周 朗,陸 兵,潘世優(yōu),黎貞崇,韋宇拓**

(1.廣西大學生命科學與技術學院,廣西南寧 530004;2.廣西科學院,廣西南寧 530007)

本文主要概述DAMO-Anammox脫氮工藝過程及微生物的協(xié)同與競爭機制,不同電子受體的類型對DAMO-Anammox微生物胞外電子傳遞機制及脫氮除甲烷效率的影響。此外,本文還探討了DAMO-Anammox脫氮工藝在大規(guī)模應用中主要面臨的挑戰(zhàn)并結合相關研究提出可能的突破方向。

1 DAMO-Anammox脫氮工藝過程及其微生物的協(xié)同與競爭機制

1.1 DAMO-Anammox脫氮工藝反應機理

DAMO和Anammox微生物廣泛而豐富,在各種環(huán)境中都有檢出,如河床、濕地、淡水沉積物、水稻土、泥炭地、污水處理廠、海洋沉積物、湖泊、森林等[7-9]。在實驗室規(guī)模上,它們成功地共存于單一的生物反應器中[10],進一步證明了它們在多來源的大規(guī)模廢水處理中的潛力。DAMO-Anammox過程主要由3種功能微生物協(xié)同完成,其中以CandidatusMethanoperedensnitroreducens為代表的DAMO古菌以硝酸鹽作為電子受體,甲烷作為電子供體,反應生成CO2和亞硝酸鹽[11,12];以CandidatusMethylomirabilisoxyfera為代表的DAMO細菌以甲烷作為電子供體,將亞硝酸鹽還原為N2和CO2;而歸為浮霉菌門的Anammox細菌,在無需額外碳源的條件下,通過細胞內(nèi)特有的厭氧氨氧化體直接利用氨氮和亞硝態(tài)氮[13]。

DAMO-Anammox一體化脫氮工藝過程和氮循環(huán)的相關代謝途徑如圖1所示。DAMO-Anammox脫氮工藝過程有3個主要反應方程式:DAMO古菌反應(1),DAMO細菌反應(2),Anammox細菌反應(3)。

圖1 DAMO-Anammox一體化脫氮工藝過程和氮循環(huán)的相關代謝途徑[14]

(ΔG0=-523 kJ·mol-1N2),

(1)

(ΔG0=-928 kJ·mol-1N2),

(2)

(3)

在Anammox細菌中,大部分亞硝酸鹽首先被亞硝酸鹽還原酶(Nir)還原為一氧化氮(NO),然后NO作為終端電子受體通過聯(lián)氨合酶(Hzs)將銨氧化成肼(N2H4),最后在肼脫氫酶(Hdh)作用下生成N2并獲得能量[15,16]。Anammox細菌還會將一部分亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽并獲得生長的能量,但硝酸鹽本身并不能被自身代謝。在DAMO古菌中,甲烷可以被甲基-CoM還原酶活化,并且隨后經(jīng)由反向產(chǎn)甲烷作用完全氧化成CO2,產(chǎn)生的電子轉移到細胞質(zhì)電子載體,隨后通過一系列電子傳遞蛋白傳遞到細胞的假周質(zhì)空間中,外部電子受體硝酸鹽被硝酸鹽還原酶(Nar)還原為亞硝酸鹽[17,18]。在DAMO過程中部分亞硝酸鹽被產(chǎn)銨型亞硝酸還原酶轉化為銨鹽,而在DAMO古菌的兩個還原過程中亞硝酸鹽是主要產(chǎn)物(90%)且高于銨鹽的產(chǎn)生速率[19]。DAMO細菌由于其獨特的內(nèi)部好氧途徑,能利用亞硝酸還原酶(NirS)將亞硝酸鹽轉化為NO,繼而產(chǎn)生O2和N2,減少具有潛在毒性的亞硝酸鹽的積累[17,20]。

