研究進(jìn)展——探尋新的甲烷厭氧氧化古菌 2020-02-17 16:50 來源：UQ水中心 作者： 蔡琛

Nature旗下微生物生態(tài)學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊The ISME Journal于2020年1月27日在線發(fā)表了題為Anaerobicmethane oxidation coupled to manganese reduction by members of the Methanoperedenaceae的研究論文。該論文報導(dǎo)了由澳大利亞昆士蘭大學(xué)水管理高等研究中心 (Advanced Water Management Centre, AWMC) Zhiguo Yuan / Shihu Hu團(tuán)隊(duì)與澳大利亞生態(tài)基因組學(xué)研究中心(Australian Centre for Ecogenomics, ACE) Gene Tyson團(tuán)隊(duì)合作完成的關(guān)于微生物甲烷厭氧氧化 (anaerobic oxidation of methane) 的最新研究進(jìn)展——錳型甲烷厭氧氧化。

團(tuán)隊(duì)簡介

昆士蘭大學(xué)Zhiguo Yuan團(tuán)隊(duì)長期致力于微生物甲烷厭氧氧化過程的基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)工作。本團(tuán)隊(duì)于2013年在Nature雜志率先報道了一種硝酸鹽型甲烷厭氧氧化古菌(“Candidatus Methanoperedens nitroreducens”)，開拓了淡水生態(tài)系統(tǒng)甲烷厭氧氧化古菌的研究方向1。隨后，又于2018年在The ISME Journal雜志報道了一種鐵型甲烷厭氧氧化古菌（“Candidatus Methanoperedens ferrireducens”), 取得了該研究方向上新的突破2。另一方面，通過對硝酸鹽型甲烷厭氧氧化古菌代謝機(jī)理的深入探索研究，成功開發(fā)出了一種基于甲烷的中空纖維膜生物反應(yīng)器 (methane-based membrane biofilm reactor), 實(shí)現(xiàn)了利用硝酸鹽型甲烷厭氧氧化過程進(jìn)行完全生物脫氮的廢水處理工程應(yīng)用，并在環(huán)境工程領(lǐng)域權(quán)威期刊Water Research和Environmental Science & Technology上發(fā)表論文十?dāng)?shù)篇，詳細(xì)報道了相關(guān)成果。

研究背景

甲烷是一種強(qiáng)效的溫室氣體（溫室效應(yīng)約為CO2的28倍）。微生物驅(qū)動的甲烷厭氧氧化是一種關(guān)鍵的生物地球化學(xué)過程，能有效減少地表的甲烷釋放。在全球氣候變化形勢日趨嚴(yán)峻的背景下，相關(guān)研究已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注。甲烷厭氧氧化過程主要由甲烷厭氧氧化古菌(anaerobicmethanotrophic archaea, ANME) 執(zhí)行。前期研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)甲烷厭氧氧化可以耦合多種電子受體還原，包括硝酸鹽和硫酸鹽。理論上，甲烷厭氧氧化也可以耦合金屬氧化物（鐵錳）還原，并且這種現(xiàn)象廣泛發(fā)生于自然生境中。本研究團(tuán)隊(duì)前期已實(shí)現(xiàn)了鐵型甲烷厭氧氧化的研究突破，然而目前對于主導(dǎo)錳型甲烷厭氧氧化的微生物及其發(fā)生機(jī)理尚不明確。

研究結(jié)果

本研究利用一種前期已獲得的鐵型甲烷厭氧氧化富集培養(yǎng)物作為接種物，并提供錳氧化物 (birnessite) 作為電子受體進(jìn)行富集。通過長達(dá)480天的培養(yǎng)，獲得了一種錳驅(qū)動的甲烷厭氧氧化富集培養(yǎng)物。生物反應(yīng)器的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在長達(dá)16個月的實(shí)驗(yàn)階段甲烷持續(xù)在消耗并伴隨有溶解態(tài)二價錳的增長（圖1a），表明甲烷厭氧氧化與高價錳還原（產(chǎn)物為二價錳）同時發(fā)生�；瘜W(xué)計(jì)量學(xué)分析顯示甲烷厭氧氧化與錳還原耦合，進(jìn)一步表明該反應(yīng)體系中甲烷厭氧氧化過程由錳驅(qū)動。

