城鎮(zhèn)污水污泥處理處置流程中典型病毒的發(fā)生及潛在風(fēng)險(xiǎn)
【合肥純水設(shè)備行業(yè)新聞】
城鎮(zhèn)污水中存在大量可造成流行性疾病的病毒,但目前污水污泥處置處置過(guò)程中病毒的去除效果及公共風(fēng)險(xiǎn)尚不明晰,如何確保病毒在污水污泥處置處置工藝中被有效去除,保證城鎮(zhèn)健康平安的關(guān)鍵。為此,文章分析和總結(jié)了典型病毒在污水污泥處置系統(tǒng)中的發(fā)生和轉(zhuǎn)變,概括了污水和污泥處置流程中各工藝對(duì)病毒的滅活機(jī)制,以及不同處置工藝對(duì)病毒的去除效果,并對(duì)該過(guò)程中存在職工健康風(fēng)險(xiǎn)隱患進(jìn)行了歸納,針對(duì)性提出相應(yīng)防控建議,為實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)污水廠典型病毒全流程風(fēng)險(xiǎn)管理提供參考依據(jù)。
城鎮(zhèn)生活污水中富含超過(guò)560種可致感染病毒，其中人類致病病毒主要來(lái)自感染者排泄物,其濃度可達(dá)110511012copies/g干重)由于污水中存在大量雜質(zhì)為病毒提供了多種黏附保護(hù)，使得病毒在污水中具備穩(wěn)定性高、抗逆性強(qiáng)、流行范圍廣等特點(diǎn)。與病原菌相比，病毒在污水處置過(guò)程中更難去除和滅活。病毒的低感染劑量和感染后高水平脫落的特性使得病毒具有更強(qiáng)的污染性，通常不到10個(gè)顆粒就足以導(dǎo)致易感個(gè)體感染。研究標(biāo)明，因污水傳達(dá)造成的腹瀉疾病每年約40億例，造成200萬(wàn)人死亡，這些疾病中有很大一部分是由病毒感染引起的因此，水傳達(dá)病毒正嚴(yán)重威脅著人類健康和環(huán)境安全。
污水處置廠作為生活污水集中處置中心，遏制病毒經(jīng)水傳播的關(guān)鍵。但目前絕大多數(shù)國(guó)家的污水處置廠出水和出泥衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)中未包括病毒指標(biāo)?，F(xiàn)有的研究也多集中關(guān)注污水廠各處理工藝中致病菌的賦存特性和去除效果，對(duì)污水和污泥中病毒的分布情況、去除效率、滅活特性和流露風(fēng)險(xiǎn)缺乏系統(tǒng)研究。為防止病毒在廢水和污泥中傳播，對(duì)人類健康造成威脅，需要進(jìn)一步了解潛在病毒在污水處置廠污水和污泥中的轉(zhuǎn)化歸趨及其傳達(dá)風(fēng)險(xiǎn)。
文章總結(jié)了國(guó)內(nèi)外污水處置廠處置流程中存在典型病毒及其特征、各處理環(huán)節(jié)對(duì)病毒的消除能力、存在風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，并提出相應(yīng)的防控建議,為污水處置廠病毒的風(fēng)險(xiǎn)防控，加強(qiáng)相關(guān)方面的研究提供科學(xué)依據(jù)。
1污水廠中典型病毒的種類和特征
當(dāng)前針對(duì)污水廠中存在病毒的相關(guān)研究中，研究占比最高的病毒種類依據(jù)巴爾的摩分類系統(tǒng)為正義單鏈RNA 病毒(+ssRNA 主要包括肝炎病毒(hepatviru諾如病毒(noroviru腸道病毒(enteroviru和冠狀病毒(coronaviru等。該類病毒復(fù)制速度快、感染能力強(qiáng)，且單鏈RNA 復(fù)制過(guò)程中易出錯(cuò)，具有較強(qiáng)的變異能力，使得疫苗不能臨時(shí)有效識(shí)別，造成了大量嚴(yán)重的公共衛(wèi)生事件。研究占比第二熱門的雙鏈DNA 病毒(dsDNA 主要代表為腺病毒(adenoviru一般而言，dsDNA 基因組穩(wěn)定性最高，對(duì)環(huán)境的抗逆性最強(qiáng)。UV254nm照射下，dsDNA 病毒存活率遠(yuǎn)高于單鍵DNA ssRNA 病毒。兩類研究占比最高的病毒，都具有在污水中廣泛存在含量高、穩(wěn)定性強(qiáng)的特征。