1.2 DAMO-Anammox微生物的協(xié)同與競爭機制

DAMO和Anammox微生物由于利用共同的底物亞硝酸鹽,當它們處于同一環(huán)境時存在兩種潛在的競爭關系:① DAMO古菌和DAMO細菌競爭水中的溶解態(tài)CH4。② DAMO細菌和Anammox細菌競爭亞硝酸鹽底物。在硝酸鹽和銨鹽底物下,硝酸鹽首先被DAMO古菌還原為亞硝酸鹽,隨后與DAMO細菌競爭甲烷。與此同時,DAMO細菌與Anammox細菌競爭亞硝酸鹽,DAMO古菌占據(jù)主導地位[11]。在亞硝酸鹽和銨鹽底物下,Anammox細菌首先將亞硝酸鹽轉化為N2和硝酸鹽,隨后DAMO古菌進一步還原硝酸鹽,Anammox細菌占主導地位。亞硝酸鹽和銨鹽的產(chǎn)生使得DAMO古菌更適合作為Anammox細菌的合作伙伴。而DAMO細菌則還原Anammox余下的和DAMO古菌產(chǎn)生的亞硝酸鹽,緩解亞硝酸鹽的積累帶來的潛在毒性,其生長在一定程度上依賴DAMO古菌和Anammox細菌[24,25]。此外,微生物間對底物的親和力也是影響其豐度的關鍵,DAMO古菌對甲烷的親和力高于DAMO細菌[26],而Anammox細菌對亞硝酸鹽的親和力為DAMO細菌的5倍以上[27]。DAMO-Anammox過程中的微生物群落相對豐度隨著進水中底物的變化而發(fā)生改變,微生物群落的動態(tài)變化是微生物間相互競爭作用的直接反映。

DAMO和Anammox微生物之間競爭的直接結果是不同系統(tǒng)中的空間分布和氮去除性能的差異。對于附著生物系統(tǒng)而言,微生物附著在固體表面形成層狀生物膜,其中的功能微生物豐度取決于環(huán)境與操作條件[24]。在顆粒系統(tǒng)中,DAMO微生物和Anammox細菌可能均勻分布在顆粒中,或者DAMO微生物位于顆粒的內(nèi)部層,而Anammox細菌形成外部包覆層,這取決于不同底物的可利用性(氧氣、硝酸鹽、氨氮等的濃度)[22]。

2 DAMO-Anammox脫氮工藝中潛在的電子受體與電子傳遞機制

2.1 潛在電子受體

生物體內(nèi)持續(xù)發(fā)生著快速的電子和質(zhì)子傳遞過程,電子傳遞過程對于互營氧微生物來說非常重要。所有微生物的能量攝取都來自有機或無機化合物氧化耦合外部電子受體的還原過程。在大多數(shù)微生物中,能量攝取通過使用可溶性電子受體和供體來實現(xiàn)是可能的。DAMO和Anammox微生物生長在嚴格厭氧的環(huán)境中,以硝酸鹽和亞硝酸鹽為電子受體,然而,厭氧條件下污水中缺乏電子受體限制了該工藝的應用。根據(jù)最新的研究發(fā)現(xiàn),DAMO和Anammox微生物都具有胞外傳遞電子的能力,可以將甲烷氧化產(chǎn)生的電子和銨鹽中的電子轉移到胞外的電子受體上[11,28]。DAMO古菌直接將電子傳輸?shù)郊毎饪臻g以還原鐵或錳固體氧化物,乙酸鹽和其他可擴散介體充當電子載體以實現(xiàn)由DAMO驅動的協(xié)同胞外電子傳遞過程[28,29]。此外,添加一些電子傳遞介體(如腐殖質(zhì)[30]、醌類化合物、金屬氧化物[31]等)或通過耦合自養(yǎng)反硝化均有助于提高DAMO和Anammox微生物的脫氮除甲烷性能。一些學者還研究了甲烷驅動的微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell,MFC),DAMO古菌以電極作為電子受體,通過涉及生化途徑的電化學反應將化學能轉化為電能,并同時實現(xiàn)脫氮[32]。在Anammox過程中,亞硝酸鹽不是唯一的電子受體,Anammox微生物還可以使用多種形式的多種物質(zhì)(如一氧化氮[33]、鐵鹽[34]、硫酸鹽[35],甚至微生物電解池電極等)充當電子傳遞鏈中的電子受體。

