“红菌”快速富集培养的方法

有这么一种原始菌群，它能“吃掉”10倍于自己体重的氨氮污染物，还不产生污泥，它就是厌氧氨氧化菌，当然了，我们更习惯把它称为“红菌”。红菌（厌氧氨氧化菌）一经发现，便很快引起了水处理工程师们的热切关注和兴趣。与传统的生物脱氮技术相比，以“红菌”为驱动的厌氧氨氧化能降低50%的曝气量、100%的有机碳源、90%的运行费用，释放更少的温室气体，污泥产率低，且具有更少的空间需求，是迄今为止最简洁的脱氮途径之一。

 

 

一、“红菌”究竟是个啥为什么厌氧氨氧化会被称为红菌技术？

厌氧氨氧化菌（以下简称红菌）是一种几乎与地球同龄的古老菌群，但直到20世纪90年代，人类科学家才在黑海深水层中发现了它（随后该菌群在其他厌氧或缺氧环境中相继被发现）。红菌细胞呈不规则的球状、卵状，大小为（0.7～1.1）μm×（1.1～1.3）μm，细胞外有丰富的胞外多聚物，一般都不含菌毛。其特有的细胞器为厌氧氨氧化体，占细胞体积的50%～80%，是进行厌氧氨氧化反应的场所，具有特殊的化学成分。由于红菌细胞内部含有大量的细胞色素C，鲜红色成了他最为最显著的特征，故水处理人常俗称其为红菌。

值得一提的是，红菌的色度与生物活性显著相关，一般活性较高的红菌呈现标志性的红棕色（可用细胞色素C的含量表征红菌的活性）。此外，红菌对环境极为敏感。严格厌氧的红菌可生存温度范围在-2.5~100℃，但多嗜中温，最适生长温度为30~40℃，最佳生长pH为6.7~8.3，倍增时间在10~30d。根据生长动力学，可将红菌类群分为“快生型”与“慢生型”。“快生型”具有较高的比生长速率，基质亲和力相对较弱，“慢生型”具有较强的基质亲和力，比生长速率较低。

二、红菌的影响因素，如何快速富集“红菌”，提高脱氮效率？

众所周知，红菌的种类、分布、数量和活性对厌氧氨氧化效能起到重要作用。因此在实际应用中，我们可以通过污泥龄（SRT）、DO和水力停留时间（HRT）等参数来改变红菌富集过程中菌群的群落结构，从而影响红菌的数量、种类和活性。

1、污泥龄（SRT）和水力停留时间（HRT）

污泥龄（SRT）和水力停留时间（HRT）作为废水处理工艺运行的重要参数，也会影响厌氧氨氧化的进程。其中，污泥龄SRT可决定污泥中微生物的种类，应控制SRT大于红菌的倍增时间，在菌种富集培养过程中尽可能少排泥或不排泥。缩短HRT是快速富集红菌并提高脱氮效率的另一有效途径。有研究表明，缩短HRT时菌株EPS中的蛋白质/多糖由1.35升至1.86，稳定达到2.08，有效促进污泥颗粒化，总氮去除负荷平均达到0.58 kg/（m3·d），总氮去除率均值维持在94.2%，脱氮性能保持稳定。要特别说明的是，因反应器、接种污泥和工艺的不同，HRT由十几分钟到几小时不等。HRT会影响水力负荷、水力剪切力和上升流速等，HRT越短水力负荷增大，水力剪切力强度增大，容易导致污泥冲洗，因此红菌富集培养时应根据实际情况设置HRT。

2、溶解氧（DO）

红菌属于专性厌氧菌，DO对红菌的活性有明显的抑制作用。研究发现，红菌在1%的氧饱和条件下，DO的抑制作用是可逆的；而当氧饱和大于18%，DO的抑制作用就不可逆。在实际工程应用中，控制DO质量浓度小于2.5 mg/L，可以通过厌氧氨氧化实现废水脱氮。

3、温度

在众多外界环境条件中，温度是影响微生物种群生长的关键因素。上文我们也提到，红菌生长的适宜温度为30～40 ℃。当温度大于45 ℃时，酶活性会受到较大影响，同时造成不可逆的细胞裂解，严重影响工艺运行。虽然低温也对厌氧氨氧化有很大的影响，但是通过对红菌的培养和驯化，其可以适应低温环境并使反应顺利进行。

4、pH值

红菌对pH的变化极为敏感，厌氧氨氧化的稳定运行需要pH来调节，在其运行的各个阶段对pH的控制尤为重要。

 

红菌适宜生长的pH范围为6.7～8.3。当pH过低时，NO₂^- -N向NH₂OH的转化会受到抑制，从而影响红菌的能量代谢；当pH过高时，NH₄⁺ -N向NH₂OH的转化会得到强化，使得NH₂OH出现积累，从而对红菌的活性造成抑制作用。