污水廠中未有效去除的病毒可通過(guò)水循環(huán)在環(huán)境中擴(kuò)散傳播，引起流行性疾病發(fā)生。如：2008年—2019年，共有24例在意大利、美國(guó)、非洲國(guó)家爆發(fā)的諾如病毒疫情與社區(qū)水系統(tǒng)有關(guān)。歐洲范圍內(nèi)開展的一項(xiàng)監(jiān)測(cè)研究發(fā)現(xiàn)，36.4%娛樂(lè)水域樣品中檢測(cè)到腺病毒，其中約25%具有污染性。每年通過(guò)污水、飲用水等水傳播的輪狀病毒引起的腹瀉可導(dǎo)致全球120萬(wàn)兒童死亡。近年來(lái)，隨著新型冠狀病毒病席卷全球，感染患者的糞便物質(zhì)可釋放出1106copies/g病毒進(jìn)入污水系統(tǒng)，引起了人們對(duì)污水中冠狀病毒傳達(dá)和去除路徑的重視。
綜上，污水廠處置過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注污水中具有濃度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、對(duì)人類具有中/高度健康影響、可引發(fā)流行性介水傳播疾病的病毒，主要包括以下5類：腺病毒屬、諾如病毒屬、腸道病毒屬、輪狀病毒屬和冠狀病毒屬。表1匯總了這5類典型病毒的人類罕見感染型、進(jìn)水濃度及其感染危害。污水廠如何有效去除這些病毒，關(guān)乎城鎮(zhèn)衛(wèi)生化和健康化發(fā)展。
表1城鎮(zhèn)污水中典型病毒種類、特征及其濃度
城鎮(zhèn)污水污泥處置處置流程中典型病毒的發(fā)生及潛在風(fēng)險(xiǎn)
2典型病毒在污水處置過(guò)程的發(fā)生與轉(zhuǎn)變
2.1一級(jí)處置
廢水進(jìn)入污水處置廠后，首先經(jīng)過(guò)一級(jí)處置，通過(guò)重力或機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)污水中的大顆粒物分離。一般而言，一級(jí)處置中典型病毒對(duì)數(shù)去除率(LRV為00.7logSA RS-CoV-2作為包膜病毒，因?qū)腆w具有親附性，其LRV為0.5log1.2logSimmon等的研究標(biāo)明，經(jīng)一級(jí)處置腸道病毒和人類腺病毒可實(shí)現(xiàn)0.6log和0.3log病毒的LRV標(biāo)明一級(jí)處置工藝對(duì)病毒的去除效果較弱。由于病毒易吸附于有機(jī)生物固體和團(tuán)聚在細(xì)小顆粒物上，因此一級(jí)處置對(duì)病毒的分離效果較差。此外，一級(jí)處置工藝有時(shí)還會(huì)使污水中病毒的數(shù)量不降反增，較之沉淀所減少的病毒量而言，原水中的感染顆粒在攪動(dòng)過(guò)程中被破碎，釋放出了更多的病毒顆粒。
2.2二級(jí)處置
污水二級(jí)處置的作用主要是除去一級(jí)處置后污水中大量有機(jī)污染物，使污水得到進(jìn)一步凈化。所有處置工藝中，激進(jìn)活性污泥法被認(rèn)為是減少病毒最有效的方法。含有復(fù)雜微生物和有機(jī)物構(gòu)成的活性污泥對(duì)病毒具有較好的吸附和包埋作用，能夠富集污水中的病毒，使之從水體中分離，進(jìn)入污泥體系中。雖然研究標(biāo)明，活性污泥可通過(guò)細(xì)菌、真菌等微生物的分泌物如蛋白酶，破壞病毒蛋白衣殼使其滅活或通過(guò)細(xì)菌直接捕食使病毒去除，但一般認(rèn)為，活性污泥整體上在病毒的分離過(guò)程中充任傳輸載體，并不具備有效滅活病毒的作用。經(jīng)活性污泥法處理后，污水中病毒減少了1.00log4.24log此時(shí)污水中絕大多數(shù)的病毒都匯入污泥中。
除活性污泥法外，膜生物反應(yīng)器(MBR生物濾池以及氧化塘對(duì)病毒的減少也有較好效果。MBR處置工藝既具備生物處置，又具備膜分離技術(shù)，能夠有效從污水中攔截病毒，因此MBR處置工藝的LRV值通常比活性污泥法高1log3log其值通常在3log6log目前關(guān)于生物濾池廢水處置工藝去除的研究有限。Kitajima等研究發(fā)現(xiàn)，活性污泥和生物濾池在去除病毒方面表示相似。而Campo等在研究二次處置期間諾如病毒的平均LRV時(shí)發(fā)現(xiàn)，活性污泥與生物濾池在病毒去除方面差異顯著，活性污泥從污水中去除諾如病毒最有效，平均LRV為3.1log而生物濾池系統(tǒng)的LRV則要低得多，平均LRV為1.72log推測(cè)是生物濾池濾膜停留時(shí)短且易堵塞導(dǎo)致的氧化塘主要利用沉淀、不同營(yíng)養(yǎng)水平的生物體捕食以及陽(yáng)光介導(dǎo)的滅活機(jī)制來(lái)清除病毒。