圖1 a. 生物反應(yīng)器長期運(yùn)行過程中甲烷、溶解態(tài)二價鐵和二價錳的變化。

1b.基于宏基因組分析的生物反應(yīng)器中微生物組成隨時間的變化。

通過應(yīng)用宏基因組與宏轉(zhuǎn)錄組手段，研究人員對生物反應(yīng)器長期運(yùn)行過程中的微生物群落動態(tài)變化和功能微生物的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系及其甲烷氧化與電子傳遞途徑等進(jìn)行了深入分析。宏基因組分析表明，主導(dǎo)鐵型甲烷厭氧氧化的ANME (“Candidatus Methanoperedensferrireducens”) 在整個微生物群落中占比逐漸減少，取而代之的是兩種新的ANME（圖1b）。系統(tǒng)發(fā)育及氨基酸序列分析表明這兩種古菌與“Ca. M. ferrireducens”及本研究團(tuán)隊(duì)早期發(fā)現(xiàn)的主導(dǎo)硝酸鹽型甲烷厭氧氧化的ANME (“CandidatusMethanoperedens nitroreducens”) 均有明顯區(qū)別，是歸屬于“Ca. Methanoperedens”屬的兩個新種。這兩種ANME被分別命名為“Ca. M. manganicus” 和“Ca. M. manganireducens”.

宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組分析顯示（圖2），“Ca. M. manganicus” 和“Ca.M. manganireducens”都具有完整的甲烷厭氧氧化途徑(reversemethanogenesis), 并且相關(guān)基因的表達(dá)量都很高。同時它們都編碼了大量的多血紅素細(xì)胞色素c (multihemec-type cytochrome, MHC)，這被認(rèn)為是ANME能夠進(jìn)行胞外電子傳遞的重要證據(jù)。另一方面，這兩種ANME分別利用了特定的MHC組合進(jìn)行電子傳遞，并且與鐵型ANME “Ca. M. ferrireducens”所利用的MHC組合存在很大差別。這些證據(jù)表明，不同ANME在還原不同金屬氧化物電子受體時所采用的胞外電子傳遞策略具有特異性。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)ANME采用了一種全新的胞外電子傳遞途徑，即利用一種類似于鞭毛蛋白的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)進(jìn)行電子傳輸，或可實(shí)現(xiàn)更長距離的胞外電子傳遞。

圖2 基于宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組分析的“Ca. M. manganicus” 和“Ca.M. manganireducens”的關(guān)鍵代謝途徑。此圖主要展示了甲烷厭氧氧化及胞內(nèi)與胞外電子傳遞過程。

研究展望

結(jié)合之前的鐵型甲烷厭氧氧化工作，關(guān)于金屬氧化物耦合的甲烷厭氧氧化研究發(fā)現(xiàn)了ANME含有大量不同種類的MHC，為進(jìn)一步深入研究ANME的胞外電子傳遞機(jī)理提供了豐富的信息。其次，新發(fā)現(xiàn)的兩種主導(dǎo)錳型甲烷厭氧氧化的ANME豐富了整個ANME類群，有助于未來完善ANME在自然界中的分布、多樣性以及它們在甲烷與金屬相關(guān)的生物地球化學(xué)循環(huán)中的作用的研究。此外，對于ANME代謝機(jī)理特別是胞外電子傳遞機(jī)理的研究將有助于實(shí)現(xiàn)甲烷到高附加值化學(xué)品的轉(zhuǎn)化，或能夠?yàn)榧淄橘Y源的利用提供新的思路。

原文鏈接

https://www.nature.com/articles/s41396-020-0590-x

參考文獻(xiàn)

1. Haroon, M.F., Hu, S., Shi, Y., Imelfort, M., Keller, J.,Hugenholtz, P., Yuan, Z. and Tyson, G.W. (2013) Anaerobic oxidation of methanecoupled to nitrate reduction in a novel archaeal lineage. Nature 500(7464),567-570.

2. Cai, C., Leu, A.O., Xie, G.-J., Guo, J., Feng, Y., Zhao,J.-X., Tyson, G.W., Yuan, Z. and Hu, S. (2018) A methanotrophic archaeoncouples anaerobic oxidation of methane to Fe(III) reduction. The ISME journal 12(8), 1929-1939.

作者：蔡琛 (論文共同第一作者, 昆士蘭大學(xué)水管理高等研究中心博士后研究員)

校對：段浩然

作者簡介：孫永利（1975—），山東威海人，博士，正高，主要從事城市水體和污水處理的技術(shù)與政策研究，承擔(dān)國家和省部級科研課題、子課題20余項(xiàng)，獲中國專利優(yōu)秀獎1項(xiàng)，國際水協(xié)（IWA）科技創(chuàng)新全球最高獎1項(xiàng)，省部級科技進(jìn)步一等獎3項(xiàng)、二等獎4項(xiàng)、三等獎6項(xiàng)。授權(quán)專利38項(xiàng)，其中發(fā)明專利20項(xiàng)。

