甲烷氧化耦合污水脱氮研究进展_郝晓地.pdf

第 43 卷第 3 期2023 年 3 月Vol.43，No.3Mar.，2023环境科学学报Acta Scientiae Circumstantiae甲烷氧化耦合污水脱氮研究进展郝晓地*，孙思辈，李季，吴远远北京建筑大学城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室，中-荷污水处理技术研发中心，北京 100044摘要：污水处理厂厌氧池或污泥厌氧消化系统存在着溶解态甲烷（DCH4）外溢风险，不仅会造成直接碳排放，也形成资源/能源的浪费.另一方面，污水处理厂常常需要外加碳源来满足脱氮需要，导致运行成本增加和间接碳排.若转换思路，利用CH4作为脱氮碳源，则有可能一箭双雕地 解决问题.基于此，首先综述了好氧与厌氧甲烷氧化形式、发现/发展路径，并剖析它们的代谢途径及相关微生物.以此为基础，重点总结以NO-3、NO-2、甚至强温室气体N2O作为电子受体的厌氧甲烷氧化途径，并从经济性和碳减排等方面论述甲烷厌氧氧化耦合反硝化（DAMO）工艺的潜在应用前景.最后，从接种微生物、培养环境等方面剖析DAMO工程应用的技术限制与瓶颈.综述表明，好氧甲烷脱氮技术功能微生物 所需生存环境相左，致使工艺在实践中难以应用；相形之下，厌氧甲烷反硝化技术则较具应用潜力，但仍需深入研究，以提高功能微生物的 鲁棒性.关键词：甲烷；好氧氧化；厌氧氧化；耦合脱氮；氧化亚氮（N2O）；甲烷厌氧氧化耦合反硝化（DAMO）文章编号：0253-2468（2023）03-0001-15 中图分类号：X703 文献标识码：AResearch advances of methane oxidation coupled to nitrogen removal of wastewaterHAO Xiaodi*，SUN Sibei，LI Ji，WU YuanyuanSino-Dutch R&D Centre for Future Wastewater Treatment Technologies，Key Laboratory of Urban Stormwater System and Water Environment（Ministry of Education），Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044Abstract：There are releasing risks of dissolved methane（DCH4）in anaerobic tanks and/or sludge anaerobic digestion systems of wastewater treatment plants（WWTPs），which can result in direct greenhouse gases（GHG）emissions and waste resource/energy.On the other hand，WWTPs often need carbon sources to meet the need of nitrogen removal，both increasing operational costs and forming indirect carbon emission.Provided that CH4 could be utilized as a carbon source for nitrogen removal（shift of ideas！），the goal of the proposal might be thus twofold.With this philosophy in mind，discovery/development paths of both aerobic and anaerobic methane oxidation are summarized，and then involved microorganisms and associated metabolic pathways are analyzed.Based on the summary and analysis，anaerobic methane oxidation pathways via NO-3，NO-2 and even N2O are mainly summarized，and denitrifying anaerobic methane oxidation（DAMO）is discussed towards potential engineering applications，especially from the viewpoints of economy and carbon emission reduction.Finally，technical limitation and bottleneck of DAMO in engineering applications