由于氧化塘類型較多，且研究數(shù)據(jù)較少，氧化塘對(duì)病毒的去除效率并不明晰。研究標(biāo)明，溫度高于20℃的20d池塘系統(tǒng)中，腸道病毒清除量應(yīng)在2log4log但只有34%樣品觀察到此結(jié)果。也有研究顯示，氧化塘的總清除量一般不到1log因此，一般認(rèn)為，氧化塘對(duì)病毒的去除對(duì)數(shù)為0.8log1.2log此外，氧化塘系統(tǒng)中病毒去除在理論水力停留時(shí)間(HRT方面的研究引起了廣泛爭(zhēng)論，不同的作者得出了相互矛盾的結(jié)論，整體上認(rèn)為，其病毒去除效率不穩(wěn)定。表2匯總了慣例二級(jí)處置工藝典型病毒的去除效果。
表2二級(jí)處置工藝對(duì)城鎮(zhèn)污水中典型病毒的去除效果
城鎮(zhèn)污水污泥處置處置流程中典型病毒的發(fā)生及潛在風(fēng)險(xiǎn)
2.3三級(jí)處置
盡管二級(jí)處置分離去除了絕大部分病毒，但由于病毒基數(shù)大，污水經(jīng)過(guò)二級(jí)處置后，仍含大量病毒，需進(jìn)一步去除。目前的三級(jí)處置方法對(duì)病毒的去除而言一般可分為兩類：一類通過(guò)物理手段截留或分離病毒，包括凝聚沉淀法、膜分離法等；另一類則通過(guò)化學(xué)手段使病毒失活，達(dá)成對(duì)污水的消毒，包括加氯、紫外輻射或臭氧技術(shù)。
其中，混凝沉淀法與一級(jí)處置實(shí)質(zhì)相似，即起到分離作用。研究標(biāo)明，三級(jí)處置中的混凝沉淀法可減少0.5log1.0log腸道病毒。
而膜分離法在分離病毒的效率上高于混凝沉淀，其包括微濾、超濾、納濾和反滲透等。膜分離技術(shù)的核心是利用小尺寸膜孔徑截留溶質(zhì)。由于不同病毒的尺寸不同，從幾十納米至幾百納米，其去除率不盡相同。Ottoson等在比較超濾系統(tǒng)去除病毒的研究中發(fā)現(xiàn)，超濾對(duì)腸道病毒的去除率約為1.79log而對(duì)諾如病毒的去除率僅約為1.14log反滲透法對(duì)病毒的去除效果高于超濾，對(duì)水樣中大腸桿菌噬菌體去除對(duì)數(shù)可高達(dá)7.1log但是由于反滲透系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)利息較為高貴，多應(yīng)用于飲用水處置。
上述工藝的核心皆為分離，即把病毒從污水中脫離出來(lái)，匯集在污泥中。而消毒技術(shù)則能使污水中的病毒滅活。消毒主要分氯化、臭氧和紫外線消毒。消毒依賴于化學(xué)消毒劑分子或高能光子與病毒接觸，通過(guò)使病毒顆粒的氧化分解或抑制細(xì)胞活性來(lái)滅活病毒。如果消毒劑與微生物之間的接觸減少，則消毒效果會(huì)受到有利影響。
目前污水處置廠主要的消毒方式是氯化。游離氯會(huì)損害病毒的蛋白質(zhì)和核酸，而二氧化氯和一氯胺損害病毒衣殼,能有效去除病毒。Qiu等研究標(biāo)明經(jīng)氯化后，污水中的病毒污染性和濃度均大幅降低。但氯化具有選擇性，需要根據(jù)每種病原體的特征選擇最佳劑量、反應(yīng)條件和接觸時(shí)間。如二氧化氯在pH值為8.2時(shí)，對(duì)腸道病毒的去除率高于pH值為5.6和7.2時(shí)，同時(shí)還觀測(cè)到36℃下比在4℃和20℃下反應(yīng)去除效果更佳。相較于UV和臭氧處置工藝，氯化工藝應(yīng)用利息低，受水體環(huán)境因素制約因素較小，且殘存的余氯能繼續(xù)性抑制水體中病毒的再生。但氯化過(guò)程會(huì)發(fā)生氯仿等致癌物質(zhì)，造成污水二次污染，需妥善選擇施加劑量。