經(jīng)國務(wù)院同意，2019年4月29日住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、生態(tài)環(huán)境部、國家發(fā)展改革委聯(lián)合印發(fā)了《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動方案（2019—2021年）》（以下簡稱《三年行動方案》），明確提出加快補(bǔ)齊城鎮(zhèn)污水收集和處理設(shè)施短板，盡快實(shí)現(xiàn)污水管網(wǎng)全覆蓋、全收集、全處理的總體要求，提出地級及以上城市建成區(qū)基本消除“生活污水直排口”“生活污水收集處理設(shè)施空白區(qū)”“黑臭水體”，最終實(shí)現(xiàn)“生活污水集中收集效能”顯著提升的工作目標(biāo)，并從“推進(jìn)生活污水收集處理設(shè)施改造和建設(shè)”“健全排水管網(wǎng)長效機(jī)制”“完善激勵支持政策”“強(qiáng)化責(zé)任落實(shí)”4個方面提出了13項(xiàng)工作任務(wù)，為我國城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)提質(zhì)增效工作指明了方向。為此，正確理解文件的出臺背景，系統(tǒng)分析城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施效能低下的原因，科學(xué)梳理引發(fā)城鎮(zhèn)水體污染的“真問題”，合理選擇工程措施和技術(shù)手段，對癥下藥，快速實(shí)現(xiàn)污水收集效能提升，是城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)亟需解決的問題。

城鎮(zhèn)污水處理率是一個重要的行業(yè)監(jiān)管指標(biāo)，對快速推進(jìn)城鎮(zhèn)污水處理工程建設(shè)，實(shí)現(xiàn)污水處理設(shè)施全面普及發(fā)揮了重要作用。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2000年以來我國城鎮(zhèn)污水處理能力以每年不低于500×10⁴ m³/d的規(guī)�？焖僭鲩L，尤其是2001年—2009年污水處理率的年增長幅度均超過5個百分點(diǎn)；到2018年，75%以上的設(shè)市城市污水處理率超過90%，40%以上超過95%，部分城鎮(zhèn)的污水處理量甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過供水量，表明我國大部分城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施能力可以滿足居民生活污水處理需求。

污水處理率是指城鎮(zhèn)污水處理廠實(shí)際處理水量與城鎮(zhèn)生產(chǎn)生活排放污水量的比值，但由于城鎮(zhèn)污水處理廠處理的水中摻混了地表水、地下水、山溪水、施工降水等，該比值已經(jīng)難以滿足行業(yè)質(zhì)量管控和效能評價的需求。首次通過《三年行動方案》提出的“生活污水集中收集率”指標(biāo)，以城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施收集的污染物總量與居民生活排放的污染物總量之比作為統(tǒng)計(jì)計(jì)算依據(jù)，更好地反映了城鎮(zhèn)污水的收集普及水平和管網(wǎng)的轉(zhuǎn)輸能力。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，雖然很多設(shè)市城市的“污水處理率”處于較高水平，但“生活污水集中收集率”指標(biāo)多處于相對較低水平，也就是說污水處理廠雖然處理了很多“污水”，但“污染物”的處理水平并不高，“污染物”外排環(huán)境水體的問題仍普遍存在，盲目擴(kuò)大污水處理規(guī)模和提高污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)并不一定能化解我國的水環(huán)境污染問題，城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)需要由“規(guī)模增長”向“質(zhì)量提升”“效益提升”轉(zhuǎn)變，全面提升城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)的運(yùn)行性能是城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效的核心和關(guān)鍵。

“生活污水集中收集率”指標(biāo)測算公式中的污水處理設(shè)施收集污染物總量,主要是通過城鎮(zhèn)污水處理廠處理水量與污染物平均濃度計(jì)算的。雖然從公式的表達(dá)形式看，污水處理量越大，生活污水集中收集率就會越高，但這并不代表可以通過擴(kuò)大污水處理規(guī)模，多處理污水來實(shí)現(xiàn)生活污水集中收集率指標(biāo)的提升，因?yàn)椤度�年行動方案》也明確了進(jìn)水BOD₅<100 mg/L的污水處理廠是提質(zhì)增效的核心，也是未來行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。盲目擴(kuò)建城鎮(zhèn)污水處理廠來提升生活污水集中收集率，必將引發(fā)污水處理廠進(jìn)水污染物濃度偏低的問題，并非明智之舉。

2.1提高管道流速是提升生活污水收集率的前提

流量、充滿度、流速是排水管道的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，而流速是管道運(yùn)行效果的最主要評價指標(biāo)，直接決定了污水中的顆粒物是否會發(fā)生沉降。對于給定的污水管道，在恒定流量的情況下，充滿度越高意味著過水?dāng)嗝婷娣e越大，流速越低。實(shí)際水量低于設(shè)計(jì)水量,而充滿度高于設(shè)計(jì)充滿度的管網(wǎng)，實(shí)際流速必然低于設(shè)計(jì)流速，甚至可能低于不沉降流速的控制要求，出現(xiàn)明顯的顆粒物沉積問題。按高充滿度設(shè)計(jì)，而實(shí)際水量已經(jīng)接近甚至超過設(shè)計(jì)水量的污水管道，滿管流并不一定會引起管道的低流速沉積問題。與分流制污水管道相比，合流制管道旱季高充滿度運(yùn)行時的流速問題更加突出，顆粒物沉積問題更加嚴(yán)重。