are dissected from the aspects of inoculating microorganisms and their associated environments.It is revealed that aerobic methane denitrification seems difficult to be applied in engineering due to the contradictory environments required by functional microorganisms and by contrast that anaerobic methane denitrification has some potentials to be engineered but more in-depth researches are still needed to improve functional microbial robustness.Keywords：methane；aerobic oxidation；anaerobic oxidation；combined nitrogen removal；nitrous oxide（N2O）；denitrifying anaerobic methane oxidation（DAMO）1引言（Introduction）氮是导致水体富营养化的营养元素之一，硝化+反硝化则是传统污水处理技术.尽管近20年出现了一些自养脱氮工艺，如厌氧氨氧化（ANAMMOX）、氢自养、硫自养、铁自养等，但以自养细菌为基础的反硝化的 最大缺陷是微生物聚集以及反应速率不及异养反硝化，况且，自养反硝化提供电子给予体的元素/物质来源DOI：10.13671/j.hjkxxb.2023.0035郝晓地，孙思辈，李季，等.2023.甲烷氧化耦合污水脱氮研究进展 J.环境科学学报，43（3）：1-15HAO Xiaodi，SUN Sibei，LI Ji，et al.2023.Research advances of methane oxidation coupled to nitrogen removal of wastewaterJ.Acta Scientiae Circumstantiae，43（3）：1-15收稿日期：2022-12-31 修回日期：2023-02-01 录用日期：2023-02-03基金项目：国家自然科学基金（No.52170018）作者简介：郝晓地（1960），男，教授（博士），E-mail：；*责任作者环境科学学报43 卷也需考虑其可持续性；即使是目前全球应用较为成熟的ANAMMOX工艺也只是“小众”应用，并没有形成普及应用的大气候.诚然，我国污水中普遍缺乏碳源是异养脱氮的主要问题，而外加碳源则会形成较多的碳排放.因此，因地制宜利用一切可以利用的碳源则是最为适用的碳源补充方式.在有些特定场景下，存在于污水中的甲烷（CH4）或废弃天然气中的甲烷似乎可以利用，以致于以CH4作为碳源的异养脱氮技术受到关注.研究表明，从利用CH4作为碳源微生物发现，到其代谢路径明晰，再到现在聚焦功能微生物富集以及探究其工程应用可行性，甲烷氧化耦合反硝化脱氮目前似乎正成为一种新的研究趋势.故此，有必要对目前相关研究进展予以综述.甲烷（CH4）的温室效应相当于二氧化碳（CO2）的28倍，是继CO2之后的第二大温室气体（IPCC，2013）.因此，多数研究均聚焦于CH4减排策略及其防控技术发展.即使在污水处理过程中，厌氧环境或厌氧消化过程也会产生大量CH4，例如，厌氧消化产CH4可造成溶解CH4饱和度达2026 gm-3（Pan et al.，2016）.但CH4脱离其原产生系统后在水中的传质系数并不大，30 环境温度下其溶解度仅为18.6 gm-3（Li et al.，2021），这就会导致大量饱和溶解态CH4在不经意间外溢至周边环境，形成温室气体排放源，从而造成一定的能源损失.CH4自然循环主要由微生物作用驱动（Rosentreter et al.，2021），包含CH4产生和CH4氧化等主要过程（Raghoebarsing et al.，2006；Haroon et al.，2013）.伴随着 CH4氧化微生物种属信息逐渐解密，也打开了 CH4 用作潜在污水脱氮所需碳源之门.微生物参与的CH4氧化包括好氧氧化（Aerobic methane-oxidation，AME）和厌氧氧化（Anaerobic oxidation of methane，AOM）两种途径（Modin et al.，2007）.与其它碳源（电子供体）相比，CH4碳源一方面可以解决无法收集CH4或剩余CH4碳排放问题，亦可以替代污水处理脱氮传统外加碳源.然而，CH4作为细菌可利用碳源的工程应用正面临着两大障碍.其一，需要富集培养能高效利用CH4且协同微生物脱氮的微生物种群（Raghoebarsing et al.，2006；Ettwig et al.，2008；2010；Kampman et al.