除氯化外，同為化學(xué)法消毒的還有臭氧處置。臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，可以與水相互作用發(fā)生自由基，破壞病毒的蛋白質(zhì)和核酸。研究標(biāo)明，達(dá)到與激進(jìn)氯化工藝相同的病毒滅活效果，臭氧所需的反應(yīng)時(shí)間僅是氯化的1/10極大提高了消毒效率。同時(shí)，相較于氯化工藝，臭氧消毒自身不發(fā)生殘留有害物質(zhì)。但臭氧作為高活性氧化劑，當(dāng)污水中有機(jī)物濃度較高時(shí)，會(huì)與水中的有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)，生成甲醛等消毒副產(chǎn)物，因此更適合于水質(zhì)相對(duì)清潔的水體。臭氧的消毒性能相較于氯化，受操作參數(shù)影響嚴(yán)重，如pH自由基觸發(fā)劑含量等。此外，腺病毒對(duì)臭氧處置相當(dāng)不敏感，更適用于氯化處理。Wang等研究表明，臭氧消毒可使得諾如病毒、戊型肝炎病毒、星狀病毒等濃度降低1log4log但腺病毒僅能降低1log2log
相較于化學(xué)法消毒，UV輻射不需添加化學(xué)物質(zhì)，不會(huì)發(fā)生消毒副產(chǎn)物，其主要通過(guò)高能光子輻射形成嘧啶二聚體來(lái)破壞病毒核酸，實(shí)現(xiàn)對(duì)病毒的滅活。Qiu等發(fā)現(xiàn)，水中的腸道病毒經(jīng)過(guò)紫外線輻射后感染性能下降84%UV滅活效率取決于病毒基因組類型。ssRNA 基因組比dsRNA 基因組更容易被UV攻擊，而dsDNA 基因組則表示出最高的耐受性,因此UV輻射對(duì)于污水中腺病毒的去除效果不如氯化工藝。此外，冠狀病毒因有包膜存在阻礙了高能光子輻射，相較于諾如病毒等非包膜病毒，不易被UV輻射去除。同時(shí)，冠狀病毒包膜對(duì)強(qiáng)氧化劑十分敏感,因此冠狀病毒更適用于化學(xué)消毒法。對(duì)于采用紫外線進(jìn)行消毒的污水處置廠，應(yīng)考慮UV波長(zhǎng)、強(qiáng)度和污水渾濁水平，理論上100143186mJ/cm2分別可滅活2log3log4log病毒，消除或減少?gòu)U水中的顆粒物可以顯著提高UV消毒效率。
消毒技術(shù)能較好地滅活污水中的病原體，但并不能完全清除和遏止污水中病毒的繁殖，研究標(biāo)明，腸道病毒對(duì)普通消毒劑的抵抗力比細(xì)菌指標(biāo)更強(qiáng)。因此，污水廠出水中依然能夠檢測(cè)到病毒，對(duì)環(huán)境和人類健康具有潛在風(fēng)險(xiǎn)。此外在偏遠(yuǎn)地區(qū)，許多污水廠只能達(dá)到二級(jí)處置，需要重視污水中病毒的檢測(cè)和滅活問(wèn)題。表3匯總了罕見三級(jí)處置工藝對(duì)典型病毒的去除效果。
表3三級(jí)處置工藝對(duì)城鎮(zhèn)污水中典型病毒的去除效果
城鎮(zhèn)污水污泥處置處置流程中典型病毒的發(fā)生及潛在風(fēng)險(xiǎn)
3典型病毒在污泥處置過(guò)程的發(fā)生與轉(zhuǎn)變
污水處置過(guò)程中，病毒的減少并不等價(jià)于滅活，很大水平上病毒僅是從液相轉(zhuǎn)移到固相，因此，污泥中病毒的滅活也是不可忽視的腺病毒是污泥樣本中最常檢測(cè)到病毒，其次是諾如病毒和輪狀病毒。國(guó)污泥處置系統(tǒng)中對(duì)病毒起主要滅活作用的工藝有厭氧消化、好氧堆肥、堿性石灰穩(wěn)定和熱干化。
3.1三級(jí)處置
厭氧消化是用于實(shí)現(xiàn)污泥穩(wěn)定的最常用技術(shù)之一。厭氧過(guò)程中發(fā)生高溫條件可顯著殺滅絕大多數(shù)病原微生物，同時(shí)在升溫過(guò)程中產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸(VFA 和氨也毒害宿主細(xì)胞的正常生理功能，影響病毒活性。目前，厭氧消化中病原體失活機(jī)制仍未得到充沛了解，其滅活效率依賴于不同的因素，例如溫度和固體保管時(shí)間等。嗜熱和嗜溫厭氧消化對(duì)污泥中的病毒LRV為0.45log6.00log其中，噬溫厭氧消化對(duì)禽腺病毒4型的LRV為1.3log2.8log小鼠諾如病毒約為2.2log腸道病毒約為1.97log而嗜熱厭氧消化LRV則比嗜溫厭氧消化LRV高1log2logSA RS-CoV-237℃的嗜溫下可堅(jiān)持穩(wěn)定至少24h而55℃嗜熱厭氧消化則可以完全滅活SA RS-CoV-2可見，高溫在病毒的滅活中起關(guān)鍵作用。
3.2好氧堆肥
