城市水再生平行 A2O 与 MBR 处理线中的微生物去除：多标记 qPCR 监测与基于 QMRA 的处理信用评估

《Journal of Water Process Engineering》：Microbial removal in parallel A2O and MBR treatment trains for urban water reclamation: Multi-marker qPCR monitoring and QMRA-based treatment-credit assessment

　　

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  在共享进水流条件下，平行对比了全规模A2O工艺与MBR工艺的去除效果。
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  采用五标记qPCR组合量化了各连续处理阶段的归趋。
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  人腺病毒（HAdV）的去除率始终低于2 log₁₀；粪便标记物去除率达2.0–4.0 log₁₀。
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  标记物间相关性（ρ = 0.59–0.83）支持分级替代标记物的使用。
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  QMRA分析显示HAdV治疗信用缺口为2.2–3.6 log₁₀，与10^?4目标存在差距。

引言

水资源短缺已成为全球性紧迫挑战。受气候变异、人口增长和工业化进程的驱动，城市人口面临日益加剧的淡水资源压力。在此背景下，利用城市水源的中水回用已成为补充非饮用用水供应的可持续解决方案，广泛应用于农业灌溉、工业冷却、景观养护、环境流量补充以及地下水回灌等领域[1]。然而，确保中水的微生物安全性仍是制约公众接受度和监管框架制定的根本性挑战[2]。市政污水中含有多种微生物，包括能在常规处理工艺中存活的人类肠道病原体，若处理不达标可导致水媒疾病暴发[3]。

传统水质监测方案侧重于大肠菌群和大肠杆菌等指示菌的培养计数法，而非直接检测病原体[4]。虽然操作简便，但细菌指示物与肠道病毒在环境归趋和处理敏感性方面存在差异，从而限制了其对出水巾病毒病原体出现的预测价值。分子方法，特别是定量聚合酶链反应（qPCR），能够快速、灵敏且特异性地量化微生物源追踪标记物，更好地反映人类粪便污染状况[5]。HF183拟杆菌标记物已作为一种经验证的、具有人类特异性的指示物在全球不同地理环境中得到应用[6]。人腺病毒（HAdV）是市政污水中最常检出的肠道病毒之一，已被提议作为水媒病毒病原体的指标生物[7]。作为具有稳健二十面体衣壳的双链DNA病毒，HAdV对环境降解和常规消毒工艺表现出显著抗性[8]，使其成为健康风险评估中的保守参考病原体[9]。人多瘤病毒（HPyV）同样因其宿主范围和环境中持久性而可作为病毒指示物[10]。CrAss噬菌体因其高度宿主特异性和在人类粪便中的高丰度，已成为一种有前景的粪便指示物[11]。一项针对2000–2021年全球污水病毒学文献的元分析进一步证实了HAdV的顽固性：其跨二级和三级处理的log₁₀中位去除率仅为0.33至0.55（53%–72%），远低于诺如病毒、肠病毒和轮状病毒所记录的≥0.8 log₁₀去除率[12]。这一系统性局限，而非特定场址的特例，表明HAdV是生产微生物安全中水的关键瓶颈，也为本研究采用的整合分子标记物–QMRA框架提供了依据。

定量微生物风险评估（QMRA）已成为水回用场景中评估健康风险的重要框架，能够将病原体浓度转化为基于概率的健康结局[13]、[14]。膜生物反应器（MBR）系统通过亚微米级膜实现固液分离，在水回用领域已获广泛采用[15]、[16]，而紫外（UV）消毒则提供病毒灭活功能[17]。然而，腺病毒对紫外线的抗性大于其他水媒病毒[18]，因此需要对该顽固病原体进行仔细的处理效能评估。基于上述背景，本研究旨在表征城市污水回用系统全过程中微生物水质的动态变化规律。

我们选择了一座采用两条平行处理工艺线的满规模水厂，两线共享来自公共配水室的进水：一条为常规厌氧-缺氧-好氧（A2O）生物处理工艺后接中压紫外消毒，另一条为MBR工艺。这种平行工艺配置相比于常规单线现场研究，能够更有力地归因去除性能与处理构型的关联。通过量化涵盖细菌（HF183、Hum2）、噬菌体（CPQ_056）和病毒（HAdV、HPyV）领域的综合标记物组合，并将结果与QMRA分析整合，本研究旨在：(i) 表征微生物标记物在各连续处理阶段的空间动态；(ii) 量化两条工艺线的log₁₀去除率并加以比较；(iii) 评估标记物间相关性以评价替代监测潜力；(iv) 将标记物浓度与QMRA整合，量化相对于基于健康的目标值的治疗信用缺口，从而为回用水系统的基于证据的升级策略提供依据。

章节摘要

研究站点描述与采样策略

本研究在中国广东省珠海市公北净水厂进行，聚焦于两条满规模中水处理工艺线：一期（设计处理能力约55,000 m³/d）和四期（设计处理能力约70,000 m³/d）。两条工艺线均接收来自共享进水配水室的预处理（筛滤和除砂）污水，流量分配比例约为60:40（一期:四期），确保可比性。

进水标记物浓度与采样批次差异

在两次采样期间，五种人类相关遗传标记物在原始污水（S1）中均持续检出，证实了目标微生物在进水污水中的普遍存在（表1）。进水标记物浓度呈现出反映其在人类粪便中差异丰度的典型分级分布模式。噬菌体标记物CPQ_056和细菌标记物HF183浓度最高，分别在6.66至7.43和6.99至7.10之间。

粪便指示物与DNA病毒的差异化去除机制

本研究中观测到的多标记物浓度分布揭示了一个微生物水质管理中的关键挑战：具有共同粪便来源的生物体在处理敏感性方面表现不同，导致其在污水处理过程中的归趋出现分化。高丰度粪便标记物CPQ_056（噬菌体）和HF183（细菌）表现出显著的去除效果（2.6–4.0 log₁₀），这与固体相关的去除机制一致，包括污泥吸附等。

结论

采用配对同场地设计（A2O与MBR工艺线共享同一进水），我们发现两条工艺线均能有效去除细菌和噬菌体标记物（2.0–4.0 log₁₀），但未能有效控制HAdV。MBR（四期）工艺线表现最差，HAdV去除率仅为0.32–1.27 log??，而A2O工艺线为1.37–1.81 log₁₀，导致出水HAdV浓度高达4.06 log₁₀拷贝/100 mL——接近进水水平。在职业灌溉场景下，筛查级QMRA分析（GC:IU = 10⁴:1）显示HAdV存在2.2 log的治疗信用缺口。

CRediT作者贡献声明

何凯：原创草稿撰写、监督指导、研究方法、调查研究、形式分析、概念化设计。吴彦芳：可视化呈现、调查研究、数据整理。尹启东：资源支持、调查研究。唐柯欣：调查研究、概念化设计。杨兵：资源支持、项目管理。刘斌君：监督指导、资源支持、经费获取。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争经济利益或个人关系可能对本研究产生影响。

致谢

感谢以下机构的资金支持：广东省基础与应用基础研究基金（编号：2024A1515011909、2025A0505020043、2023B1515040028），国家重点研发计划（编号：2022YFC3202200），以及国家自然科学基金（编号：U25A20356）。作者感谢公北净水厂的工作人员协助采样并提供了运行数据。

何凯|吴彦芳|尹启东|唐柯欣|杨兵|刘斌君