废水生物处理中的物质和能量循环的方法与技术探索--基于甲烷的污染物生物还原研究

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2018-07-25 23:13:13

年排放总量超过200亿吨,是城市水环境的主要污染源之一,但同时也是一种来源稳定、具有潜在利用价值的可再生资源[1]。传统的以达标排放为核心目标的废水处理工艺往往以高能耗换取污染物削减,形成了“减排污染物、增排温室气体”的尴尬局面,并不符合可持续发展的理念[2]。日趋严重的能源危机和气候变化问题要求我们在保证污染物达标排放的同时,积极探索废水处理中物质和能量资源化利用的新方法和新技术。

甲烷是城市污(废)水处理中剩余污泥厌氧消化的产物,同时也是一种重要的温室气体,其全球变暖潜能(global warming potential, gwp)是二氧化碳的20~30倍[3]。合理利用消化过程产生的甲烷是有效控制碳排放的重要手段。通常,甲烷可作为能源物质直接使用,但近年来甲烷氧化耦合氧化态污染物还原的研究表明,甲烷也可以作为碳源和电子供体来还原硝氮、高氯酸盐、硒酸盐、锑酸盐等氧化态污染物,这为废水处理中碳源和能源的循环利用提供了新的途径。


2 城市废水处理的新模式

过去几年里,我国城市废水处理系统日趋完善。传统的有机污染物得到有效削减,但是废水中的一些氧化态污染物并没有得到有效控制,废水处理过程中产生的一些物质及能源并未得到合理的回收与应用。曲久辉院士等[2]倡导建设面向未来的中国污水处理概念厂,探索污水再生及循环的物质转化与能源转换机制。对此,俞汉青等[4]提出了一种“废水资源工厂”的概念水厂模式(图2),富含碳氮磷的污水首先经过活性炭床和厌氧膜生物反应器,活性炭床可以吸附水体中的生物固体,而厌氧膜反应器可以阻留有机物和厌氧微生物,厌氧微生物进而可以将有机物代谢为甲烷。生物固体燃烧后可作为土壤改良剂,而甲烷燃烧可以发电产能。


▲ “废水资源工厂”的概念水厂模式

除碳后的污水一部分用于灌溉,另一部分经过离子交换来富集氮磷,氮磷可用于制造肥料;脱氮除磷后的水可直接用于工业或进一步高级纯化后作为饮用水,从而实现了碳、氮、磷及水资源的二次利用。王东波等[5]也展望了以甲烷氧化技术为主体的新型污水厂,将剩余污泥厌氧消化产生的部分甲烷用于深度脱氮。基于以上模式,我们设想将厌氧生物处理过程中产生的部分甲烷收集起来,通过中空纤维膜生物反应器(mbfr)来深度处理废水中氧化态污染物,同时探索碳循环过程中产生的pha、粗蛋白及生物碳等的回收技术,使城市废水处理系统中的碳源得到充分利用,另一方面也减缓了温室效应。

3 甲烷氧化耦合氧化态污染物还原的机理研究

近年来,甲烷氧化技术由于在废水生物处理中物质和能源的循环利用方面有着巨大潜力,因而广受人们的关注。根据体系的氧气浓度,该过程可以分为好氧甲烷氧化和厌氧甲烷氧化。好氧甲烷氧化的研究最先始于对好氧甲烷氧化菌与反硝化菌混合菌群的研究。好氧甲烷氧化耦合反硝化(aerobic oxidation of methane coupled to denitrification, aom-d)的代谢途径主要有两种(如图3)。起初人们普遍认为该过程是由混合菌群协同完成:甲烷氧化菌首先氧化甲烷,并释放甲醇、甲醛、甲酸、乙酸等中间代谢产物[6],反硝化菌利用这些有机小分子进一步还原硝氮;而在2015年,kits等人[7]首次报道了一种甲基单胞菌,能够在氧气受限的环境中,独立完成甲烷氧化反硝化的功能,并在该菌的基因组中检测到了所有必需的功能基因,丰富了好氧甲烷氧化耦合反硝化的代谢机理。


▲ 缺氧情况下可能的aom-d代谢途径