碳中和是时下的热门话题，污水厂如何实现碳中和是水业同行关心的问题。欧洲许多污水厂都已经利用厌氧消化将污水污泥中的有机物转化成沼气，实现污水的能量回收。

厌氧消化一般可以分为水解、酸化、乙酸化和产甲烷四个阶段，每个阶段有不同的微生物组实现。要优化厌氧反应的表现，需要对消化反应器里的微生物生态有良好的认知和理解。

丹麦奥尔堡大学科学家对丹麦22座污水厂的46个厌氧消化反应器进行了长达6年的跟踪调查。他们在IWA 期刊《Water Research》上分享了其最新的研究成果，对典型的运行和性能参数进行了全面概述，阐明特定种群和参数之间的关系。

MiDAS数据库

2006年，在奥尔堡大学牵头下，丹麦50多座污水厂成立了名为MiDAS-DK的研究项目。MiDAS-DK指的是丹麦脱氮除磷活性污泥污水厂微生物数据库(The Microbial Database for Danish Activated Sludge Wastewater Treatment Plants with Nutrient Removal)。除了奥尔堡大学和污水厂，参加该项目的机构包括了丹麦水协会、K Krüger A/S和Kemira A/S等机构。

该项目的目标是要为污水厂建立活性污泥微生物数据库。应用的分析技术主要有基于16S RNA的扩增子测序和深度宏基因组学的量化FISH荧光原位杂交技术。2009年，他们还开始对丹麦的厌氧消化反应器的微生物进行测定。经过十几年的积累，这个数据库已经成为一个非常强大的研究活性污泥生态系统的辅助工具，访客可以在此获取和活性污泥、厌氧消化和污水厂工艺相关的微生物信息。它帮助丹麦的研究人员加深对污水处理的裂解，优化污水厂的运行。如今这个数据库已经发展到第三代。有兴趣的读者可以通过以下链接访问查询：

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

目前在活性污泥和厌氧消化池中发现的所有微生物都包括这个在线指南里，第三代数据库最大的亮点在于其分类已经细化到种(species)的水平，共有1800多个属和4200个种，并提供这两个层级相应的详细的丰度信息，并且有其功能的描述。

图. Tetrasphaera菌的查询结果 | 图源：https://www.midasfieldguide.org
六年跟踪采样

在2011-2016年期间，研究团队对丹麦22座污水厂的46个厌氧消化器开展调查。这些反应器在不同的温度条件下运行，包括了中温消化(mesophilic -MAD)，含热水解预处理的中温消化（THP-MAD）和高温消化(thermophilic-TAD)。

在这六年里，所有污水厂都有进料量和组分的轻微波动，但并未对运行条件造成重大改变。唯一的例外是Aaby和 Aalborg东污水厂，它俩从中温消化转变成高温消化。他们从污水厂那里得到了超过50000条的数据，包括温度、总固体(TS)、挥发性固体(VS)、pH、总氨氮(TAN)、碱度等参数。

他们也会亲自采集消化器的污泥样品，每年频率为2-4次。这些样品会在24小时内运至实验室，在进行DNA提取前会在-80°C的温度下保存。

表. 丹麦污水厂厌氧消化器的运行参数概况
最终他们得到了1010个污泥样品，其中418个为古细菌(archaea)，592个为细菌。他们用16S rRNA基因扩增子测序技术进行分析，然后用R语言编程环境(V3.6.2)的ampvis2和ggplot2等工具对数据进行分析和可视化处理。

调查结果

统计结果显示，78%的消化器为中温消化，15%为高温消化，只有7%的系统带热水解。这三种消化器的中位数温度值分别为38.0、38.6和53.6°C。

发现了一些参数之间的正相关关系，例如TAN和TS/VS、有机负荷率（OLR）和碱度，以及甲烷产量和SRT，同时也有一些负相关的关系，例如OLR和甲烷产量，甲烷产量和TAN。这说明这些变量和消化器的表现息息相关。他们还指出，数据显示挥发性脂肪酸(VFAs)和SRT的相关性很弱，并没有此前一些文献说的那么重要，他们猜测可能是因为市政污水厂的有机负荷相对较低，所以VFAs浓度偏低所致。

受访的消化器都在低OLR和长SRT条件下运行。理论上这不算最优的条件，但提高OLR又可能会导致泡沫和酸中毒。他们指出，正因为如此，所以要搞清楚消化器的微生物群落组成，从而降低运行故障的风险。

在微生物统计方面，他们获得了33047个细菌和878个古细菌的独特的ASVs信息(扩增子序列变异)，并用sintax和MiDAS 3数据库进行分类。他们检测到42个门(phyla)，1600属(genera)和3584个物种(species)，其中有1117个属 (70%)和3336个种(93%)为新的发现或先前未分类入库。

下图是每个ASV在消化器/进料污泥的read相对丰度分布的统计结果。结果显示经过热水解之后，消化器中的微生物都属于生长群体，而没经热水解处理的中温消化和高温消化则分别有约一半的微生物属于非生长群体。

他们将以0.1%的丰度为分界线，将微生物分为四组。结果显示，在MAD、TAD和THP-MAD三种消化模式中，高丰度的生长ASVs分别只占总UNIQUE ASV的7.6%、9.4%和23.2%。而用relative read abundance来计算的话，高丰度生长组的百分比则分别为38.8%、50.9%和85.3%。研究团队认为，按照目前扩增子测序的检测结果，这说明污水厂的消化器只有一小撮微生物驱动。丰度最高的五个细菌门系是Firmicutes、Proteobacteria、Chloroflexi、Actinobacteria和Bacteroidetes。

图. 丹麦消化器重的生长和非生长ASV的组成
三种类型的消化器的微生物种类也有差异。在丰度最高的25个种里，MAD有11个，TAD有9个属于非生长类的微生物，包括了Tetrasphaera聚磷菌、Dechloromonas聚磷菌，Ca. Microthrix丝状菌属，以及Romboutsia和Trichococcus。这些都是活性污泥工艺常见的菌属。他们认为世界其他地方的厌氧消化器的菌群也与此类似。

中温消化的关键参数

由于中温消化最为常见，所以他们对MAD作进一步的分析，以找出影响其表现的关键参数。虽然温度的差异必然会影响厌氧消化的表现，但在中温区间，温度的影响却不显著。相反，他们发现和运行表现更为相关的参数有OLR(有机负荷率)、总氨氮(TAN)。进料污泥的组分也是重要因素，是否含有初始污泥影响了微生物群落的结构。

小结

这次研究时间之长，让我们十分钦佩。污水厂的碳中和少不了厌氧消化的贡献，感谢丹麦团队的工作，这次研究为厌氧消化的工艺优化提供更多的数据支持。通过这次研究，丹麦的团队也帮助我们发现了之前未曾分类的微生物菌种，这不仅丰富了MiDAS的数据库，也为日后将要研究的新问题奠定基础。

参考资料：

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