污水除磷的方法 那不勒斯腓特烈二世大学：探究微生物群落工程的伟大胜利

污水除磷的方法 那不勒斯腓特烈二世大学：探究微生物群落工程的伟大胜利

DOI: 10.1073/pnas。

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那不勒斯费德里科二世网络大学

主要内容

博士的实验室里随处可见通风柜，通风柜里放着很多浑浊的水箱。实验团队会定期用附近食堂的污水污泥和食物垃圾给水箱“补充”水，而水箱里的微生物菌落会释放出丁酸，也就是酸奶和腐臭黄油的“蒸馏精华”。这些水箱偶尔会散发出硫化氢的味道，他说“这种味道会让你感到麻木。”

图 1. 现代污水处理厂。现代污水处理厂是微生物工程的第一次重大胜利。在曝气池（右下）中，气泡从富含有机物的棕色水中升起，为微生物提供所需的氧气，使固体消化成“活性污泥”，然后沉到池底。处理过的水随后被送往澄清器（蓝色圆圈）以去除剩余的固体杂质。

但这位哥伦比亚大学的环境工程师说，这种刺鼻的气味只是水箱中的微生物在发挥作用的标志，它们正在彻底改变人类处理不可避免的废物流入城市污水处理系统、农村化粪池以及无数湖泊和河流的方式。

“我们处理的污水不是‘废水’，”他坚持说。但如今的水处理厂通常采用一刀切的方式处理污水，将任何非水的物质转化为二氧化碳，然后排放到大气中；同样，污水污泥也经过处理，其中大部分被送往焚化炉或垃圾填埋场进行进一步处理。从微生物的角度来看，污水实际上是“浓缩水”，他说，是碳、氮和磷化合物的混合物，微生物可以将其转化为生物燃料、生物塑料、肥料和许多其他有用的产品。

微生物通过化学途径处理废水的壮举，让我们想起了工业发酵。数千年来，聪明的人类利用微生物酿酒、酸奶、酸菜等食品，但不同的是，他们并不培育单一的菌种，而是构建一个生态位丰富的生态系统，包括土壤、沟渠甚至污水处理厂中发现的各种细菌、古菌和原生动物。这样的多样性赋予了微生物群落卓越的化学处理能力，这是任何单一生物都无法独自完成的。“至少在理论上，微生物拥有无限的潜力。而现在，像我一样致力于微生物废水处理的全球研究人员，正在努力将这些微生物系统引导到有用的方向，将微生物的潜力转化为实际的‘生产力’。”他说。但这样的工作并不容易，微生物系统的实际部署面临许多实际障碍，例如前期投入高、规划多年等。

但即便如此，这些困难依然无法浇灭科学家们的热情。几乎每一个研究微生物系统的实验室都与处理厂建立了合作关系，将微生物技术应用于废水处理。自上世纪 80 年代以来一直在亚利桑那州立大学研究微生物群落的环境工程师布鲁斯说，微生物系统的一些优势引起了工厂的高度关注：“微生物在周围的自然环境中工作，不需要超高温度或其他奇怪而危险的条件。它们可以生产出有助于收回成本的适销对路的产品。”最重要的是，他说，“它们的工作条件非常便宜。”

伟大的胜利

讽刺的是，现代污水处理厂实际上代表了微生物系统的第一个伟大胜利，即使这一发现有点意外。约翰森解释说，在爱德华时代的英国，当工业发展和高密度城市将周围的河流变成恶臭的公共卫生威胁时，他们的卫生工程师别无选择，只能将污水收集在水箱中，让重固体沉淀，然后将仍然肮脏的水排放回环境中。

然而，1913 年，两名来自曼彻斯特的工程师决定将空气泵入水箱 [1]。“他们真的不知道为什么这是个好主意，但他们还是这么做了，而且效果非常好：几个小时或几天后，水变得清澈，固体凝结成大量纤维和薄片，被称为‘活性污泥’。”自 20 世纪 20 年代以来，这一工艺已被世界各地的污水处理厂采用，至今仍是世界上应用最广泛的生物污水处理工艺。据说，通过将空气泵入水箱，生活在污水中的微生物生态系统获得了新陈代谢所需的氧气，并开始疯狂地代谢；当微生物消化了所有能消化的东西后，它们会长成致密的“垫子”，变成污泥并沉到水箱底部，上面只剩下清水。但直到 20 世纪 80 年代，科学家利用分子基因组学研究这一过程时，这一过程才变得清晰起来 [2]。卡罗琳博士说：“我们使用的第一个工具是查看它们的核糖体 RNA。”利用这种方法，研究人员可以直接确定所研究生物在生命之树上的位置。

数十年的研究告诉我们，这些微生物群落中的大部分工作都是由细菌完成的，有时在厌氧情况下，各种古细菌也会接手。20 世纪 90 年代到 21 世纪初，基因组学的快速发展帮助科学家揭示了这些微生物群落的复杂性，这些微生物群落很容易包含 2,000 个或更多物种，并让研究人员能够监测这些生态系统如何根据环境改变其化学活性。反过来，这些发展帮助研究人员调整微生物群落以发挥特定功能 - 这一过程基本上相当于设计一个环境并奖励其期望的行为，然后再用富含微生物的土壤或水播种。此后，生态系统中已经存在的数千种物种将在新环境中重新平衡其群落，直到最适合发挥该功能的生物占据主导地位。

