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引言
目前，我國各類工業廢水年排放總量超過200億噸，是城市水環境的主要汙染源之一，但同時也是一種來源穩定、具有潛在利用價值的可再生資源[1]。傳統的以達標排放為核心目標的廢水處理工藝往往以高能耗換取汙染物削減，形成了“減排汙染物、增排溫室氣體”的尷尬局面，並不符合可持續發展的理念[2]。日趨嚴重的能源危機和氣候變化問題要求我們在保證汙染物達標排放的同時，積極探索廢水處理中物質和能量資源化利用的新方法和新技術。
甲烷是城市汙（廢）水處理中剩餘汙泥厭氧消化的產物，同時也是一種重要的溫室氣體，其全球變暖潛能（Global Warming Potential, GWP）是二氧化碳的20～30倍[3]。合理利用消化過程產生的甲烷是有效控制碳排放的重要手段。通常，甲烷可作為能源物質直接使用，但近年來甲烷氧化耦合氧化態汙染物還原的研究表明，甲烷也可以作為碳源和電子供體來還原硝氮、高氯酸鹽、硒酸鹽、銻酸鹽等氧化態汙染物，這為廢水處理中碳源和能源的循環利用提供了新的途徑。
▲ 圖1. 以甲烷為電子供體還原廢水中氧化態汙染物
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城市廢水處理的新模式
過去幾年裡，我國城市廢水處理系統日趨完善。傳統的有機汙染物得到有效削減，但是廢水中的一些氧化態汙染物並沒有得到有效控制，廢水處理過程中產生的一些物質及能源並未得到合理的回收與應用。曲久輝院士等[2]倡導建設面向未來的中國汙水處理概念廠，探索汙水再生及循環的物質轉化與能源轉換機制。對此，俞漢青等[4]提出了一種“廢水資源工廠”的概念水廠模式（圖2），富含碳氮磷的汙水首先經過活性炭床和厭氧膜生物反應器，活性炭床可以吸附水體中的生物固體，而厭氧膜反應器可以阻留有機物和厭氧微生物，厭氧微生物進而可以將有機物代謝為甲烷。生物固體燃燒後可作為土壤改良劑，而甲烷燃燒可以發電產能。
▲ 圖2. “廢水資源工廠”的概念水廠模式
除碳後的汙水一部分用於灌溉，另一部分經過離子交換來富集氮磷，氮磷可用於製造肥料；脫氮除磷後的水可直接用於工業或進一步高級純化後作為飲用水，從而實現了碳、氮、磷及水資源的二次利用。王東波等[5]也展望了以甲烷氧化技術為主體的新型汙水廠，將剩餘汙泥厭氧消化產生的部分甲烷用於深度脫氮。基於以上模式，我們設想將厭氧生物處理過程中產生的部分甲烷收集起來，通過中空纖維膜生物反應器（MBfR）來深度處理廢水中氧化態汙染物，同時探索碳循環過程中產生的PHA、粗蛋白及生物碳等的回收技術，使城市廢水處理系統中的碳源得到充分利用，另一方面也減緩了溫室效應。
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甲烷氧化耦合氧化態汙染物還原的機理研究
近年來，甲烷氧化技術由於在廢水生物處理中物質和能源的循環利用方面有著巨大潛力，因而廣受人們的關注。根據體系的氧氣濃度，該過程可以分為好氧甲烷氧化和厭氧甲烷氧化。好氧甲烷氧化的研究最先始於對好氧甲烷氧化菌與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）的代謝途徑主要有兩種（如圖3）。起初人們普遍認為該過程是由混合菌群協同完成：甲烷氧化菌首先氧化甲烷，並釋放甲醇、甲醛、甲酸、乙酸等中間代謝產物[6]，反硝化菌利用這些有機小分子進一步還原硝氮；而在2015年，Kits等人[7]首次報道了一種甲基單胞菌，能夠在氧氣受限的環境中，獨立完成甲烷氧化反硝化的功能，並在該菌的基因組中檢測到了所有必需的功能基因，豐富了好氧甲烷氧化耦合反硝化的代謝機理。
