“紅菌"在脫氮方面的表現(xiàn)

      河南浩輝環(huán)�？萍加邢薰�司了解到：有這么一種原始菌群，它能“吃掉”10倍于自己體重的氨氮污染物，還不產(chǎn)生污泥，它就是厭氧氨氧化菌，當然了，我們更習慣把它稱為“紅菌”。紅菌（厭氧氨氧化菌）一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，便很快引起了水處理工程師們的熱切關注和興趣。與傳統(tǒng)的生物脫氮技術相比，以“紅菌”為驅(qū)動的厭氧氨氧化能降低50%的曝氣量、100%的有機碳源、90%的運行費用，釋放更少的溫室氣體，污泥產(chǎn)率低，且具有更少的空間需求，是迄今為止最簡潔的脫氮途徑之一。

      “紅菌”究竟是個啥為什么厭氧氨氧化會被稱為紅菌技術？

厭氧氨氧化菌（以下簡稱紅菌）是一種幾乎與地球同齡的古老菌群，但直到20世紀90年代，人類科學家才在黑海深水層中發(fā)現(xiàn)了它（隨后該菌群在其他厭氧或缺氧環(huán)境中相繼被發(fā)現(xiàn)）。紅菌細胞呈不規(guī)則的球狀、卵狀，大小為（0.7～1.1）μm×（1.1～1.3）μm，細胞外有豐富的胞外多聚物，一般都不含菌毛。其特有的細胞器為厭氧氨氧化體，占細胞體積的50%～80%，是進行厭氧氨氧化反應的場所，具有特殊的化學成分。由于紅菌細胞內(nèi)部含有大量的細胞色素C，鮮紅色成了他最為最顯著的特征，故水處理人常俗稱其為紅菌。值得一提的是，紅菌的色度與生物活性顯著相關，一般活性較高的紅菌呈現(xiàn)標志性的紅棕色（可用細胞色素C的含量表征紅菌的活性）。

      此外，紅菌對環(huán)境極為敏感。嚴格厭氧的紅菌可生存溫度范圍在-2.5~100℃，但多嗜中溫，最適生長溫度為30~40℃，最佳生長pH為6.7~8.3，倍增時間在10~30d。根據(jù)生長動力學，可將紅菌類群分為“快生型”與“慢生型”�！翱焐�型”具有較高的比生長速率，基質(zhì)親和力相對較弱，“慢生型”具有較強的基質(zhì)親和力，比生長速率較低。

      紅菌的影響因素

      如何快速富集“紅菌”，提高脫氮效率？

      眾所周知，紅菌的種類、分布、數(shù)量和活性對厭氧氨氧化效能起到重要作用。因此在實際應用中，我們可以通過污泥齡（SRT）、DO和水力停留時間（HRT）等參數(shù)來改變紅菌富集過程中菌群的群落結(jié)構，從而影響紅菌的數(shù)量、種類和活性。

      1、污泥齡（SRT）和水力停留時間（HRT）

      污泥齡（SRT）和水力停留時間（HRT）作為廢水處理工藝運行的重要參數(shù)，也會影響厭氧氨氧化的進程。污泥齡SRT可決定污泥中微生物的種類，應控制SRT大于紅菌的倍增時間，在菌種富集培養(yǎng)過程中盡可能少排泥或不排泥。縮短HRT是快速富集紅菌并提高脫氮效率的另一有效途徑。有研究表明，縮短HRT時菌株EPS中的蛋白質(zhì)/多糖由1.35升至1.86，穩(wěn)定達到2.08，有效促進污泥顆粒化，總氮去除負荷平均達到0.58 kg/（m3·d），總氮去除率均值維持在94.2%，脫氮性能保持穩(wěn)定。要特別說明的是，因反應器、接種污泥和工藝的不同，HRT由十幾分鐘到幾小時不等。HRT會影響水力負荷、水力剪切力和上升流速等，HRT越短水力負荷增大，水力剪切力強度增大，容易導致污泥沖洗，因此紅菌富集培養(yǎng)時應根據(jù)實際情況設置HRT。

