H2/CH4-MBfR在水處理中的研究及推動(dòng)碳減排的潛力

張 毅，李海翔，2，徐瀘峰，田 濤，范玉榮，丁婉瑩

（1.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541006；2.廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541006）

全球氣候變暖已經(jīng)成為未來很長一段時(shí)間人們需要關(guān)心的問題，甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）等溫室氣體是引起全球氣候變暖的重要原因。為減緩碳排放，我國提出了“碳達(dá)峰”和“碳中和”的理念，即在2030年前實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。污水處理廠厭氧消化產(chǎn)生的沼氣中含60%CH4、35% CO2和5%的其他氣體（H2、H2S、NH3、水蒸氣和硅甲烷等），是溫室氣體排放的主要源頭〔1-3〕，這對(duì)我國實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)，污水處理行業(yè)必須通過開發(fā)新技術(shù)提高CH4中碳的利用率來減少碳排放。目前，以CH4為主的沼氣已經(jīng)成為用途廣泛的可再生資源，可用于發(fā)電、制熱和汽車燃料，也可以作為生產(chǎn)化學(xué)品的原料〔4-5〕，但這些方式只是改變了碳存在的形式，并未從根源上減緩碳的排放。最理想的方式是污水處理廠能夠?qū)崿F(xiàn)CH4的自產(chǎn)自銷，甲烷氧化與反硝化耦合（MOD）作為一種潛在的、可持續(xù)和經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)場CH4最小化和利用的手段受到了極大的關(guān)注〔6〕。

隨著膜生物膜反應(yīng)器（MBfR）污水處理技術(shù)的興起，利用H2作為電子供體去除硝酸鹽、溴酸鹽等氧化性污染物的氫基質(zhì)生物膜反應(yīng)器（H2-MBfR）已經(jīng)趨于成熟〔7〕。研究者們開始將CH4應(yīng)用于MBfR領(lǐng)域，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了微生物（好氧甲烷氧化菌和厭氧甲烷氧化菌）利用CH4的代謝過程，并證實(shí)了利用CH4作為電子供體和碳源去除氧化性污染物的MBfR的可行性。MBfR技術(shù)為污水處理行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳減排提供了新的研究方向。

1 膜生物膜反應(yīng)器（MBfR）

膜生物膜反應(yīng)器（MBfR）又稱膜曝氣生物膜反應(yīng)器（MABR），更籠統(tǒng)的術(shù)語是膜支撐生物膜反應(yīng)器（MSBR），是一種基于氣體傳輸膜的新興處理技術(shù)〔8〕。

1.1 MBfR的工作原理

MBfR的工作原理是將自養(yǎng)還原菌與膜結(jié)合，微生物附著在膜表面，氣體基質(zhì)（如H2）作為微生物代謝的電子供體，在壓力作用下進(jìn)入膜內(nèi)腔并以無泡曝氣的傳遞方式進(jìn)入生物膜內(nèi)部，與作為電子受體的氧化性污染物共同參與微生物的新陳代謝，從而達(dá)到污染物去除的目的〔9〕。

多種類型的MBfR已被報(bào)道，如壓力驅(qū)動(dòng)型、氣體傳輸型、離子交換型等〔10〕。由于基質(zhì)的反向擴(kuò)散，MBfR生物膜表現(xiàn)出與傳統(tǒng)生物膜不同的行為，MBfR適合于多種處理應(yīng)用，包括在供應(yīng)O2時(shí)去除C和N、在供應(yīng)H2時(shí)減少氧化性污染物等，具有氣體利用率高、能耗低、反應(yīng)器占地面積小的優(yōu)點(diǎn)〔11〕。

1.2 影響MBfR運(yùn)行性能的因素

MBfR作為新興水處理技術(shù)，除溫度、pH、水力停留時(shí)間（HRT）外，還存在眾多因素影響著MBfR的高效運(yùn)行，如膜材料、生物膜厚度以及電子供體的選擇等。膜材料直接影響著MBfR中電子供體的利用率和污染物的最大去除通量〔12〕，過低或過高的生物膜厚度都會(huì)影響MBfR對(duì)污染物的去除效果〔13〕。