，2014）；其二，需要通过控制环境参数，保证微生物活性系统高效且稳定运行（Luesken et al.，2011a；Zhu et al.，2011；Hu et al.，2014）.所以，迄今为止所有CH4碳源研究都集中于实验室系统，而无实际工程应用成功案例（Bhattacharjee et al.，2016；Hatamoto et al.，2017）.为此，有必要全面厘清CH4氧化微生物种群、限制因素等微生物代谢方面的研究信息，以此判断它们现实对工程应用的可行性.基于此，本文首先剖析CH4好氧与厌氧氧化路径，综述其发展历程并剖析其代谢途径，以厘清主要参与细菌种属及特性.以此为基础，分析其技术应用瓶颈与突破限制手段，以期为利用CH4碳源脱氮工程化奠定理论基础.2好氧CH4氧化-反硝化（Aerobic methane-oxidation coupled to denitrification，AME-D）好氧CH4氧化（AME）是通过CH4氧化细菌利用氧分子氧化CH4并最终转化为CO2的过程（Rhee et al.，1978；Chistoserdova et al.，2005）.该氧化细菌属于嗜甲烷菌、革兰氏阴性，能够利用CH4作为唯一碳源和能量来源（Fei et al.，2014）.如图 1 所示，嗜甲烷菌的 CH4代谢途径主要分为 3 种类型：-变形菌（Gamma-proteobacteria）参与的单磷酸核酮糖（Ribulose monophosphate，RuMP）循环的单碳同化（Hanson et al.，2014）；-变形菌（Alpha-proteobacteria）参与的丝氨酸循环（Serine cycle）的CH4同化（Hanson et al.，2014）；疣微菌门（Verrucomicrobia）参与CH4氧化并通过卡尔文循环（Calvin-Benson-Bassham cycle，CBB cycle）吸收CO2的碳同化（Kalyuzhnaya et al.，2015）.在CH4被氧化过程中，其中一部分CH4会被最终直接转化为CO2，而另外一部分则会转化为可溶性有机物，主要包括甲醇（Wilkinson et al.，1974；Meschner et al.，1985；Costa et al.，2000；Eisentraeger et al.，2001）、柠檬酸盐（Rhee et al.，1978）、乙酸盐（Costa et al.，2000；Eisentraeger et al.，2001）、蛋白质（Eisentraeger et al.，2001）、核酸（Linton et al.，1977）和其它碳水化合物（Nesterov et al.，1988）.此时与之共存的反硝化细菌可利用这部分碳源进行反硝化，该过程被定义为好氧CH4氧化-反硝化（AME-D，图2）.遗憾的是，自1978年Rhee首次证实好氧CH4氧化-反硝化是由CH4氧化菌和反硝化菌协同完成后（Rhee et al.，1978），至今尚未 发现单一菌种可以完成同步好氧CH4-反硝化全过程（Matthijs et al.，2014）.23 期郝晓地等：甲烷氧化耦合污水脱氮研究进展AME-D过程必须由两种微生物独立完成，这就直接制约了其工程应用.因为要提高CH4作为碳源协同脱氮效率，就必须要控制系统环境，使两种微生物均处于最佳代谢与生存环境.但好氧型CH4氧化和缺氧型反硝化对溶解氧（DO）条件的要求都很高，充足DO虽利于CH4氧化，但却会抑制反硝化（Werner et al.，1991；Thalasso et al.，1997；Eisentraeger et al.，2001；Waki et al.，2005）.因此，精准曝气技术也许是使其可行的 思路之一.另一方面，考察CH4利用效率问题.根据好氧CH4氧化-反硝化过程计算，理论C/N量仅需1.27 mol mol-1（参见化学计量式（1），但实际研究发现只有在C/N高达12 molmol-1时（Werner et al.，1991），才出现了两种细菌较好富集培养并形成脱氮效果，该数值远高于传统碳源使用量（约45 kgkg-1）（郝晓地，2006），这预示着图13种主要嗜甲烷菌CH4代谢途径（郭树奇等，2021）Fig.1Methane metabolism pathways in the three main methanophiles图2两种细菌协同完成好氧CH4氧化-反硝化（AME-D）（Modin et al.，2007）Fig.2Working synergistically of two types of bacteria for Aerobic methane-oxidation coupled to denitrification（AME-D）3环境科学学报43 卷CH4碳源用于脱氮并不“省碳”.