污泥堆肥是一種典型的放熱好氧過(guò)程。親熱階段，堆肥溫度在5570℃，高溫會(huì)導(dǎo)致酶和蛋白質(zhì)變性、RNA 失活，使得病毒宿主細(xì)胞死亡。美國(guó)環(huán)境維護(hù)署指出污泥堆肥溫度上升到40℃以上維持5d每天中含4h超越55℃時(shí)，即可顯著減少病原體數(shù)量。此外，堆肥過(guò)程中，干燥脫水環(huán)境使得病毒衣殼破裂、釋放核酸失活，以及嗜熱細(xì)菌的大量繁殖，堆肥過(guò)程中產(chǎn)生的氨氣、陽(yáng)光照射、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的缺失等因素都影響了病毒的存活。
保守的好氧堆肥可有效滅活大部分病毒。Wilei等發(fā)現(xiàn)，污泥堆肥43h后，無(wú)法檢測(cè)到活的指示微生物，I型脊髓灰質(zhì)炎病毒在第1h內(nèi)就被完全滅活。Pourcher等在農(nóng)村污泥堆肥研究中發(fā)現(xiàn)，污泥中濃度為1580CFU/g干重)污染性腸道病毒，從堆肥的第一次轉(zhuǎn)動(dòng)中就無(wú)法檢測(cè)到但目前未見針對(duì)性研究堆肥中人類特異性病毒，如腺病毒、諾如病毒、腸道病毒等滅活效率的研究。而Vinnera也提出，并非所有堆肥資料都被加熱至高溫，這意味著存在病原體重新生長(zhǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。
3.3石灰穩(wěn)定法
石灰加入污泥中可以迅速提高pH病毒在強(qiáng)堿性條件下會(huì)迅速失活。同時(shí)，氧化鈣吸收污泥中的水分，也抑制了病毒的存活。Hansen等和Bean等皆在室溫條件下，通過(guò)向污泥中加入石灰有效地滅活了5型腺病毒、輪狀病毒和特異性噬菌體MS2其中，Bean等發(fā)現(xiàn)，腺病毒和輪狀病毒在石灰穩(wěn)定處置6min后低于即可檢測(cè)水平，LRV高達(dá)4logSattar等通過(guò)評(píng)估腸道病毒在石灰穩(wěn)定條件下的耐久性發(fā)現(xiàn)，高pH可有效減少污泥中的I型脊髓灰質(zhì)炎病毒。Grabow等則指出，石灰穩(wěn)定處置過(guò)程中，腸道病毒數(shù)量的減少高于大腸桿菌噬菌體、腸球菌以及總大腸菌群的減少，標(biāo)明可以通過(guò)慣例細(xì)菌學(xué)檢測(cè)來(lái)監(jiān)測(cè)石灰處置。但石灰處置若能達(dá)到滅活病毒的效果，pH值必須至少22h堅(jiān)持在11.5但投入過(guò)高的石灰劑量，造成較高的pH有利于后續(xù)土地利用處置，常做應(yīng)急處置，或污泥外運(yùn)預(yù)處理，減少污泥在外運(yùn)過(guò)程病毒溢出傳達(dá)的風(fēng)險(xiǎn)。
3.4熱干化
熱干化通過(guò)污泥與熱媒之間的傳熱作用，進(jìn)一步去除脫水污泥中的水分，提高污泥的衛(wèi)生性能。將污泥加熱到80℃以上可使含水量降低到10%以下。然而，致病負(fù)荷減少的水平隨操作條件變化。Crohn等通過(guò)30min連續(xù)混合熱處置系統(tǒng)處置污泥發(fā)現(xiàn)，60℃處理的污泥，其平均病毒密度為25.2PFU/g干重)70℃處置時(shí)每克干重的病毒密度可下降至2.8PFU/g干重)這表明了溫度對(duì)病毒滅活的關(guān)鍵作用。Strazynski等也驗(yàn)證此觀點(diǎn)，5562℃下，脊髓灰質(zhì)炎病毒于32min后完全失活。而溫度升高至71℃時(shí)，30內(nèi)病毒就已完全失活。95℃時(shí)僅需要15即可。此外，熱干化過(guò)程中，干燥也是病毒滅活的重要因素。Tsai等研究了污泥風(fēng)干過(guò)程中病毒活性的變化，發(fā)現(xiàn)病毒的感染性隨污泥含水率的下降而下降，標(biāo)明污泥脫水作用有利于減少病毒的感染活性。
綜合而言，污泥中病毒的滅活因素和滅活機(jī)理主要圍繞：溫度、有毒物質(zhì)、高pH脫水環(huán)境和微生物活動(dòng)5項(xiàng)因素展開。1高溫使得病毒失活；2厭氧消化等過(guò)程產(chǎn)生VFA 非荷電氨或尿素，會(huì)對(duì)病毒或宿主細(xì)胞的正常生理功能發(fā)生毒性等不利影響；3強(qiáng)堿性條件下，病毒或宿主細(xì)胞生理活性受到破壞和抑制，脫水環(huán)境使病毒蛋白質(zhì)外殼破裂引起其核酸的釋放，失去穩(wěn)定性和感染能力；堆肥過(guò)程中污泥微生物可通過(guò)捕食、拮抗和營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)等方式實(shí)現(xiàn)病原微生物的殺滅，還可利用降解病毒蛋白質(zhì)外殼的酶實(shí)現(xiàn)病毒的滅活。圖1總結(jié)了典型病毒在污水污泥處置過(guò)程中各環(huán)節(jié)的去除效果。
