近日，北京排水集团建设的国际首座城市污水厌氧氨氧化项目通过技术成果鉴定，成为国际上率 先建成并成功运行的一座典型城市污水厌氧氨氧化工程项目，研究成果达到国际领 先水平。这意味着其在自主培育出厌氧氨氧化菌（俗称红菌）、首 次实现红菌工业化培养、在多种复杂高氨氮废水中进行红菌项目的推广应用之后，又在城市污水处理中率 先建成厌氧氨氧化示范工程。市排水集团表示，下一步将逐步推动“红菌”技术在污水处理领域的应用。

“红菌”技术可节约电耗、减少排放

      在方庄污水厂的生化池中，每隔一段距离就布置一个可提升载体模块。工作人员摇动摇柄，渐渐从水中升起或方型或球型的生物载体，其表面可见有红色菌体附着，“这就是污水脱氮的主角——厌氧氨氧化菌，由于其聚集体呈现红色，我们叫它‘红菌’。” 北排厌氧氨氧化技术带头人张树军解释说。

      据张树军介绍，如果城市污水、工业废水、养殖废水和垃圾渗滤液等含氮废水中的氮素超标排入水体中，会导致水体黑臭、水华、赤潮等环境污染，因此，脱氮是水污染防治的重点和难点。“传统的生物脱氮工艺，需要多种菌接力棒似的参与，反应途径很长；而厌氧氨氧化技术（即“红菌”技术），不仅能够将原来冗长的脱氮途径大大缩短，而且无需投加碳源，理论上曝气电耗可节约60%，同步减少温室气体的排放，是目前为止最 高 效 、最节能、最环保的污水脱氮技术，是污水处理领域实现‘双碳’目标的高科技利器。”张树军说，其团队对于红菌的研究已经历了17年的“长跑”。

自由研究成果达国际领 先水平

       2006年，北京排水集团就把“红菌”技术作为1号研发课题。然而，当时国内只有少数科学家在进行相关小试和机理研究，基础研发和工程化的难度极大。没有菌种，没有技术，没有配套设备，想要独立研发红菌脱氮技术是从零开始。“红菌本身很难富集培养,当时想向别的单位借‘种’，人家也只是让我们看看，压根舍不得,真是‘一粒难求’。”张树军回忆说，为尽快掌握红菌培养方法，张树军在简陋的铁皮房里争分夺秒开始了对培养器的pH值、氨氮、总氮等20余项指标的连续测量，并根据试验结果改造培养器，优化培养条件。就这样日复一日，终于在第三年的大年初四，他惊喜地发现培养器里缓慢冒着气泡，红菌富集第一步成功了!

      自主培养出“红菌”只是技术攻关的第一步，从2009年起，集团继续加快研发的脚步，实现了一系列的首 次突破。在国内率 先突破红菌工程化培养瓶颈，同时首 次实现红菌工业化培养，建成全球最大的菌种基地;打造出纯中国制造的RENOCARⓇ红菌脱氮技术；并获得“华夏建设科技进步一等奖”，技术成果达到国际领 先水平。

      这之后，北京排水集团开始尝试在垃圾渗滤液、工业废水等多种复杂高氨氮废水中进行了红菌技术的推广应用，并取得了成功,实现了污水“红菌”脱氮的产业化跨越。

方庄项目实现长期稳定运行

      与上述高氨氮废水相比，城市污水中的氨氮含量并没有那么高，实现稳定的短程硝化、红菌富集培养及冬季低温活性维持更难，如何在更为大量的城市污水处理中运用红菌脱氮，成为了北京排水集团新的课题。于是，2017年，当国内外在城市污水红菌脱氮方面的研究仍处于实验室阶段，未见工程案例报道之际，北排在方庄污水厂建设了城市污水红菌实际工程项目。“城市污水短程硝化稳定维持”、“低基质厌氧氨氧化菌的持留与富集”及“冬季低温下功能菌活性维持”等国际公认的技术难题一一被攻克。“红菌主要吃两种东西：氨氮和亚硝，在低温的时为了让它在载体上能持留、不脱落还能生长，就必须想办法把它爱吃的送到嘴边上。池子里‘咕嘟’冒着泡正是通过曝气的方式将两种物质送到红菌的载体上，让其能吃饱、富集。”张树军介绍说，在摸索的过程中是动足了脑筋。像刚开始给红菌“喂食”时是通过搅拌的方式，但搅拌不充分，“营养”送不到嘴边，之后才改为曝气；而红菌生长的载体也是一改再改：由球状变成板状，又变成长出很多翅膀的六边形，以避免红菌富集后将表面挡死，污水进不去。

      据悉，经过三个冬季低温期考验，目前方庄的项目实现了长期稳定运行，出水总氮平均值为4.21mg/L，最 低达0.46 mg/L，远低于北京市地标B（DB11 890-2012）出水总氮15mg/L的要求。同时，与传统生物处理工艺相比较，无需外加碳源，曝气能耗降低40%以上，剩余污泥产量降低50%以上，温室气体减排40%以上。北京市重大科技项目验收后评价其为：“国际上率 先建成并成功运行一座典型的城市污水厌氧氨氧化示范工程，研究成果达到国际领 先水平。”


      北京排水集团表示，城市污水“红菌”技术为我国大规模的城镇污水处理厂提供了全新的升级换代技术，具有极大的市场应用前景，开启了污水处理新纪元，下一步，将积极逐步推动该技术在污水处理领域的应用。

什么是厌氧氨氧化？

      厌氧氨氧化Anammox是在无氧条件下，以氨为电子供体、亚硝酸为电子受体，产生氮气和硝酸的生物反应。Anammox包括两个过程：一是分解（产能）代谢，即以氨为电子供体，亚硝酸盐为电子受体，两者以1:1的比例反应生成氮气，并把产生的能量以ATP的形式储存起来；二是合成代谢，即以亚硝酸盐为电子受体提供还原力，利用碳源二氧化碳以及分解代谢产生的ATP合成细胞物质，并在这一过程中产生硝酸盐。厌氧氨氧化菌 (Anaerobic ammonia oxidation bacteria, AnAOB，我们俗称红菌) 是厌氧氨氧化的实施者。

NH4++ NO2-= N2+ 2H2O，ΔG=-358kg/mol

      目前的主流的厌氧氨氧化应用的工艺流程（彭永臻院士的短程反硝化暂时不介绍）主要分为两大步：“第一个过程是部分亚硝化(Partial Nitritation)，在这个过程中只有大约55%的氨氮需要转化为亚硝酸盐氮;第二个过程是厌氧氨氧化(Anammox)，氨氮在厌氧条件下，被亚硝酸氮作为电子受体，氧化成氮气。因此它也被称作PN/A工艺。

      在这过程中，大约89%的无机氮都将被转化产生氮气，另外11%的无机氮被转化为硝酸盐氮，与传统硝化反硝化工艺相比，厌氧氨氧化工艺有着巨大的技术优势，其曝气能耗只有传统工艺的55-60%;该工艺几乎无需碳源，如果为了去除硝酸盐产物需要在厌氧氨氧化过程中投加碳源，其投加量也比传统工艺中碳源投加量降低90%;厌氧氨氧化工艺可以减少45%碱度消耗量。同时，厌氧氨氧化工艺的污泥产量也远低于传统脱氮工艺，这将显著降低剩余污泥的处理和处置成本。




来源 | 北京青年报、环保工程师