5、基质浓度

厌氧氨氧化反应的基质主要为NO₂^- -N和NH₄⁺ -N，二者的浓度和比例不同会对反应起到促进或者抑制作用。与高浓度的NH₄⁺ -N相比，红菌对高浓度的NO₂^- -N更为敏感。NO₂ ^- -N作为影响厌氧氨氧化反应的重要基质，当其浓度过高时，会对红菌产生显著的毒性作用。此外，NO₂^- -N的积累会降低 红菌的分解代谢活性，使其细胞结构遭到破坏。一般来说，当NO₂^- -N质量浓度大于100 mg/L时，厌氧氨氧化反应进程会被完全抑制。

6、有机碳源

虽然红菌作为自养菌，无需要外加碳源，但是废水中一定存在碳源，因此还是有必要分析有机碳源对厌氧氨氧化过程的影响。当有机物COD超过300mg/L时，会对红菌的生长产生明显的抑制作用。

7、化学药剂

适量添加Ca、Mg、Cu、Fe等金属的单质或离子可提高红菌的活性、促进菌群的多样性。

铁元素参与红菌的合成代谢过程。在连续运行的脱氮反应器中，单质Fe可作为凝聚核培养厌氧氨氧化颗粒，以微米或纳米的形式被添加到反应器中的单质Fe，可以显著提高红菌脱氮效能。同时，适当增加进水中Fe²⁺或Fe³⁺的浓度有利于细胞色素C的合成，从而提高红菌的活性及生长速度。

三、红菌的富集与培养，7种富集反应器+6种污泥源优缺点对比

1、常用红菌富集反应器的优缺点

红菌生长缓慢，生物量约为0.11g/g（以每单位质量NH4+ -N污泥中可挥发性固体计），导致污泥形成缓慢，在不利条件下易流失，难以实现菌株富集。因此，具备高效生物截留能力的反应器对于红菌的富集必不可缺。常用红菌富集反应器的优缺点如下：

1）SBR

优点：是具有良好的生物截留能力，基质能够充分混合、抗冲击能力强，无需回流，可稳定运行，操作简单；缺点：自动化控制要求高，不宜与其他工艺进行偶联，仍有部分污泥流失。

2）MBR

优点：能够实现全部微生物的截留，菌种活性高、倍增时间短、出水水质好，流程简单、操作方便；缺点：阻力大、运行成本高，膜易堵塞。

3）UASB

优点：生物截留量高，HRT短且能耗低，容积负荷率高，运行稳定，脱氮效果好，可加速颗粒污泥的形成；缺点：传质效果不佳，内部污泥床易形成死区、短流及沟流现象，影响启动效果。

4）EGSB

优点：污泥持留能力高效，传质条件好且不易堵塞；缺点：运行条件和控制要求高、颗粒污泥碰撞频繁而剧烈，易流失，能耗较高。

5）ABR

优点：良好的生物截留能力，易于固液分离，易形成颗粒污泥；缺点：较难实现均匀布水、易产生沟流和死角。

6）UBF

优点：污泥龄较长，能较好适应水质水量的变化，生物池流量大，传质条件好；缺点：颗粒污泥不稳定，易流失。

7）SBBR

优点：具有良好的生物截留能力，抗冲击能力强，可稳定运行，操作简单；缺点：红菌富集易受填料种类和性质的影响，控制系统复杂。

2、不同污泥源时红菌的富集与培养过程

从接种污泥开始，厌氧氨氧化脱氮启动过程依据氮素去除规律，可分为活性迟滞、活性提高及稳定运行3个阶段。其中，活性迟滞阶段的长短与接种污泥的性质有很大关系，不同污泥源条件下厌氧氨氧化启动过程与运行特性的比较如下：

 

1）好氧活性污泥

优势：启动阶段污泥沉降性能好，启动成功后可长时间稳定运行，脱氮效果好；劣势：红菌数量少、好氧微生物种类丰富，导致红菌不易富集，反应器启动时间较长，延迟反应器进入稳定运行阶段。

2）厌氧颗粒污泥

优势：颗粒内部严格厌氧，为红菌提供有利微环境，便于形成颗粒污泥，反应器抗冲击负荷，利于微生物持留，缩短启动时间，运行稳定。劣势：颗粒污泥的性质取决于驯化污水，一定程度上限制了厌氧颗粒污泥作为接种源；颗粒污泥的粒径、密度、有机物含量和沉降性影响启动和运行。

3）厌氧消化污泥

优势：含丰富的可与红菌共生的微生物，红菌基因数偏高，易富集培养，红菌启动时间较短；劣势：NH4+ -N去除效果不理想，反应难以长时间稳定运行。

4）反硝化污泥

优势：反硝化菌与红菌代谢相似，充分的反硝化污泥易在反应器内富集红菌，加速启动进程。劣势：NH4+ -N去除率偏低，过量的反硝化可能造成NO2? -N不足，亚硝化菌过量增殖。

5）厌氧氨氧化污泥混合污泥

优势：富含红菌，启动时间短，快速进入稳定运行期，NH4+ -N去除效果极佳；劣势：反应的污泥源不足，一旦污泥流失会直接导致系统崩溃。

6）厌氧消化污泥混合污泥

优势：易富集培养红菌，启动时间相对较短，NH4+ -N、NO2? -N去除效果较好。劣势：反应容易受其他混合污泥影响，导致反应失稳。

 

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