2.1.1 鐵鹽

鐵是生物系統(tǒng)中最豐富的過渡金屬,被用作氧化還原化學、電子轉移反應和調(diào)節(jié)過程中的必需輔因子。鐵能與碳、氧、硫和氮反應形成絡合物,并且具有廣泛的氧化還原電位范圍(-700 mV至+350 mV),這些特性使其參與了大部分生物地球化學循環(huán)[36]。Anammox微生物的能量代謝依賴于3類含鐵輔因子,即血紅素C、鐵硫簇和鐵鎳蛋白,這些輔因子確保了質(zhì)子動力的產(chǎn)生,維持能量轉換方面的基本生命活動,并作為支撐維持Anammox細菌中凝聚層的形態(tài)結構[37]。氨氧化體中大量的鐵結合蛋白也是導致Anammox細菌的富集培養(yǎng)物常呈現(xiàn)出鮮紅色的原因[38]。許多研究發(fā)現(xiàn)鐵可作為甲烷厭氧氧化的電子受體之一,DAMO古菌可能通過C型細胞色素間接地將電子傳遞給Fe3+礦物[39]。Chang等[40]研究發(fā)現(xiàn),在DAMO工藝中添加納米Fe3O4顆粒會增強亞硝酸鹽的還原速率,約為不添加任何添加劑的對照的1.6倍。然而,還需要進一步的研究來評估在主流廢水處理工藝中添加鐵以提高甲烷和氮去除率的有效性,以及硫化物控制和除磷等其他益處。

2.1.2 硫酸鹽

硫和氮的循環(huán)通常交織在一起,并在廣泛的生物環(huán)境中普遍存在。硫酸鹽還原氨氧化在厭氧條件下以廢水中固有的硫酸鹽為電子受體,將氨態(tài)氮氧化為氮氣,無需額外添加有機物,也不產(chǎn)生二次污染,這一現(xiàn)象首次在2001年被確定[41]。類似于亞硝酸鹽 ,硫酸鹽是硫的最高價態(tài)的化合物,其可以穩(wěn)定地大量存在于水中并且在Anammox反應中用作均相電子受體。一般來說,硫化物對生物體有負面影響,硫酸鹽也會抑制微生物的活性,甚至使蛋白質(zhì)變性。但實際上,在適宜Anammox細菌生存的高pH值環(huán)境下,硫酸鹽對Anammox過程的抑制作用會減弱[42]。Liu等[43]使用硫酸鹽取代亞硝酸鹽,在Anammox過程中成功實現(xiàn)以硫酸鹽為唯一電子受體的脫氮過程,硫化硫酸鹽也被證實參與了反硝化和Anammox耦合脫氮工藝[44]。

2.1.3 電極

微生物電化學系統(tǒng)(Microbial Electrolysis System,MES)能夠將電化學反應與生物代謝過程結合起來,系統(tǒng)內(nèi)微生物進行的細胞外電子轉移構成了該系統(tǒng)的主要驅動力。在MES中,電活性微生物能夠將代謝過程產(chǎn)生的電子轉移到固態(tài)電極或從固態(tài)電極轉移電子并形成電路[45]。在DAMO和Anammox的MES中,典型的電極材料包括Fe[46]、石墨烯[47]、碳氈[48]等。工作電極作為電子受體來氧化銨,銨鹽和亞硝酸鹽分別作為Anammox過程流入底物中的主要電子供體和受體。因此,兩種主要給水基質(zhì)的陽極和陰極之間的電勢差可以用作自發(fā)反應的催化劑[49]。在缺少陽極和陰極電位差的MES中,非自發(fā)反應可以通過外部電壓來支持并加速自發(fā)反應。通常,Anammox-MES根據(jù)電壓和形式在陽極處產(chǎn)生不同的產(chǎn)物。例如,在單室電解池的Anammox過程中,在0.5 V電壓下產(chǎn)生亞硝酸鹽;在雙室電解池的Anammox過程中,陽極電極用作電子受體,消耗的銨約95%用于產(chǎn)生硝酸鹽[50,51]。DAMO微生物也被證實可以將甲烷氧化和反硝化耦合過程中產(chǎn)生的電子轉移到電極上,使用輔助電壓能進一步增強DAMO的甲烷氧化和反硝化作用[52,53]。

