活性污泥法百年反思

值得注意的是，高分辨率的分子生物学方法的进步，即所谓的宏基因组学，允许在微生物群落的构成与功能之间绘制具体的联系。例如，通过识别控制梯形烷合成的基因、确定Candidatus Kuenenia stuttgartiensis中联氨的新陈代谢，宏基因组学研究能揭示出一些神秘的微生物表型性状。在实际污水生物处理厂所进行的宏基因组学研究，强调关键物种参考基因的需要，以通过最新实验室研究来解释实际数据。在这种情况下，宏基因组或单个细胞基因序列数据，可以有效地用来推测有益菌种的基质配方和生长状况。

宏基因组学的研究很大程度上促进了我们对于有益菌种群体功能的了解，比如宏蛋白质组学、环境转录组学以及二者之间的联系，使得我们对不同环境条件下(如好氧/厌氧阶段)关键过程中的相关基因的具体表现形式有了进一步的了解。因此，在时间和空间上整合“生物组学”，并与物理化学参数相结合，便可重新构建与界定生态网络和有机生态位。这些信息可能是鉴别微生物群体结构与功能的关键的决定性因素，可以用于从污水中进行综合的能源和资源回收。

未来：利用污水中微生物回收能源和资源

如今，我们已经能够鉴别出大量的微生物群落，并从多组学的分析研究中，获得了前所未有的数据。在活性污泥法一百年之际，寻求一种新的生物污水处理法显然已经时机成熟。因此，我们可以开始考虑自下而上的设计方法，而不是像目前这样分步的自上而下的方法。

在这里，我们特地引进了“污水生物炼制列”的概念。依据一种假定的自下而上的设计方法，看看在环境发生的变化时候，微生物是怎样转化并积累成不同类型的有益化合物的。所以，这种特定的生态位工程能帮助我们从污水中大量回收高价值资源。我们可以通过以下途径，来实现这种生态位工程：(1)污水中建立不同的基质梯度，以此拓宽个体生态位;利用微生物不同的沉降速度来实现其垂直分布，沉降速度与微生物/絮体的大小以及胞内存储化合物有关;回收微生物中的能源和营养物质。科学家过去在实验室规模的反应器中，已经获得了此类有益菌种的富集体，尤其是PAOs和GAOs，通过给予合适的环境条件，可以增加富集这些菌种的可能性。随着宏基因组学的不断进步，我们能够更加精确地定义各种菌种的生态位，从而使这些菌种能应用到未来的循环系统中。考虑到污水构成的多样性和动态性，生态位可能还需要不断的调整。微生物燃料电池可以用作生物传感器，生态位可以通过它的反馈来进行微调，从而可以对进水有机物和无机物构成进行连续的检测。

对当前可再生能源的探索中，作为一种潜在的方案，生物柴油有望部分替代石油燃料。当下，生物柴油生产成本与相关的原料成本占到了85%。而污水中可皂化的油脂很容易转化为生物柴油，因此，污水中蕴含的物质可与生物能源直接相关。在城市污水中，油脂类可以占到总有机碳的41%，其中绝大多数是三酰甘油酯(TAG)，小部分是游离的长链脂肪酸。需要特别注意的是，污泥中这些长链脂肪酸的组成范围主要在C14到C18之间，这是生产甲酯理想的环境。由于疏水性，污水中脂类物质通常吸附在颗粒上，并且不易提取。然而，LAOs释放胞外脂肪酶可将脂类水解，水解产物能被细菌高效同化。根据本文的“污水生物炼制列”的概念，丝状聚酯菌的生物量在顶部积累。鉴于丝状菌对脂质的高度累积，以及生物柴油能从聚脂菌中直接产出，同时经济上可行，因而从污水中提取生物柴油拥有巨大的潜力。令人关注的是，在生物柴油生产过程中，TAG的副产物——甘油可以进一步被利用合成PHA，从而实现污水中TAG的完全和高效利用。

