“红菌”到底是个啥？如何快速富集培养，提高脱氮效率？

在讲“红菌” 之前 ，先科普一下氨氧化。

氨的氧化是氮循环中重要的一个环节，主要可分为       好氧氨氧化       和       厌氧氨氧化       。承担氨氧化的微生物根据是否以氧气作为电子受体可分为两大类，其中好氧氨氧化微生物主要有氨氧化细菌AOB，氨氧化古菌AOA，全程硝化菌Comammox，厌氧氨氧化微生物主要有厌氧氨氧化细菌AnAOB，他们广泛分布在自然界及人工系统中，包括河流、湖泊、海洋、土壤以及污水处理系统中，对于氮循环起到了非常重要的作用。作为人工强化系统，污水处理系统具有去除有机物、脱氮除磷的功能，起到保护水环境，防止水体恶臭及富营养化等重要作用。      

     

图 1 基于好氧氨氧化和厌氧氨氧化过程驱动的氮循环简图      

氨氧化微生物在污水处理系统中广泛存在，并起到氨氮去除的主要作用。氨氧化微生物执行的好氧氨氧化过程也是硝化作用的第一步，对于污水脱氮至关重要，可以通过硝化反硝化、短程硝化反硝化、短程硝化-反硝化除磷等工艺途径实现脱氮。      

厌氧氨氧化脱氮途径根据亚硝的来源不同主要分为短程硝化耦合厌氧氨氧化、短程反硝化-厌氧氨氧化两种途径。厌氧氨氧化已经被成功应用于高氨氮废水脱氮，同时在市政污水厂中也被检测到厌氧氨氧化菌存在较高丰度，是污水处理碳中和、能量中和最具前景的实现技术。      

AOB在属水平上主要包括隶属于 Betaproteobacteria 菌门的 Nitrosospira, Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosolobus  和  Nitrosovibrio 等菌属，以及隶属于 Gammaproteobacteria 菌门的 Nitrosococcus 菌属。      

AOA在属水平上包括 Nitrosopumilus maritimus, Nitrosopumilus maritimus SCM1, Nitrososphaera gargensis, Cenarchaeum symbiosum, Nitrososphaera gargensis, Cenarchaeum symbiosum  和 Nitrosocaldus yellowstonii  等菌属。      

Comammox 主要包括   Candidatus Nitrospira nitrosa  和  Candidatus Nitrospira nitrificans 等。      

AnAOB在属水平上主要包括 Candidatus kuenenia, Candidatus scalindua, Candidatus brocadia, Candidatus jettenia, anammoxoglobus, Brasilis anammoximicrobium  等。      

    不同的氨氧化微生物具有不同的生理代谢特性，代谢活性受到不同生态因子的影响作用，在不同的工艺配置中具有不同的群落结构，本论文总结了氨氧化微生物的生理代谢特性及影响因素，在污水处理系统中的氨氮去除性能及种群结构。      

     

图 1 好氧氨氧化和厌氧氨氧化过程涉及的功能微生物及酶示意图      

以上内容来自参考文献：      

Zhao, W., Bi, X., Bai, M.  et al.  Research advances of ammonia oxidation microorganisms in wastewater: metabolic characteristics, microbial community, influencing factors and process applications.  Bioprocess Biosyst Eng   46 , 621–633 (2023). https://doi.org/10.1007/s00449-023-02866-5      

     

     

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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。  

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