同时，实际工程中液相溶解态CH4浓度较低，导致其很难满足实际工艺需求.CH4+1.02O2+0.786NO-3+0.786H+0.393N2+2.39H2O+CO2（1）3厌氧CH4氧化-反硝化（Denitrifying anaerobic methane oxidation，DAMO）3.1发现历程传统观点最早认为好氧CH4氧化（AME）是主要的甲烷汇（Modin et al.，2008），但随着厌氧CH4氧化与 多种电子供体间耦合关系被不断证实，厌氧CH4氧化（AOM）也被确定是重要的甲烷汇途径（Iversen et al.，1985；Boetius et al.，2000；Schreiber et al.，2010）.AOM的发现与研究历程较为曲折，主要是伴随着不同电子受体，如硫酸盐（SO2-4）（Alperin et al.，1985）、硝酸盐（NO-3）（Haroon et al.，2013）、亚硝酸盐（NO-2）（Ettwig et al.，2009）、氧化亚氮（N2O）（Cheng et al.，2019）、金属离子锰（Mn4+）和铁（Fe3+）（Beal et al.，2009）和铬（Cr6+）（Lu et al.，2016）、腐殖酸（humic acid）（Scheller et al.，2016）、蒽醌-2，6-磺酸钠（AQDS）（Scheller et al.，2016）、硒酸盐（SeO2-4）（蔡朝阳，2017）、锑酸盐（SbO-3）（Lai et al.，2018）等的不断发现以及参与其中新的 细菌种属，其发现并被确认路径如图3所示.1976年Reeburgh在海洋沉积物中发现了CH4氧化过程，后来被称为CH4厌氧氧化（AOM），并发现其与硫酸盐还原相结合（Reeburgh，1976）.后经研究，负责这一过程的菌种被确定为CH4营养菌，可利用单碳化合物（CH4）作为碳和能量来源（Hanson et al.，1996）.CH4厌氧氧化的同时也不断伴随着反硝化脱氮，其过程中电子受体从最早的NO-3、NO-2一直到强温室气体N2O.因此，厌氧CH4氧化耦合反硝化过程（DAMO）也被不断更新和定义.最早发现DAMO现象始于2006年，荷兰学者Raghoebarsing以当地Twentekanaal运河底泥作为接种污泥，成功富集得到AOM菌属，并利用同位素标记法鉴定了两种功能微生物共同参与了DAMO过程；同时，通过16S rRNA基因测序技术确定了该微生物为ANME-2古菌.基于此，提出假设，DAMO是由ANME古菌 参与并类似于CH4氧化耦合SO2-4还原（SAMO）的逆产甲烷作用过程（Rosentreter et al.，2006）.随后于2008年Ettwig 研 究 表 明，即 使 在 没 有 上 述 古 菌 的 情 况 下，也 存 在 特 定 的 念 珠 菌 甲 基 单 胞 菌（Candidatus Methylomirabilis oxyfera，M.oxyfera）能够单独驱动整个DAMO过程，在厌氧条件下完成了CH4和NO-2转化为CO2和N2的过程（Ettwig et al.，2008）.2013年，Haroon等研究证实了属于ANME-2d分支的念珠菌甲烷还原菌图3厌氧CH4氧化（AOM）发现并确认路径（陈悦等，2021）Fig.3Found and identified pathways of anaerobic oxidation of methane（AOM）43 期郝晓地等：甲烷氧化耦合污水脱氮研究进展（Candidatus Methanoperedens nitroreducens，M.nitroreducens）能够利用还原酶甲基辅酶M（methyl-CoM），通过逆产甲烷作用氧化CH4，同时还原NO-3（Haroon et al.，2013）.后续Hu等以NO-3、NO-2作为基质培养富集DAMO功能菌群，显示以NO-3作基质实验发现ANME古菌和NC10细菌共存；但以NO-2作基质时ANME古菌逐渐被淘汰、直至消失，证明 ANME 古菌倾向于 NO-3存在，而 NC10 门细菌更依赖 NO-2（Hu et al.，2014）.2019 年，Cheng等研究发现淡水湿地的DAMO还可能存在N2O耦合AOM反应，突破了人们对AOM电子受体种类范围的认知，但其相关微生物还处于未知状态（Cheng et al.，2019）.上述AOM主要参与细菌的发现及确定时间轴总结于图4.3.2细菌与代谢路径已被发现参与 DAMO 过程的微生物主要包括 ANME-2d 古菌（M.nitroreducens）（Raghoebarsing et al.，2006；Haroon et al.，2013；Cui et al.，2015）和 NC10 门细菌（M.oxyfera）（Ettwig et al.，2008）（图 5），其中，ANME-2d古菌以 CH4作为电子供体，NO-3作为电子受体，反应生成 CO2和 NO-2；NC10门细菌则以 CH4作为 电子供体，NO-2作为电子受体，反应生成CO2和N2.后者也被称作为亚硝酸盐还原型甲烷厌氧氧化（Nitrite-dependent anaerobic methane oxidation，N-DAMO）（Raghoebarsing et al.