废水处理的物质和能量循环方法与技术探索
1 引言
目前，我国各类工业废水年排放总量超过200亿吨，是城市水环境的主要污染源之一，但同时也是一种来源稳定、具有潜在利用价值的可再生资源[1]。传统的以达标排放为核心目标的废水处理工艺往往以高能耗换取污染物削减，形成了“减排污染物、增排温室气体”的尴尬局面，并不符合可持续发展的理念[2]。日趋严重的能源危机和气候变化问题要求我们在保证污染物达标排放的同时，积极探索废水处理中物质和能量资源化利用的新方法和新技术。
甲烷是城市污(废)水处理中剩余污泥厌氧消化的产物，同时也是一种重要的温室气体，其全球变暖潜能(Global Warming Potential, GWP)是二氧化碳的20～30倍[3]。合理利用消化过程产生的甲烷是有效控制碳排放的重要手段。通常，甲烷可作为能源物质直接使用，但近年来甲烷氧化耦合氧化态污染物还原的研究表明，甲烷也可以作为碳源和电子供体来还原硝氮、高氯酸盐、硒酸盐、锑酸盐等氧化态污染物，这为废水处理中碳源和能源的循环利用提供了新的途径。
2 城市废水处理的新模式
过去几年里，我国城市废水处理系统日趋完善。传统的有机污染物得到有效削减，但是废水中的一些氧化态污染物并没有得到有效控制，废水处理过程中产生的一些物质及能源并未得到合理的回收与应用。曲久辉院士等[2]倡导建设面向未来的中国污水处理概念厂，探索污水再生及循环的物质转化与能源转换机制。对此，俞汉青等[4]提出了一种“废水资源工厂”的概念水厂模式(图2)，富含碳氮磷的污水首先经过活性炭床和厌氧膜生物反应器，活性炭床可以吸附水体中的生物固体，而厌氧膜反应器可以阻留有机物和厌氧微生物，厌氧微生物进而可以将有机物代谢为甲烷。生物固体燃烧后可作为土壤改良剂，而甲烷燃烧可以发电产能。
▲ 图2. “废水资源工厂”的概念水厂模式
除碳后的污水一部分用于灌溉，另一部分经过离子交换来富集氮磷，氮磷可用于制造肥料;脱氮除磷后的水可直接用于工业或进一步高级纯化后作为饮用水，从而实现了碳、氮、磷及水资源的二次利用。王东波等[5]也展望了以甲烷氧化技术为主体的新型污水厂，将剩余污泥厌氧消化产生的部分甲烷用于深度脱氮。基于以上模式，我们设想将厌氧生物处理过程中产生的部分甲烷收集起来，通过中空纤维膜生物反应器(MBfR)来深度处理废水中氧化态污染物，同时探索碳循环过程中产生的PHA、粗蛋白及生物碳等的回收技术，使城市废水处理系统中的碳源得到充分利用，另一方面也减缓了温室效应。
3 甲烷氧化耦合氧化态污染物还原的机理研究
近年来，甲烷氧化技术由于在废水生物处理中物质和能源的循环利用方面有着巨大潜力，因而广受人们的关注。根据体系的氧气浓度，该过程可以分为好氧甲烷氧化和厌氧甲烷氧化。好氧甲烷氧化的研究最先始于对好氧甲烷氧化菌与反硝化菌混合菌群的研究。好氧甲烷氧化耦合反硝化(Aerobic oxidation of methane coupled to denitrification, AOM-D)的代谢途径主要有两种(如图3)。起初人们普遍认为该过程是由混合菌群协同完成：甲烷氧化菌首先氧化甲烷，并释放甲醇、甲醛、甲酸、乙酸等中间代谢产物[6]，反硝化菌利用这些有机小分子进一步还原硝氮;而在2015年，Kits等人[7]首次报道了一种甲基单胞菌，能够在氧气受限的环境中，独立完成甲烷氧化反硝化的功能，并在该菌的基因组中检测到了所有必需的功能基因，丰富了好氧甲烷氧化耦合反硝化的代谢机理。