管道沉積物以泥沙等無機(jī)固體和大分子有機(jī)物（COD或BOD₅）為主，旱季污水的COD或BOD₅大量沉淀在管道內(nèi)，是我國城鎮(zhèn)污水處理率較高，但居民生活污水收集率偏低的根本原因；雖然沉淀物中也含有氮磷有機(jī)物，但溶解性的氨氮、磷酸鹽等物質(zhì)通常不會沉淀，而長期沉積在管道內(nèi)的含氮含磷有機(jī)物還可能發(fā)生水解反應(yīng)，向水中釋放氨氮、磷酸鹽等溶解性物質(zhì)，這是我國城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)水碳氮磷比例失調(diào)、脫氮除磷所需碳源不足的重要原因。COD/TN或COD/NH₃-N是污水管網(wǎng)顆粒物沉降問題的最佳識別因子，指標(biāo)值降低是污水管道低流速運(yùn)行，大分子有機(jī)物沉淀導(dǎo)致的COD降低，而溶解性氮并未因沉淀而降低的最佳說明。降低管道運(yùn)行水位，多數(shù)情況下只會提高COD或BOD₅濃度，但不會引起氮磷濃度的明顯增加，有助于緩解污水處理廠碳源不足問題。降雨期間，大量雨水涌入分流制污水管道和合流制管道，導(dǎo)致管道流速增加，沖刷并攜帶旱季沉積的有機(jī)物排入城市水體，嚴(yán)重影響了城市水體的治理效果，增加了水體水質(zhì)維持的難度。

上述結(jié)果表明，旱季流速是管道運(yùn)行狀況的重要考核指標(biāo)，不能合理控制管道旱季水位和流速，再好的管道質(zhì)量也無法徹底解決低流速導(dǎo)致的顆粒物沉積問題。通過降低充滿度和運(yùn)行水位，將管道實(shí)際流速恢復(fù)至不低于設(shè)計(jì)流速或最小沉降流速是解決旱季沉降問題的最有效措施，也是快速提升居民生活污水集中收集率指標(biāo)的最佳途徑。

2.2降低管道水位是避免污水冒溢的有效途徑

污水管道處于非滿管狀態(tài)時，水面之上仍具有較大的蓄水空間，可以有效解決居民用水高峰期間的排水水量沖擊問題。而污水管網(wǎng)處于滿管狀態(tài)時，就失去了這種緩沖水量沖擊的能力，只要上游輸入水量超過下游輸送能力，就會經(jīng)常性發(fā)生管道沿線污水冒溢問題。分流制污水管道和合流制管道長期“滿管流”是很多城市排水口或溢流口階段性污水冒溢的根本原因，降低管道運(yùn)行水位是避免居民生活污水排放量波動引起的污水冒溢問題的重要措施。

2.3降低泵池運(yùn)行水位是實(shí)現(xiàn)管道低水位的前提

污水管道水位和下游提升泵站水位之間遵循連通器原理，通常情況下管道流速越高則上下游之間的水位差越大，因此上游管道的水位一般明顯高于下游提升泵站的運(yùn)行水位；但對于長期低流速運(yùn)行、坡度相對較小的城市污水干管而言，管道沿程的水位差并不明顯，污水管道的運(yùn)行水位實(shí)際上主要受下游提升泵站和污水處理廠集水井的運(yùn)行水位控制。提升泵站和污水處理廠集水井過高的運(yùn)行水位是城市污水管道“滿管流”的最重要原因，只有將其降低至管道控制水位線以下才可能真正意義上實(shí)現(xiàn)管道的低水位運(yùn)行。

2.4定期清淤是提升污水管網(wǎng)健康水平的保障

為保障污水管網(wǎng)的正常運(yùn)行和設(shè)施效能的穩(wěn)定發(fā)揮，歐美等發(fā)達(dá)國家通常將管道淤積深度控制在不超過管道直徑的5%。但我國真正定期實(shí)施管道清通養(yǎng)護(hù)工作的城市并不多見，大部分污水管道處于年久失修狀態(tài)，再加上長期低流速運(yùn)行導(dǎo)致的顆粒物沉降，污水管道多數(shù)存在底泥淤積問題，部分管道淤積深度甚至超過管道直徑的50%，不僅影響了過水能力，還是導(dǎo)致檢查井周邊區(qū)域空氣環(huán)境質(zhì)量差的重要原因。積泥深度控制是管道運(yùn)行狀況的重要保障，應(yīng)將污水管道清通養(yǎng)護(hù)水平和管道積泥深度作為城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)檢測維護(hù)和質(zhì)量考評的重要指標(biāo)。

