综述：关于厌氧氨氧化（anammox）过程的关键性综述：评估其在废水处理中的能源中和及碳中和潜力

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：A critical review of anammox processes: evaluation of their energy and carbon neutrality potential in wastewater treatment

自主氨氧化技术通过微生物将氨氮转化为氮气，在污水处理中具有高效除氮优势，但存在化学需求高、碳中性和能源自可持续性不足等问题。研究提出采用污泥发酵液替代化学碳源、开发糖原积累菌等策略，并建议通过膜生物反应器、厌氧氨甲烷氧化等系统整合，结合数字孪生与人工智能技术，实现该过程碳零和能源自给。

　　

Rab Nawaz | Konain Khurshid | Nayyab Nadeem | Javeeria Iqbal | Zaini Sakawi | Marlia Mohd Hanafiah | Muzammil Anjum | Shahid Mahmood | Naveed Ali

马来西亚国立大学气候变化研究所热带气候变化系统中心，43600 Bangi，Selangor，马来西亚

摘要

自养厌氧氨氧化（anammox）过程被认为是比传统生物方法更有效的氮去除方式。然而，对其能源效率、自我可持续性和碳中和潜力的评估尚未完成。为了填补这一空白，本综述使用一系列标准（包括排放量、化学和能源消耗以及去除效率）对anammox过程进行了评估，并对其自我可持续性提供了见解。研究结果表明，尽管已有显著进展，目前的anammox过程在去除氮方面仍然有效，但在某些情况下，它们对化学物质的需求较高，且既不实现碳中和也不实现能源中和。用污泥发酵液（SFL）替代外部化学碳源以及开发积累糖原的细菌（GAB）是两种可能的方法，可以降低化学需求，同时减少污泥产生和相关能源消耗，因为污泥处理占污水处理厂（WWTP）总能源消耗的很大一部分。将anammox与其他系统（如膜生物反应器、反硝化厌氧甲烷氧化、厌氧固定膜反应器和生物滴滤器）集成可能是减少污泥产生、能源消耗和碳排放的有效途径。实施数字孪生技术并通过人工智能（AI）和机器学习（ML）开发预测模型对于实现能源和碳中和的anammox基废水处理至关重要。使anammox过程实现碳中和和能源中和将有助于实现多个可持续发展目标（SDGs），同时提高该技术在现实应用中的竞争力。

引言

包括水质差、供应不足和难以获得清洁水在内的许多问题影响着水这一地球主要资源[1]。随着城市化的加剧，各种企业产生的固体和液体废物量不断增加，这些废物需要得到适当处理和处置。氮化合物（${\mathrm{NO}}_2^{?}?N$${\mathrm{NH}}_4^{+}?N$${\mathrm{NO}}_3^{?}?N$）在家庭、农业以及乳制品、食品、造纸和纸浆等工业部门的废水中大量存在[2]。这些废水排放到水环境中会导致负面影响，包括富营养化、难闻的气味、水传播疾病的传播风险、生物压力、生物多样性的破坏以及水体美观度的下降[3],[4]。因此，在废水排放到环境中之前必须去除其中的氮，以防止负面后果。

一种可能的去除废水和侧流中氮的方法是生物脱氮[5],[6]。然而，现有的传统硝化-反硝化（N/DN）技术被认为不可持续且能耗和化学物质消耗较高[7],[8]。例如，反硝化细菌需要外部有机碳源（如甲醇或醋酸）来促进其生长，但这会增加处理成本[9]。此外，传统的生物方法去除市政废水中的氮并不能减少碳排放[10]。据预测，美国集中式市政污水处理厂（WWTPs）每年释放的甲烷（CH₄）相当于10.9±7.0 MMT CO₂，大约是IPCC（2019年）第二级预测值（4.3 – 6.1 MMT CO₂-eq）的两倍[11]。因此，实现WWTPs的脱碳至关重要，这是实现中期净零碳目标的关键。

提高能源效率是减少WWTP碳排放的最简单和最有效的方法之一。研究表明，不同WWTP的平均能源使用量为0.903±0.509 kWh/m³[12]。采用厌氧工艺的处理设施所需的能源明显较少，仅为0.43 kWh/m³，而好氧工艺则需要1.02 kWh/m³[13]。特别是曝气——为生物废水处理过程提供氧气——是能源消耗最大的阶段，占总运营能源需求的60%[14]。通过提高WWTPs的能源效率可以直接减少与电能使用相关的间接CO₂排放，尤其是当电力来自化石燃料或不可再生资源时。显然，开发碳中和、能源高效且自我可持续的废水处理技术（尤其是那些旨在去除氮的技术）对于在2050年前实现净零目标至关重要。

