碳中和是時(shí)下的熱門話題，污水廠如何實(shí)現(xiàn)碳中和是水業(yè)同行關(guān)心的問題。歐洲許多污水廠都已經(jīng)利用厭氧消化將污水污泥中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化成沼氣，實(shí)現(xiàn)污水的能量回收。

厭氧消化一般可以分為水解、酸化、乙酸化和產(chǎn)甲烷四個(gè)階段，每個(gè)階段有不同的微生物組實(shí)現(xiàn)。要優(yōu)化厭氧反應(yīng)的表現(xiàn)，需要對(duì)消化反應(yīng)器里的微生物生態(tài)有良好的認(rèn)知和理解。

丹麥奧爾堡大學(xué)科學(xué)家對(duì)丹麥22座污水廠的46個(gè)厭氧消化反應(yīng)器進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)6年的跟蹤調(diào)查。他們?cè)贗WA 期刊《Water Research》上分享了其最新的研究成果，對(duì)典型的運(yùn)行和性能參數(shù)進(jìn)行了全面概述，闡明特定種群和參數(shù)之間的關(guān)系。

MiDAS數(shù)據(jù)庫(kù)

2006年，在奧爾堡大學(xué)牽頭下，丹麥50多座污水廠成立了名為MiDAS-DK的研究項(xiàng)目。MiDAS-DK指的是丹麥脫氮除磷活性污泥污水廠微生物數(shù)據(jù)庫(kù)(The Microbial Database for Danish Activated Sludge Wastewater Treatment Plants with Nutrient Removal)。除了奧爾堡大學(xué)和污水廠，參加該項(xiàng)目的機(jī)構(gòu)包括了丹麥水協(xié)會(huì)、K Krüger A/S和Kemira A/S等機(jī)構(gòu)。

該項(xiàng)目的目標(biāo)是要為污水廠建立活性污泥微生物數(shù)據(jù)庫(kù)。應(yīng)用的分析技術(shù)主要有基于16S RNA的擴(kuò)增子測(cè)序和深度宏基因組學(xué)的量化FISH熒光原位雜交技術(shù)。2009年，他們還開始對(duì)丹麥的厭氧消化反應(yīng)器的微生物進(jìn)行測(cè)定。經(jīng)過十幾年的積累，這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)成為一個(gè)非常強(qiáng)大的研究活性污泥生態(tài)系統(tǒng)的輔助工具，訪客可以在此獲取和活性污泥、厭氧消化和污水廠工藝相關(guān)的微生物信息。它幫助丹麥的研究人員加深對(duì)污水處理的裂解，優(yōu)化污水廠的運(yùn)行。如今這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)發(fā)展到第三代。有興趣的讀者可以通過以下鏈接訪問查詢：

https://www.midasfieldguide.org/guide/search

目前在活性污泥和厭氧消化池中發(fā)現(xiàn)的所有微生物都包括這個(gè)在線指南里，第三代數(shù)據(jù)庫(kù)最大的亮點(diǎn)在于其分類已經(jīng)細(xì)化到種(species)的水平，共有1800多個(gè)屬和4200個(gè)種，并提供這兩個(gè)層級(jí)相應(yīng)的詳細(xì)的豐度信息，并且有其功能的描述。

圖. Tetrasphaera菌的查詢結(jié)果 | 圖源：https://www.midasfieldguide.org
六年跟蹤采樣

在2011-2016年期間，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)丹麥22座污水廠的46個(gè)厭氧消化器開展調(diào)查。這些反應(yīng)器在不同的溫度條件下運(yùn)行，包括了中溫消化(mesophilic -MAD)，含熱水解預(yù)處理的中溫消化（THP-MAD）和高溫消化(thermophilic-TAD)。

在這六年里，所有污水廠都有進(jìn)料量和組分的輕微波動(dòng)，但并未對(duì)運(yùn)行條件造成重大改變。唯一的例外是Aaby和 Aalborg東污水廠，它倆從中溫消化轉(zhuǎn)變成高溫消化。他們從污水廠那里得到了超過50000條的數(shù)據(jù)，包括溫度、總固體(TS)、揮發(fā)性固體(VS)、pH、總氨氮(TAN)、堿度等參數(shù)。

他們也會(huì)親自采集消化器的污泥樣品，每年頻率為2-4次。這些樣品會(huì)在24小時(shí)內(nèi)運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室，在進(jìn)行DNA提取前會(huì)在-80°C的溫度下保存。

表. 丹麥污水廠厭氧消化器的運(yùn)行參數(shù)概況
最終他們得到了1010個(gè)污泥樣品，其中418個(gè)為古細(xì)菌(archaea)，592個(gè)為細(xì)菌。他們用16S rRNA基因擴(kuò)增子測(cè)序技術(shù)進(jìn)行分析，然后用R語言編程環(huán)境(V3.6.2)的ampvis2和ggplot2等工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和可視化處理。

調(diào)查結(jié)果

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，78%的消化器為中溫消化，15%為高溫消化，只有7%的系統(tǒng)帶熱水解。這三種消化器的中位數(shù)溫度值分別為38.0、38.6和53.6°C。