3.1強(qiáng)化居民小區(qū)污水直排和管網(wǎng)錯接混接治理

城鎮(zhèn)排水和污水收集管網(wǎng)是重要的市政基礎(chǔ)設(shè)施，通常與市政道路等工程同步實(shí)施，因此多數(shù)城市并不存在市政主干管網(wǎng)空白區(qū)問題。但小區(qū)內(nèi)部管網(wǎng)錯接混接、小區(qū)管網(wǎng)與市政管網(wǎng)斷接，以及歷史遺留的老舊城區(qū)、城中村、城鄉(xiāng)結(jié)合部區(qū)域和城市快速擴(kuò)張形成的市政設(shè)施未覆蓋的居住區(qū)，通常是市政管網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)，也是造成“生活污水直排口”“生活污水收集處理設(shè)施空白區(qū)”問題的關(guān)鍵，是管網(wǎng)建設(shè)工作的最大難點(diǎn)和痛點(diǎn)。

管網(wǎng)錯接混接是分流制排水系統(tǒng)獨(dú)有的，居民樓宇的錯接混接多數(shù)是因?yàn)橄匆聶C(jī)或廚房搬遷至陽臺導(dǎo)致的污水錯接入雨水立管的問題。這個問題在南方地區(qū)較為普遍，也是小區(qū)錯接混接改造的重點(diǎn)。小區(qū)錯接混接改造工程經(jīng)驗(yàn)表明，將原雨水立管簡單改造為污水管道，并增設(shè)雨水立管的方式并不能杜絕錯接混接問題再次發(fā)生，管道噴涂顏色或增加標(biāo)識也不能徹底解決上述問題。參照空調(diào)排水管道設(shè)計(jì)思路，在每一樓層合理預(yù)設(shè)接駁口，是避免錯接混接反復(fù)的重要保障措施。

3.2加強(qiáng)生活污水直排的源頭治理和分類處理

生活污水直排口不應(yīng)一截了之，更不能直接采取截流污水全部就近排入市政管網(wǎng)，納入污水處理廠的極端做法。城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)和污水處理廠都有其設(shè)計(jì)輸送和處理能力，當(dāng)污水量超過管網(wǎng)輸送能力或污水處理廠處理能力時，截流并排入市政管網(wǎng)的污水會在管網(wǎng)沿線或污水處理廠前形成直排或溢流排放問題。生活污水直排口截污前應(yīng)加強(qiáng)對擬排入管網(wǎng)和污水處理廠冗余能力的分析，不具有冗余處理能力時，需考慮采取臨時措施進(jìn)行處理排放，并同步規(guī)劃啟動永久性治理工程建設(shè)。

污水管道“滿管流”造成的“生活污水直排”問題，原則上只能通過降低管道運(yùn)行水位，騰挪足夠的緩沖空間，接納居民生活污水峰值排放量的方式解決；感潮河段落潮期間產(chǎn)生的溢流排污問題，是漲潮頂托城市水體水位上漲并淹沒排水口，形成水體倒灌的必然結(jié)果，必須通過倒灌口的合理設(shè)計(jì)改造和控制才能徹底根除。

現(xiàn)有城鎮(zhèn)污水處理能力不足、污水處理廠長期超負(fù)荷運(yùn)行，“生活污水直排口”“生活污水收集處理設(shè)施空白區(qū)”等問題相對突出的城市，應(yīng)將生活污水全收集、全處理作為當(dāng)前的主要任務(wù)，在污水處理廠擴(kuò)建和提標(biāo)所需占地面積不足、新建工程選址和建設(shè)難度較大時，優(yōu)先推進(jìn)污水處理廠擴(kuò)建工程建設(shè)，徹底解決污水管道或污水處理廠前旱季溢流或直排問題，全面提升城鎮(zhèn)居民生活污水收集率，實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)生活污染總量減排。

4.1以污染總量削減為目標(biāo)構(gòu)建合流制排水系統(tǒng)

不論是合流制還是分流制排水系統(tǒng)，都有其自身的優(yōu)點(diǎn)，也必然有其不足。合流制并不是我國獨(dú)有的，東京、巴黎、華盛頓等發(fā)達(dá)國家大都市的老城區(qū)同樣也是以合流制為主，德國全國的合流制占比甚至超過了50%。雨污不分是老舊城區(qū)的通病，但運(yùn)行良好的合流制排水管道可將旱季排入收集系統(tǒng)的所有污染物輸送至污水處理廠，不管這些污染物是小區(qū)居民通過雨水立管排入，還是沿街商鋪通過雨水箅子排入。因此只要是合流制管網(wǎng)全覆蓋，排水管道運(yùn)行良好的區(qū)域，原則上應(yīng)不存在旱季直排或冒溢問題。管道建設(shè)的空白區(qū)和長期“滿管流”是合流制排水區(qū)域污水直排和冒溢問題的根源。

