1、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
2、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
3、：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（Minis
4、try 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）emi
5、ssions 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
6、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 pathway
7、s 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 appl
8、ications 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 an
9、aerobic 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（D
10、AMO）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 advan
11、ces 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
12、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
13、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 e
14、t 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（Raghoe
15、barsing 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
16、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.，