      2、溶解氧（DO）

      紅菌屬于專性厭氧菌，DO對紅菌的活性有明顯的抑制作用。研究發(fā)現(xiàn)，紅菌在1%的氧飽和條件下，DO的抑制作用是可逆的；而當氧飽和大于18%，DO的抑制作用就不可逆。在實際工程應用中，控制DO質(zhì)量濃度小于2.5 mg/L，可以通過厭氧氨氧化實現(xiàn)廢水脫氮。

      3、溫度

      在眾多外界環(huán)境條件中，溫度是影響微生物種群生長的關鍵因素。上文我們也提到，紅菌生長的適宜溫度為30～40 ℃。當溫度大于45 ℃時，酶活性會受到較大影響，同時造成不可逆的細胞裂解，嚴重影響工藝運行。雖然低溫也對厭氧氨氧化有很大的影響，但是通過對紅菌的培養(yǎng)和馴化，其可以適應低溫環(huán)境并使反應順利進行。

      4、pH值

      紅菌對pH的變化極為敏感，厭氧氨氧化的穩(wěn)定運行需要pH來調(diào)節(jié)，在其運行的各個階段對pH的控制尤為重要。紅菌適宜生長的pH范圍為6.7～8.3。當pH過低時，NO2- -N向NH2OH的轉(zhuǎn)化會受到抑制，從而影響紅菌的能量代謝；當pH過高時，NH4+ -N向NH2OH的轉(zhuǎn)化會得到強化，使得NH2OH出現(xiàn)積累，從而對紅菌的活性造成抑制作用。

      5、基質(zhì)濃度

      厭氧氨氧化反應的基質(zhì)主要為NO2- -N和NH4+ -N，二者的濃度和比例不同會對反應起到促進或者抑制作用。與高濃度的NH4+ -N相比，紅菌對高濃度的NO2- -N更為敏感。NO2 - -N作為影響厭氧氨氧化反應的重要基質(zhì)，當其濃度過高時，會對紅菌產(chǎn)生顯著的毒性作用。此外，NO2- -N的積累會降低 紅菌的分解代謝活性，使其細胞結(jié)構遭到破壞。一般來說，當NO2- -N質(zhì)量濃度大于100 mg/L時，厭氧氨氧化反應進程會被完全抑制。

      6、有機碳源

      雖然紅菌作為自養(yǎng)菌，無需要外加碳源，但是廢水中一定存在碳源，因此還是有必要分析有機碳源對厭氧氨氧化過程的影響。當有機物COD超過300mg/L時，會對紅菌的生長產(chǎn)生明顯的抑制作用。

      7、化學藥劑

      適量添加Ca、Mg、Cu、Fe等金屬的單質(zhì)或離子可提高紅菌的活性、促進菌群的多樣性。鐵元素參與紅菌的合成代謝過程。在連續(xù)運行的脫氮反應器中，單質(zhì)Fe可作為凝聚核培養(yǎng)厭氧氨氧化顆粒，以微米或納米的形式被添加到反應器中的單質(zhì)Fe，可以顯著提高紅菌脫氮效能。同時，適當增加進水中Fe2+或Fe3+的濃度有利于細胞色素C的合成，從而提高紅菌的活性及生長速度。

紅菌的富集與培養(yǎng)

      7種富集反應器+6種污泥源優(yōu)缺點對比

      1、常用紅菌富集反應器的優(yōu)缺點

紅菌生長緩慢，生物量約為0.11g/g（以每單位質(zhì)量NH4+ -N污泥中可揮發(fā)性固體計），導致污泥形成緩慢，在不利條件下易流失，難以實現(xiàn)菌株富集。因此，具備高效生物截留能力的反應器對于紅菌的富集必不可缺。常用紅菌富集反應器的優(yōu)缺點如下：

      1）SBR

      優(yōu)點：是具有良好的生物截留能力，基質(zhì)能夠充分混合、抗沖擊能力強，無需回流，可穩(wěn)定運行，操作簡單；缺點：自動化控制要求高，不宜與其他工藝進行偶聯(lián)，仍有部分污泥流失。