我國的合流制排水系統(tǒng)與發(fā)達(dá)國家的最大差距是降雨溢流污染控制問題。目前,歐美、日本等發(fā)達(dá)國家合流制區(qū)域多數(shù)按截流倍數(shù)設(shè)置了污水處理廠雨季處理能力，部分城市甚至在合流制管網(wǎng)入河口設(shè)置了快速凈化設(shè)施，有效解決了合流制排水系統(tǒng)降雨期間的顆粒物沖刷入河導(dǎo)致的水體污染和河道底泥沉積問題。我國絕大部分城市并不具備降雨污染控制能力，再加上降雨沖刷導(dǎo)致的旱季管道沉積污染入河，是我國合流制排水區(qū)域城市水體雨后黑臭的最大根源，也是未來城市水體治理應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)方向。

4.2加強(qiáng)分流制系統(tǒng)末端截流的“清水入流”管控

我國城鎮(zhèn)排水管道錯接混接、沿街商鋪違法排污、工業(yè)企業(yè)偷排等問題較為普遍，分流制雨水管道成為藏污納垢的重要場所。雨水管道旱季能形成徑流時，會在下游入河口產(chǎn)生污水直排問題；不能形成徑流的，會存留在管道內(nèi)并在降雨期間被沖刷至城市水體。有瑕疵的分流制系統(tǒng)并不能徹底解決我國的水環(huán)境問題。

處于大建設(shè)階段的中國城市，借雨水管道排放施工降水和基坑排水成為無法回避的難題。雨水管網(wǎng)沿線存在錯接至污水管網(wǎng)的情況時，施工降水和基坑排水會通過錯接混接點(diǎn)進(jìn)入污水管網(wǎng)；或即使無錯接混接問題，施工降水和基坑排水本身含有的泥沙疊加源頭錯接混接和沿線商鋪排污，也會使雨水口成為新的排污口，雨水口末端截污成為很多地方的無奈之舉。施工降水和基坑排水成為很多城鎮(zhèn)污水處理廠最大的“清水”來源，不僅稀釋了污水處理廠進(jìn)水濃度，而且增加了處理水量壓力。

4.3科學(xué)識別清水來源是“清污分流”的基本保證

污水管道的“清水入滲”問題并非中國獨(dú)有，歐美等發(fā)達(dá)國家同樣存在�？茖W(xué)推進(jìn)“清污分流”是城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效、污水管網(wǎng)系統(tǒng)改造修復(fù)的重要工作方向。

污水管道“清水”來源識別是科學(xué)推進(jìn)“清污分流”工作的前提和基礎(chǔ)，“水往低處流”是最基本的生活常識，“清水入滲”也不可能違背這個科學(xué)規(guī)律。在進(jìn)行管道“清水”來源識別時，應(yīng)通過關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)污水管道水位與周邊可能產(chǎn)生入流/入滲問題的地下水、淺層地下水、地表水（含山溪水等）的水位關(guān)系及其季節(jié)變化特征分析，明確污水管道中的“清水”來源并制定切實(shí)可行的技術(shù)策略。過高的城市水體水位導(dǎo)致的地表水入流或倒灌污水管道問題應(yīng)引起排水行業(yè)的廣泛關(guān)注。盲目將地下水或地表水認(rèn)定為污水管道中“清水”的主要來源，將管道質(zhì)量差認(rèn)定為清水入滲的根源，可能并不利于污水管道“正本清源”工作的科學(xué)推進(jìn)。

考慮到多數(shù)入滲/入流污水管網(wǎng)的“清水”通常處于相對較低的NH₃-N濃度水平，且NH₃-N值通常不受管道沉積影響，實(shí)際工作中可將NH₃-N作為“清水入滲”問題的識別指標(biāo)，通過管網(wǎng)沿線各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的NH₃-N變化情況分析，粗略估算“清水”入滲的來源和入滲比例。

5.1可快速啟動技術(shù)是降雨污染控制的最佳選擇

不管合流制還是分流制排水系統(tǒng)，降雨污染控制都是無法回避的現(xiàn)實(shí)需求，我國分流制的城市同樣存在小區(qū)和管網(wǎng)沿線錯接混接導(dǎo)致的污水管道溢流污染和小散亂排污導(dǎo)致的雨水管道沖刷污染問題。與居民生活污水連續(xù)排放不同，降雨并非連續(xù)發(fā)生的事件，如采取生物處理技術(shù)，不僅需要在降雨來臨前進(jìn)行生物培養(yǎng)，還需要考慮降雨后的生物污泥處理處置問題。片面追求降雨污染控制設(shè)施的高排放標(biāo)準(zhǔn)，要求使用生物處理技術(shù)對降雨污染進(jìn)行凈化，在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面都存在不合理之處。

