甲烷碳源的反硝化作用机理与工艺技术研究进展

氨氮和硝酸盐是造成水体富营养化的主要原因之一，生活污水以及食品、化肥等工业废水都含有大量的氮盐，其过度排放对全球环境造成了严重影响；同时,过量摄入氮元素后，人体内会把硝态氮转化为亚硝态氮从而引起高铁血红蛋白症且发生中毒，诱发人体细胞癌变。因此，如何有效去除氨氮和硝酸盐成为了当今世界必须面对的严峻问题之一。实践证明，想要使用高效的脱氮工艺对含氮污水进行深度处理，必须需要大量的碳源。但是我国的城市污水碳氮比通常偏低，某些地方的污水碳氮比仅为3～4，反硝化过程中的碳源不足，成为了限制我国污水处理中高效脱氮工艺的最大阻碍。

为了寻求一种经济高效的碳源来实现脱氮的深度处理，甲烷或许可以成为一种新型的研究方向。目前已经证实，海洋沉积层产生的绝大部分甲烷被甲烷氧化菌和硫酸盐还原细菌共同介导的以硫酸盐为电子受体的甲烷氧化途径所消耗。由此，甲烷氧化耦合反硝化为解决碳源不足提供了新的思路。甲烷主要产生于垃圾填埋场、污水处理厂、石油燃烧等，是一种重要的温室气体，其温室效应是二氧化碳的20倍，去除甲烷以减少对温室效应的影响尤为关键。甲烷作为电子供体的一种，虽然不能被反硝化细菌直接利用，但是可以被甲烷氧化菌氧化为反硝化菌可利用的有机物，以此实现以甲烷作为碳源的反硝化作用。早从1970年开始，就有很多学者进行了将甲烷作为外部碳源的反硝化过程的研究。

近年来，大量的研究已经证实了甲烷氧化耦合反硝化反应过程的可行性，好氧条件下的甲烷氧化耦合反硝化反应的机理性研究也较为透彻，对于厌氧条件下的甲烷氧化耦合反硝化反应虽然国内外已有大量研究，但是对于其反应机理并未达成统一的认识。本文主要阐述了好氧甲烷氧化耦合反硝化过程的研究历史与现状，对甲烷氧化菌的机理、代谢反应过程及反应器做出了详细探讨，并对于未来的发展前景提出了建议与展望。

Part 1 机理性分析

1.1 代谢过程

参与好氧甲烷氧化(AME)反应的主要菌种有两类，第一类为甲烷氧化菌，第二类为反硝化细菌。在以甲烷作为碳源的反硝化过程中，首先甲烷氧化菌在好氧的条件下将甲烷氧化，且释放出有机物质。这些有机物质被认为是甲醇，并且利用甲醇的反硝化菌也确实表明可以与甲烷营养菌共存。然而，在这些有机物质中，也认为可能会存在乙酸盐和蛋白质。甲烷营养菌在某些环境条件下释放核酸和碳水化合物作为裂解产物或可溶性代谢物后，反硝化细菌利用甲烷营养菌产出有机混合物进行反硝化。其主要反应原理如图1所示。

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上述情况中并未考虑有氧甲烷营养菌对细胞维持能量的需求。在25 ℃时，好氧细菌最小的能量需求量估计为5.7 kJ/(mol·h)。假设细胞的组成是由经验方程C5H7O2N组成的，那么一个细胞物质的基础维持能量要求是0.25 kJ/(g·h)。在最大的甲烷氧化速率是31×10-3 mol/(g·h)的条件下，每摩尔氧化甲烷的需求能量为8.1 kJ。由式(2)可知，每1 mol甲醇氧化为二氧化碳会释放出6 mol电子，且在标准情况下的吉布斯自由能是-693 kJ/mol，平均为115.5 kJ/electron。因此，最小维持能量要求为0.070电子当量。基于该分析，每1 mol甲醇氧化获得的6 mol到二氧化碳中，2 mol电子被甲烷单加氧酶(MMO)消耗，且至少0.070 mol被甲烷氧化物用于细胞维持，其余的理论上可用于反硝化。因此，对于此最乐观的碳氮比可以涨至1.27，如式(5)。

但是，式(1)～式(5)都没有考虑到电子是如何转移到MMO上的。尽管颗粒性甲烷单加氧酶(pMMO)可以使用从甲醇氧化成二氧化碳的任何步骤得到的还原能力，但是溶解性甲烷单加氧酶(sMMO)使用NADH，该NADH在后两个氧化步骤中产生，即从甲醛氧化为二氧化碳。这进一步将最优的碳氮比增加为1.67。然而，因为污水出水中含有铜离子，所以大部分的AME-D反应器中甲烷营养菌还是会释放pMMO。

