城鎮(zhèn)污水系統(tǒng)中病毒特性和規(guī)律相關研究分析
【濟南純水設備 http://xaruipu.com】根據新型冠狀病毒的生物學特征，研究了病毒在水體中的賦存狀態(tài)，分析總結了國內外污水處理中病毒的相關研究，認為污水處理廠只要保持正常穩(wěn)定運行，就能夠有效降低污水中病毒的濃度，可阻斷腸道病毒和呼吸道病毒通過污水處理廠出水進行傳播。對比分析了污水處理消毒過程中的臭氧消毒、氯消毒、紫外線消毒工藝，再生水處理過程的多級屏障作用可以有效去除病毒，結合工藝控制可以保障出水安全。此外，指出了污水處理工藝中可能產生氣溶膠風險的位置，給出了相應的防護建議。這對新冠肺炎期間指導城鎮(zhèn)污水處理廠安全穩(wěn)定運行，防止新型冠狀病毒進一步傳播擴散有著重要參考意義。
2019年12月，武漢暴發(fā)了一種以肺炎為特征的新型呼吸系統(tǒng)疾病，經分離鑒定，確認病原為一種新型冠狀病毒，疫情發(fā)展迅速。2020年2月1日我國研究人員在新冠肺炎確診患者的糞便中檢測出新型冠狀病毒（COVID-19）核酸陽性，2月13日中國疾控中心在患者排泄物中檢測到了活體病毒。這一重大發(fā)現(xiàn)引起了污水處理行業(yè)的極大關注，生態(tài)環(huán)境部緊急發(fā)布了《關于做好新型冠狀病毒感染的肺炎疫情醫(yī)療污水和城鎮(zhèn)污水監(jiān)管工作的通知》，明確要求各地必須加強醫(yī)療污水和城鎮(zhèn)污水的監(jiān)管工作，避免新型冠狀病毒通過污水傳播擴散。
01 病毒在污水中的賦存狀態(tài)
1.1 污水中的病毒
根據流行病學研究，人和動物的排泄物中往往含有大量的病毒顆粒，這些病毒顆粒可能通過污水排放、化糞池系統(tǒng)滲濾液和農業(yè)區(qū)徑流進入水環(huán)境。國內外科研工作者針對污水處理過程中致病菌的研究較多，對病毒的研究相對較少，而病毒的發(fā)生、存活和衰變與致病菌有很大不同[1]。目前在生活污水中已經發(fā)現(xiàn)了150多種腸道病毒[2]，當人類通過受污染的水或食物接觸到這些病毒時，理論上就存在一定的被感染風險。絕大多數(shù)關于城市水循環(huán)中病毒賦存狀態(tài)的研究主要集中在腸道病毒上，而包膜病毒在結構上不同于腸病毒，因此一般認為包膜病毒在水中表現(xiàn)出的特性也有所不同。近年來，污水中的病毒宏基因組顯示了人類病毒的多樣性，這其中就包括一些包膜病毒[3]。
目前人類已知的五種冠狀病毒粒子（MERS-CoV，HKU1-CoV，HCoVNL63，HCoV-OC43，HCoV-229E）在人體排泄物中都已經被檢測到，綜合國內外研究結論，可以認為冠狀病毒不太可能對城市水循環(huán)衛(wèi)生系統(tǒng)構成重大威脅[4]。
病毒感染人類需要同時具備4個必要條件: a. 病毒的存在；b. 一定量的病毒濃度；c. 易感染人員接觸病毒；d. 病毒與易感染體表面受體結合。目前尚未見到污水廠進水中檢測出新冠病毒的報道，排泄物存在病毒不能簡單推斷為市政綜合污水一定會感染人，污水的凈化處理仍然是人類控制疫情傳播不可替代的有效手段之一，但是從業(yè)人員的暴露風險確實增大。
關于COVID-19在污水系統(tǒng)中生命周期特征、規(guī)律的研究還較為有限，但COVID-19作為病毒的一種，其在污水中表現(xiàn)出的特征應該與其他病毒，尤其是冠狀病毒有一定的相似性。因此，綜合分析已有研究成果對于指導本次疫情期間污水廠安全穩(wěn)定運行，防止新型冠狀病毒傳播擴散有著重要參考價值。