電極驅動的DAMO-Anammox過程具有巨大的潛力,因為它與微生物胞外電子傳遞機制相似,并得到廣泛認可。盡管存在一些限制,但使用電極作為電子受體具有許多優(yōu)點。首先,它無需額外添加亞硝酸鹽,從而顯著降低了成本;其次,通過利用可再生能源如太陽能或風能來驅動電極,使得這種方法成為替代其他電子受體的環(huán)境友好方案;最后,電極能夠提供穩(wěn)定和可調(diào)節(jié)的電子流,從而實現(xiàn)對反應速率的精確控制。以上都是DAMO-Anammox脫氮工藝能夠利用多種不同電子受體促進其過程的證明,然而,不同的電子受體對DAMO-Anammox過程中的脫氮速率的影響也不同,確切的機制有待進一步研究。

2.2 電子傳遞機制

DAMO-Anammox微生物的電子傳遞在脫氮過程中具有重要作用。在胞內(nèi)電子轉移過程中,DAMO微生物將甲烷氧化為甲酸并通過胞內(nèi)電子傳遞鏈將產(chǎn)生的電子傳遞給細胞膜上的細胞色素[12]。Anammox微生物的電子在Anammox體中產(chǎn)生,并依賴一系列蛋白電子傳遞鏈傳遞到Anammox體膜上;然后,微生物使用還原物質(zhì)沿著細胞電子呼吸鏈將電子傳遞到細胞外電子受體中,產(chǎn)生質(zhì)子梯度用于合成ATP并提供能量[54,55]。而這兩種微生物的胞外電子傳遞能否鏈接這兩個生物過程,并通過電子交流實現(xiàn)兩者之間的協(xié)同作用還有待研究?？傊?提高電子受體和電子供體之間的電子交換和利用效率,是打破廢水中缺乏電子受體的限制瓶頸和提高廢水中氮通量轉化速率的關鍵。

在DAMO微生物中,一個甲烷氧化的電子代謝途徑模型為逆向甲烷生成產(chǎn)生F420-H2、硫醇輔因子CoM-SH和CoB-SH以及還原的鐵氧化還原蛋白(Fdred)[56,57]。F420-H2可被脫氫酶(Fqo)氧化,電子轉移到甲基萘醌,隨后雜二硫還原酶(Hdr)反應被逆轉,在生成雜二硫(CoM-S-S-CoB)的同時甲基萘醌被還原為甲基萘醇[58]。甲基萘醇可被細胞色素b復合物氧化,氧化產(chǎn)生的電子通過可溶性細胞色素c傳遞至硝酸鹽還原酶(Nar)復合物,將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽[59];使用甲基萘醇作為電子供體,亞硝酸鹽還原酶(Nrf)將部分亞硝酸鹽進一步還原為銨鹽。在Anammox微生物中,通常通過多種酶(如Nir、Nar、HAO、HDH等)催化氧化還原反應產(chǎn)生電子。高能電子通過糖代謝副產(chǎn)物NADH傳遞到蛋白質(zhì)復合物,在這些復合物中電子通過多個氧化還原中心轉移。由于不同氧化還原中心對電子的親和力存在差異,電子在各種蛋白質(zhì)復合物(包括酶)之間傳遞。為了與必需的酶建立聯(lián)系,電子必須穿過厭氧氨細菌的細胞壁、細胞質(zhì)膜、胞質(zhì)內(nèi)膜和厭氧氨酶體膜,所以Anammox細菌中一般含有多種由一系列蛋白質(zhì)和電子載體組成的跨膜電子傳遞系統(tǒng)[60,61]。