PHA的合成发生在活性污泥的微生物中。来自污水的PHAs在工业上可用于合成可降解的、与化学合成聚丙烯有相似的热力学性能的生物塑料。此外，PHAs可在酸的催化作用下，水解为生物燃料羟基丁酸甲酯(hydroxybutyrate methyl ester)。所以，来自污水的PHAs可作为一种可再生资源用于塑料生产，整个PHA生产链条的资源耗费仅占总生产成本的50%。PHAs的微生物积累非常迅速(约5小时)和显著。由于PAOs和GAOs能在厌氧/好氧条件下交互合成PHAs，在一定的环境条件下，针对性的对一些菌种富集可将PHA连同发酵产物和磷酸盐或糖元一起回收。污水处理厂中PAOs能占到总细菌生物量35%，实验室研究表明，由于PAOs与GAOs有着不同的细胞密度，前者有着更快的沉降速率。利用这些属性分离这两类微生物，就可以实现针对性的资源回收。由此，我们也可以预期，通过建立密度梯度，如操纵沉降时间，GAOs将会占据“污水生物炼制列”中间层，PAOs将会占据下层。

尽管污水处理厂对发酵细菌的研究较少，但不能忽视的事实是发酵细菌有助于复杂的高分子化合物水解为低分子量的底物，进而为其他微生物提供能源和碳素。发酵细菌的分解产物有丙酸、乳酸、乙酸和甲酸等。令人关注的是，运用发酵处理生产酒精或有机酸的过程可以和生物柴油、生物塑料的生产过程相结合——因为两个过程都需要有机溶剂。最重要的是，从GAO中获取的糖原也可以用于合成一种重要生物燃料——生物乙醇。

利用从污水中回收的营养物质(主要为N和P)生产的再生化肥，目前已占到当前农业化肥总需求量的30%。一项全球性的估计表明，化肥生产消耗了世界能源的1.2%(其中92.5%用于N和3%用于P)，约占人为温室气体总排放量的1.2%。所以，我们要是将富含PAO的污泥用作肥料，具有巨大的潜力。不过，将污泥用于农业肥料的一个主要限制因素就是其中重金属的含量。然而，越来越多的证据表明，吸附剂(如矿渣)有着较高的重金属吸附能力，可以为含重金属污水提供了一种廉价的处理方案。

除了富含PAO的污泥，污水处理厂常见的矿物沉淀——磷酸铵镁(MgNH4PO4•6H20)，也是一种商业化生产的化肥。估计表明，在污水处理厂内，100m3的污水可以生产1kg的磷酸铵镁。磷酸铵镁溶解度低，富含N元素和P元素，这使得它具有用作化肥的优势，同时它能减少营养物的流失和限制水体的富营养化。污水低浓度的悬浮固体和高浓度的氨和磷酸盐可以促进磷酸铵镁的合成。因此，通过维持污水的高离子水平同时不断回收生物量组分(例如从不断增长种群回收)来加快磷酸铵镁的生产，这将是“污水生物炼制列”中另一个可实现的目标。

在N素回收用作化肥生产的背景下，聚硝酸盐菌(能生长在各种不同生态环境)或许也能有助于N素的利用。截至目前，尽管现有的研究尚未描述活性污泥工艺中硝酸盐的积累过程，但可将其看作化肥生产的一个显著氮源。在基于活性污泥工艺的污水处理厂内，选择性的富集策略可以鉴别积累硝酸盐的微生物。

在过去的几十年里，越来越多的环境问题引发了世人对于资源问题的新策略制定与思考完善，即在活性污泥工艺基础上，从污水中回收能源与营养物质。然而，截至目前，能源和营养物质的回收量仍较为有限。本文所提出的“污水生物炼制列”概念，若能最大化地运用现有的和未来的可能有的信息(微生物和它们的代谢类型基因技术研究)，则可以实现生物能源、生物塑料、化肥的可持续生产。为了实现这个目标，我们首先应该详细了解生物群落组成中，各类微生物的生态位信息。一旦获得这些信息，参考它们各自的生态位，就可以以一种自下而上的设计方法(重新)优化污水处理流程，而不是以目前这种自上而下的策略在活性污泥发现一百年之际，本设想对于微生物生态学家和工程师来说是一项巨大的挑战。为了实现这一设想，我们还有很长的路要走。