1.2 污水中的病毒濃度
污水中的病毒濃度取決于受感染人數(shù)和受感染個人傳播病毒的速度。大多數(shù)污水中病毒數(shù)據是關于腸道病毒和qPCR法測量的，污水廠進水中基因組濃度高達108～109拷貝/L，受限于細胞培養(yǎng)技術和病毒提取方法，污水中病毒粒子數(shù)量的報道很少，只能由人體糞便或尿液樣本中的病毒量大致推測。比如，Noroviru病毒在人類糞便樣本中的基因組濃度可以達到1010拷貝/L[5-6]，而在非疫情期間，該數(shù)值為109拷貝/L[7]。JCPyV病毒和BKPyV病毒在人類尿液中的基因組濃度為1010拷貝/L，在污水中的濃度為108拷貝/L[8]。SARS病毒在患者腹瀉排泄物中的基因組濃度為1010拷貝/L，而患者尿液中的基因組濃度為2.5×107拷貝/L[9]。綜合分析已有研究信息，疫情期間人類排泄物中病毒濃度可能提高1個數(shù)量級，而污水中病毒濃度比排泄物中約低1～2個數(shù)量級。
1.3 病毒在污水中的存活時間
病毒離開宿主細胞后能夠存活一定時間，具體存活時間的長短跟病毒種類和環(huán)境條件有關，包括溫度、有機物和微生物，其中溫度是病毒存活的關鍵影響因素。病毒在污水中一般會吸附在泥砂、粘土、礦物等懸浮固體表面，這些物質可以為病毒提供保護，使病毒具有一定的逆境抗性從而延長其存活時間[10]。但同時如果這些固體沉淀下來，也可以成為去除病毒的一種機制[11]。需要注意的是，當病毒顆粒以聚集狀態(tài)存在時，可以提高其在不利環(huán)境因素下的存活幾率，這也同時提醒污水廠要高度重視污水處理工程中的污泥無害化處理環(huán)節(jié)。
病毒在生物體外表現(xiàn)出一系列對環(huán)境因素的敏感性，其中T90值(即在水環(huán)境中達到90%失活的時間)從幾分鐘到幾年不等。污水管網水力停留時間一般少于半天，因此污水處理廠進水中有可能存在病毒。通常認為帶有脂膜的病毒在水環(huán)境中很容易喪失感染性，但并不是所有的包膜病毒都能迅速失去傳染性。病毒失活率受溫度和基質影響較大，溫度和鹽度越高，病毒的失活率也越高[12-13]。在兩項有關水中人類冠狀病毒的研究中發(fā)現(xiàn)，溫度對病毒的活性有顯著影響，室溫條件下的病毒樣本的失活率比4℃條件下高出一個數(shù)量級[14]。研究表明，病毒存活率隨著溫度的升高而降低，這主要是由病毒外殼蛋白變性和環(huán)境中降解蛋白質的胞外酶活性增加引起的[10]。
污水的成分（有機氮組分、細菌病毒）和處理過程對病毒的生存影響較大，經過滅菌的污水中病毒的失活速率大于未滅菌的污水，污水中懸浮物和有機物提高了病毒在水環(huán)境中的生存能力。但是污水中的某些物質也能導致病毒加速失活，如冠狀病毒在巴氏消毒的污水的T90遠低于蒸餾水培養(yǎng)基[12]。
冠狀病毒在未經過濾的初級污水中的存活時間比在過濾的初級污水中更長[14]。一項關于冠狀病毒在水中存活時間的研究表明，TGEV和MHV兩種冠狀病毒在水（試劑純）、地表水和巴氏殺菌的污水中可以長期存活，但傳染性都很低，而且溫度越高病毒的活性越低[11]。另外有研究表明冠狀病毒在水環(huán)境中的傳播要比腸道病毒少，因為冠狀病毒在廢水中會更快地失活，病毒粒子可在2～3天內減少99.9%，這與SARS-CoV存活數(shù)據相當[14-15]。可見，污水組分對病毒失活的影響是復雜的，并且不同的病毒和環(huán)境樣本之間的關系存在顯著差異，但污水處理過程對病毒去除作用無疑是正向的。