在細胞外電子轉移中,微生物利用還原性物質(zhì)將電子沿電子傳遞鏈轉移至細胞外電子受體,為微生物代謝提供能量。由于細胞外電子傳遞與細胞內(nèi)電子傳遞不同,它更多地依賴于自由基或導電介質(zhì),而不僅僅依賴于導電蛋白質(zhì)。為了利用外部更寬范圍的電子受體,DAMO和Anammox微生物會分泌微小分子(如黃素、蒽醌等[62])和導電蛋白[63]作為電子穿梭體來幫助膜導電蛋白將電子轉移到胞外電子受體。胞外聚合物中的蛋白質(zhì)、導電DNA、官能團、腐殖質(zhì)等電化學物質(zhì)都被證實具有可以用作胞外電子轉移介質(zhì)的潛力[64,65]。根據(jù)最新的報道,DAMO古菌還有通過合成“納米導線”遠距離將電子直接傳遞到胞外電子受體的潛力[66]。氧化還原介質(zhì)在微生物的胞外電子傳遞中也起到重要的促進作用,它們通過接受或提供電子的方式,參與微生物代謝過程中的氧化還原反應,氧化還原介質(zhì)的存在可以增強微生物的電子傳遞效率,促進微生物的代謝活性。這些電子中介體的加入提供了額外的電子傳遞路徑,在缺乏良好的固體電子受體或跨膜電子傳遞難度較大的環(huán)境條件下,提高了微生物的電子傳遞效率[67]。

3 DAMO-Anammox脫氮工藝應用的限制因素及改進策略

3.1 DAMO-Anammox脫氮工藝應用的限制因素

3.1.1 微生物生長速率低

DAMO和Anammox微生物都屬于厭氧自養(yǎng)菌,需要嚴格的底物供給和環(huán)境條件,在細胞內(nèi)代謝過程中具有復雜性和獨特性,這大大限制了它們的生長速率,倍增時間通常達到2周甚至數(shù)月,使其人工培養(yǎng)和富集成為一個巨大的挑戰(zhàn)[68,69]。此外,一方面,DAMO 細菌的活性顯著低于其他甲烷氧化菌,這一現(xiàn)象可能是由于DAMO細菌中能夠催化甲烷氧化的甲烷單加氧酶(particulate Methane Monooxygenase,pMMO)在細胞膜上數(shù)量較少,而其他甲烷氧化菌則擁有豐富的內(nèi)膜結構,可以用來附著大量的pMMO[70]。另一方面,DAMO細菌利用耗能極高的卡爾文循環(huán)來同化二氧化碳,而不像其他細菌那樣采用更節(jié)能的5-磷酸核酮糖途徑進行合成代謝。由于其能源獲取較為緩慢且消耗較多,這可能是導致DAMO微生物生長緩慢的重要原因[71]。據(jù)報道,DAMO和Anammmox微生物的最佳生長溫度為30-35 ℃,pH值為7.0-8.0,盡管它們的生長溫度和pH值范圍較寬,但pH值的波動會導致對微生物具有細胞毒性的亞硝酸或游離氨的形成[72]。

3.1.2 甲烷氣液傳質(zhì)效率低

目前,實驗室規(guī)模的DAMO微生物通常是通過通入純甲烷和二氧化碳氣體進行富集,這不僅消耗額外的能量,還會導致未被利用的甲烷被釋放到大氣中,增加溫室氣體排放。一方面,在實際污水處理中,由于甲烷在水中的溶解度低(在1個大氣壓下為22 mg CH4·L-1)[73],且會不斷擴散到空氣中,所以甲烷在液相中的濃度也是限制DAMO微生物生長的主要原因之一。另一方面,DAMO-Anammox脫氮工藝的脫氮速率遠大于甲烷氧化的速率,報道的DAMO細菌甲烷代謝速率僅為0.09×10-15-0.30×10-15mol CH4(per cell)[74],在實際應用中,消耗完水中全部溶解態(tài)甲烷需要的水力停留時間長,跟不上總氮的去除速度,導致20%-60%的溶解態(tài)甲烷重新釋放回大氣中。甲烷分壓對DAMO微生物的脫氮性能具有重要影響。一項研究發(fā)現(xiàn),當甲烷分壓從0.24個大氣壓升至1.39個大氣壓時,DAMO古菌和DAMO細菌的活性分別增加58%和283%[75],這表明甲烷分壓可以被視為一種潛在的可調(diào)節(jié)變量,可用來控制DAMO反應的速率。因此,需要研究新的技術策略以在DAMO微生物的培養(yǎng)中提高甲烷的氣液傳質(zhì)效率與利用率。