1.2 微生物菌种

甲烷氧化菌在甲烷碳源反硝化反应中扮演了重要角色。这种菌是一类使用甲烷当作唯一的碳源和能量的严格的好氧细菌，在沼泽、土壤、河流、海洋、池塘、污水污泥等自然界中普遍存在。作为甲基营养菌的分支，甲烷营养菌可以利用比甲酸更加具有还原性的有机物作为碳源和能源且同化甲醛。直至现在，已经发现了100多种甲烷营养菌。基于碳同化吸收的方式和其他的另外一些性能，甲烷营养菌被分成了3类：I型营养菌、II型营养菌和X型营养菌。I型甲烷营养菌属于γ-细菌，该类菌种通过核酮糖一磷酸(RuMP)途径同化碳。II型甲烷营养菌属于α-细菌，该类菌种通过丝氨酸途径同化碳。X型甲烷营养菌和I型甲烷营养菌比较相似，但是它生在更高的温度下且拥有可以和丝氨酸结合的酶。在专性甲烷营养菌中，最常见的氧化途径如下：第一步是利用MMO将甲烷催化氧化为甲醇。这种酶有两种类型，分别叫作sMMO以及pMMO。sMMO是一种可以溶解在细胞质中的酶，另外一种是粘附在细胞膜分数上的酶叫做pMMO。在低铜离子浓度的条件下或者小于0.85～1.0 mmol/g的干细胞中存在sMMO，在高铜离子浓度的条件下存在pMMO。所有甲烷营养菌都可以释放pMMO，但只有少数营养菌可以释放sMMO。sMMO具有更广泛的底物特异性，并且在卤代脂肪族化合物(如三氯乙烯)的共代谢方面更有效。相比之下，pMMO拥有更高的生长速率和效率，对甲烷的亲和力也更强。

Part 2 试验与反应器

在好氧甲烷氧化耦合反硝化(AME-D)反应系统里，甲烷氧化和反硝化是通过两种不同的菌完成的。在好氧条件下，甲烷反硝化反应是由微生物聚集体进行的，该聚集体由好氧甲烷营养菌组成。在该过程中，好氧甲烷营养菌氧化甲烷，反硝化菌使用甲烷营养氧化菌所释放的有机复合物作为电子供体。虽然某些微生物，例如Thiosphaerapantotropha，可以在好氧的条件下发生反硝化反应，但是该系统里的反硝化反应仍在厌氧的微生物环境反应器中进行。

Thalasso等研究表明，在较低的氧分压下，用于反硝化的总甲烷氧化部分通常较高。

Schalk等在论文中表明在以甲烷作为唯一碳源的条件下，甲烷氧化菌和反硝化细菌的联合作用可以进行反硝化。通过对滤液的研究发现，柠檬酸盐是其中最普遍的化合物，因此Schalk等得出结论，认为反硝化菌使用了其他细菌氧化甲烷或者甲醇所释放的柠檬酸盐来还原硝酸盐。

Sun等通过研究丝孢属菌后，发现它是一个以甲醇为营养的反硝化菌属。需要强调的是，该试验只观察到了很低的硝酸盐消耗和氮气的生成，且并没有量化亚硝酸盐和亚硝酸盐氧化物，在试验中也没有使用对照试验。

上述提到的这个案例是研究关于特殊菌种的相关性。Eisentraeger等在混合培养基中也证明了好氧甲烷氧化协同反硝化反应可以消耗甲烷，去除硝酸盐，生成亚硝酸盐和氮气。其他的几个试验也证明了硝酸盐的消耗，但是试验步骤中并没有确定生成亚硝酸盐和氮气的数量，因此，并不能完全区分硝酸盐的同化量和氮气的生成量。

近年来，许多学者对不同类型的小型实验室规模的AME-D生物反应器都已经做了探索与测试。Werner等研究了在活性污泥、滴滤池和流化床反应器中使用沼气对垃圾渗滤液进行反硝化的试验。在该试验中，最快的反应速率如下：流化床为22.9width=119,height=15,dpi=110滴滤池为width=156,height=15,dpi=110活性污泥为width=155,height=15,dpi=110在这个试验中，虽然证明了沼气与垃圾渗滤液可以去除氮，但是并没有严格的区分出反硝化去除的氮和同化去除的氮。

Rajapakse等研究了一种过滤柱中的AME-D反应。在该过滤柱中，底部是沙子，顶部是黏附物，且水是从顶部加入的。在这个反应器中，甲烷和空气都是通过培养基上部注射入水中。在该试验中，最优的情况下即黏附物有着高表面积时反硝化速率是10.8 mg width=101,height=15,dpi=110反硝化效率是91.2%。但是需要注意的是，以上的数据是基于出水width=43,height=15,dpi=110浓度很低，在7～10 mg width=60,height=15,dpi=110的条件下，当浓度提高至35.6 mg width=60,height=15,dpi=110时，反硝化效率就会降至24.6%。

