活性污泥法百年反思

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，若能最大化地运用到现有的和未来可能有的信息中，则可以实现生物能源、生物塑料、化肥的可持续生产。

一百年前，英国人Ardern和Lockett发现了活性污泥对于污水生物修复过程的重大作用——该物质可以使异养微生物同化或者生成氧化进水中的有机质。曝气后，悬浮的微生物可以利用重力从处理后的污水中分离开来，大部分污泥将会回流，这一部分污泥就被称为活性污泥。

迄今为止，基于活性污泥法的变种工艺已经在全世界污水处理厂投入运行，包括进一步的除磷、硝化—反硝化、厌氧氨氧化以及剩余污泥的厌氧消化等工艺。但是，曝气和回流污泥过程中需要消耗大量化石燃料所产生的能源，此举无疑又增加了大量人为的温室气体排放。除此之外，该过程同时还会产生潜在的温室气体，如CH4和N2O。从这个角度来讲，活性污泥法显然是不可持续的。

据统计，污水中蕴含着大量的隐形财富，其处理过程中所产生的化学能源可达用于处理污水所消耗能源的10倍之多。调查人员发现，截至目前，从剩余污泥的厌氧消化过程中或从微生物燃料电池中回收的能量，明显低于污水中实际包含的化学能源。因此，将来从污水中回收能源的可持续策略，不仅能减少我们对于化石燃料的依赖，还能满足人们对于日常资源的需求，如塑料和肥料。所以，尽管污水中的有机成分与无机成分的组成依赖于进水状况(城市污水或工业废水)，具有随机性，但我们切不能掉以轻心，浪费可观的可回收资源。基于这个角度，本文引入了“污水生物炼制列”的理念，该理念是将不同生态位工程运用到未来污水处理工艺中，使不同微生物产生不同针对性的富集，同时还可以对能源和资源进行综合回收。

当前：基于活性污泥法的微生物和生物化学认识

长期以来，由于污水处理过程中的微生物群落结构与功能在很大程度上不为人所知，一直被视作“黑箱”。对于污泥中的微生物，早期研究大多数包括经典的分离法和利用光学显微镜对特定细菌群体进行形态鉴定(如丝状菌)。运用经典微生物培养技术，发现不动杆菌属(Acinetobacter spp.)有可能与磷的去除有关，亚硝化螺菌属(Nitrosospira spp.)被认为是关键的氨氧化菌，硝化杆菌属(Nitrobacter spp.)是最主要的亚硝化菌，生丝微菌菌属(Hyphomicrobium spp.)是关键的反硝化细菌。

过去几十年，经过对16S rRNA 基因序列检索的深度研究，已排除不动杆菌属是除磷过程的主要参与者。截至目前，一种属于β变形杆菌(Beta-proteobacteria)、未能进行纯培养和分类的菌属，称作Candidatus Accumulibacter phosphatis (CAp)，在实验室规模和实际污水处理厂规模的反应器中，已经被证实是一种主要的聚磷菌(PAO)。不仅如此，随后的分子生物学研究也证实，聚糖菌(GAO)是Cap在污泥厌氧/好氧循环过程中的主要竞争对手。其中包括一种属于γ变形杆菌(Gamma-proteobacteria)新型的菌种，叫做Candidatus Competibacter phosphates ，还有属于α变形杆菌(Alpha-proteobacteria)的其他菌种。

至于氮素的循环过程，利用分子生物学方法已经确定新的“参与者”，包括不同类型的氨氧化菌，硝化螺状的微生物作为主要的亚硝化菌;水生螺菌属(Aquaspirillum)、 固氮弧菌属(Azoarcus)、索氏菌属(Thauera)和聚磷菌(如CAp)为主要的反硝化菌。最近，研究者又发现属于齐古菌门(Thaumarchaeota)的古细菌也对于好氧氨氧化具有催化作用。在实际污水处理过程中，氮素循环的过程会更加复杂，如已证实能进行厌氧氨氧化。这些生物属于浮霉状菌门(Planctomycetes)，并被暂时命名为“Candidatus Kuenenia stuttgartiensis”

近年来，学者们在污水生物处理过程中微生物的生理生态学方面做了大量研究，发现采用荧光原位杂交法外加显微放射自显影技术(MAR—FISH)能使特定微生物直接可视化，并能将碳、氮和磷等基质的转化联系起来。利用MAR—FISH能研究PAOs和GAOs关于碳源的竞争，还能制定模型。在厌氧状态下，PAOs吸收有机碳源(如挥发性脂肪酸)，并将其以聚羟基脂肪酸(PHAs)形式存储起来。当处于有氧条件下时，PAOs氧化PHAs，所获能量供给聚磷酸盐的吸收积累，使得磷元素通过回流污泥从污水中除去。在厌氧条件下，GAOs和GPOs竞争挥发性脂肪酸用于PHA的合成，而且在好氧的条件下GAOs并不积累聚磷酸盐，而是将能量用于糖类的积累。通过MAR—FISH法和染色法，证实了细胞内PHA或者聚磷酸盐的积累就是聚合物存储或循环的过程。其他运用MAR—FISH的研究则论证了聚脂菌(LAOs)生态学的潜能，例如微丝菌属(Candidatus Microthrix parvicella)能够在厌氧的条件下吸收并存储脂类物质，同时强调了此类丝状菌相对于其他菌种的优势，即其他菌种不能在厌氧条件下吸收脂类。