根据研究，anammox系统是替代传统生物系统去除废水中氮的有效且经济可行的方法[15]，因为它们有潜力减少排放和能源消耗。Anammox是一种生物脱氮机制，通过厌氧氨氧化细菌（AnAOB）在厌氧环境中将氨氮直接氧化为N₂，使用${\mathrm{NH}}_4^{}$作为电子供体，${\mathrm{NO}}_2^{}$作为电子受体[16]。全球已有超过100个WWTP使用anammox去除污泥厌氧消化产生的侧流中的氮[17]。过去十年间，研究重点集中在采用anammox工艺处理含有80-85%氮的废水上，因为与传统N/DN相比，该方法在曝气（节省60%）和有机物利用（100%）方面具有显著节能效果[18],[19]。

鉴于其巨大的实用性、有效性和减排潜力，anammox工艺最终将广泛应用于全球的废水处理设施。如补充信息（SI）中的图S1所示，anammox已经从细菌的发现发展到对排放的关注，再到微生物组和过程建模。最近发表了多篇专注于anammox方法各个方面的关键评估[18],[20],[21],[22],[23]。这些评估涵盖了实验室、试点和大规模实验的结果，以及anammox过程在去除氮方面的有效性、其在不同废水基质中的应用、定量文献计量分析以及全球对anammox技术的看法。

Kumar等人在一本书章中详细解释了anammox的许多方面，包括简要历史、生物多样性、代谢、化学计量学、分子生物学方法用于识别和量化、反应器设计、与其他过程的集成、当前趋势以及anammox应用中的成就[24]。Singh等人[7]对anammox技术在资源回收和工业废水处理方面的最新发展进行了全面回顾[25]。Yin等人的综述[25]介绍了WWTPs中anammox工艺的进展，并强调了实际研究和全规模实施情景[25]。Li等人[26]研究了anammox处理厨余废水的效果，并提出了提高工艺效率的策略[26]。最近，Zhao等人[27]批判性地评估了高浓度${\mathrm{NH}}_4^{}$和其他非目标物质（如抗生素和金属）对anammox过程的抑制作用[27]。然而，对其在废水处理中的能源效率、自我可持续性和碳中和潜力的评估尚未完成。本综述旨在通过评估anammox过程的能源效率、自我可持续性和碳中和潜力来填补这一空白。这些因素非常重要，因为随着世界应对气候变化的影响并利用技术进步，实现自我可持续性、能源和碳中和的努力将变得极为有用。

氮去除技术概述

有几种去除废水中的氮的方法，如生物法、吸附法、离子交换法、膜法和沉淀法。SI中的表S1对这些方法进行了比较，表明大多数用于氮去除的方法表现良好，可去除42.2%至100%的氮。然而，由于它们存在许多缺点，可能不适合大规模应用。

Anammox工艺

Anammox是一种生物脱氮技术，利用在许多自然生态系统和人造系统中广泛存在的微生物。厌氧条件使anammox能够将氨氧化为亚硝酸盐或硝酸盐。

能源与排放之间的关系

能源使用与温室气体排放之间存在密切关联，尤其是当能源依赖于化石燃料时。例如，西班牙加那利岛的Jinamar WTTP每年消耗2956 MWh的能源，导致2754吨温室气体排放[142]。N/DN过程是废水处理过程中N₂O产生的主要来源。Law等人[71]估计，90%的N₂O来自活性污泥单元，剩余10%来自砂粒储存

未来展望

能源高效且资源利用少的废水处理是实现可持续未来的环境管理的重要组成部分。全球现有的废水处理设施面临严重问题，包括能源消耗增加和温室气体排放增加[124],[130]，最重要的是，它们依赖于线性经济概念，这种概念淡化了资源回收和能源效率的重要性[177]。

结论

简而言之，anammox工艺在管理和处理废水方面表现良好。鉴于anammox的复杂性，需要综合方法来提高其去除氮的效果，同时减少化学物质投入、能源消耗和排放，提高资源效率，并结合基于人工智能和机器学习的技术。尽管仍有许多问题需要解决，但...

CRediT作者贡献声明

Konain Khurshid：撰写——原始草稿、可视化、正式分析。 Rab Nawaz：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、正式分析、概念化。 Nayyab Nadeem：撰写——原始草稿、正式分析。 Zaini Sakawi：撰写——审稿与编辑、资源提供。 Javeeria Iqbal：撰写——原始草稿、正式分析。 Muzammil Anjum：撰写——审稿与编辑、验证。 Marlia Mohd Hanafiah：监督、资源提供、项目支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢GUP-2023-015和ZF-2023-003项目的资助支持。同时非常感谢马来西亚国立大学气候变化研究所（IPI）的支持。