3.1.3 脫氮性能比主流工藝低

根據(jù)目前的研究報道,DAMO-Anammox脫氮工藝的脫氮速率為12-684 mg N·L-1·d-1,而主流以曝氣加額外碳源進行的異養(yǎng)反硝化工藝脫氮速率最高可達到3 g N·L-1·d-1[76-78],相比之下還存在較大差距。從工程應用的角度來看,總氮去除負荷通常需要滿足1 kg N·m-3·d-1以上才能具備應用價值,這個要求對于DAMO和Anammox過程都是一個巨大的挑戰(zhàn)。在DAMO-Anammox系統(tǒng)中,主流的最佳脫氮速率為280 mg N·L-1·d-1,去除原水中50 mg·L-1的氮負荷所需的水力停留時間(Hydraulic Retention Time,HRT)約為4.3 h[21]。這表明需要非常大的反應器體積才能滿足大量廢水的脫氮需求,因此需要很高的資金和運行成本。綜上,優(yōu)化DAMO-Anammox脫氮工藝對于提高甲烷和總氮的去除率具有重要意義。

3.2 DAMO-Anammox脫氮工藝應用的改進策略

3.2.1 新型反應器構型

脫氮生物反應器的設計主要考慮的因素是脫氮微生物生物量的保留和底物的供給與傳質(zhì)。相比于序批式反應器和連續(xù)攪拌混合反應器,膜生物反應器(Membrane Bioreactor,MBR)和膜曝氣生物反應器(Menbrane Aeration Bioreactor,MABR)中形成的生物膜擁有比懸浮生長系統(tǒng)更高的氮和甲烷負荷率、氣體傳遞效率和利用效率,因此更適合DAMO-Anammox脫氮工藝。在MABR中,氣體基質(zhì)在曝氣膜的作用下以微小或無氣泡形式進入液體,附著在曝氣膜表面的生物膜能夠高效地利用曝氣膜提供的氣態(tài)基質(zhì)和培養(yǎng)基提供的液態(tài)基質(zhì),有效提高了甲烷氣體的利用率[79]。由于DAMO和Anammox微生物的倍增時間長,通過膜曝氣形成的生物膜也能有效截留微生物,以維持較高的微生物濃度[80]。且液體擴散層位于生物膜的外層,DAMO微生物能夠最大限度地利用甲烷(90%以上),防止氣體向液體擴散流失[81]。有研究報道,MBR特別適用于DAMO-Anammox工藝,在主流廢水和側流廢水中均獲得了較高的脫氮速率,分別為0.28 kg N·m-3·d-1和1.03 kg N·m-3·d-1[21]。

然而,隨著反應時間的延長和生物膜厚度的增加,DAMO古菌從液相中獲得硝酸鹽的能力將受到更大的限制,這是由于生物膜中電子供體和受體的反擴散效應造成的[82]。此外,生物膜中DAMO和Anammox微生物的空間分布可能導致DAMO古菌活性難以進一步提高,從而影響脫氮效果[83]。此外,在長期運行的膜生物反應器中超濾膜和滲透膜經(jīng)常會發(fā)生膜污染,嚴重降低甲烷通量和底物擴散率[27,84]。膜污染的主要原因是生物膜中胞外聚合物積累阻礙了傳質(zhì),如何清理胞外聚合物凈化生物膜,延長膜的使用壽命,值得進一步研究[85]。