▲ 图3. 缺氧情况下可能的AOM-D代谢途径
厌氧甲烷氧化(Anaerobic methane oxidation, AnMO)过程最早发现于深海沉积物中。在无氧条件下，厌氧甲烷氧化古菌(Anaerobic methanotrophic archaea, ANME)可通过“逆向产甲烷”途径活化甲烷，并将产生的电子传递给硫酸盐还原菌来进行硫酸盐的还原[8]。菌群间的电子传递可以通过直接或间接的途径，直接传递主要利用色素蛋白或纳米导线等细胞结构[9]，间接传递主要依靠中间代谢产物来实现[10,11]。与硫酸盐不同的是，反硝化型甲烷厌氧氧化(Denitrifying Anaerobic Methane Oxidation, DAMO)过程分为逆向产甲烷途径和内微氧途径两种(如图4)。
▲ 图4. DAMO可能的代谢途径
Haroon等[12]报道了ANME-2d同时具备了甲烷厌氧氧化和硝氮还原的代谢途径，能够通过逆向产甲烷过程活化甲烷并将硝氮还原为亚硝氮;而Ettwig等[13]发现在没有古菌参与的厌氧条件下，一种属于NC10门的细菌Methylomirabilis oxyfera能够将亚硝氮还原并利用某种未知的NO歧化酶进一步将NO歧化为N2和O2，而O2则被单加氧酶利用氧化甲烷，从而独立完成亚硝氮依赖型的甲烷厌氧氧化过程。除此之外，一些氧化态金属阳离子也被证实能够驱动甲烷的厌氧氧化。Ettwig等在实验室反应器中成功富集到了能够独立氧化甲烷并还原Fe3+和Mn4+的甲烷氧化古菌[14]。曾建雄教授团队[15]也报道了甲烷厌氧氧化耦合铬酸盐还原的现象，不同的是，该过程是由甲烷氧化古菌和铬酸盐还原菌协同完成。甲烷氧化首先需要特殊的酶(甲烷单加氧酶和甲基辅酶M还原酶)来活化甲烷，这使得甲烷参与的氧化物还原耦合过程通常需要两类菌(甲烷氧化菌和功能还原菌)来协同完成。
受启发于甲烷氧化耦合反硝化，DAMO菌群也被用来尝试进行甲烷氧化耦合其他氧化态污染物的还原。研究团队分别尝试以铬酸盐、硒酸盐、锑酸盐及高氯酸盐为电子受体进行甲烷氧化过程，取得了不错的效果[16-19]。在微氧情况下，微生物可以利用甲烷作为电子供体将六价铬还原至三价，还原率达到95%。微生物群落分析结果表明应该是Methylosinus (一种Type II 型甲烷氧化菌) 和Meiothermus(潜在铬酸盐还原菌)执行了甲烷氧化耦合铬酸盐还原这一过程。如图5，甲基氧化菌通过氧化甲烷产生的中间代谢产物被铬酸盐还原菌利用来还原铬酸盐，并生成Cr(III)沉淀[17]。同样，硒酸盐也可以作为甲烷氧化的电子受体，其还原产物主要为单质硒。当硒酸盐负荷为1 mg/L时，其还原率可达到100%[18]。
▲ 图5. 甲烷氧化耦合铬酸盐还原的可能机理
高氯酸盐作为电子受体时，如图6所示，MBfR可将5 mg/L 的ClO4-还原至检限以下，并且在硝氮存在的情况下，ClO4-也能得到一定的还原。基于理化数据及基因分析，我们认为高氯酸盐的还原不同于铬酸盐或硒酸盐，而是和DAMO过程中的“内微氧”途径类似，即微生物将高氯酸盐逐步还原为亚氯酸盐，而亚氯酸盐歧化酶可以将亚氯酸盐歧化为氧气和氯离子，而氧气又可被微生物利用来活化甲烷[19]。
▲ 图6. (A)进出水中NO2-、NO3-和ClO4-浓度;(B) NO2-、NO3-和ClO4-的去除率