在这些实验室反应器中，通过喷射将甲烷和空气的混合物供给微生物。为了避免混合气体可能出现爆炸的现象，同时也为了回收甲烷进行发电，Waki等发明了一种隔离的顶空装置可以将甲烷和空气分别喷射入隔离的活性污泥箱中。通过分隔反应器的顶空，可以将高纯度的甲烷回收并用于发电。

其他的反应器以及反映效果及去除速率如表1所示。

Part 3 可行性与经济分析

为了探究甲烷作为外部碳源进行反硝化反应的可行性，运用AME-D生物反应器对于污水反硝化案例进行分析。在此试验中，案例分析的目的主要在于验证现场产生的甲烷气体是否具有反硝化效果。除此之外，试验也对比了将甲烷换为甲醇的反硝化反应竞争性。最后讨论了关于AME-D反应过程中出现的问题与解决办法。

3.1 可行性分析

在本文中依据Islas-Lima等的试验数据，对污水厂运行参数进行如下总结(所有数据均出自于中等强度废水的典型值)，参数数值如表2所示。

在此试验分析中，进水流量与气体产量均为人均数值，假设所有氨氮被硝化成硝酸盐，则反硝化反应后的硝酸盐的总量为0.57 mol/d。同时，甲烷气体的生成量也可以被计算出来。在25 ℃的条件下，甲烷的生成量为0.84 mol/d。依据本文第1.1节的式(1)，AME-D反应器中理论数值的碳氮比为1.27。依据本文表1甲烷氧化耦合反硝化速率研究成果，文献中观察到的碳氮比的平均值为8.33。通过计算可得，为了使甲烷生成量充足，所需的碳氮比必须要小于1.47。理论上来说AME-D反应器在最优条件下可以提供足够低的碳氮比，然而试验表明，实际操作过程中碳氮比不足以低至可以实现完全的反硝化，这也是从一方面证明了利用甲烷进行好氧氧化反硝化反应存在一定的不足，需要进一步开拓其好氧甲烷反硝化装置以实现其足够低的碳氮比。

3.2 经济性分析

根据式(6)，甲醇反硝化反应中消耗的甲烷中的碳和硝酸盐中的氮的最优摩尔比是0.83。有研究表明在通常实验操作下使用的比率通常为3 g CH3OHNO3-N/g，将此比率换算为碳氮比即为1.31。

依据赵志军文中的平均天然气井口价格和甲醇无折扣基准价格作为本节的价格指数。天然气的平均价格为2元/m3，而甲醇的平均价格为2.5元/kg。假设物质为100%纯净，那么就可以计算出每摩尔物质需要的价格，即每摩尔甲烷需要7.6×10-4 元，每摩尔甲醇需要1.9×10-3元。计算表明，在理论最优的碳氮比下AME-D的确是比甲醇反硝化更优的选择。

与其他外部碳源相比，现场制作甲烷气体并将其作为反硝化的碳源是一个比较良好的选择。其原因在于将甲醇运输至污水处理厂会增加额外的经济与环境运行的费用。除此之外，目前制作的甲烷气体中因为含有硫化氢等杂质并没有达到很高的纯度，这些杂质可以通过一些方法去除，但是如果应用在污水反硝化反应中则并不需要很高纯度的甲烷，换言之可以直接使用原位产生的沼气气体。并且无毒性的甲烷气体在某些应用领域中的反硝化过程会更加具有竞争性，例如在饮用水处理中，出水中残留的甲醇将会是一个值得注意的问题。

Part 4 展望与建议

目前，已经通过试验证实了在好氧情况下甲烷可以被生物反硝化用作外部碳源。在好氧条件下，甲烷氧化菌可以氧化甲烷且释放有机复合物。该有机复合物可以作为碳源被反硝化菌利用从而进行脱氮反硝化作用。在以甲烷作为碳源的反硝化过程中，需要注意的问题是甲烷和氧气必须要输送至微生物体内从而避免气体混合爆炸以及甲烷气体的泄漏，以及保证足够低的碳氮比来使效率增加。基于以上两点问题，今后关于好氧甲烷氧化耦合反硝化(AME-D)反应的主要研究方向也有以下两点。

(1)首先是探寻在AME-D工艺中的甲烷与氧气的投加方式，减少气体的逸出并且避免气体混合产生的爆炸。对于此类问题可以考虑使用中空纤维膜作为曝气装置以控制甲烷与氧气的投加。

(2)其次是探寻如何进行甲烷高效利用的AME-D工艺。目前来说，所有AME-D过程的实测碳氮比都远远高于理论值，如何有效地降低碳氮比以减少成本是目前面临的主要问题之一。现有研究表明附着在膜生物反应器(MBR)上的微生物群落可以表现出独特的微观结构，易创造出适合不同群落生长的生存环境且提高AME-D工艺中的甲烷利用率。因此，依托MBR的AME-D工艺优化或许是解决碳氮比过高的一个研究方向。