      2）MBR

      優(yōu)點：能夠?qū)崿F(xiàn)全部微生物的截留，菌種活性高、倍增時間短、出水水質(zhì)好，流程簡單、操作方便；缺點：阻力大、運行成本高，膜易堵塞。

      3）UASB

      優(yōu)點：生物截留量高，HRT短且能耗低，容積負荷率高，運行穩(wěn)定，脫氮效果好，可加速顆粒污泥的形成；缺點：傳質(zhì)效果不佳，內(nèi)部污泥床易形成死區(qū)、短流及溝流現(xiàn)象，影響啟動效果。

      4）EGSB

優(yōu)點：污泥持留能力高效，傳質(zhì)條件好且不易堵塞；缺點：運行條件和控制要求高、顆粒污泥碰撞頻繁而劇烈，易流失，能耗較高。

      5）ABR

      優(yōu)點：良好的生物截留能力，易于固液分離，易形成顆粒污泥；缺點：較難實現(xiàn)均勻布水、易產(chǎn)生溝流和死角。

      6）UBF

      優(yōu)點：污泥齡較長，能較好適應水質(zhì)水量的變化，生物池流量大，傳質(zhì)條件好；缺點：顆粒污泥不穩(wěn)定，易流失。

      7）SBBR

      優(yōu)點：具有良好的生物截留能力，抗沖擊能力強，可穩(wěn)定運行，操作簡單；缺點：紅菌富集易受填料種類和性質(zhì)的影響，控制系統(tǒng)復雜。

      2、不同污泥源時紅菌的富集與培養(yǎng)過程

從接種污泥開始，厭氧氨氧化脫氮啟動過程依據(jù)氮素去除規(guī)律，可分為活性遲滯、活性提高及穩(wěn)定運行3個階段。其中，活性遲滯階段的長短與接種污泥的性質(zhì)有很大關系，不同污泥源條件下厭氧氨氧化啟動過程與運行特性的比較如下：

      1）好氧活性污泥

      優(yōu)勢：啟動階段污泥沉降性能好，啟動成功后可長時間穩(wěn)定運行，脫氮效果好；劣勢：紅菌數(shù)量少、好氧微生物種類豐富，導致紅菌不易富集，反應器啟動時間較長，延遲反應器進入穩(wěn)定運行階段。

      2）厭氧顆粒污泥

優(yōu)勢：顆粒內(nèi)部嚴格厭氧，為紅菌提供有利微環(huán)境，便于形成顆粒污泥，反應器抗沖擊負荷，利于微生物持留，縮短啟動時間，運行穩(wěn)定。劣勢：顆粒污泥的性質(zhì)取決于馴化污水，一定程度上限制了厭氧顆粒污泥作為接種源；顆粒污泥的粒徑、密度、有機物含量和沉降性影響啟動和運行。

      3）厭氧消化污泥

      優(yōu)勢：含豐富的可與紅菌共生的微生物，紅菌基因數(shù)偏高，易富集培養(yǎng)，紅菌啟動時間較短；劣勢：NH4+ -N去除效果不理想，反應難以長時間穩(wěn)定運行。

      4）反硝化污泥

      優(yōu)勢：反硝化菌與紅菌代謝相似，充分的反硝化污泥易在反應器內(nèi)富集紅菌，加速啟動進程。劣勢：NH4+ -N去除率偏低，過量的反硝化可能造成NO2− -N不足，亞硝化菌過量增殖。

      5）厭氧氨氧化污泥混合污泥

      優(yōu)勢：富含紅菌，啟動時間短，快速進入穩(wěn)定運行期，NH4+ -N去除效果極佳；劣勢：反應的污泥源不足，一旦污泥流失會直接導致系統(tǒng)崩潰。

      6）厭氧消化污泥混合污泥

      優(yōu)勢：易富集培養(yǎng)紅菌，啟動時間相對較短，NH4+ -N、NO2− -N去除效果較好。劣勢：反應容易受其他混合污泥影響，導致反應失穩(wěn)。