城鎮(zhèn)污水污泥處置處置流程中典型病毒的發(fā)生及潛在風(fēng)險(xiǎn)
圖1典型病毒在城鎮(zhèn)污水污泥處置處置過(guò)程中各環(huán)節(jié)的LRV
4污水污泥處置處置過(guò)程中病毒的流露和防控建議
4.1污水污泥處置過(guò)程中病毒的流露及風(fēng)險(xiǎn)
污水處置過(guò)程中，因設(shè)備機(jī)械運(yùn)動(dòng)或曝氣，病毒從污水中轉(zhuǎn)移至空氣。如預(yù)處置階段中污水泵送、輻流式沉沙池的機(jī)械攪動(dòng)等，會(huì)將污水中含有病毒的液滴揮灑進(jìn)空氣中。又例如氧化池底部的曝氣設(shè)備運(yùn)作等，發(fā)生的氣泡從污水底部上升，當(dāng)氣泡膜破裂，膜中殘留的液體便分裂成攜帶病毒的小液滴進(jìn)入空氣里。此外，針對(duì)污泥處置環(huán)節(jié)，附著在污泥外表的病毒聚集體在污泥輸送和脫水過(guò)程中，受外力作用會(huì)隨污泥中的水分或小顆粒固體分散至氣體里。當(dāng)以上所述液滴發(fā)生脫水和霧化時(shí)，便形成了病毒氣溶膠。病毒氣溶膠的種類和特征受到污水污泥處置工藝模式、污水污泥來(lái)源和氣象條件的影響。然而，病毒氣溶膠如何堅(jiān)持穩(wěn)定狀態(tài)、哪些病毒更容易優(yōu)先霧化等機(jī)制仍尚不明晰。針對(duì)污水廠室內(nèi)外氣溶膠分布特性的研究也十分稀少，如Liu等研究認(rèn)為，污水廠室外設(shè)施發(fā)生的生物氣溶膠組成受原先空氣中微生物的影響大于污水自身氣溶膠化帶來(lái)的影響，而室內(nèi)生物氣溶膠則以污泥氣溶膠化過(guò)程為主導(dǎo)?？傮w而言，病毒氣溶膠的傳達(dá)路徑仍需廣泛研究。
當(dāng)前，污水廠生物氣溶膠中主要檢測(cè)到病毒為諾如病毒GⅠ和GⅡ型、腺病毒以及輪狀病毒。氣溶膠中的病毒組成取決于當(dāng)?shù)貜U水中病毒的種類和含量，廢水中含量相對(duì)較少的病毒如戊型肝炎病毒等則較難檢出。盡管病毒氣溶膠在污水處置廠各個(gè)環(huán)節(jié)都能產(chǎn)生,但不同的處置單元或階段產(chǎn)生的病毒氣溶膠濃度和分布不同?，F(xiàn)有的資料標(biāo)明，預(yù)處理階段、生物處置工藝和污泥濃縮工藝是生物氣溶膠集中產(chǎn)生的位置。芬蘭7個(gè)污水處置廠的研究中發(fā)現(xiàn)，污水廠預(yù)處理階段的微生物空氣污染最高，其中包括曝氣除砂和泵送等僅涉及機(jī)械處置或強(qiáng)制曝氣的預(yù)處理環(huán)節(jié)。Fathi等對(duì)伊朗的一家污水廠研究發(fā)現(xiàn)，曝氣池的下風(fēng)處細(xì)菌氣溶膠濃度最高(1373CFU/m3Malakoo-tian等發(fā)現(xiàn)了好氧污泥消化池單元(微生物負(fù)荷為1537CFU/m3細(xì)菌氣溶膠的最大貢獻(xiàn)單元。進(jìn)入污水處置廠的初始廢水中病原微生物最豐富，預(yù)處理階段，機(jī)械裝置不時(shí)擾動(dòng)水面導(dǎo)致污水中大量微生物逸散到周圍空氣中，因此預(yù)處置環(huán)節(jié)成為重要的生物氣溶膠發(fā)生地。此外，由于室內(nèi)外的氣象條件明顯不同，室內(nèi)通風(fēng)性差，溫度、濕度高，不受外界氣流的稀釋和UV輻射影響，更容易造成生物氣溶膠累積，并且污泥匯聚了來(lái)自經(jīng)廢水分離的絕大多數(shù)病原體。因此污泥脫水車間含有的微生物氣溶膠濃度普遍高于室外構(gòu)筑物。