降雨屬于短期行為，需要的是反應(yīng)周期短、見效速度快、水量負(fù)荷大、抗沖擊能力強(qiáng)的處理設(shè)施，歐美等發(fā)達(dá)國家實(shí)際上也通常選用以SS、COD和TP,尤其是可沉淀顆粒物為主要去除對象，停留時間相對較短的化學(xué)混凝沉淀、加砂沉淀、介質(zhì)過濾等物化處理技術(shù)裝備，并通過相對較大的設(shè)施規(guī)模，快速高效削減降雨溢流污染總量，降低降雨污染對受納水體的影響。

5.2海綿城市“滲、蓄、凈”強(qiáng)化降雨污染總量削減

除可采取處理設(shè)施對已排入管道中的雨污水進(jìn)行凈化處理外，實(shí)際工作中也可考慮充分發(fā)揮海綿設(shè)施的“滲、蓄”功能，通過海綿設(shè)施將雨水截留在城市土壤中，以減少排入管道的雨水量，降低合流制管道溢流量和錯接混接造成的分流制污水管道冒溢量，實(shí)現(xiàn)降雨污染總量削減。

調(diào)蓄池作為雨水的臨時存儲設(shè)施，在歐美等發(fā)達(dá)國家的降雨污染控制方面發(fā)揮了重要作用。但我國的合流制溢流水、分流制污水管道冒溢水和雨水管道沖洗水都存在比較嚴(yán)重的沉積底泥沖刷污染問題，泥沙和有機(jī)物含量過高的水進(jìn)入調(diào)蓄池，對調(diào)蓄池的惡臭控制和雨后沖洗維護(hù)提出更高要求。另外，如何為調(diào)蓄池配套高標(biāo)準(zhǔn)污水處理設(shè)施，確保雨后處理達(dá)標(biāo)排放也是重大的技術(shù)難題。在調(diào)蓄池前設(shè)置快速凈化設(shè)施，有效去除其中的顆粒物，在此基礎(chǔ)上適當(dāng)延長調(diào)蓄池的排空周期要求，并通過下游污水處理廠的冗余能力對調(diào)蓄池污水進(jìn)行處理達(dá)標(biāo)排放，是調(diào)蓄池在我國穩(wěn)定運(yùn)行的最合理、可行的方案。但國內(nèi)多數(shù)城鎮(zhèn)污水處理廠并不具備這種冗余能力，南方降雨頻繁地區(qū)多數(shù)也不具有延長調(diào)蓄池排空時間的條件。

6.1工業(yè)廢水排入影響城鎮(zhèn)污水處理廠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)

工業(yè)企業(yè)自建污水預(yù)處理設(shè)施，將工業(yè)廢水處理至滿足下水道納管標(biāo)準(zhǔn)后排入城市下水道，是我國城鎮(zhèn)排水工程設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)做法，在城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)相對較低、污水處理后直接排放的時期得到廣泛應(yīng)用，對全面實(shí)現(xiàn)污染總量減排起到重要作用。

但是廠內(nèi)預(yù)處理達(dá)到排入下水道標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)廢水中通常含有大量不可生物降解的溶解性有機(jī)物，尤其是有機(jī)氮磷。一級A,尤其是準(zhǔn)Ⅳ、準(zhǔn)Ⅲ類排放標(biāo)準(zhǔn)中的COD、BOD₅、TP等指標(biāo)的限值已經(jīng)與生活污水中不可生物降解溶解性有機(jī)物和有機(jī)磷的量基本相當(dāng)，如果再疊加工業(yè)廢水中不可生物降解的溶解性有機(jī)物和有機(jī)氮磷的影響，常規(guī)污水處理工藝很難確保穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，實(shí)際工程中不僅需要考慮延長停留時間、增加曝氣強(qiáng)度等生物處理措施，甚至需要增設(shè)臭氧、芬頓等高級氧化工藝單元，或活性炭、活性焦等物理吸附工藝單元，增加工程投資和運(yùn)行成本的同時，還存在隨時超標(biāo)的風(fēng)險。

工業(yè)廢水達(dá)到城市下水道標(biāo)準(zhǔn)后排入城鎮(zhèn)污水處理廠處理，并非經(jīng)濟(jì)有效的減排措施。工業(yè)廢水通過工業(yè)企業(yè)自建設(shè)施處理達(dá)標(biāo)，實(shí)際上是高濃度污染物的去除過程，去除單位污染物所需的能耗物耗并不高。但工業(yè)廢水排入城鎮(zhèn)污水處理廠并被城鎮(zhèn)污水稀釋后，就演變成大水量低濃度污染物的去除過程，不僅面臨著處理水量的成倍增加，還涉及到低濃度物質(zhì)去除所需的能耗物耗的成倍增加。也就是說與工業(yè)企業(yè)自建設(shè)施達(dá)標(biāo)排放相比，工業(yè)廢水排入城鎮(zhèn)污水處理廠處理會面臨更大的社會成本。

