荷兰Kluyver生物技术实验室-脱氮除磷技术发展演义

实验室是技术的摇篮和产业的发源地。活性污泥法诞生百年来，就有一些著名的实验室，凭借其优秀的研发团队及研发实力，成为了百年工艺的重要助力剂。今天，中国科学技术大学俞汉青教授为我们讲述对活性污泥法有重要影响的实验室之一——荷兰Kluyver生物技术实验室的故事。我们共同回顾这一段有趣的历史，即：一个以基础研究为主的实验室怎样因为一个人的到来成为了面向实际工程应用的顶级实验室?anammox(厌氧氨氧化)技术又是怎样从发现、基础研究走向工程应用?该工艺又是如何仅借助小试和数学模型，就把理论导向了实际应用?

Kluyver生物技术实验室是荷兰戴尔福特理工大学(Delft University of Technology)的一个以生物技术为核心的实验室，环境生物技术仅仅是其研究领域之一。其早先最突出的研究领域是应用微生物，至上世纪80年代，实验室在生物技术前加上了“环境”二字，从此开始涉及环境领域。在这一过程中最有代表性的人物是乔纳斯•歇斯布莱希特•昆伦(Johannes Gijsbrecht Kuenen)，(以下简称Kuenen)，他最重要的贡献是在其指导下，其学生Mulder在实验室首次发现了anammox(厌氧氨氧化)细菌，而后他们开始进行相关的基础研究和机理研究，并逐渐过渡到实验和工程应用领域。

在这之间还有一个非常重要的人物， Mike Jetten，他曾经是Kuenen的助手。同Kuenen一样，此人一开始从事的是基础微生物学的研究，后来去了荷兰内梅亨大学(Radboud University Nijmegen)的生物系。其关于anammox的研究成果经常发表于Science和Nature等顶级期刊。

如果按照这个趋势发展，Kluyver实验室及上述几人或许会一直沿着微生物学的基础研究进行下去。然而，一个人的到来将这一切改变，他就是我们所熟知的马克•范•洛斯德莱特(Mark van Loosdrecht)，水研究(Water Research)杂志的总编辑。Mark本来也是学纯微生物学，在瓦赫林根大学的导师是以传统微生物学的研究而闻名的Alexander Zehnder，Mark跟随他主要做微生物的粘附研究。1988年Mark从瓦赫林根大学(Wageningen University)毕业去了戴尔福特理工大学，开始跟随的并不是Kuenen，而是另外一个导师Sef Heijnen，主要研究代谢工程及模型，即怎样通过微生物的多种物质循环和代谢途径将水中物质分解。

在Mulder发现了anammox细菌之后，Kuenen和Jetten等人原本想将这一成果向科学研究方向发展，但Mark则坚定地将这一技术带入工程应用领域。所以他后来的主要贡献就是将anammox技术从实验室小试放大到鹿特丹的生产线实验。在这一过程中，他参与了活性污泥法数学模组的工作，并发挥了巨大作用。他和Heijnen一起发现了反硝化除磷，且在反硝化除磷的基础上发展了BCFS工艺。这时Mark就将相关的数学模型和代谢研究的研究成果同荷兰做废水处理的两家公司合作，并开始了污水厂的建设。这样，在荷兰BCFS工艺(即用反硝化作用除磷的工艺)，就得到了发展。该工艺实际上是在UCT(开普敦处理)工艺基础上改进而来，其将脱氮除磷和氧化沟结合，设计出一个同心圆结构，该工艺后来在欧洲广受推崇。此外，Mark和Heijnen还提出了若干个工艺，比如Sharon(亚消化)和Canon(即生物膜内置脱氮)工艺。这些工艺发展的独特思路是通过基础研究，建立相应的数学模型，直接为工程的设计、研发和优化服务。这一思路不同于我们习惯的小试-中试-生产性实验-应用的路径，通过数学模型的模拟和设计，跳过了其中的过度环节。这一系列脱氮除磷的处理工艺使Kluyver实验室在污水处理界占有了重要的地位。当时恰逢80年代末、90年代初活性污泥法走向成熟之际，并且也有一些前人的模型作为基础，这也是模型成功另一因素。

Kluyver实验室(Kluyver Lab)

Kluyver实验室专注于有机生命体、及生命体的各部分应用于工业生产过程相关的研究。环境微生物团队是该实验室知名的研究小组。该小组由海宁教授领衔的细胞工程团队和生物分离技术团队组成。研究团队专注于开发和优化用于废物处理和产品合成的生化工艺。研究基于对自然界中元素的微生物和生物化学循环过程的探索。通过研究微生物体中的硫、氮、磷、铁等元素及化合物的转化过程，实现水、气处理工艺的开发。