▲ 圖3. 缺氧情況下可能的AOM-D代謝途徑
厭氧甲烷氧化（Anaerobic methane oxidation, AnMO）過程最早發現於深海沉積物中。在無氧條件下，厭氧甲烷氧化古菌（Anaerobic methanotrophic archaea, ANME）可通過“逆向產甲烷”途徑活化甲烷，並將產生的電子傳遞給硫酸鹽還原菌來進行硫酸鹽的還原[8]。菌群間的電子傳遞可以通過直接或間接的途徑，直接傳遞主要利用色素蛋白或納米導線等細胞結構[9]，間接傳遞主要依靠中間代謝產物來實現[10,11]。與硫酸鹽不同的是，反硝化型甲烷厭氧氧化（Denitrifying Anaerobic Methane Oxidation, DAMO）過程分為逆向產甲烷途徑和內微氧途徑兩種（如圖4）。
▲ 圖4. DAMO可能的代謝途徑
Haroon等[12]報道了ANME-2d同時具備了甲烷厭氧氧化和硝氮還原的代謝途徑，能夠通過逆向產甲烷過程活化甲烷並將硝氮還原為亞硝氮；而Ettwig等[13]發現在沒有古菌參與的厭氧條件下，一種屬於NC10門的細菌Methylomirabilis oxyfera能夠將亞硝氮還原並利用某種未知的NO歧化酶進一步將NO歧化為N2和O2，而O2則被單加氧酶利用氧化甲烷，從而獨立完成亞硝氮依賴型的甲烷厭氧氧化過程。除此之外，一些氧化態金屬陽離子也被證實能夠驅動甲烷的厭氧氧化。Ettwig等在實驗室反應器中成功富集到了能夠獨立氧化甲烷並還原Fe3+和Mn4+的甲烷氧化古菌[14]。曾建雄教授團隊[15]也報道了甲烷厭氧氧化耦合鉻酸鹽還原的現象，不同的是，該過程是由甲烷氧化古菌和鉻酸鹽還原菌協同完成。甲烷氧化首先需要特殊的酶（甲烷單加氧酶和甲基輔酶M還原酶）來活化甲烷，這使得甲烷參與的氧化物還原耦合過程通常需要兩類菌（甲烷氧化菌和功能還原菌）來協同完成。
受啟發於甲烷氧化耦合反硝化，DAMO菌群也被用來嘗試進行甲烷氧化耦合其他氧化態汙染物的還原。研究團隊分別嘗試以鉻酸鹽、硒酸鹽、銻酸鹽及高氯酸鹽為電子受體進行甲烷氧化過程，取得了不錯的效果[16-19]。在微氧情況下，微生物可以利用甲烷作為電子供體將六價鉻還原至三價，還原率達到95%。微生物群落分析結果表明應該是Methylosinus (一種Type II 型甲烷氧化菌) 和Meiothermus（潛在鉻酸鹽還原菌）執行了甲烷氧化耦合鉻酸鹽還原這一過程。如圖5，甲基氧化菌通過氧化甲烷產生的中間代謝產物被鉻酸鹽還原菌利用來還原鉻酸鹽，並生成Cr（III）沉澱[17]。同樣，硒酸鹽也可以作為甲烷氧化的電子受體，其還原產物主要為單質硒。當硒酸鹽負荷為1 mg/L時，其還原率可達到100%[18]。
▲ 圖5. 甲烷氧化耦合鉻酸鹽還原的可能機理
高氯酸鹽作為電子受體時，如圖6所示，MBfR可將5 mg/L 的ClO4-還原至檢限以下，並且在硝氮存在的情況下，ClO4-也能得到一定的還原。基於理化數據及基因分析，我們認為高氯酸鹽的還原不同於鉻酸鹽或硒酸鹽，而是和DAMO過程中的“內微氧”途徑類似，即微生物將高氯酸鹽逐步還原為亞氯酸鹽，而亞氯酸鹽歧化酶可以將亞氯酸鹽歧化為氧氣和氯離子，而氧氣又可被微生物利用來活化甲烷[19]。
▲ 圖6. (A)進出水中NO2-、NO3-和ClO4-濃度；(B) NO2-、NO3-和ClO4-的去除率