02 污水處理對病毒的去除作用
一旦病毒從宿主細胞中釋放出來，它們就會暴露在各種物理、化學和生物等環(huán)境因素中，如同生物大分子一樣存在，在這些環(huán)境因素中，物理、化學和生物因素均起到了重要的作用，隨著市政污水處理廠處理流程的推進，病毒數(shù)量呈顯著的降低趨勢，最終出水中病毒的分布呈現(xiàn)對數(shù)正態(tài)關系[16]。表1列舉了一些市政污水處理系統(tǒng)的進水和出水中病毒的分布情況[17-20]。
2.1 污水常規(guī)處理
研究表明，常規(guī)活性污泥法處理市政污水過程中病毒的去除率為0.65lg～2.85lg [21]。一些病毒經過超細格柵就可實現(xiàn)0.1lg～1.0lg的去除率，經過生物段處理病毒濃度可進一步降低1.4lg～1.7lg[17]。有研究表明，砂濾通常可以去除10%～98%的病毒，如果在砂濾之前加入混凝工藝，病毒的去除率可提高到3lg[22]。
活性污泥可以去除很大一部分病毒，這個過程主要發(fā)生在生物池和二沉池中，生物池中的活性污泥有較大的比表面積，生物池中的病毒粒子可以吸附活性污泥的表面，最后和活性污泥一起進入二沉池，通過固液分離富集到二沉池底部污泥中，吸附在剩余污泥上的病毒逐漸失去活性。不同規(guī)模和處理工藝的污水處理過程可使感染性腸病毒減少約0～2lg，使感染性腺病毒減少2lg～3lg。一項針對5座市政污水處理廠的調查發(fā)現(xiàn)，污水處理廠從進水到消毒后的病毒濃度降低幅度可以達到1.9lg～5.0lg[23]。另外也有研究表明，較長水力停留時間和較低MLSS可以提高病毒的去除效果[24]。由于活性污泥的吸附作用也是物理過程，對病毒沒有殺滅作用，后續(xù)的消毒工藝對于減少出水中病毒的數(shù)量至關重要。
MBR法是活性污泥法和膜過濾的集成。MBR法去除病毒的原理可歸因于四種機制，即病毒附著在混合固體顆粒上攔截、病毒粒子被膜截留、病毒粒子被膜上附著層截留以及活性污泥細菌對病毒的捕食和酶分解失活[25]。僅從安全和消毒效果角度看MBR工藝優(yōu)勢明顯，經過膜截留后降低了水的濁度，可以大幅度提升消毒效果，降低了出水暴露風險。據報道，在單一MBR法（出水未做進一步消毒處理）去除污水中的病毒效率在3.0lg～6.0lg之間[1]。MBR工藝的運行參數(shù)也會影響病毒的去除率。有報道表明，較長水力停留時間和較短的污泥泥齡可以提高病毒的去除效果[26]，分析認為可能與污泥吸附病毒并快速排除有關。
不同處理工藝生物池混合液中病毒含量以及病毒在液相和固相中的分布未見相關研究，但是，由于存在剩余污泥的排放過程，MBR工藝不會無限濃縮富集病毒，水處理系統(tǒng)很快就可以達到穩(wěn)態(tài)。另外，從活性污泥的吸附作用以及病毒在污泥中宜于存活來看，固相濃度理論上應該高于液相，由于相同進水條件下不同工藝生物池污泥總量基本相同，在完全混合的狀態(tài)下，只要控制好氣體和污泥處理環(huán)節(jié)，不同工藝病毒暴露風險應該差別不大。盡管如此，即使MBR工藝濾液中仍然可以檢測到病毒的存在[1]，為了保證出水病毒的去除率，疫情期間需要高度重視污水消毒工作，建議采用紫外消毒的污水處理廠，補充次氯酸鈉消毒。
