污水厂运营新革命--利用DNA测序技术优化运行
污水处理厂的运行效率和稳定性与实际微生物的组成密切相关。每个污水厂的微生物群落组成都有差别，并且会随着时间的推移而变化，会对污水厂的整体运行和功能产生决定性影响。污水厂微生物组成的变化是对其未来功能变化的早期指示，运行人员可以此为参考，对运行条件进行调整。
在今年5月组织的IWA网络版世界水大会上，来自丹麦Veolia Kruger公司创新污水部的主管Mikkel algren Stokholm-Bjerregaard先生介绍了如何将DNA测序技术用到污水厂的日常运行中。
污水厂关键工艺的运行都和微生物功能息息相关——有机物的去除、水解、发酵、硝化/反硝化，或者是污泥泡沫和膨胀等。对污水厂运行人员来说，他们希望能牢牢控制污水厂的这些运行表现。但要实现对污水厂的控制，必须要了解污水厂中微生物的情况。
在此背景下，丹麦Aalborg大学、Veolia Kruger公司、奥地利维也纳大学连同丹麦的四家地方水务公司，通过丹麦创新基金，创立了一个Online DNA项目，来研究如何通过DNA测序技术，更好地获得污水厂中微生物的全局信息。每个机构都为这个项目投入资金约折合1000万人民币。
图. 项目参与单位
目前市面上有不少细分的DNA测序技术，新的测序技术变得越来越快捷，设备也越来越轻便，如下图（右）所示的在线原位DNA测序设备，可在5h内获取结果。
早在2017年，他们在Odensee污水厂便获得了相关数据，具体数据见下表。根据测序结果可以识别出不同的微生物，而且能计算出微生物的相对丰度。
但他们想要的不仅仅是简单的识别，他们想利用DNA数据对关键菌种和整个微生物群落进行监控。他们建立了两套预警机制，一个是静态限值，一个是动态限值。前者是指如果某种微生物的丰度超过了某个设定值，系统就会报警，而后者是用来观察某种微生物的变化幅度是否过大。
对关键菌株的改良控制
以丹麦的Aalborg Vest污水厂为例，他们对一种会引起污水厂污泥膨胀的Candidatus Amarolinea细菌微生物进行了长期的DNA监测跟踪。从下图可以看出，在2011年和2012年初，该细菌的相对丰富开始增加，到2013年达到顶峰，然后开始下降，直到2015年5月才逐渐消去。
他们在原始数据的基础上作了进一步的解析，数据显示，该细菌的平均相对丰度为0.6%，并将最大限值设为1.9%。2012-2013年间的数据会产生大量报警信号。如果将该预警机制应用到实际运行的污水厂中，将能帮助污水厂运行人员更快地做出反应，防止该细菌的爆发。
对整体群落的控制
虽然数据分析可以识别出几千种细菌，但对于运行人员来说，如果对每个细菌都进行预警设定，将过于复杂。
因此他们寻找一个可以反映群落稳定性的指示参数。他们对Ejby Molle和Ondense NE污水厂的数据进行主成分分析。对比结果如下图所示，两个污水厂的微生物群落组成有着显著性的差别，加上时间维度之后，能看出同一个污水厂的微生物群落的变化轨迹。可以看到Odense NE污水厂的微生物群落似乎在两年时间里完成了一个循环，而Ejby Molle的变化则相对更稳定。
如果换成季节的变化，或者温度的数据，可得到以下对照结果。同样能够发现出一个循环趋势。
对于微生物整体群落，他们也建立了一个常规预警机制，如果群落变化幅度超过了设定的限值，系统也可以发出报警响应。
图
DNA Fantastic
项目组还将上边的功能集成到名为DNA Fantastic的在线平台里。在这个系统里，用户可以查看各种微生物的变化趋势，如上边提到的Candidatus Amarolinea菌。
微生物数据库
自 2006 年以来，通过DNA测序分析，丹麦已经对50个污水处理厂的微生物群落组成进行了长期跟踪，如今已经形成了一个庞大的数据库。现在每个污水处理厂都对自己厂内的微生物情况有了更深地了解，并且可利用这些信息为关键物种设定更理想的运行条件，提高脱氮除磷的效率，或者改善污泥的沉降性能。
图. 丹麦污水厂获取微生物群落信息的流程图 | 图源：state of green
2017年初成立了便携式手持DNA测序项目，在项目成立之初，Aalborg大学的Peter Halkjær Nielsen教授表示：“早在几年前，这种监测微生物群落的方法就如做梦一样，而如今我们已经可以用于实践了。这个项目将把新的运行方法带给消费者、丹麦的水务公司，并最终介绍给国外的公司和公用事业部门。我们希望将它变成控制和操作污水厂的新方式。这将是水处理厂运营的一场革命。”
随着手持式DNA测序仪的进一步普及，相信在不久的将来，我们就能在丹麦看到许多污水处理厂进行每天或每周的DNA测序分析。这很有可能是提升污水厂运行效率的重大改变。
对污水厂微生物群落研究感兴趣的读者，我们准备了Mikkel algren Stokholm-Bjerregaard先生报告内容的完整视频，大家可以点击以下视频进行回看：
参考资料
https://watertechkrugerdk.veolia.acsitefactory.com/dna-fantastic
https://stateofgreen.com/en/partners/innovation-fund-denmark-innovationsfonden/news/online-dna-analysis-to-control-bacteria-in-wastewater-treatment-plants/
https://stateofgreen.com/en/partners/aalborg-university/solutions/online-dna-analyses-understanding-microbial-communities-in-wwtps-for-process-optimization/
https://ctwatch.dk/nyheder/affald/article13090821.ece
https://www.x-mol.com/paper/1270503754076549120?recommend
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