澳大利亚伍伦贡大学蒋光明副教授团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology （CREST，《环境科技评论》）上发表了题为 “强化反硝化厌氧甲烷氧化与厌氧氨氧化耦合工艺脱氮除甲烷（Enhancing integrated denitrifying anaerobic methane oxidation and Anammox processes for nitrogen and methane removal: a review; DOI: 10.1080/10643389.2022.2056391；Published online: 03 Apr 2022）” 的综述论文。
反硝化厌氧甲烷氧化（DAMO）和厌氧氨氧化（Anammox）的耦合可以同时将铵、硝酸根、亚硝酸根和甲烷转化为无害的N2和CO2。这种集成和互补的工艺可以实现废水中的氮和碳循环，有望应用于主流污水的处理，实现污水处理厂由耗能到产能的转变。在这篇综述中，我们总结了DAMO-Anammox微生物的协同和竞争作用，并系统地评估了DAMO-Anammox全面应用于废水处理所面临的挑战，包括它们极其缓慢的生长速度、较低的代谢活性以及较慢的氮和甲烷去除速率。全面研究了生物反应器设计（附着式、悬浮式和颗粒污泥）在生物质保留和基质转移方面的关键作用。本文还讨论了微量元素（Cu(II)和Fe(II)）、零价铁和外加静电场提高DAMO-Anammox微生物活性的策略。进一步综述了腐植酸、醌类化合物蒽醌-2,6-二磺酸盐（AQDs）、Fe（III）、Mn(IV)作为电子受体，通过胞外电子转移和与自养反硝化（H2S和Fe(II)）耦合来加速氮和甲烷的去除。最后，提出了一种基于一体化DAMO-Anammox的创新型污水处理厂概念设计方案。
图1 图文摘要（Graphic abstract）
生活污水中所含的碳源（1.93 kWh/m3）足以满足其处理所需的能耗（0.4
kWh/m3）。如果污水中的化学需氧量能得到充分回收利用，生活污水处理就能实现能源中和或能源正积累。除了节能措施（例如提高曝气效率），以显著降低废水处理的总体成本外，完全厌氧模式的污水处理能够最大限度捕集污水中的能量。厌氧氨氧化（Anammox）是一种非常有希望取代目前传统的污水处理的工艺。与传统的硝化和反硝化（N/DN）工艺相比，Anammox需要0%的有机碳、40%的曝气和10%的污泥产量，推进耗能废水处理转化为产能的进程。但是主流Anammox的应用依然存在问题：（1）高的碳氮比有利于异养生物的生长，导致脱氮效率较差。（2）低温（<20℃）影响Anammox活性，导致脱氮效率较低，出水水质较差，生物量难以维持，长期运行不稳定。（3）产生一氧化二氮（N2O）这种强有力的温室气体，（4）短的水力停留时间（HRT）导致生物质的损失。2006年Raghoebarsing发现了反硝化厌氧甲烷氧化古菌（DAMO archaea），随后2010年Ettwig发现了反硝化厌氧甲烷氧化细菌（DAMO bacteria），在厌氧条件下利用甲烷作为唯一电子供体，实现废水脱氮。该过程的发现对全球碳氮循环起到了至关重要的作用。但是，单独的DAMO过程对氮的去除效果并不显著。因此，一体化DAMO-Anammox工艺应运而生。一体化DAMO-Anammox工艺综合了两个工艺的优点，弥补了两个工艺的缺点：（1）非严格的亚硝酸盐和铵的比例，理论上为1.06~1.32，实际为1.125~1.55。（2）DAMO古菌可以去除Anammox细菌产生的硝酸盐，在出水总氮浓度<8 mg/L的情况下实现完全脱氮。（3）理论上，一体化工艺可使出水甲烷减少15%，无需额外曝气。（4）对于低氮负荷 （20~60 mg/L） 且几乎没有异养生物生长的废水，具有良好的脱氮效果。（5）温度范围宽（10~35℃）。（6）DAMO-anammox过程中几乎不释放N2O，因为DAMO细菌会去除多余的亚硝酸盐，而且DAMO细菌不存在产生N2O的酶。