3.2.2 提高微生物生長速率及代謝活性

根據(jù)以往關于DAMO和Anammox微生物富集的報道中,溫度在35 ℃左右,pH值為7.0-7.5時,富集培養(yǎng)物的活性最高[86,88]。關鍵酶的濃度決定了微生物的活性,甲基輔酶M還原酶(Mcr)和pMMO是DAMO微生物的關鍵酶,Hzs和Hdh是Anammox細菌的關鍵酶,而C型細胞色素蛋白是兩者所必需的。Mcr和pMMO通過斷裂甲烷的C-H鍵來活化甲烷,Hzs被用于產(chǎn)生肼作為最終能量來源,并向Hdh提供電子,催化形成N-N鍵并連接能量生成過程,其中C型細胞色素等導電蛋白用于傳遞電子[89,90]。人工添加一些微量金屬元素如Cu、Fe、Ni等,能夠促進上述關鍵酶的表達。Hatamoto等[91]通過添加濃度為6 μmol·L-1的Cu,提高了DAMO細菌pMMO的表達,促進了反硝化過程。Lu等[92]研究了最適的Fe添加濃度,發(fā)現(xiàn)Anammox細菌、DAMO古菌和DAMO細菌在短期內(nèi)的最佳Fe濃度分別為80、20和80 μmol·L-1,隨著Fe的添加,銨和硝酸鹽的去除率分別增加了13.6和9.2倍。DAMO和Anammox微生物屬于專性厭氧菌,其生長需要低氧化還原電位(Oxidation Reduction Potential,ORP)環(huán)境,而通過添加零價Fe等還原性金屬可以創(chuàng)造更穩(wěn)定的還原環(huán)境,從而促進這些微生物的正常生長和代謝[46]。

3.2.3 電化學輔助強化

外加電場可以通過不同的機制促進DAMO-Anammox脫氮工藝過程,對微生物進行電處理可以增加膜的通透性和ATP含量,提高微生物活性[93]。電極充當了外部的電子受體和供體,如DAMO和Anammox分泌的類似血紅素的穿梭電子中介體能夠與電極進行電子交換,促進了微生物的胞外電子傳遞過程[94]。一般而言,甲烷等電子供體氧化產(chǎn)生的電子用于電子受體(亞硝酸鹽)的還原,形成電子回路。當微生物從電極上獲取額外的電子時,可以加速電子流并增強代謝,Yin等[95]證明了使用1 V的電壓能夠促進DAMO過程中亞硝酸鹽和甲烷的消耗。同時電刺激能夠對污水中混合體系的微生物起到富集和馴化作用,從而改變?nèi)郝浣Y構,使其進一步富集DAMO和Anammox微生物,提高系統(tǒng)的脫氮效率。此外,電極能夠提供穩(wěn)定和可調(diào)節(jié)的電子流,從而實現(xiàn)對反應速率的精確控制。

4 展望

DAMO-Anammox脫氮工藝將兩個獨立的脫氮工藝聯(lián)系起來,不同的反硝化型甲烷氧化菌可以利用硝酸鹽、甲烷作為電子供體產(chǎn)生亞硝酸鹽和銨鹽,與Anammox過程形成互補實現(xiàn)耦合脫氮。利用溫室氣體甲烷作為電子供體,不僅能在消耗溫室氣體甲烷的同時有效解決污水脫氮中碳源不足的問題,而且能提高出水的脫氮效果,實現(xiàn)完全脫氮,這在生物脫氮領域極具應用價值。

針對DAMO-Anammox脫氮工藝存在的功能微生物生長速率慢、富集時間長、氣液傳質(zhì)效率低、脫氮效率低、場合受限等問題,今后的研究可以從以下方面考慮:①通過現(xiàn)代微生物技術獲取純培養(yǎng)的DAMO和Anammox微生物,進一步通過基因工程改進微生物的生長代謝活性,或者引入高反應速率的異養(yǎng)微生物以構建高效的脫氮菌群。②利用材料學的方法開發(fā)對甲烷有高吸附性的材料,使DAMO微生物能夠更好地利用甲烷;采用微生物固定化技術,強化水中碳、氮源與微生物的接觸,提高傳質(zhì)效率。③通過其他先進的水處理技術,如高級氧化技術、膜分離技術、生物電化學技術、催化劑輔助降解技術等,與污水脫氮工藝相結合,提高脫氮的效率及污水的適用范圍。④目前該耦合工藝多處于實驗室規(guī)模的探索研究階段,在實現(xiàn)大規(guī)模的應用前,還需要進一步利用分子生物學與合成生物學等手段闡明相關微生物的代謝途徑及互作機理,以及開展相關工藝的優(yōu)化研究。