目前，MBfR中常見的電子供體是CH4和H2，以CH4或H2作為電子供體去除氧化性污染物的研究已經(jīng)很常見。不同的電子供體會(huì)使MBfR表現(xiàn)出不同的污染物去除性能，這主要是由于不同的電子供體會(huì)使MBfR中微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，不同微生物適應(yīng)環(huán)境變化的能力不同。在以H2作為電子供體去除硝酸鹽的H2-MBfR中，微生物群落以氫自養(yǎng)反硝化菌為主，其對(duì)pH比較敏感，過高或過低的pH都會(huì)抑制其反硝化的能力，并且需要嚴(yán)格的厭氧環(huán)境〔14〕。在以CH4為電子供體去除硝酸鹽的甲烷基質(zhì)膜生物膜反應(yīng)器（CH4-MBfR）中，微生物群落以好氧甲烷氧化菌或厭氧甲烷氧化菌為主，好氧甲烷氧化菌能夠在溫度為0～70℃和pH為1.5～12的環(huán)境中生存，并且能夠優(yōu)先利用環(huán)境中的氧，為反硝化厭氧甲烷氧化（N-DAMO）菌創(chuàng)造厭氧環(huán)境，使得MBfR對(duì)環(huán)境變化有更強(qiáng)的適應(yīng)能力〔15-16〕。MBfR對(duì)有毒物質(zhì)的抵抗能力強(qiáng)〔17〕，但以CH4或H2作為電子供體的微生物群落適應(yīng)毒性的能力可能不同。H2-MBfR在進(jìn)水亞硝酸鹽質(zhì)量濃度為5 mg/L時(shí)，高氯酸鹽去除率可達(dá)80%，當(dāng)進(jìn)水亞硝酸鹽質(zhì)量濃度為20 mg/L時(shí)，高氯酸鹽去除率低至30%左右；而CH4-MBfR在進(jìn)水亞硝酸鹽質(zhì)量濃度僅為2 mg/L時(shí)，高氯酸鹽去除率不足30%，CH4-MBfR中還原高氯酸鹽的微生物對(duì)亞硝酸鹽毒性的耐受能力比較弱〔18-19〕。

不同電子供體會(huì)使MBfR的微生物群落結(jié)構(gòu)不同，但以H2或CH4為電子供體的MBfR在氧化性污染物去除方面依然具有優(yōu)異性能。

2 H2/CH4-MBfR去除氧化性污染物

伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，環(huán)境問題日益嚴(yán)重，飲用水中開始出現(xiàn)新的污染物，如硝酸鹽、高氯酸鹽、溴酸鹽、硒酸鹽和鉻酸鹽等，這些氧化性污染物價(jià)態(tài)較高，氧化性強(qiáng)。飲用水中有機(jī)物含量極低，電子供體嚴(yán)重不足，傳統(tǒng)處理工藝很難將這些氧化性污染物有效去除。H2/CH4-MBfR利用氣體基質(zhì)作為電子供體，能夠?qū)⑦@些氧化性污染物轉(zhuǎn)化為無毒或毒性很小的物質(zhì)，且處理成本低，具有獨(dú)特性和經(jīng)濟(jì)性〔7〕。

2.1 H2/CH4-MBfR去除單一污染物

Minmin JIANG等〔20〕在 固 定H2壓 力 為0.04 MPa的條件下，將進(jìn)水硝酸鹽質(zhì)量濃度從10 mg/L提升至30 mg/L時(shí)發(fā)現(xiàn)，H2-MBfR生物膜中噬氫菌的相對(duì)豐度發(fā)生了明顯變化。在進(jìn)水硝酸鹽質(zhì)量濃度提升至20 mg/L時(shí)，噬氫菌的相對(duì)豐度高達(dá)49%；而在進(jìn)水硝酸鹽質(zhì)量濃度提升至30 mg/L時(shí)，噬氫菌的相對(duì)豐度卻降至17.2%，硝酸鹽的去除率也從98.8%降至73%。導(dǎo)致噬氫菌豐度和硝酸鹽去除率降低的重要原因是電子供體不足，但電子供體不足可能是供應(yīng)壓力不足引起的，或是受中空纖維膜內(nèi)N2的影響。

Chen CAI等〔21〕設(shè)置了CH4-MBfR去除硝酸鹽，硝酸鹽的去除效率高達(dá)（684±10）mg/（L·d）。通過熒光原位雜交技術(shù)（FISH）發(fā)現(xiàn)，在還原去除硝酸鹽的過程中，生物膜中的微生物群落由DAMO古菌（50%）、DAMO菌（20%）和厭氧氨氧化菌（20%）共同控制，其他微生物只占一小部分。DAMO微生物具有很強(qiáng)的硝酸鹽去除能力，高負(fù)荷的硝酸鹽還可能促進(jìn)DAMO古菌的生長。此外，微氧（7～9 mg/L）條件下DAMO菌依舊具備很強(qiáng)的硝酸鹽還原能力〔22〕。