研究團隊還發現，在甲烷氧化過程中，微生物會產生大量的碳源和儲能物質PHA、EPS等，PHA具有高熔點、高機械強度等優越性能，能夠代替塑料在多種工業和生活中應用，且易分解不會造成環境汙染。EPS是一定環境條件下微生物分泌於體外的一種高分子黏性聚合物，廣泛應用於礦物加工、醫藥工程和食品工業等。甲烷氧化耦合銻酸鹽、硒酸鹽還原過程中也會產生一些特性優良的納米微晶如Sb2O3、單質Se等，這些物質都可以通過技術回收來實現廢水處理中碳的資源化利用。
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基於甲烷的汙染物生物還原技術應用潛力
自甲烷氧化耦合反硝化現象首次被報道以來，經過短短十餘年的發展，甲烷在實際廢水處理中已經展現出較大的應用潛力。基於甲烷的汙染物生物還原技術首要面臨的難題是甲烷溶解度低，導致其生物利用效率低。為此，研究團隊利用甲烷基質膜生物反應器（如圖7）來進行甲烷氧化耦合鉻酸鹽、硒酸鹽、銻酸鹽及高氯酸鹽等的還原。
▲ 圖7. 甲烷基質膜生物反應器：連續流MBfR（A）和序批式MBBR（B）
中空纖維膜生物反應器（MBfR）是一種將生物膜法和纖維膜微孔曝氣法結合起來的技術，它與傳統的生物膜反應器（MBR）的主要區別在於MBR膜組件外有活性汙泥，膜起到固液分離的作用，而MBfR中生物膜附著在膜組件外表面，中空纖維膜起到微孔曝氣的作用[20]。MBfR膜組件將一定壓力的氣體從膜內向膜外表面擴散，為附著在膜上的微生物提供電子供體或電子受體，從而達到降解汙染物的目的。這種MBfR技術成本低廉、甲烷利用率高、佔地面積小、安全方便等優勢，是利用甲烷深度處理廢水中氧化態汙染物的優良載體。
袁志國教授團隊利用膜生物反應器，在厭氧環境中，通過DAMO古菌、DAMO細菌和厭氧氨氧化菌的協同作用[21]，實現了脫氮效率超1kg N/m3/d，並且成功控制出水總氮在3 mg/L左右[22]，達到了主流脫氮工藝的同一水平；而在好氧條件下，結合NC10門菌和異養反硝化菌的不同功能[23]，脫氮效率能夠達45 mg N/L/d，並且控制出水總氮在10 mg/L以內；Thalasso 等[24]報道了在序批式反應器中，以甲烷為唯一電子供體及碳源進行反硝化，得到脫氮速率為0.6 g NO3--N g-1 VSS d-1；研究團隊發現在序批式CH4-MBBR中，微生物利用甲烷最高可將50 mg/L的高氯酸鹽還原到檢出限以下，而在放大實驗中，連續流MBfR（體積為10 L）可將進水中5 mg/L的高氯酸鹽還原至10 μg/L以下，這表明基於甲烷的汙染物生物還原技術具有的良好的應用潛力。
將廢水處理系統中的厭氧發酵產物甲烷作為電子供體和碳源來深度去除水中的氧化態汙染物，實現了碳源及能源的回收與利用，在去除一些難降解的氧化態汙染物的同時，減少了甲烷對溫室效應的貢獻。然而截至目前，以甲烷為電子供體的氧化態汙染物還原機理尚不明確，這極大地拖延了其投入實際汙水處理的步伐。利用甲烷來處理水體中氧化態汙染物的研究僅處在實驗室及小試規模，在接下來的研究中，一方面要儘快弄清混合菌群的耦合機理，為其實際應用掃清理論障礙；另一方面，以中空纖維膜生物反應器為基礎，嘗試將甲烷氧化耦合反硝化與短程硝化、汙泥消化產甲烷等城市廢水處理環節相結合，研發出節能、降耗、低碳的城市廢水處理新技術。
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