图 2. 对于美国来说，设计利用微生物处理废水的有效方法是朝着更大的目标迈出的一步：确保世界上的穷人享有更好的卫生条件。

废水处理新思路

有了这些工具，研究微生物废水处理的科学家们在传统的活性污泥处理方法上投入了大量心思。传统的活性污泥处理有一个很大的缺点：曝气成本高，曝气所消耗的能量占到处理厂能量的60%-80%；如果曝气不仅要去除有机碳，还要去除氮和磷化合物，那么这个数字会更高——一般来说，污水中的碳、氮和磷化合物必须以某种方式去除。氮和磷化合物一旦排入封闭的水体，就会引起藻类的大量繁殖，扩大缺氧死区的面积。“活性污泥中存在好氧微生物，可以帮助处理氮化合物，但这些好氧微生物生长缓慢，”他说，这意味着需要更大的池子，“曝气需求增加40-100%。”

除磷则比较麻烦。除磷的标准处理方法是加入含有钙、铝或铁离子的溶液，这些溶液将磷结合并沉淀到池底。但“这种方法会产生大量额外的废污泥，无形中增加了成本，而且这种方法的可持续性较差”，荷兰代尔夫特理工大学环境生物技术专家马克·范德莱恩说。大部分问题都可以归结为标准方法几乎完全依赖于需氧微生物——这些微生物对耗能的空气供应反应良好。所以研究微生物废水处理的科学家的总体策略是尽可能多地对废水进行厌氧处理。

厌氧废水处理的核心是 20 世纪 90 年代发现的一类氮消化细菌[3-5]。这些细菌被称为厌氧铵氧化菌 ()。这些细菌大约有 16 种，它们的工作正如其名称所暗示的那样： 将人类排泄物和过度施肥的农场径流中的铵离子 (NH4+) 转化为无害的氮气 (N2)；这个过程需要的氧气很少。虽然这些细菌仍然需要一些曝气才能发挥作用，但由于 反应需要上述需氧需氮微生物产生的亚硝酸盐 (NO2-)，因此它们所需的曝气量要少得多，这可以大大降低成本。

20 世纪 90 年代末，范的团队开发并报告了一种更为精妙的厌氧废水处理技术[6,7]。他们发现，如果能够让废水处理厂水箱中的微生物处于缓慢生长的条件下，就可以诱导微生物形成坚硬致密的颗粒，这些颗粒比无定形污泥更容易从清水中分离出来。更妙的是，颗粒中的微生物自发地组织成同心壳，壳外有需氧区，壳内有厌氧区，这意味着这些颗粒可以充当微型工厂，让需氧和厌氧微生物协同工作，而无需专门的水箱和管道。这种同心壳结构还可以容纳一种微生物，当水在需氧和厌氧条件之间循环时，它会从水中提取大量磷酸盐，然后将这种化学物质储存在易于收集的聚集体形式中[8]。

“这些特点结合起来，可以将污水处理厂的规模缩小到传统处理厂的四分之一，并节省 20-30% 的能源使用和总体成本，”范说。2011 年 9 月，经过十多年的实验室研究和中试工厂开发，好氧颗粒污泥技术首次在荷兰埃佩全面部署。埃佩工厂在处理市政和工业废水方面表现良好，目前在全球部署了 67 个工艺项目。“考虑到这些项目计划在 5-10 年内实施，我预计亚洲和北美的项目部署将迅速增长，”范说。

与此同时，2015 年，丹麦奥尔堡大学的 Per Halkjær 及其团队发现了第二类新的氮循环微生物 [9,10]。这些微生物被称为完全氨氧化菌 (OMOB)，它们可以自行氧化氨，而无需氧气。“在我看来，这是一个非常重大的发现，”Per Halkjær 说。“……它们彻底改变了我们对氮循环的看法。但在实际使用它们之前，我们仍需要进行大量的实验室研究。”

从拆除到修复

废水处理才刚刚开始。在过去十年中，微生物生态学家还致力于开发将废水转化为可用资源的方法。正如一位科学家所说：“我们希望所有这些工厂都能产生能源，减少温室气体排放，并实现可持续发展。” 一种新方法已经开发出来，可以将甲烷（厌氧细菌产生的一种强效温室气体）转化为甲醇，处理厂可以将其用作燃料或去除水中的硝酸盐。诀窍是诱使需氧氮循环细菌将甲烷转化为甲醇，这是废水处理中的副反应 [11]。