H2/CH4-MBfR去除某些氧化性污染物的實(shí)驗(yàn)室研究成果見表1，這些成果足以證明MBfR有望在實(shí)際水處理工程中應(yīng)用。

表1 H2/CH4-MBfR去除氧化性污染物Table 1 Removal of oxidizing pollutants by H2/CH4-MBfR

2.2 H2/CH4-MBfR同步去除多種污染物

H2/CH4-MBfR去除單一氧化性污染物的性能十分優(yōu)秀，但在同步去除多種氧化性污染時(shí)，無法避免由電子供體的競爭而導(dǎo)致的污染物去除性能降低的問題。在同步還原硝酸鹽和溴酸鹽時(shí)，由于反硝化細(xì)菌獲取電子供體的能力更強(qiáng)，以H2或CH4為電子供體的MBfR均會(huì)出現(xiàn)溴酸鹽還原被抑制的現(xiàn)象；當(dāng)大部分硝酸鹽被還原后，溴酸鹽去除率才得以恢復(fù)〔31-33〕。在同步去除硝酸鹽和鉻酸鹽時(shí)，同樣由于反硝化細(xì)菌獲取電子供體的能力強(qiáng)于參與鉻酸鹽還原的耐熱球菌，鉻酸鹽去除率出現(xiàn)降低的情況〔30〕。氧化性污染物的毒性也會(huì)影響MBfR在同步去除多種氧化性污染物時(shí)的性能，例如，鉻酸鹽的毒性可以改變酶的結(jié)構(gòu)，影響參與反硝化過程的必要功能基因的表達(dá)，從而導(dǎo)致硝酸鹽的還原受到抑制〔34〕。對(duì)于MBfR中微生物之間的電子供體競爭問題，可以通過增大供應(yīng)氣體的壓力以增加電子供體的總量來解決；對(duì)于氧化性污染物的毒性問題，可以通過逐步調(diào)節(jié)有毒氧化性污染物的進(jìn)水濃度使MBfR中微生物逐漸適應(yīng)其毒性來解決〔7，35〕。

Haixiang LI等〔36〕通過實(shí)驗(yàn)證明了在H2-MBfR中同步去除多種氧化性污染物（硝酸鹽、溴酸鹽、鉻酸鹽和對(duì)氯硝基苯）是可行的，并且這些氧化性污染物的最大去除率分別為99.9%、79.0%、96.1%和95.5%，H2利用率更是接近100%。即使關(guān)于CH4-MBfR同步去除3種或3種以上氧化性污染物的研究還未出現(xiàn)，但可預(yù)測在CH4-MBfR中同步去除多種氧化性污染物是可行的。

3 H2/CH4-MBfR實(shí)現(xiàn)碳減排的潛力

目前，實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)必須從減少碳排放入手，某些污水處理廠通過智能管理減少電能消耗進(jìn)而減少CO2排放，或者采用同步硝化反硝化工藝或厭氧氨氧化技術(shù)減少人工碳源的投加〔37〕。這些方式對(duì)于實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)有一定促進(jìn)作用，卻忽略了厭氧消化過程中也會(huì)產(chǎn)生大量CH4和CO2，而H2/CH4-MBfR可為這些CH4和CO2提供新的利用途徑。

3.1 H2-MBfR實(shí)現(xiàn)碳減排的途徑

H2-MBfR大多是添加NaHCO3作為微生物的無機(jī)碳源，這一舉措不利于實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)。實(shí)際上，在序批式反應(yīng)器中利用CO2為唯一碳源進(jìn)行氫自養(yǎng)反硝化菌的馴化是可行的，但馴化時(shí)間比利用NaHCO3的時(shí)間略長〔38〕，這可能是受CO2溶解度的限制。MBfR技術(shù)正好能彌補(bǔ)這一不足，使CO2能夠以無泡形式在水中擴(kuò)散，并通過水解形成CO32-或HCO3-，最終作為碳源被微生物利用。夏四清等〔39〕開發(fā)了利用CO2代替NaHCO3作為無機(jī)碳源的雙曝氣式H2-MBfR，合理控制CO2分壓可避免pH偏高和硬度離子沉降的問題；CO2不僅具有為微生物提供無機(jī)碳源的能力，還可解決以往MBfR系統(tǒng)需投加緩沖液的問題。Minmin JIANG等〔40〕通過批量實(shí)驗(yàn)和模型實(shí)現(xiàn)了CO2的精準(zhǔn)添加，證明了CO2可作為MBfR的無機(jī)碳源。