2.2 消毒處理
2.2.1 臭氧消毒
與氯相比，臭氧消毒效率更高，但是需要更高的運行成本。殺滅病毒時臭氧初始劑量一般為3～10 mg/L，接觸時間約為10 min。有研究表明，臭氧和紫外線協(xié)同殺滅SARS CoV的速度比有效氯快數(shù)百倍，而且可殺死對氯消毒劑有高度抵抗力的微生物[27]。水中臭氧含量為27.73mg/L，作用4min可完全滅活SARS病毒；臭氧含量為17.82mg/L作用4min和4.86mg/L作用10min，均可使SARS病毒的滅活率達100％[28]。這些參數(shù)可以為使用臭氧消毒的污水廠提供參考。
2.2.2 氯消毒
化學消毒劑如氯、二氧化氯、次氯酸鈉和氯胺對病毒蛋白質外殼的損傷較大，足夠高劑量的化學消毒劑還可以破壞病毒的核酸。王新為等考察了次氯酸鈉和二氧化氯對醫(yī)院污水的消毒效果，結果發(fā)現(xiàn)，SARS CoV在污水中對含氯消毒劑的抵抗力比大腸桿菌低，當污水中游離余氯量保持在0.5 mg/L氯或2.19 mg/L二氧化氯以上時可以保證完全滅活污水中的 SARS CoV[29]。
一般市政污水深度處理消毒氯的使用劑量為5～20mg /L，接觸時間為30～60min。當氯的投加量﹥10 mg/L，接觸時間為60 min時可以殺滅水體中的全部輪狀病毒[8]。氯劑量為16和8 mg/L，接觸時間為30 min，可分別殺滅污水中1.2lg和0.35lg的腸病毒。增加氯劑量或延長接觸時間，即提高CT值可以有效提高病毒的殺滅效果。二氧化氯、次氯酸鈉和氯胺也是替代的消毒劑，高濃度的次氯酸鈉溶液可用于去除設備和管道上附著的污泥[30]。含有效氯為200、400、600 mg /L的次氯酸鈉溶液分別在20、20、10 min 對腺病毒滅活效果﹥4lg，600 mg /L的次氯酸鈉作用20 min 滅活效果達到100%[31]。也有研究表明二氧化氯去除病毒的效果比氯更好，而氯胺殺滅病毒的效果較差。需要指出的是用含氯消毒劑消毒時各種水中氮形態(tài)和有機物的含量對消毒效果有比較大的影響[32]。
2.2.3 紫外線消毒
紫外線主要破壞病毒的核酸，也會對病毒的蛋白質外殼產生一定破壞。徐麗梅研究了紫外線對Polioviru病毒的殺滅作用，低劑量的紫外光線能透過病毒蛋白質外殼導致病毒RNA的損傷[33]。波長為254 nm的紫外線照射5 min時，病毒數(shù)量明顯減少，254 nm紫外線照射30 min時，感染細胞內檢測不到病毒粒子。波長為254 nm的紫外線比365 nm的紫外線照射滅活腺病毒氣溶膠的效果更顯著，254 nm紫外線和65 ℃熱力對一些病毒有不同程度的滅活作用，紫外線照射可作為室內空間整體消毒的一種方法。不同病毒需要的紫外線消毒劑量見表2。
Ansaldi等人研究了紫外線對SARS CoV、甲型流感病毒與呼吸道合胞病毒的滅活效果。紫外線（40 mW/cm2）下，分別作用2 min即可破壞病毒的核酸，使病毒失去全部活性[34]。
2.3 膜過濾
膜過濾工藝處理可以進一步減少水中病毒的數(shù)量，膜過濾法去除病毒是一個單純的物理過程，即利用膜孔隙通道截留水中的病毒粒子。由于大多數(shù)病毒顆粒（10～300 nm）通常比微濾膜的孔徑（100～1000 nm）小，因此過濾起始階段病毒去除率較低，微濾膜的去除效果不到1 lg，但隨著膜上污染物的積累過濾效率有所增加，即使膜上污染物在水力反沖洗時微濾膜仍能保持較高的病毒去除率。另外根據報道混凝-微濾系統(tǒng)可以減少4lg的病毒，長期過濾過程中膜的不可逆污染會改善混凝-微濾系統(tǒng)中病毒的去除，即使沒有混凝預處理，膜也可以有效過濾病毒顆粒[35]。
