器，尺寸仅为70

m3，特点是为

内循环反应器构造，培养出高浓度的厌氧氨氧化颗粒污泥，

水力停留时间仅需6 h，实际脱氮能力达到7.1 kg N/m3/d。

SHARON/ANAMMOX两段式部分亚硝化/厌氧氨氧化工艺

为Dokhaven污水厂削减了10%~15%的总氮负荷，使该厂总

氮的去除以高效和可持续的特点获得明显改观[3]。

5.2 垃圾渗滤液 垃圾渗滤液也是厌氧氨氧化工艺应用较多的场景。台湾

省于2010年启动了中国第一座处理垃圾渗滤液的厌氧氨氧化

工艺应用工程[5]，类型为部分亚硝化/厌氧氨氧化+反硝化工

艺，为一段式反应器，尺寸为384 m3。进水水量为304

m3/

d，COD和氨氮浓度分别为554

mg/L和634 mg/L，曝气池水

温为30~33 ℃，泥龄为12~18

d，水力停留时间为1.3 d，溶解

氧浓度控制在0.3

mg/L。该项目的总氮去除率为76%，厌氧

氨氧化反应和反硝化的贡献度分别为68%和8%。

5.3 食品工业废水 中国大陆最早（2009~2012年间）投运的数个厌氧氨氧

化工艺应用工程均处理工业废水，包括淀粉、红酒、味精和

甜味剂等，均由国外企业荷兰帕克设计和实施[1,

6]。其中，规

模最大的是内蒙古通辽梅花生物科技有限公司的污水处理

项目I期工程，也是全球规模最大的厌氧氨氧化工程项目，于

2010年投运。处理对象为味精生产废水，设计进水氨氮浓度

为600 mg/L。厌氧氨氧化工艺类型为部分亚硝化/厌氧氨氧

化工艺，部分亚硝化反应和厌氧氨氧化反应通过控制溶解氧

在同一个反应器中完成，即一段式反应器，尺寸为6600

处理能力达到11000 kg N/d，容积脱氮负荷为2 kg m3，

N/m3/d。

但是，目前缺乏该项目的详细报导。全球范围内，厌氧氨氧化

工艺应用工程处理的食品工业废水还包括土豆加工、肉类加

工、酵母生产、牛奶和白酒废水等[1]。

5.4 城镇污水 全球城镇污水处理厂实现主流厌氧氨氧化的工程案例屈

指可数，较早报导的有奥地利Strass污水厂[7]、新加坡樟宜

污水厂[8]和中国西安第四污水厂[9,

水厂主流水温冬季低至8~12 10]等。奥地利Strass污

℃，亚硝氮来源是部分亚硝化

反应，亚硝酸菌和厌氧氨氧化菌来源于侧流厌氧氨氧化反应

器接种，构成颗粒污泥与活性污泥混合系统，依靠AvN曝气

技术维持主流厌氧氨氧化脱氮效果，厌氧氨氧化脱氮占比为

75%。新加坡樟宜污水厂主流为活性污泥系统，亚硝氮来源

也是部分亚硝化反应，但亚硝酸菌和厌氧氨氧化菌来源于主

流自发生长，厌氧氨氧化脱氮占比为62%，主要与新加坡得

天独厚的气候条件有关，全年水温维持在28~32

℃范围内。

西安第四污水厂的主流亚硝氮来源为短程反硝化，厌氧氨氧

化菌自发在缺氧区的悬浮填料上生长。进水氨氮为20.3~40.8

mg/L，在全年运行温度为10.7~25.2 ℃的条件下，出水总氮低

于10

mg/L，厌氧氨氧化脱氮贡献率最高可达30%。

5.5 源分离黑水 源分离黑水即厕所污水，包括大小便及其冲洗水。针对

部分亚硝化/厌氧氨氧化工艺处理黑水总氮无法满足一级A标

准的瓶颈问题，华自科技与同济大学合作，设计了黑水低耗高

效处理与资源化技术框架，开发了黑水同步碳磷捕获与短程

生物脱氮集成工艺（图3）。在主流处理线，采用的短程生物

脱氮工艺为部分亚硝化/短程反硝化/厌氧氨氧化工艺。实际

黑水氨氮浓度为215 mg/L，反应器运行温度为15~20

℃，部

分亚硝化反应器的水力停留时间为6.5

氨氧化耦合反应器的水力停留时间为8.0 h，短程反硝化/厌氧

h。出水无机氮仅为

1.5

mg/L，去除率达到了99.3%，部分亚硝化反应器的氨氧化

负荷为0.85

kg

的脱氮负荷为0.57 N/m3/d，短程反硝化/厌氧氨氧化耦合反应器

kg N/m3/d。由于部分亚硝化/短程反硝化

/厌氧氨氧化工艺对有机碳源的需要量少，仅为黑水进水有机

物的7.4%。因此，黑水中的大部分碳源可被捕获，再通过厌氧

消化、热点联产技术实现碳回收。整套工艺实现了高效、低

碳和极限脱氮。

6 华自科技的厌氧氨氧化工艺特色解决方案

华自科技以创新为发展动力，充分利用自身优势，建立产

学研用平台，研发了厌氧氨氧化工艺的特色整体解决方案（图

4）。与同济大学展开合作，在对亚硝化、短程反硝化和厌氧氨

氧化等生化过程展开深入研究的基础上，提出了多种组合工

艺路线、多种反应器构造型式，可对应多种行业废水。基于对

机理模型和人工智能的模型，研发的各种智能控制技术可使

厌氧氨氧化工艺稳定运行。

7 结论

（1）厌氧氨氧化工艺是绿色低碳的生物脱氮工艺，不同

类型的厌氧氨氧化工艺可应对不同的应用场景与需求；

（2）厌氧氨氧化工艺的适用场景广泛，全球应用案例较

多，技术日趋成熟，但我国厌氧氨氧化工艺仍旧推动力不足，

需要工农企业、水务公司和环保公司共同推动。

(参考文献略)