（7）不同的生物质保留策略：使用特定的生物反应器以保留生物量，将包含DAMO-Anammox微生物从侧流反应器输送到主流反应器，并定期向主流反应器中注入测流反应器器的上清液。因此，一体化DAMO-Anammox在主流和侧流废水处理方面都显示出巨大的潜力。DAMO与Anammox相结合不仅降低了能源消耗，而且提高了生物能源的回收率（图2）。DAMO-Anammox不需要严格的亚硝酸盐和铵的比例，可以节省产生亚硝酸盐所需的曝气能量；可实现完全脱氮，省去二次处理工序；DAMO从侧流中去除溶解的甲烷，节省了后续吹脱所需能源；较宽的工作温度范围（10~35℃）可以减少反应器加热能耗。随着氧气需求的减少和大部分化学需氧量用于沼气生产，可以实现更高的生物能量回收。
图2 硝化-反硝化、硝化-Anammox和DAMO-Anammox废水处理工艺的能量需求对比
DAMO-Anammox工艺的协同代谢和竞争相互作用DAMO微生物和Anammox细菌之间的合作不仅取决于它们的生化反应计量学，还取决于彼此之间的相互作用。DAMO古菌可以通过不同的酶将硝酸盐转化为亚硝酸盐或铵。亚硝酸盐和铵的产生使DAMO古菌更适合作为厌氧氨氧化细菌的合作伙伴。然而，DAMO古菌具有硝酸盐还原基因，但没有反硝化后续步骤的基因，因此只能将硝酸盐还原为亚硝酸盐。而DAMO细菌由于其独特的N转化途径（利用亚硝酸盐还原酶nirS将亚硝酸盐转化为NO，随后转化为O2和N2），有助于将有毒的亚硝酸盐保持在低浓度。甲烷作为DAMO古菌和DAMO细菌唯一的电子供体，被氧化为二氧化碳，而二氧化碳可以被Anammox细菌通过acetyl-CoA途径固定，完成碳循环。因此，DAMO-Anammox微生物的协同对于碳氮循环至关重要。
图3 DAMO–Anammox耦合工艺中与甲烷和氮循环相关的代谢途径
DAMO和Anammox微生物共享底物，这意味着共存时可能存在竞争。在DAMO-Anammox系统中，古菌和细菌种群的相对丰度随着不同的摄食制度而动态变化。只要改变底物（硝酸盐或亚硝酸盐），就可以逆转DAMO和Anammox微生物之间的依赖关系。此外，还存在底物（即甲烷和亚硝酸盐）的竞争。当底物丰富时，Anammox细菌和DAMO微生物之间存在协同作用。反之，如果底物有限，则存在两种竞争：（1）DAMO细菌和DAMO古菌争夺甲烷；（2）DAMO细菌和Anammox细菌争夺亚硝酸盐。他们的竞争结果取决于DAMO-Anammox 微生物对底物的亲和力常数，热力学角度下对能量的利用效率，动力学角度下微生物的产量Y和最大生长速率μmax，反应器运行过程中污泥停留时间和水力停留时间。DAMO-Anammox工艺中培养DAMO和Anammox微生物非常有挑战性，主要由于其极端缓慢的增长速度，导致倍增时间加长。随着技术的进步，对氮和甲烷的去除速率要求不断提高。对于测流污水而言，甲烷脱除速率跟不上脱氮速率。对于主流污水而言，脱氮速率不高，导致，水力停留时间长，因此需要非常大的反应器体积，导致运行成本高。优化DAMO-Anammox工艺以加快微生物的生长速度和提高甲烷和氮的去除率是非常必要的。我们综述了不同的生物反应器，包括MGSR、MBfR、MBTF和MAMBR。生物反应器设计的主要考虑因素是生物质保留、底物投料和传质，尤其是甲烷，其溶解度较差。附着生长系统（即生物膜）比悬浮生长系统具有更好的氮和甲烷加载速率、气体转移和利用效率。与传统的生物膜反应器相比，膜生物膜反应器（MBfR）特别适合于DAMO-Annamox工艺。主流和侧流废水的脱氮速率均较高，分别为0.28 kg N/m3/d和1.03 kg N/m3/d。排放的总氮均低于5 mg N/L，符合严格的监管标准。由于甲烷通过中空纤维膜腔输送而不起泡，从而缩短了甲烷转移途径。与传统的气泡扩散相比，这种方法提高了甲烷的传质效率，从而降低了操作成本。但是MBfR的生物量容量直接取决于膜的表面积。