碳中和是時下的熱門話題，污水廠如何實現碳中和是水業同行關心的問題。歐洲許多污水廠都已經利用厭氧消化將污水污泥中的有機物轉化成沼氣，實現污水的能量回收。
厭氧消化一般可以分為水解、酸化、乙酸化和產甲烷四個階段，每個階段有不同的微生物組實現。要優化厭氧反應的表現，需要對消化反應器里的微生物生態有良好的認知和理解。
丹麥奧爾堡大學科學家對丹麥22座污水廠的46個厭氧消化反應器進行了長達6年的跟蹤調查。他們在IWA 期刊《Water Research》上分享了其最新的研究成果，對典型的運行和性能參數進行了全面概述，闡明特定種群和參數之間的關系。
MiDAS數據庫
2006年，在奧爾堡大學牽頭下，丹麥50多座污水廠成立了名為MiDAS-DK的研究項目。MiDAS-DK指的是丹麥脫氮除磷活性污泥污水廠微生物數據庫(The Microbial Database for Danish Activated Sludge Wastewater Treatment Plants with Nutrient Removal)。除了奧爾堡大學和污水廠，參加該項目的機構包括了丹麥水協會、K Krüger A/S和Kemira A/S等機構。
該項目的目標是要為污水廠建立活性污泥微生物數據庫。應用的分析技術主要有基于16S RNA的擴增子測序和深度宏基因組學的量化FISH熒光原位雜交技術。2009年，他們還開始對丹麥的厭氧消化反應器的微生物進行測定。經過十幾年的積累，這個數據庫已經成為一個非常強大的研究活性污泥生態系統的輔助工具，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的微生物信息。它幫助丹麥的研究人員加深對污水處理的裂解，優化污水廠的運行。如今這個數據庫已經發展到第三代。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現的所有微生物都包括這個在線指南里，第三代數據庫最大的亮點在于其分類已經細化到種(species)的水平，共有1800多個屬和4200個種，并提供這兩個層級相應的詳細的豐度信息，并且有其功能的描述。
圖. Tetrasphaera菌的查詢結果 | 圖源：https://www.midasfieldguide.org
六年跟蹤采樣
在2011-2016年期間，研究團隊對丹麥22座污水廠的46個厭氧消化器開展調查。這些反應器在不同的溫度條件下運行，包括了中溫消化(mesophilic -MAD)，含熱水解預處理的中溫消化（THP-MAD）和高溫消化(thermophilic-TAD)。
在這六年里，所有污水廠都有進料量和組分的輕微波動，但并未對運行條件造成重大改變。唯一的例外是Aaby和 Aalborg東污水廠，它倆從中溫消化轉變成高溫消化。他們從污水廠那里得到了超過50000條的數據，包括溫度、總固體(TS)、揮發性固體(VS)、pH、總氨氮(TAN)、堿度等參數。
他們也會親自采集消化器的污泥樣品，每年頻率為2-4次。這些樣品會在24小時內運至實驗室，在進行DNA提取前會在-80°C的溫度下保存。
表. 丹麥污水廠厭氧消化器的運行參數概況
最終他們得到了1010個污泥樣品，其中418個為古細菌(archaea)，592個為細菌。他們用16S rRNA基因擴增子測序技術進行分析，然后用R語言編程環境(V3.6.2)的ampvis2和ggplot2等工具對數據進行分析和可視化處理。
調查結果
統計結果顯示，78%的消化器為中溫消化，15%為高溫消化，只有7%的系統帶熱水解。這三種消化器的中位數溫度值分別為38.0、38.6和53.6°C。
發現了一些參數之間的正相關關系，例如TAN和TS/VS、有機負荷率（OLR）和堿度，以及甲烷產量和SRT，同時也有一些負相關的關系，例如OLR和甲烷產量，甲烷產量和TAN。這說明這些變量和消化器的表現息息相關。他們還指出，數據顯示揮發性脂肪酸(VFAs)和SRT的相關性很弱，并沒有此前一些文獻說的那么重要，他們猜測可能是因為市政污水廠的有機負荷相對較低，所以VFAs濃度偏低所致。
受訪的消化器都在低OLR和長SRT條件下運行。理論上這不算最優的條件，但提高OLR又可能會導致泡沫和酸中毒。他們指出，正因為如此，所以要搞清楚消化器的微生物群落組成，從而降低運行故障的風險。
在微生物統計方面，他們獲得了33047個細菌和878個古細菌的獨特的ASVs信息(擴增子序列變異)，并用sintax和MiDAS 3數據庫進行分類。他們檢測到42個門(phyla)，1600屬(genera)和3584個物種(species)，其中有1117個屬 (70%)和3336個種(93%)為新的發現或先前未分類入庫。
下圖是每個ASV在消化器/進料污泥的read相對豐度分布的統計結果。結果顯示經過熱水解之后，消化器中的微生物都屬于生長群體，而沒經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群體。
他們將以0.1%的豐度為分界線，將微生物分為四組。結果顯示，在MAD、TAD和THP-MAD三種消化模式中，高豐度的生長ASVs分別只占總UNIQUE ASV的7.6%、9.4%和23.2%。而用relative read abundance來計算的話，高豐度生長組的百分比則分別為38.8%、50.9%和85.3%。研究團隊認為，按照目前擴增子測序的檢測結果，這說明污水廠的消化器只有一小撮微生物驅動。豐度最高的五個細菌門系是Firmicutes、Proteobacteria、Chloroflexi、Actinobacteria和Bacteroidetes。
圖. 丹麥消化器重的生長和非生長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個種里，MAD有11個，TAD有9個屬于非生長類的微生物，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。
中溫消化的關鍵參數
由于中溫消化最為常見，所以他們對MAD作進一步的分析，以找出影響其表現的關鍵參數。雖然溫度的差異必然會影響厭氧消化的表現，但在中溫區間，溫度的影響卻不顯著。相反，他們發現和運行表現更為相關的參數有OLR(有機負荷率)、總氨氮(TAN)。進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構。
小結
這次研究時間之長，讓我們十分欽佩。污水廠的碳中和少不了厭氧消化的貢獻，感謝丹麥團隊的工作，這次研究為厭氧消化的工藝優化提供更多的數據支持。通過這次研究，丹麥的團隊也幫助我們發現了之前未曾分類的微生物菌種，這不僅豐富了MiDAS的數據庫，也為日后將要研究的新問題奠定基礎。
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