，2006）.有关ANME-2d古菌细胞结构和形态的报道较少，目前仅通过FISH进行过表征，得知其为直径13 m的不规则球菌，团聚形成类似八叠球菌的团簇体（Wu et al.，2011；2012a；Gambelli et al.，2018）.另一方面，Wu等（2012b）通过扫描电子显微镜（SEM）及电子断层成像技术（Electron Tomography）确立了NC10门细菌的形态结构；它是革兰氏阴性菌，呈典型杆状形态，长约1.2 m，直径约0.5 m.但NC10门细菌具有不同于其它细菌的特殊多边形柱状结构和糖蛋白表层，细胞壁上分布着多个纵向脊状突起，纵切面呈特殊的五边形（Sleytr et al.，1999；Cabeen et al.，2005；Engelhardt，2007）.虽然NC10门细菌不具有传统甲烷好氧氧化细菌（Methane oxidation bacteria，MOB）普遍存在的细胞内膜，但具有甲烷氧化最关键的酶颗粒性甲烷单加氧酶（Particulate methane monooxygenase，pMMO），配合亚硝酸盐还原酶（Nitrite reductase，Nir）共同完成N-DAMO过程（Wu et al.，2012a）.最新发现以N2O驱动的DAMO的甲烷营养型微生物尚未完全认知，需进一步实验 研究（Cheng et al.，2019）.图4厌氧甲烷氧化主要细菌种属发现并确定时间轴Fig.4Founding and identification of major bacterial species for anaerobic oxidation of methane图5ANME-2d古菌与NC10门细菌的DAMO代谢过程Fig.5DAMO metabolic processes of ANME-2d archaea and NC10 phylum bacteria5环境科学学报43 卷3.2.1DAMO-NO-2（Nitrite-dependent denitrifying anaerobic methane oxidation）在对NC10门细菌（M.oxyfera）具体代谢过程和细菌基因研究中发现，M.oxyfera体内存在编码CH4好氧氧化途径（内生氧机制，细胞内部NO歧化反应产生氧气（低于检出且不无胞外氧）；但外部环境视作厌氧，故仍定义整体过程为厌氧甲烷氧化）的 全 部 基 因（Ettwig et al.，2010；2012）.M.oxyfera 通 过 内 生 氧 氧 化 CH4，在 甲 烷 单 加 酶（Methane monooxygenase，MMO）和 O2的作用下 CH4被氧化为甲醇，进一步在甲醇脱氢酶（Methanol dehydrogenase，MDH）的作用下生成甲醛；一部分甲醛通过丝氨酸循环（Serine cycle）完成合成作用，而另一部分甲醛继续在甲醛脱氢酶（Formaldehyde dehydrogenase，FADH）和甲酸脱氢酶（Formate dehydrogenase，FDH）的作用下转化为 CO2和 H2O，并产生还原性辅酶 NADH.生成的 CO2通过卡尔文循环（Calvin-Benson-Bassham cycle，CBB cycle）进行细胞合成代谢（Banerjee et al.，2010；Zhu et al.，2012）.同时，基因研究结果显示 M.oxyfera 也具有部分反硝化过程所需的基因，包含硝酸盐还原酶（Nitrate reductase，Nar）编码基因narGHJI键和napAB；亚硝酸盐还原酶（Nitrite reductase，Nir）编码基因nirSJFD/GH/L；氧化氮还原酶（Nitric oxide reductase，Nor）编码基因norZ，但缺乏氧化亚氮还原酶（Nitrous oxide reductase，Nos）编码基因nosZDFY（Ettwig et al.，2010）.这表明DAMO细菌的实际代谢过程只能进行到NO，但所有研究均显示，DAMO最终产物为N2（Ettwig，2010；He et al.，2016）.进一步同位素追踪表明，M.oxyfera体内存在 歧化反应，即内部产氧途径 NO 在一氧化氮歧化酶（Nitric oxide dismutase，Nod）作用下歧化生成 N2和 O2（Ettwig et al.，2012）.3.2.2DAMO-NO-3（Nitrate-dependent denitrifying anaerobic methane oxidation）DAMO 体系中的 ANME-2d古菌（M.nitroreducens）被证明含有完整的逆产甲烷（类似甲烷氧化作用）途径所需的基因和硝酸盐还原酶 编码基因（Ettwig et al.，2010），可独立利用甲烷作为唯一电子供体将NO-3还原成NO-2（Wang et al.，2019），即以NO-3作为最终电子受体激活甲基辅酶M还原酶（Mcr）的逆反应，使CH4最终被完全氧化为CO2，NO-3被还原为NO-2（Shima et al.