因此，MBfR通常需要226~2222 m2/m3的比表面积，才能保留大量的DAMO-Annamox微生物。且大量的中空纤维膜的安装，增加了运行维护成本，阻碍了该技术的实施。与MBfR相比，悬浮生长系统在反应器中生物完全混合。膜曝气膜生物反应器（MAMBR）兼具附着生长和悬浮生长两种系统的优势。MAMBR配备了两种膜，一种是用于高效输送甲烷的中空纤维膜，另一种是用于完全保留生物量的超滤膜。与MBfR相比，中空纤维膜膜的比表面积只有20 m2/m3。超滤膜则可有效地将生物质从混合液中分离出来，使微生物保留在反应器中。还可以提供生物作为其他生物反应器的接种污泥，从而加快新反应器的启动过程。然而，MAMBR长时间运行后，气透膜和超滤膜都发生了生物污染，显著降低了MAMBR的甲烷的渗透通量。考虑到MBfR的高投资、运行成本以及MAMBR的膜污染，颗粒污泥可能是一种不错的替代解决方案。颗粒污泥致密，密度高，且呈聚集状态，因此有良好的沉降速度和有效的生物量保留。关键酶的浓度决定了微生物的活性。mcr和pMMO是DAMO微生物的关键酶，hzs和hdh是Anammox细菌的关键酶，而血红素c是DAMO和Anammox微生物的关键酶。这些酶具有特定的功能：mcr和pMMO酶通过破坏甲烷的C-H键来激活甲烷；hzs用于产生N2H2, 而N2H2是Anammox细菌的能量来源；血红素c（Fe-S蛋白）用于电子转移，并赋予厌氧氨氧化细菌特有的红色。目前有三种可能提高微生物活性的方法。一是通过微量元素激活和增强关键酶的表达。Ni、Cu和Fe分别是增加mcr、pMMO和hdh酶含量的必需微量金属。然而，Ni对DAMO古菌的比活性没有显著影响，而Fe则被报道在DAMO和Anammox微生物中发挥关键作用。Fe(II)不仅通过增加血红素c来增强细胞生长过程，而且还通过厌氧氨氧化代谢中的hdh酶来产生能量。在厌氧氨氧化细菌生长的乙酰辅酶a途径中，铁还可以作为CO2固定的电子供体。Cu(II)增强了DAMO细菌的活性和生长，因为Cu(II)可以促进pMMO表达，从而提高反应速率。二是营造低氧化还原电位环境。DAMO和Anammox属于专性厌氧菌，其生长需要较低的氧化还原电位环境。然而，在完全厌氧条件下维持并不容易。硝酸盐和亚硝酸盐都是电子受体，提高了DAMO-Anammox系统的氧化还原电位值。零价铁是一种还原性物质，它可以为专性厌氧菌的生长创造更稳定的还原性环境，加快启动时间和脱氮速率。三是利用外部静电场增强微生物活性。外部静电场可以通过不同的机制增强DAMO-Anammox。首先，电处理微生物可以改变膜渗透性和ATP含量，从而导致更高的微生物活性。其次，细菌（DAMO细菌）可能产生电子梭（血红素c），增加了细菌和电极之间电子转移的可能性。一般情况下，电子供体（如甲烷）氧化产生的电子用于电子受体（亚硝酸盐）的还原，形成一个电子循环。如果细菌（DAMO细菌）从电极获得额外的电子，电子循环过程就可以加速。进一步优化氮和甲烷的去除率可以促进DAMO-Anammox工艺在主流污水处理中的应用。因此，添加电子受体（腐殖质、醌-化合物蒽醌-2,6-二磺酸盐（AQDs）、Fe(III)和Mn(IV)）或与自养反硝化（H2S和Fe(II)）偶联有助于提高氮和甲烷的去除性能。然而，当没有共生伙伴参与时，腐殖质和金属矿物无法通过细胞膜运输，因此需要细胞外电子转移机制。腐殖质在陆地和水生环境中普遍存在，可作为微生物呼吸的终端电子受体发挥着重要作用、电子传递的电子穿梭、或者作为电子供体。腐殖质显著影响多种无机和有机污染物的氧化还原转化。在DAMO-Anammox系统中，腐殖质或AQDs作为电子受体在减少甲烷排放方面发挥了重要作用。DAMO古菌与腐殖质或AQDs之间的EET是通过来自DAMO古菌的c型细胞色素直接电子转移或通过Geobacter间接电子转移，以增强甲烷去除效率。Fe(III)和Mn(IV)矿物质有双重角色, 不仅配合DAMO古菌去除甲烷，也配合Anammox细菌去除铵。