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(bào)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(jiǎn)介

昆士蘭大學(xué)Zhiguo Yuan團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)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(bào)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(bào)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(duì)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(bào)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(dòng)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(shì)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(duì)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(zhǎng)達(dá)480天的培養(yǎng)，獲得了一種錳驅(qū)動(dòng)的甲烷厭氧氧化富集培養(yǎng)物。生物反應(yīng)器的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在長(zhǎng)達(dá)16個(gè)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(jià)錳的增長(zhǎng)（圖1a），表明甲烷厭氧氧化與高價(jià)錳還原（產(chǎn)物為二價(jià)錳）同時(shí)發(fā)生。化學(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(dòng)。

圖1 a. 生物反應(yīng)器長(zhǎng)期運(yùn)行過程中甲烷、溶解態(tài)二價(jià)鐵和二價(jià)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(shí)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(duì)生物反應(yīng)器長(zhǎng)期運(yùn)行過程中的微生物群落動(dòng)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(gè)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(gè)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(shí)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(shí)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(zhǎng)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(gè)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?cè)诩淄榕c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(duì)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)

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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(duì)：段浩然

作者簡(jiǎn)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(guó)家和省部級(jí)科研課題、子課題20余項(xiàng)，獲中國(guó)專利優(yōu)秀獎(jiǎng)1項(xiàng)，國(guó)際水協(xié)（IWA）科技創(chuàng)新全球最高獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)3項(xiàng)、二等獎(jiǎng)4項(xiàng)、三等獎(jiǎng)6項(xiàng)。授權(quán)專利38項(xiàng)，其中發(fā)明專利20項(xiàng)。

經(jīng)國(guó)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(guó)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(dòng)方案（2019—2021年）》（以下簡(jiǎn)稱《三年行動(dòng)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(jí)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(zhǎng)效機(jī)制”“完善激勵(lì)支持政策”“強(qiáng)化責(zé)任落實(shí)”4個(gè)方面提出了13項(xiàng)工作任務(wù)，為我國(guó)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(tái)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(duì)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(gè)重要的行業(yè)監(jiān)管指標(biāo)，對(duì)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(guó)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(zhǎng)，尤其是2001年—2009年污水處理率的年增長(zhǎng)幅度均超過5個(gè)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(guó)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(píng)價(jià)的需求。首次通過《三年行動(dòng)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(duì)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(guó)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(zhǎng)”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(cè)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(huì)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�?dòng)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(píng)價(jià)指標(biāo)，直接決定了污水中的顆粒物是否會(huì)發(fā)生沉降。對(duì)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(huì)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(shí)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(guó)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(huì)沉淀，而長(zhǎng)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(guó)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(shí)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(huì)提高COD或BOD₅濃度，但不會(huì)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(shí)，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(shí)，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(huì)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(zhǎng)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(dòng)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(duì)于長(zhǎng)期低流速運(yùn)行、坡度相對(duì)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(guó)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(guó)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(zhǎng)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(cè)維護(hù)和質(zhì)量考評(píng)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(cuò)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(cuò)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(cuò)接混接是分流制排水系統(tǒng)獨(dú)有的，居民樓宇的錯(cuò)接混接多數(shù)是因?yàn)橄匆聶C(jī)或廚房搬遷至陽臺(tái)導(dǎo)致的污水錯(cuò)接入雨水立管的問題。這個(gè)問題在南方地區(qū)較為普遍，也是小區(qū)錯(cuò)接混接改造的重點(diǎn)。小區(qū)錯(cuò)接混接改造工程經(jīng)驗(yàn)表明，將原雨水立管簡(jiǎn)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(cuò)接混接問題再次發(fā)生，管道噴涂顏色或增加標(biāo)識(shí)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(cuò)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(shí)，截流并排入市政管網(wǎng)的污水會(huì)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(duì)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(shí)，需考慮采取臨時(shí)措施進(jìn)行處理排放，并同步規(guī)劃啟動(dòng)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(zhǎng)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(duì)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(shí)，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(guó)獨(dú)有的，東京、巴黎、華盛頓等發(fā)達(dá)國(guó)家大都市的老城區(qū)同樣也是以合流制為主，德國(guó)全國(guó)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(zhǎng)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(guó)的合流制排水系統(tǒng)與發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)城鎮(zhèn)排水管道錯(cuò)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(chǎng)所。雨水管道旱季能形成徑流時(shí)，會(huì)在下游入河口產(chǎn)生污水直排問題；不能形成徑流的，會(huì)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(guó)的水環(huán)境問題。

處于大建設(shè)階段的中國(guó)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(cuò)接至污水管網(wǎng)的情況時(shí)，施工降水和基坑排水會(huì)通過錯(cuò)接混接點(diǎn)進(jìn)入污水管網(wǎng)；或即使無錯(cuò)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(cuò)接混接和沿線商鋪排污，也會(huì)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(shí)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(guó)獨(dú)有，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家同樣存在。科學(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(shí)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(shí)，“清水入滲”也不可能違背這個(gè)科學(xué)規(guī)律。在進(jìn)行管道“清水”來源識(shí)別時(shí)，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(duì)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(shí)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(dòng)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(guó)分流制的城市同樣存在小區(qū)和管網(wǎng)沿線錯(cuò)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(duì)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(guó)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(duì)象，停留時(shí)間相對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(cuò)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(shí)存儲(chǔ)設(shè)施，在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的降雨污染控制方面發(fā)揮了重要作用。但我國(guó)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(duì)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(zhǎng)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(duì)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(guó)穩(wěn)定運(yùn)行的最合理、可行的方案。但國(guó)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(zhǎng)調(diào)蓄池排空時(shí)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(guó)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(duì)較低、污水處理后直接排放的時(shí)期得到廣泛應(yīng)用，對(duì)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(jí)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(zhǎng)停留時(shí)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(jí)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(shí)，還存在隨時(shí)超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。

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(huì)面臨更大的社會(huì)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(huì)“穿透”整個(gè)城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)，最終隨出水排入周邊水體，對(duì)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(xiǎn)；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(xiǎn)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(jià)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(shí)，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(duì)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(guó)務(wù)院頒布實(shí)施的《水污染防治行動(dòng)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�！度�年行動(dòng)方案》也明確要求：地方各級(jí)人民政府或工業(yè)園區(qū)管理機(jī)構(gòu)要組織對(duì)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(jí)人民政府應(yīng)組織有關(guān)部門和單位開展評(píng)估，經(jīng)評(píng)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(guó)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(shí)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(dòng)方案》及一系列政策和技術(shù)文件的指引下，科學(xué)識(shí)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(duì)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(dòng)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(zhǎng)”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(guó)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