超濾膜孔徑大小約為2～50 nm，能徹底濾除水中的細菌、鐵銹、膠體等有害物質，而且可以物理消除大多數(shù)病毒，并且隨著膜表面形成濾餅層加厚可以進一步提高病毒的去除效率[36]。此外，通過調整跨膜壓力(TMP)也可以實現(xiàn)更高的病毒去除率。帶微量負電荷的超濾膜比帶中性電荷的超濾膜更有利于病毒的清除[36]。
反滲透膜可以看作一種離子級的過濾器，可以過濾掉幾乎所有冠狀病毒和其他絕大多數(shù)病毒，這一點已經在2003年SARS期間在國內再生水廠運行結果得到充分證明。各種市政污水深度處理工藝對病毒的去除能力不同，總結見表3。
但是，需要注意的是膜組件的斷絲率是影響病毒去除率的關鍵因素，疫情期間應切實加強膜完整性檢測。
2.4 市政污水處理廠出水中的病毒
從公共健康角度來看，可以認為污水廠進、出水中可能帶有病毒，所以，上述病毒感染人的四個條件中滿足了第一個條件，但這只是說明污水處理廠出水有病毒存在的可能性，美國進行的大量與污水回用有關的流行病研究表明，再生水利用是安全的。2003年SARS暴發(fā)高峰期間，天津市衛(wèi)生防病中心對市內各污水處理廠進、出水進行了檢測，也均未發(fā)現(xiàn)SARS病毒。原因可能是污水處理廠正常運行時出水中病毒濃度和活性已經很低，達不到病毒的檢出條件，少數(shù)病毒隨著污水處理廠出水排放到地表水中，環(huán)境中的化學物質氧化、陽光中的紫外線等也會迅速使病毒失去活性[4]。
綜合以上研究結論可知，現(xiàn)有城鎮(zhèn)污水處理廠只要保持正常穩(wěn)定運行，即可有效去除、殺滅污水的COVID-19，因此污水處理廠不會成為新冠肺炎的傳染源。
2.5 污泥處理對病毒的去除作用
污水處理過程中單純的沉淀和過濾過程僅是將病毒轉移和富集到污泥中，因此，污泥中病毒的滅活也是不可忽視的，在污泥處置時要充分考慮到相關病毒學安全性問題。而污泥的穩(wěn)定化和無害化處理如脫水、堆肥、熱處理和中溫厭氧消化均可有效殺滅病毒，其中熱處理是迄今為止病毒失活效率最高的污泥處置方法。需要指出的是，活性污泥吸附的病毒仍然具有感染風險，處置過程中操作人員需要采取更為有效的防護手段。另外，已經有證據表明，剩余污泥中的水分在處置過程中可能形成氣溶膠，由于氣溶膠中的病毒附著于其他物質而處于結合狀態(tài)，可免受生物學（酶作用）和理化（溫度、pH 和紫外線等）因素的滅活作用，從而可以長期保持其感染性，這些氣溶膠如果不加處理可能產生一定風險[39]。
2.6 污水處理過程中的氣溶膠
氣溶膠是指懸浮在氣體介質中由固態(tài)或液態(tài)顆粒組成的氣態(tài)分散系統(tǒng)，在自然環(huán)境中普遍存在，氣溶膠顆粒粒徑一般在1～5μm。污水中氣泡在外力作用下從污水中快速逸出產生爆裂，散落出許多大量細微固液顆粒即形成氣溶膠，這個過程將會同時攜帶污水中的微生物，變成生物氣溶膠。病毒比細菌更容易被氣溶膠攜帶，有研究發(fā)現(xiàn)包膜病毒比非包膜病毒更容易附著在顆粒上。