由于現(xiàn)階段大多數(shù)污水廠并未實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，場(chǎng)內(nèi)職工在操作過(guò)程中，病毒氣溶膠所導(dǎo)致的吸入風(fēng)險(xiǎn)無(wú)處不在還會(huì)被人們忽略。一項(xiàng)為期兩年的研究中，瑞士31個(gè)污水處置廠收集的所有氣溶膠樣本中都證實(shí)了腺病毒的存在最高濃度可達(dá)2.27106copies/m3,同時(shí)污水處置廠工作人群腸道疾病發(fā)病率高于社會(huì)人群的平均值。伊朗德黑蘭某市政污水處置廠內(nèi)工人和周邊居民，其吸入空氣中輪狀病毒以及諾如病毒后承受的患病風(fēng)險(xiǎn)超越了美國(guó)環(huán)境維護(hù)署建議閾值。瑞典某污水廠工人的腹瀉患病率接近45%對(duì)照人群中為3%都表明了污水污泥處置過(guò)程中產(chǎn)生的病毒氣溶膠對(duì)職工具有健康風(fēng)險(xiǎn)，需要引起重視。
4.2防控建議
4.2.1改進(jìn)污水廠通風(fēng)和曝氣系統(tǒng)
針對(duì)污水廠內(nèi)的生物氣溶膠，通過(guò)機(jī)械或自然系統(tǒng)稀釋通風(fēng)是有效方法。據(jù)報(bào)道，通風(fēng)4h后，污水廠產(chǎn)生的細(xì)菌氣溶膠濃度減少了60%預(yù)處理階段、生物處置工藝和污泥濃縮工藝作為生物氣溶膠集中產(chǎn)生的工作場(chǎng)所，必需通過(guò)定期通風(fēng)引入新鮮空氣，防止工人受到空氣中積聚的病原體氣溶膠危害。此外，還應(yīng)改善污水廠內(nèi)機(jī)械曝氣系統(tǒng)。Brandi等研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械曝氣系統(tǒng)產(chǎn)生的氣溶膠微生物濃度(細(xì)菌：560CFU/m3真菌：1110CFU/m3遠(yuǎn)高于通過(guò)細(xì)氣泡擴(kuò)散曝氣系統(tǒng)(細(xì)菌：222CFU/m3真菌：190CFU/m3標(biāo)明氣泡擴(kuò)散系統(tǒng)相較于機(jī)械曝氣系統(tǒng)能更好抑制生物氣溶膠的發(fā)生。Han等通過(guò)對(duì)中國(guó)廣州某污水處置廠研究也印證了這點(diǎn)。因此，合理選擇曝氣設(shè)備，并在重點(diǎn)曝氣區(qū)域建設(shè)良好通風(fēng)系統(tǒng)，有助于降低病毒氣溶膠的吸入健康風(fēng)險(xiǎn)。
4.2.2改進(jìn)污水污泥處置工藝
鋁鐵鹽與聚合陽(yáng)離子型助凝劑等能夠增強(qiáng)病毒絮凝作用，可考慮在預(yù)處置階段強(qiáng)化絮凝沉降等物理過(guò)程。同時(shí)強(qiáng)化消毒工藝，根據(jù)當(dāng)?shù)貜U水中的優(yōu)勢(shì)病毒，調(diào)整消毒工藝參數(shù)，加強(qiáng)消毒工藝在末端處置的應(yīng)用。污泥處置過(guò)程中，減少板框壓濾機(jī)等能使污泥大面積流露于空氣的設(shè)備使用，可考慮采用密閉式一體化設(shè)備，降低職工與污泥的直接接觸。偏重視污泥末端處置，提高污泥穩(wěn)定水平，盡量保證污泥的存儲(chǔ)及運(yùn)輸過(guò)程密閉。
4.2.3建立完善的病毒檢測(cè)和評(píng)價(jià)體系
選擇合適的檢測(cè)指標(biāo)。當(dāng)前大多數(shù)國(guó)家污水處置廠出水和污泥出泥的生物規(guī)范依賴的糞便指示桿菌(FIB與腸道病毒幾乎沒(méi)有相關(guān)性，且對(duì)激進(jìn)廢水處置和氯化敏感性更高，無(wú)法有效表征廢水中病毒的清除狀況。為了更好地預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)，需要尋求能有效代表污水廠廢水、氣溶膠中病毒污染和去除狀況的指示病毒。鑒于此，已有許多研究人員提出了廢水中替代糞便指標(biāo)的病毒生物體建議，主要分成3大類：腸道病毒(包括人腺病毒，人類多瘤病毒和愛知病毒)植物病毒(PMMoV以及噬菌體(大腸桿菌噬菌體F-RNA Ⅱ和Ⅲ型、人類腸道共生擬桿菌噬菌體)這些指示病毒在廢水中因能長(zhǎng)久存在不隨季節(jié)變化并具有較強(qiáng)人類特異性而被認(rèn)可。但如何選取適合的替代物仍需要更廣泛的研究。同時(shí)應(yīng)結(jié)合流行病學(xué)數(shù)據(jù)，建立行之有效的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，針對(duì)性評(píng)估污水污泥處置各環(huán)節(jié)存在健康風(fēng)險(xiǎn)，職工防護(hù)措施。