H2-MBfR能夠利用CO2作為無機(jī)碳源實(shí)現(xiàn)污染物的去除，足以證明H2-MBfR在水處理和碳減排領(lǐng)域的潛力。

3.2 CH4-MBfR實(shí)現(xiàn)碳減排的途徑

在CH4-MBfR中，微生物能夠利用CH4作為電子供體和碳源。微生物利用CH4的過程可以在好氧條件下進(jìn)行（有氧甲烷氧化），也可以在厭氧條件下進(jìn)行（厭氧甲烷氧化），對(duì)不同氧化條件下的微生物群落進(jìn)行分析才能反映其利用CH4的途徑。目前多數(shù)CH4-MBfR是在微氧或者厭氧條件下進(jìn)行的。

3.2.1 有氧甲烷氧化途徑

有氧甲烷氧化是由好氧甲烷氧化菌執(zhí)行的，好氧甲烷氧化菌可以分為3種類型：Ⅰ型（γ-Proteobacteria）、Ⅱ型（α-Proteobacteria）、Ⅲ型（Verrucomicrobia）〔41-42〕，這3種好氧甲烷氧化菌在細(xì)胞形態(tài)、結(jié)構(gòu)和碳同化途徑方面是不同的。比如，Ⅰ型好氧甲烷氧化菌的細(xì)胞質(zhì)膜呈囊泡狀排列，而Ⅱ型好氧甲烷氧化菌的細(xì)胞質(zhì)膜通常與細(xì)胞外圍排列在一起；Ⅰ型好氧甲烷氧化菌的碳同化利用的是核酮糖單磷酸，而Ⅱ型好氧甲烷氧化菌利用的是絲氨酸〔43〕。好氧甲烷氧化菌中的甲烷單加氧酶（MMO）利用O2改變CH4的C—H鍵，生成甲醇（CH3OH）和水（H2O）。MMO有顆粒狀和可溶性2種形式，分別為顆粒晚期甲烷單加氧酶（pMMO）和可溶性甲烷單加氧酶（sMMO），后者因?yàn)閷?duì)O2的親和力較小，很少被發(fā)現(xiàn)〔44〕。CH3OH由周質(zhì)甲醇脫氫酶（MDH）氧化為甲醛（HCHO），再通過四氫甲烷蝶呤（H4MPT）途徑，利用甲醛活化酶（FAE）、亞甲基四氫甲基蝶呤脫氫酶（MTD）和甲酰基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合體（FHC）將HCHO轉(zhuǎn)化為甲酸（HCOOH），最后通過甲酸脫氫酶（FDH）將HCOOH氧化為CO2。有氧甲烷氧化過程中，一部分CH4作為碳源被微生物利用，另一部分以CO2的形式釋放，最終實(shí)現(xiàn)碳減排的目的〔45-46〕，其氧化過程如圖1所示〔47〕。

圖1 有氧甲烷氧化過程Fig.1 Aerobic methane oxidation process

通常Ⅰ型好氧甲烷氧化菌更喜歡高濃度的O2，Ⅱ型好氧甲烷氧化菌更適合在CH4體積分?jǐn)?shù)高于1%和O2體積分?jǐn)?shù)低于1%的環(huán)境中生長〔48〕。Ruochan MA等〔49〕通過穩(wěn)定同位素和宏基因組分析了不同O2濃度下的有氧甲烷氧化和反硝化耦合（AME-D）過程，發(fā)現(xiàn)O2體積分?jǐn)?shù)為10%〔V（O2）/V（CH4）=1.26，氧限制環(huán)境〕的AME-D系統(tǒng)硝氮去除率最高，該系統(tǒng)的主要微生物是好氧甲烷氧化菌（Ⅰ型）和反硝化菌（變形桿菌和放線菌），分別占46.4%和24.1%；O2是有氧甲烷氧化的必需底物，AME-D既要保證O2濃度滿足好氧甲烷氧化菌的代謝需求，又不會(huì)抑制反硝化菌的活性。