目前，對污水處理中氣溶膠攜帶病毒的研究較少，且主要針對腸道病毒的研究。研究表明，水力跌落大、湍動劇烈的污水處理單元形成氣溶膠就越多。污水提升、格柵間、除渣、曝氣池、污泥濃縮池和污泥脫水機房等預處理過程氣溶膠濃度高于其他處理區(qū)域。不同處理工藝氣溶膠風險的影響因素較多，傳統(tǒng)市政污水處理工藝池體表面積大，工藝相對復雜，潛在產生氣溶膠的點位相對較多；MBR工藝雖然曝氣量大，但由于工藝相對較易封閉，在控制氣溶膠風險上有一定優(yōu)勢[38]。也有監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，預處理過程氣溶膠的濃度與處理廠的規(guī)模相關，規(guī)模越大，氣溶膠濃度越高。對于近幾年興起的地下或半地下污水處理廠而言，由于其相對封閉、濕度較大，更加需要嚴格控制氣溶膠的產生，切實做好全廠氣流的組織和調控，各區(qū)域操作空間換氣量一定要小于除臭排氣量，封閉池體遠離抽氣口的一端應該適當打開，使操作空間和池體密閉空間真正形成氣體的有序負壓流動，避免形成空氣流通死區(qū)。如果簡單封閉池體、加大地下操作空間的換氣次數(shù)，反而可能會增大氣溶膠在操作空間的擴散風險。另外，研究表明生物除臭反應器在處理臭味氣體的同時還可以有效削減微生物氣溶膠[39]。
研究表明，污水系統(tǒng)工作人員更容易感染腸道病毒引起的疾病[40]。2003年SARS期間，WHO認為感染SARS的危險職業(yè)包括污水處理廠工人和食品及動物管理者。目前COVID-19氣溶膠傳播途徑尚待明確[41]，出于安全考慮，污水處理操作人員要加強個人防護工作，佩戴手套、面罩或護目鏡和防護服，盡量避免接觸容易產生氣溶膠的區(qū)域。疫情期間排水管渠維護和清疏作業(yè)應以機械、水力為主，非特殊情況下不建議組織下井作業(yè)。對于清理出來的固體廢物必須及時用密閉運輸車輛運送到符合規(guī)定的場所最終處置。污水處理廠應立足于“以人為本”，堅持“底線思維”，充分利用在線儀表的優(yōu)勢，盡量減少人工化驗檢測頻次，保障從業(yè)人員安全，保障污水處理廠的正常運行。
03 總結和展望
①受感染者的排泄物中可能存在活性COVID-19，但并不意味著病毒的主要傳播途徑發(fā)生變化，消化道（糞-口）傳播在全部傳播中的作用和意義仍需進一步研究。
②病毒感染人類需要同時具備四個條件，不能從排泄物中檢測到活體病毒，就簡單推斷出污水處理廠也會成為COVID-19病毒的傳染源。
③污水處理過程能夠有效降低病毒濃度，降低幅度可以達到1.9lg～5.0lg。污水處理廠只要保持正常穩(wěn)定運行，即可徹底阻斷腸道病毒和呼吸道病毒。
④污水處理過程必須高度重視消毒處理，消毒效果排序：臭氧消毒＞二氧化氯消毒＞液氯消毒＞次氯酸鹽消毒。
⑤必須高度重視污泥處理過程。污泥處理中脫水、堆肥、石灰處理對病毒均有殺滅作用，殺滅效果有差異。
⑥再生水處理過程可以有效去除病毒，結合工藝控制可以保障出水安全。
⑦為避免氣溶膠暴露風險，加強防護，減少人工取樣和檢測頻次，加強除臭處理，地下污水處理廠重視氣流和系統(tǒng)調控。
⑧污水處理廠要充分利用在線儀表優(yōu)勢，保障從業(yè)人員安全的同時保障污水處理廠的正常運行。
⑨目前污水處理過程中的病毒的相關研究還有很多空白，近期建議可以圍繞生物池混合液中病毒在液相和固相中的分布比例以及病毒擴散、吸附規(guī)律等開展。濟南水處理設備，濟南去離子水設備。 濟南純水設備，濟南醫(yī)用純水設備
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