發(fā)現(xiàn)了一些參數(shù)之間的正相關(guān)關(guān)系，例如TAN和TS/VS、有機(jī)負(fù)荷率（OLR）和堿度，以及甲烷產(chǎn)量和SRT，同時(shí)也有一些負(fù)相關(guān)的關(guān)系，例如OLR和甲烷產(chǎn)量，甲烷產(chǎn)量和TAN。這說明這些變量和消化器的表現(xiàn)息息相關(guān)。他們還指出，數(shù)據(jù)顯示揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)和SRT的相關(guān)性很弱，并沒有此前一些文獻(xiàn)說的那么重要，他們猜測(cè)可能是因?yàn)槭姓鬯畯S的有機(jī)負(fù)荷相對(duì)較低，所以VFAs濃度偏低所致。

受訪的消化器都在低OLR和長(zhǎng)SRT條件下運(yùn)行。理論上這不算最優(yōu)的條件，但提高OLR又可能會(huì)導(dǎo)致泡沫和酸中毒。他們指出，正因?yàn)槿绱?，所以要搞清楚消化器的微生物群落組成，從而降低運(yùn)行故障的風(fēng)險(xiǎn)。

在微生物統(tǒng)計(jì)方面，他們獲得了33047個(gè)細(xì)菌和878個(gè)古細(xì)菌的獨(dú)特的ASVs信息(擴(kuò)增子序列變異)，并用sintax和MiDAS 3數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分類。他們檢測(cè)到42個(gè)門(phyla)，1600屬(genera)和3584個(gè)物種(species)，其中有1117個(gè)屬 (70%)和3336個(gè)種(93%)為新的發(fā)現(xiàn)或先前未分類入庫(kù)。

下圖是每個(gè)ASV在消化器/進(jìn)料污泥的read相對(duì)豐度分布的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。結(jié)果顯示經(jīng)過熱水解之后，消化器中的微生物都屬于生長(zhǎng)群體，而沒經(jīng)熱水解處理的中溫消化和高溫消化則分別有約一半的微生物屬于非生長(zhǎng)群體。

他們將以0.1%的豐度為分界線，將微生物分為四組。結(jié)果顯示，在MAD、TAD和THP-MAD三種消化模式中，高豐度的生長(zhǎng)ASVs分別只占總UNIQUE ASV的7.6%、9.4%和23.2%。而用relative read abundance來計(jì)算的話，高豐度生長(zhǎng)組的百分比則分別為38.8%、50.9%和85.3%。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，按照目前擴(kuò)增子測(cè)序的檢測(cè)結(jié)果，這說明污水廠的消化器只有一小撮微生物驅(qū)動(dòng)。豐度最高的五個(gè)細(xì)菌門系是Firmicutes、Proteobacteria、Chloroflexi、Actinobacteria和Bacteroidetes。

圖. 丹麥消化器重的生長(zhǎng)和非生長(zhǎng)ASV的組成
三種類型的消化器的微生物種類也有差異。在豐度最高的25個(gè)種里，MAD有11個(gè)，TAD有9個(gè)屬于非生長(zhǎng)類的微生物，包括了Tetrasphaera聚磷菌、Dechloromonas聚磷菌，Ca. Microthrix絲狀菌屬，以及Romboutsia和Trichococcus。這些都是活性污泥工藝常見的菌屬。他們認(rèn)為世界其他地方的厭氧消化器的菌群也與此類似。

中溫消化的關(guān)鍵參數(shù)

由于中溫消化最為常見，所以他們對(duì)MAD作進(jìn)一步的分析，以找出影響其表現(xiàn)的關(guān)鍵參數(shù)。雖然溫度的差異必然會(huì)影響厭氧消化的表現(xiàn)，但在中溫區(qū)間，溫度的影響卻不顯著。相反，他們發(fā)現(xiàn)和運(yùn)行表現(xiàn)更為相關(guān)的參數(shù)有OLR(有機(jī)負(fù)荷率)、總氨氮(TAN)。進(jìn)料污泥的組分也是重要因素，是否含有初始污泥影響了微生物群落的結(jié)構(gòu)。

小結(jié)

這次研究時(shí)間之長(zhǎng)，讓我們十分欽佩。污水廠的碳中和少不了厭氧消化的貢獻(xiàn)，感謝丹麥團(tuán)隊(duì)的工作，這次研究為厭氧消化的工藝優(yōu)化提供更多的數(shù)據(jù)支持。通過這次研究，丹麥的團(tuán)隊(duì)也幫助我們發(fā)現(xiàn)了之前未曾分類的微生物菌種，這不僅豐富了MiDAS的數(shù)據(jù)庫(kù)，也為日后將要研究的新問題奠定基礎(chǔ)。

參考資料：

Characterizing the growing microorganisms at species level in 46 anaerobic digesters at Danish wastewater treatment plants: A six-year survey on microbial community structure and key drivers, Water Research 193 (2021) 116871