4.2.4加強(qiáng)污水污泥處置人員的操作規(guī)范和防護(hù)意識(shí)
提高城鎮(zhèn)污水污泥處置設(shè)施運(yùn)行、水質(zhì)及泥質(zhì)檢測(cè)與分析等相關(guān)人員的平安防護(hù)意識(shí)，制定污水污泥處置設(shè)施操作相關(guān)生物平安防護(hù)手冊(cè)，定期培訓(xùn)。對(duì)于直接接觸作業(yè)的環(huán)節(jié)，應(yīng)穿戴防護(hù)服、佩戴口罩等防護(hù)用品。
5總結(jié)與展望
5.1總結(jié)
1現(xiàn)有的污水處置處置技術(shù)對(duì)典型病毒的去除效果不佳。慣例處置技術(shù)對(duì)污水中病毒LRV2log9log污泥LRV4log6log仍有大量病毒排入環(huán)境中。此外，污水和污泥中的病毒賦存特征尚不清楚，無(wú)法針對(duì)性調(diào)整污水污泥處置處置工藝以提高污水廠對(duì)病毒的去除效率。
2國(guó)污水污泥中關(guān)于病毒的控制要求和規(guī)范有待完善。未有效滅活病毒的污水和污泥重新回到自然環(huán)境中，會(huì)危害人類的健康平安。但目前污水廠出水和污泥廠出泥均未設(shè)置合適的病毒檢測(cè)指標(biāo)，生物性指標(biāo)僅依賴糞便指示桿菌(FIB等細(xì)菌微生物和寄生蟲卵，與病毒幾乎沒(méi)有相關(guān)性，無(wú)法有效表征廢水和污泥中病毒的清除狀況。
3污水污泥處置處置過(guò)程中病毒的傳達(dá)、流露途徑、流露風(fēng)險(xiǎn)等方面缺乏系統(tǒng)的研究。當(dāng)前對(duì)污水廠生物氣溶膠的研究仍集中于細(xì)菌、真菌等微生物,對(duì)病毒氣溶膠的賦存特性、擴(kuò)散規(guī)律和感染特征尚不明晰，忽視了流露于污水廠病毒氣溶膠環(huán)境中的職工健康風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。
5.2展望
1加強(qiáng)污水污泥處置環(huán)節(jié)中典型病毒的賦存特性研究。深入識(shí)別污水污泥處置各環(huán)節(jié)中優(yōu)勢(shì)病毒類別,不時(shí)發(fā)展病毒感染性檢測(cè)技術(shù)手段。目前，國(guó)僅發(fā)布《污水中新型冠狀病毒富集濃縮和核酸檢測(cè)方法》還應(yīng)繼續(xù)研究污水污泥中其余典型病毒的存活和殺滅特征，以形成污水污泥中病毒檢測(cè)技術(shù)規(guī)范。并在現(xiàn)有處置工藝上不斷創(chuàng)新，進(jìn)一步提高污水廠各環(huán)節(jié)對(duì)典型病毒的去除能力。
2完善污水廠排水規(guī)范和污泥后續(xù)處置規(guī)范中關(guān)于病毒的限制。當(dāng)前，國(guó)僅有污染病醫(yī)療機(jī)構(gòu)對(duì)其產(chǎn)生的污水污泥限制了病毒學(xué)指標(biāo)。隨著人們對(duì)生物平安意識(shí)逐漸加深，為防控污水污泥進(jìn)入自然環(huán)境造成的病毒傳達(dá)及暴露風(fēng)險(xiǎn)，需要參考國(guó)外規(guī)范，如美國(guó)、巴西等國(guó)家均在污水污泥處置規(guī)范中納入了局部病毒學(xué)指標(biāo)，并結(jié)合我國(guó)國(guó)情完善我國(guó)污水污泥衛(wèi)生學(xué)體系。未來(lái)，環(huán)境工程領(lǐng)域等研究學(xué)者也需加強(qiáng)對(duì)污水污泥病毒指示物篩選等方面的相關(guān)研究。
3加強(qiáng)污水廠職工及周邊地區(qū)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估相關(guān)研究。依據(jù)不同地區(qū)流行病學(xué)數(shù)據(jù),結(jié)合污水廠病毒氣溶膠產(chǎn)生情況，構(gòu)建行之有效的病毒氣溶膠健康風(fēng)險(xiǎn)模型，說(shuō)明污水廠職工存在健康隱患，制定相應(yīng)防護(hù)措施，完善公共衛(wèi)生平安管理體系，從而規(guī)避職工在污水污泥處置處置過(guò)程中面臨的病毒氣溶膠暴露風(fēng)險(xiǎn)。
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