工業(yè)廢水達(dá)到排入城市下水道相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)一般也采用生物處理技術(shù)，因此將排入城市下水道的COD控制標(biāo)準(zhǔn)由500 mg/L降低到300 mg/L甚至更低水平，所去除的仍然以可生物降解有機(jī)物為主，最終排入城鎮(zhèn)污水處理廠的不可生物降解有機(jī)物總量并沒有實(shí)質(zhì)性降低。因此降低工業(yè)廢水排入城市下水道標(biāo)準(zhǔn)的做法，通常難以徹底解決難生物降解有機(jī)物引起的城鎮(zhèn)污水處理廠難達(dá)標(biāo)的問題。

6.2工業(yè)廢水排入影響再生水和污泥的安全利用

除含有大量不可生物降解有機(jī)物外，排入城市下水道的工業(yè)廢水通常還含有不能通過生物凈化去除的重金屬、有毒有害物質(zhì)，這些物質(zhì)會“穿透”整個城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)，最終隨出水排入周邊水體，對城市水體的生態(tài)安全性形成潛在影響；或通過吸附、沉淀等工藝單元進(jìn)入剩余污泥，增加了污泥處理處置和生態(tài)利用的風(fēng)險；采用各種化學(xué)強(qiáng)氧化工藝技術(shù)與裝備進(jìn)行不可生物降解有機(jī)物的極限去除，還有可能出現(xiàn)新的副產(chǎn)物和中間體，引發(fā)新的環(huán)境污染和生態(tài)風(fēng)險問題。

部分食品工業(yè)廢水因富含有機(jī)物，被很多城鎮(zhèn)污水處理企業(yè)遴選為低成本的廉價碳源。作為高排放標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)污水處理廠的外部碳源，不僅需要關(guān)注其有機(jī)物含量，也包括其碳、氮、磷比例，以及不可生物降解有機(jī)物、重金屬和有毒有害物質(zhì)含量，避免因小失大，將食品工業(yè)廢水作為補(bǔ)充碳源的同時，大量引入不可生物降解有機(jī)物、高氮磷物質(zhì)、重金屬或有毒有害污染物，對污水處理工藝運(yùn)行和出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)造成影響。

6.3工業(yè)企業(yè)退出城鎮(zhèn)污水處理廠獲得政策支持

國務(wù)院頒布實(shí)施的《水污染防治行動計(jì)劃》明確規(guī)定：城市建成區(qū)內(nèi)現(xiàn)有鋼鐵、有色金屬、造紙、印染、原料藥制造、化工等污染較重的企業(yè)應(yīng)有序搬遷改造或依法關(guān)閉。《三年行動方案》也明確要求：地方各級人民政府或工業(yè)園區(qū)管理機(jī)構(gòu)要組織對進(jìn)入市政污水收集設(shè)施的工業(yè)企業(yè)進(jìn)行排查，地方各級人民政府應(yīng)組織有關(guān)部門和單位開展評估，經(jīng)評估認(rèn)定污染物不能被城鎮(zhèn)污水處理廠有效處理或可能影響城鎮(zhèn)污水處理廠出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的，要限期退出。一系列政策文件為工業(yè)企業(yè)退出城鎮(zhèn)污水處理廠提供了政策和技術(shù)保障。

經(jīng)過多年的快速建設(shè)，我國的城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)全面普及，絕大多數(shù)城市現(xiàn)有污水處理廠的處理能力基本上可以滿足城鎮(zhèn)居民生活排水的處理要求。但排水管網(wǎng)不健全、不完善、管網(wǎng)質(zhì)量差、運(yùn)行不規(guī)范、養(yǎng)護(hù)不及時等導(dǎo)致的收集效能低下、污水處理廠進(jìn)水濃度偏低的問題較為突出，已經(jīng)成為影響行業(yè)發(fā)展和質(zhì)量提升的重大問題，只有在《三年行動方案》及一系列政策和技術(shù)文件的指引下，科學(xué)識別引發(fā)城鎮(zhèn)排水設(shè)施效能低下的實(shí)際問題，圍繞核心問題，對癥下藥，通過各種工程措施和技術(shù)手段，快速實(shí)現(xiàn)污水收集效能提升，才能順利完成《三年行動方案》提出的城鎮(zhèn)居民生活污水收集率和城鎮(zhèn)污水處理廠濃度提升的雙重目標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)由“規(guī)模增長”向“質(zhì)量提升”和“效益提升”的科學(xué)轉(zhuǎn)變。

本文刊登于《中國給水排水》2020年第2期：城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效的內(nèi)涵與思路，作者：孫永利