不溶性Fe(III)和Mn(IV)矿物质可以通过直接接触或电子转移的纳米线和电子穿梭。去除甲烷方面，DAMO古菌可能通过c型细胞色素间接将电子转移到Fe(III)和Mn(IV)矿物。此外，DAMO还原Mn(IV)的另一种机制是通过纳米线的直接电子转移，因为DAMO古菌有多个基因编码主要亚基鞭毛蛋白。此外，许多研究表明，Mn(IV)或Fe(III)在不同的自然环境中增强了甲烷氧化。脱氮方面，Mn(IV)和Fe(III)矿物与氨的反应分别称为Mnammox和Feammox。自养反硝化可以作为一个独立的过程或传统反硝化的补充。Fe(II)不仅能增强微生物活性，而且其参与的自养反硝化可以作为电子供体与DAMO-Anammox过程耦合，以提高氮的去除率。硝酸盐会在不同的条件下被Fe(II)还原成不同的产物：在非生物环境下产生铵或在微生物存在下产生氮气。向Anammox系统中添加Fe(II)有助于将硝酸盐转化为亚硝酸盐，随后Anammox利用亚硝酸盐生产氮气。H2S由硫酸盐还原菌在厌氧条件下产生。H2S和甲烷是城市地区下水道、污水处理厂和沉积物中的主要问题。即使在低浓度的情况下，由于其毒性、气味和腐蚀性，H2S也会对健康和环境造成影响。在DAMO-Anammox系统中使用CH4和H2S的混合气体的结果表明，以H2S为共电子供体时，NO3-去除率大幅提高，且具有较高的narG、nirK和nosZ反硝化基因丰度。
图4 污水处理厂的概念模型
基于目前的研究成果，我们提出了一种污水处理厂的概念模型（图4）。MAMBR和MGSR具有较高的脱氮率和易于生物量培养的特点，被认为是最佳的生物反应器配置。Fe(II)或零价铁是一种常见的水和废水处理化学品，可在富集阶段向生物反应器中添加，以增强微生物活性。在正常运行过程中，从长期运行来看，可以在DAMO-Anammox生物反应器中投加Fe(III)，以维持或提高脱氮、脱甲烷性能。为了加强主流处理，可以将侧流反应器的部分生物质或上清液注入主流反应器。
采用实际厌氧消化产生的沼气培养DAMO-Anammox微生物的研究较少，但通常将沼气与H2S混合，可以促进脱氮性能。铁是一种通用的、常见的废水处理化学品，对废水处理的其他方面有深远的影响，如通过沉淀和吸附去除磷、去除微污染物和污泥沉降。不同铁种类和投加量对DAMO-Anammox系统微生物群落和性能的影响有待进一步研究。此外，部分硝化可以与DAMO-Anammox工艺集成在一个反应器中，特别是在悬浮和颗粒生长系统中。因此，在废水中提取化学能以最终实现能源中和或能源整积累的废水处理依然存在许多挑战和机遇。
陈彦，澳大利亚伍伦贡大学在读博士研究生。目前的研究兴趣是厌氧甲烷氧化耦合厌氧氨氧化技术。邮箱：yc742@uowmail.edu.au
蒋光明，澳大利亚伍伦贡大学环境工程副教授，研究方向包括环境健康，微生物腐蚀，污水处理及环境生物技术等。完成了多项澳大利亚研究基金会的基础和应用项目，已发表110多篇SCI学术论文，包括约50篇发表于顶级期刊Water Research和Environmental Science and
Technology。目前担任多本环境期刊的副主编，包括Water Research、Journal of Water Process Engineering、Journal
of Environmental Engineering （ASCE）和iScience, 并为多个SCI期刊编辑委员会成员。创新研究为业界提供了多项实用技术，包括已经商业化的Cloevis技术。还为很多国际大型污水管网项目提供实验测试和技术支持，包括新加坡的深隧污水管网二期项目（DTSS2）。目前担任亚太污水新冠COVID监测网络（www.watmoc.org）的负责人。邮箱：gjiang@uow.edu.au；guangming.jiang@gmail.com主页：https://scholars.uow.edu.au/display/guangming_jiang