3.2.2 甲烷厭氧氧化途徑

甲烷厭氧氧化（AOM）最早是在海洋沉積物中觀察到的，并且與硫酸鹽有關(guān)。這類與硫酸鹽相關(guān)的AOM微生物統(tǒng)稱為厭氧甲烷營養(yǎng)古細(xì)菌（ANME），ANME被分成3個(gè)不同類群：ANME-1、ANME-2和ANME-3〔50〕。AOM過程對(duì)某些氧化性污染物具有依賴性，比如依賴硫酸鹽的厭氧甲烷氧化（S-DAOM）、依賴氮的厭氧甲烷氧化（N-DAOM）〔51〕。AOM具有多種氧化過程，不同過程的微生物有著巨大差異，S-DAOM與ANME-1、ANME-2、ANME-3這3類微生物有關(guān)，N-DAOM與NC10類微生物有關(guān)〔52〕。

目前，AOM的詳細(xì)過程仍未被完全探索清楚，只確定存在甲基輔酶M還原酶（MCR）作用。在依賴硫酸鹽的AOM過程中出現(xiàn)了反向產(chǎn)CH4現(xiàn)象（反向甲烷化途徑），即以CH4和CO2為底物生成短鏈脂肪酸，然后運(yùn)用電子或中間產(chǎn)物進(jìn)行氧化還原，部分碳最終被微生物利用的過程〔53〕。因此，不僅CH4可以作為ANME的碳源，CO2也能作為ANME的次要碳源〔54〕。有學(xué)者在N-DAOM相關(guān)微生物中檢測到了與好氧甲烷氧化過程有關(guān)的酶（pMMO和MDH）〔55〕，由此提出了一種細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)氧的假說，即氧由亞硝酸鹽還原產(chǎn)生的NO歧化產(chǎn)生，然后內(nèi)部途徑產(chǎn)的氧被用于氧化CH4〔56〕。在20世紀(jì)的大部分時(shí)間里，厭氧甲烷氧化（DAMO）工藝被認(rèn)為是不可能實(shí)現(xiàn)的，主要是由于CH4在很長一段時(shí)間內(nèi)被認(rèn)為在嚴(yán)格缺氧條件下是穩(wěn)定的。N-DAOM相關(guān)微生物的發(fā)現(xiàn)不僅極大地改變了對(duì)全球碳氮循環(huán)的認(rèn)知，而且為在廢水處理過程中以最小的碳足跡實(shí)現(xiàn)高水平的脫氮開辟了新前景。

據(jù)報(bào)道，甲烷有氧氧化通常發(fā)生在好氧-缺氧界面，該過程可以使全球CH4排放量減少6×1011kg/a；而甲烷厭氧氧化使得淡水濕地產(chǎn)生的2×1011kg/a的CH4基本被完全消耗〔57〕。CH4-MBfR通過有氧氧化或厭氧氧化過程去除氧化性污染物，CH4不僅能作為電子供體，還可以成為微生物的碳源。表2為CH4-MBfR中的化學(xué)反應(yīng)，從化學(xué)反應(yīng)計(jì)量式可見，CH4-MBfR可使47%～83%的碳（CH4）被微生物利用，實(shí)際CH4-MBfR中CH4的利用率可達(dá)64%～80%，這使得MBfR能夠直接將脫硫后的沼氣作為去除氧化性污染物的電子供體，實(shí)現(xiàn)碳和污染物的同步去除〔12〕，從而實(shí)現(xiàn)碳減排。

表2 CH4-MBfR中的化學(xué)反應(yīng)Table 2 Chemical reactions in CH4-MBfR

4 結(jié)語與展望

H2/CH4-MBfR作為一種新興的水處理技術(shù)，使得以H2和CH4為基質(zhì)的MBfR可以成為基于微生物的新型溫室氣體減排技術(shù)。H2/CH4-MBfR具有氣體利用率高、成本低、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，不僅在氧化性污染物去除方面表現(xiàn)優(yōu)異，而且在促進(jìn)自然界碳循環(huán)方面也有巨大潛力，能夠推進(jìn)污水處理行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型，為我國實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)提供新途徑。

H2/CH4-MBfR技術(shù)目前還存在以下問題：（1）H2-MBfR在去除氧化性污染方面具有優(yōu)秀的性能，但利用CO2為唯一碳源的研究甚少；（2）CH4-MBfR對(duì)單種污染物的去除能夠達(dá)到理想效果，但處理多種污染物時(shí)存在相互抑制的現(xiàn)象；（3）厭氧狀態(tài)和氧限制狀態(tài)的CH4-MBfR有不同表現(xiàn)，影響機(jī)理尚未被揭示；（4）對(duì)于污染物還原產(chǎn)物的利用還沒有明確研究；（5）目前的研究基本是在實(shí)驗(yàn)室理想條件下進(jìn)行的，MBfR是否能應(yīng)對(duì)復(fù)雜的實(shí)際情況依舊不明確。