另一种流行的方法是将废水喂给细菌，以生产称为聚羟基脂肪酸酯 (PHA) 的聚合物。“PHA 就像是细菌的脂肪储备，但如果提取出来，这种聚合物的性质几乎与聚乙烯相同，”范说。与聚乙烯等常见的聚合物相比，PHA 是可生物降解的。市场上已经有少量的 PHA 生物塑料，但范希望处理厂能够大量生产 PHA。他设计了一种从废水中提取 PHA 的微生物系统 [12]，该工艺目前正在荷兰的一家工厂进行试点。

Van 的团队还在尝试为从颗粒中提取的凝胶状物质开发新市场。“这是一种细胞外聚合物，细菌利用它粘合在一起，”van 解释说，这种物质于 2019 年以商品名推出，可制成阻燃、防水的复合材料。van 说，到目前为止，他们已经发现了一些小众应用，尤其是作为用于粘合肥料颗粒和包覆种子的油基聚合物的可生物降解替代品。他们目前还试图将其与另一种污水副产品——卫生纸中的纤维素结合起来，形成一种坚固、轻质的建筑材料。“我们在荷兰有一个示范点，每年生产约 400 吨，”Mark van 说。最终，他希望“将废水中的所有有机分子转化为 PHA，或者，这取决于我们如何指导这个过程。”

裁员

对于 来说，这些壮举是一个更大目标的一部分：微生物系统可以帮助世界各地卫生条件差的人们。“过去十多年，我的想法被这些问题改变了，”他说。在实践中，这个目标通常意味着在规模较小、分散的设施中部署微生物系统，而不是大型集中式处理厂。为了帮助这些地方设施抵消成本，它们被设计为生产满足当地需求的高价值产出。 2011 年至 2014 年间，比尔和梅琳达·盖茨基金会与当地合作者一起资助了加纳的一系列示范项目，将 的战略付诸实施 [13]。该团队重新设计了加纳农村的厕所，不仅提供卫生设施，还提供当地农田的肥料。在加纳第二大城市库马西，他和同事设计了一个系统，将粪便污泥转化为生物柴油和甲醇，将其转化为可用的生物燃料，同时不让其进入当地水道。

可惜的是，该项目一直持续到2014年，因加纳方面资金问题而被迫终止，但他把在加纳积累的经验运用到了与阿拉巴马州黑带地区活动人士的合作中。阿拉巴马州黑带地区拥有适合种植但排水不畅的深色粘土，因此该地区每年需要花费大量资金修建化粪池，这对贫困和农村地区的人们来说是个坏消息。大多数贫困居民只能依靠明渠将厕所产生的废物直接输送到附近的沟渠或溪流中。人们正在设计微生物替代品来解决这个问题。去年，他和哥伦比亚的一个保护组织成立了：废水创新与环境正义实验室（简称“和实验室”）。

然而，研究人员关注的问题并不局限于阿拉巴马州。近四分之一的美国人依赖化粪池系统或其他现场系统，如果维护不当，会导致病原体和硝酸盐渗入土壤和地下水中。气候变化引发的洪水、贫困以及基础设施投资普遍不足等因素加剧了这一问题。因此，“在我们采取行动之前，重要的是要弄清楚哪个地区需要什么，”米勒博士说。在阿拉巴马州，合适的产出可能是当地作物的肥料，但在干旱的美国西南部，主要需求是干净的饮用水。只有在完成这些分析后，我们才会开始设计适合每个地区的微生物系统，根据需要混合有氧和厌氧过程，并确保人们能够负担得起。扩大这些方法的规模也至关重要。例如，当微生物群落开始间歇性培养而不是像污水处理厂那样连续培养时，它们会发生什么？”

还有很长的路要走。但如果研究人员能够缩小这些系统的规模，并用回收的资源抵消开发和运营成本，他们就可以看到社区处理废水的“颠覆性方法”。

参考

1.IWA，2021年7月28日。

2.BE，PL，：和（-Hill，纽约，第 2 版，2020 年）。

3. M. 等人，新的。 400, 446–449 (1999)。

4. JG, : 从到. Nat. Rev. . 6, 320–326 (2008).

5.B.-L. Hu, L.-D. Shen, X.-Y. Xu, P. Zheng, () 在. Soc.Trans. 39, 1811–1816 (2011) 中。

6.JJ Beun 等人，一批。水资源。 33, 2283–2290 (1999)。

7.B.，JG，MCM van，.与.328，702–703（2010）。

8.RJ, T. Mino, M. Onuki, FEMS 的发现. Rev. 27, 99–127 (2003).

9. H. Daims 等人，作者： 528, 504–509 (2015)。

10.D.、P. Kowal、M. -Sudoł、J. Ma¸ kinia、-a 中的新循环。J Civil Eng Sci 4, 031–033 (2018)。

11. E. Taher, K.，高速率、高产出-. Sci. . 47,3167–3173 (2013)。

12. K., Y. Jiang, R., G., MCM van, 与燕麦的混合。10, 670–676 (2009)。

13. J. Shih, A. -、E. Taher, K. 和加纳的中试规模多阶段和研究。Gates Open Res. 1, 10 (2017)。

14.S. 的“肮脏”。《华盛顿邮报》，2020 年 7 月 17 日。2021 年 7 月 28 日。