，2012）.代谢过程也存在还原性乙酰辅酶 A（reductive acetyl-CoA）和乙酰辅酶 A 合成酶（acetyl-CoA synthetase）参与，意味着其具有产乙酸的可能性（Hallam et al.，2004；Haroon et al.，2013）.但 除此之外，并未检测到反硝化过程涉及的其它基因（Ettwig et al.，2012）.因此，M.nitroreducens的DAMO过程仅能将NO-3还原至NO-2，CH4最终则被一系列酶促反应转化为CO2（Hallam et al.，2004），其代谢过程如图7所示.图6M.oxyfera 细菌甲烷氧化与反硝化过程物质与能量代谢途径（Wu et al.，2011）Fig.6Metabolic processes of substances and energy during methane oxidation and denitrification by M.oxyfera bacteria63 期郝晓地等：甲烷氧化耦合污水脱氮研究进展3.2.3DAMO-N2O（N2O-dependent denitrifying anaerobic methane oxidation）另一种典型氮形式是强温室 气体N2O.2019年Cheng等提出N2O作为电子受体的厌氧甲烷氧化-反硝化过程（DAMO-N2O）（Cheng et al.，2019），如图8所示.虽无直接证据证明该过程存在及其相关代谢过程，但较多证据显示其存在理论可行性：热力学分析（表1），N2O驱动DAMO的吉布斯自由能（G0=1232.4 kJmol-1 CH4）显著低于NO-3（G0=765 kJmol-1 CH4）和 NO-2（G0=928 kJmol-1 CH4），这意味着 N2O 比 NO-3和 NO-2还原发生 DAMO 过程更有利（Cheng et al.，2019）；宏基因组学确定N2O可加速DAMO作用，确实有研究证实N2O增加了甲烷营养型 图7M.nitroreducens 古菌逆产甲烷与短程反硝化过程（Haroon et al.，2013）Fig.7Reverse methane production and short-cut denitrification of M.nitroreducens图8DAMO-N2O代谢过程（Cheng et al.，2019；陈悦等，2021）Fig.8Metabolic processes of DAMO-N2O7环境科学学报43 卷细菌的丰度和活性，同时增加了电子转移过程中酶的活性，最终刺激DAMO反应（Cheng et al.，2019）；N2O抑制产甲烷活性，有研究显示N2O存在能够显著抑制乙酰营养型产甲烷菌的活性，减少CH4的产生（Klber et al.，1998；Tugtas et al.，2010）.此外，也有研究声称N2O驱动DAMO机制类似于M.oxyfera细菌内生氧参与的DAMO过程（Mander et al.，2014；Cheng et al.，2019），但这都有待进一步证实和深入研究.无论如何，从 当前碳减排、碳中和角度出发，直接利用这两种强温室气体完成DAMO过程，对于实现同步甲烷氧化和脱氮具有深远的意义.3.2.4DAMO-ANAMMOX在发现DAMO功能菌群的环境中，除检测到DAMO菌种外，还在相似环境甚至污水处理厂中同时检测到厌氧氨氧化（Anammox）微生物（Fu et al.，2017a；2017b）.在共生环境中，NC10门细菌和Anammox细菌都使用NO-2作为终端电子受体，ANME-2d古菌则将NO-3转化为NO-2，形成了NC10门细菌或Anammox与ANME-2d古菌协同作用关系（Luesken et al.，2011b；Ding et al.，2014）.因DAMO过程的发现，让单个微生物体同步实现甲烷氧化和氮还原成为现实（Silva-Teira et al.，2017；Lu et al.，2018）.有研究在 DAMO菌群富集环境中引入 NO-2作为电子受体的 ANAMMOX，实验结果显示，其不仅能去除污水中的NO-3，实现TN完全去除（Sanchez et al.，2016），还能利用CH4为碳源，降低温室气体排放.因此，3类菌种共富集培养被认为是理想的“下一代”城镇生活污水生物处理模式（Van Loosdrecht et al.，2014；章诗辞，2020）.如图9所示，将NC10门细菌（M.oxyfera）、ANME-2d古菌（M.nitroreducens）与Anammox 3类微生物同时富集培养，并在代谢途径上实现“串联”，即Anammox完成NH+4和NO-2产生NO-3；ANME-2d古菌（M.nitroreducens）表1不同AMO-反硝化反应过程反应与吉布斯自由能Table 1Gibbs free energy of different DAMO-denitrification processes类别DAMO-NO-3DAMO-NO-2DAMO-N2O反应方程式5CH4+8NO3-+8H+5CO2+4N2+12H2O3CH4+8NO2-+8H+3CO2+4N2+14H2OCH4+4N2O CO2+4N2+2H2O标准吉布斯自由能（G0）/（kJmol-1）-765-928-1232.4图9DAMO-ANAMMOX耦合示意图（Rayaan et al.