研究团队还发现，在甲烷氧化过程中，微生物会产生大量的碳源和储能物质PHA、EPS等，PHA具有高熔点、高机械强度等优越性能，能够代替塑料在多种工业和生活中应用，且易分解不会造成环境污染。EPS是一定环境条件下微生物分泌于体外的一种高分子黏性聚合物，广泛应用于矿物加工、医药工程和食品工业等。甲烷氧化耦合锑酸盐、硒酸盐还原过程中也会产生一些特性优良的纳米微晶如Sb2O3、单质Se等，这些物质都可以通过技术回收来实现废水处理中碳的资源化利用。
4 基于甲烷的污染物生物还原技术应用潜力
自甲烷氧化耦合反硝化现象首次被报道以来，经过短短十余年的发展，甲烷在实际废水处理中已经展现出较大的应用潜力。基于甲烷的污染物生物还原技术首要面临的难题是甲烷溶解度低，导致其生物利用效率低。为此，研究团队利用甲烷基质膜生物反应器(如图7)来进行甲烷氧化耦合铬酸盐、硒酸盐、锑酸盐及高氯酸盐等的还原。
▲ 图7. 甲烷基质膜生物反应器：连续流MBfR(A)和序批式MBBR(B)
中空纤维膜生物反应器(MBfR)是一种将生物膜法和纤维膜微孔曝气法结合起来的技术，它与传统的生物膜反应器(MBR)的主要区别在于MBR膜组件外有活性污泥，膜起到固液分离的作用，而MBfR中生物膜附着在膜组件外表面，中空纤维膜起到微孔曝气的作用[20]。MBfR膜组件将一定压力的气体从膜内向膜外表面扩散，为附着在膜上的微生物提供电子供体或电子受体，从而达到降解污染物的目的。这种MBfR技术成本低廉、甲烷利用率高、占地面积小、安全方便等优势，是利用甲烷深度处理废水中氧化态污染物的优良载体。
袁志国教授团队利用膜生物反应器，在厌氧环境中，通过DAMO古菌、DAMO细菌和厌氧氨氧化菌的协同作用[21]，实现了脱氮效率超1kg N/m3/d，并且成功控制出水总氮在3 mg/L左右[22]，达到了主流脱氮工艺的同一水平;而在好氧条件下，结合NC10门菌和异养反硝化菌的不同功能[23]，脱氮效率能够达45 mg N/L/d，并且控制出水总氮在10 mg/L以内;Thalasso 等[24]报道了在序批式反应器中，以甲烷为唯一电子供体及碳源进行反硝化，得到脱氮速率为0.6 g NO3--N g-1 VSS d-1;研究团队发现在序批式CH4-MBBR中，微生物利用甲烷最高可将50 mg/L的高氯酸盐还原到检出限以下，而在放大实验中，连续流MBfR(体积为10 L)可将进水中5 mg/L的高氯酸盐还原至10 μg/L以下，这表明基于甲烷的污染物生物还原技术具有的良好的应用潜力。
将废水处理系统中的厌氧发酵产物甲烷作为电子供体和碳源来深度去除水中的氧化态污染物，实现了碳源及能源的回收与利用，在去除一些难降解的氧化态污染物的同时，减少了甲烷对温室效应的贡献。然而截至目前，以甲烷为电子供体的氧化态污染物还原机理尚不明确，这极大地拖延了其投入实际污水处理的步伐。利用甲烷来处理水体中氧化态污染物的研究仅处在实验室及小试规模，在接下来的研究中，一方面要尽快弄清混合菌群的耦合机理，为其实际应用扫清理论障碍;另一方面，以中空纤维膜生物反应器为基础，尝试将甲烷氧化耦合反硝化与短程硝化、污泥消化产甲烷等城市废水处理环节相结合，研发出节能、降耗、低碳的城市废水处理新技术。
参考文献
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