，2021）（*：由ANAMMOX和ANME-2d参与的完全反硝化取决于NH+4和NO-2及CH4和NO-3的物质的量比）Fig.9Proposed system of DAMO-ANAMMOX83 期郝晓地等：甲烷氧化耦合污水脱氮研究进展继续以CH4作为碳源参与NO-3反硝化，过程中产生NO-2；NC10门细菌（M.oxyfera）继续以CH4为碳源，最终完成NO-2转化（Luesken et al.，2011a；Shi et al.，2013）.基于该理论，三者的耦合工艺似乎能处理任意氮比例污水（Liu et al.，2019）.例如，污水处理厂侧流厌氧消化液通常含有较高NH+4（5001500 mgL-1）（Xu et al.，2017），若借助ANAMMOX和DAMO过程利用CH4同步去除NH+4、NO-3和NO-2，可谓“一石多鸟”（Rayaan et al.，2021）.但Anammox、NC10门细菌（M.oxyfera）及ANME-2d古菌（M.nitroreducens）均为自养型菌（其碳源均来源于CO2，参与DAMO过程微生物菌群只是利用CH4做其唯一能源来源）（聂文博，2021；Van Niftrik et al.，2008；Ettwig et al.，2010），其倍增时间与生长代谢速率均十分缓慢，较难实现纯菌富集的缺点不容忽视（Hu et al.，2019）；同时，3 类菌种易受溶解氧（DO）（Luesken et al.，2012）、NO-2浓度（Bhatta-charjee et al.，2016）、COD（Silva-Teira et al.，2017）、甲烷通量（He et al，2013）等因素影响，使得DAMO-Anammox系统启动与稳定运行难度较大（何崭飞，2016）.研究表明，ANME-2d 古菌（M.nitroreducens）富集易受 NO-2抑制（Hatamoto et al.，2014），因此，提出可以共富集培养以NO-2为底物的功能微生物（如Anammox细菌）.NC10门细菌（M.oxyfera）和Anammox菌则能在适宜基质条件下稳定共存（Luesken et al.，2011b），并发现其共生菌群普遍存在于污水厌氧系统中（Wang et al.，2017）；但若发生进水 NH+4过量或非目标微生物水解导致 NH+4释放，因 Anammox 细菌对NO-2的亲和力高于NC10细菌，此时易形成NO-2被竞争，从而导致NC10门细菌（M.oxyfera）基质不足，脱氮能力下降（聂文博，2021）.这些研究直接证实了基于理论的“理想协同工艺”到现实应用仍需更深入研究，底物配置所导致的共富集微生物间（DAMO与ANAMMOX菌群等）的相互竞争是首要解决的难题.4DAMO工程应用前景（DAMO engineering application prospect）4.1碳源效益污水处理厂外加碳源不仅增加运行成本，也会造成额外碳排放.因此，需要综合评价利用CH4碳源与传统外加碳源甲醇、乙酸、葡萄糖的经济性.以完全反硝化为标准，计算提供同等电子所需的外碳源投加量 （反应方程式见表2），并依据市场价格计算购买成本，结果列于表3.可以看出，各碳源成本高低顺序依次为：甲烷（厌氧）甲烷（好氧）甲醇乙酸葡萄糖.可见，甲烷厌氧氧化-反硝化（DAMO）最为经济有效，特别是 利用系统自生CH4或废弃天然气的情况.表2不同碳源反硝化反应方程式Table 2Denitrification reaction equations for different carbon sources碳源类型甲醇乙酸葡萄糖AME-DDAMO反应方程式1.0679CH3OH+NO-3+H+0.0611 C5H7O2N+0.4696 N2+2.4798H2O+0.7623CO20.82 CH3COOH+NO-3 0.07 C5H7O2N+HCO-3+0.3 CO2+0.9 H2O+0.47 N20.36 C6H12O6+NO-3+0.18NH+4+0.82 H+0.18 C5H7O2N+0.5 N2+1.25 CO2+2.28 H2O5 CH4+5 O2+4 NO-3+4H+2 N2+5CO2+12 H2O5 CH4+8NO-3+8H+5CO2+4N2+12H2O3 CH4+8 NO-2+8H+3CO2+4N2+14H2O表3不同碳源反硝化成本对比Table 3Comparisons of denitrification costs for different carbon sources碳源类型甲醇乙酸葡萄糖CH4好氧（AME-D）厌氧（DAMO）纯度99%99%95%83%单价/（元t-