污水處理工藝對(duì)病毒的去除效果及疫情期應(yīng)急處理技術(shù)*

夏 夢(mèng) 蘇益明 陳家斌 周雪飛 張亞雷

(同濟(jì)大學(xué)污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

全球范圍內(nèi)由病毒污染環(huán)境引起流行性傳染病暴發(fā)的事件不斷發(fā)生，嚴(yán)重威脅著人類健康。2003年，中國(guó)香港高層住宅區(qū)暴發(fā)的涉及300多人的SARS疫情被提出與一個(gè)有缺陷的污水處理系統(tǒng)有關(guān)[1]。目前，在全國(guó)暴發(fā)的新型冠狀病毒已證實(shí)的傳播途徑主要為飛沫和接觸傳播，氣溶膠傳播途徑尚待進(jìn)一步明確。而近期專家在部分病患糞便標(biāo)本中檢測(cè)到了新型冠狀病毒，這預(yù)示著新型冠狀病毒存在糞口傳播風(fēng)險(xiǎn)[2]。針對(duì)這一發(fā)現(xiàn)，《關(guān)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》(環(huán)辦水體函〔2020〕52號(hào))，為醫(yī)療和城鎮(zhèn)污水的處理提出了新要求。對(duì)于傳統(tǒng)污水處理系統(tǒng)，污水一級(jí)、二級(jí)處理工藝很難完全去除病毒或滅活病毒[3]，在疫情暴發(fā)期間很難達(dá)標(biāo)排放。針對(duì)新型冠狀病毒疫情期病毒污水防控的特殊需求，本研究重點(diǎn)綜述了對(duì)病毒具有高效物理篩分和截留作用的膜分離工藝和對(duì)病毒具有滅活作用的紫外線、液氯/二氧化氯、臭氧3種消毒工藝，綜合評(píng)估了不同污水處理工藝殺滅病毒的能力，為新型冠狀病毒暴發(fā)期污水安全處理提供參考依據(jù)。

1 水體中病毒的賦存及分布特性

水體中病毒的賦存主要指通過(guò)相關(guān)檢測(cè)表征病毒是否存在，與其存在形式與結(jié)合狀態(tài)無(wú)關(guān)[4]9。

1.1 自然水體中病毒的賦存及傳播途徑

病毒是一類蛋白質(zhì)外殼包裹核酸(DNA和RNA)的微小非細(xì)胞生命形態(tài)，一旦脫離宿主進(jìn)入自然環(huán)境后不能進(jìn)行自我復(fù)制與增殖，但在天然狀態(tài)下能長(zhǎng)期存活并保持感染活力，如腸道、輪狀、甲型肝炎和諾如等病毒在自然水體中存活時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)1個(gè)月以上并保持強(qiáng)感染性[5]2。目前，已發(fā)現(xiàn)有700余種介水傳播病毒，它們中大多數(shù)可穩(wěn)定存在于各類水體中并能隨水四處流動(dòng)傳播[4]2。

病毒在水體中的傳播主要通過(guò)飲用水、食物和直接接觸3種方式進(jìn)行傳播。飲用水傳播主要是大量病毒顆粒通過(guò)感染者的糞便或嘔吐物排入污水中[6]，然后未處理或處理不充分的污水進(jìn)入受納自然水體，進(jìn)而污染飲用水源，人飲用后造成傳染病的發(fā)生。近年，一些飲用水傳播病毒性疾病暴發(fā)案例見(jiàn)表1。

表1 飲用水傳播病毒性疾病暴發(fā)案例

直接接觸傳播主要通過(guò)暴露在受病毒污染的景觀娛樂(lè)水體中直接接觸黏膜或傷口進(jìn)入人體造成污染病的發(fā)生。XAGORARAKI等[19]報(bào)道了美國(guó)某海灘人體腺病毒為103個(gè)/L。而病毒在景觀娛樂(lè)水體中的出現(xiàn)增加了人體暴露風(fēng)險(xiǎn)。有報(bào)道稱，暴露在病毒污染嚴(yán)重的區(qū)域，感染耳朵、眼睛、腸胃或呼吸道疾病的風(fēng)險(xiǎn)是在未受病毒污染區(qū)域的兩倍以上[20]。

1.2 污水和污泥中病毒的賦存及分布特性

城市污水中含有大量的病原體。污水中的病毒一般會(huì)附著在泥砂、黏土、礦物等懸浮固體表面，這可在某種程度上對(duì)病毒起保護(hù)作用，使病毒具有一定的逆境抗性從而延長(zhǎng)其存活時(shí)間[5]19。特別是當(dāng)病毒顆粒以聚集狀態(tài)存在時(shí)，可提高其在不利環(huán)境因素下的存活幾率，很大程度上病毒僅是從液相轉(zhuǎn)移到了固相，即病毒被轉(zhuǎn)移到污泥中。病毒在污水和污泥中的存活主要受污水、污泥的溫度、鹽度和成分等的影響。有報(bào)道稱，腸道病毒在22 ℃時(shí)滅活效率最高[21]443；冠狀病毒滅活受溫度影響極大[22]。污水成分對(duì)病毒具有復(fù)雜的影響機(jī)制，污水中的一些細(xì)菌，如克雷伯氏菌、產(chǎn)氣桿菌、枯草桿菌、綠膿桿菌等可引起病毒滅活，一般認(rèn)為，這些細(xì)菌的分泌物具有蛋白酶的作用從而能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[4]9；污水中一些藻類產(chǎn)生的多糖、多肽及小分子代謝產(chǎn)物等可使病毒滅活；污水中的懸浮物和有機(jī)物可提高病毒在水環(huán)境中的生存能力。此外，污泥的干化過(guò)程對(duì)病毒存活有較大影響，在污泥干化過(guò)程中加入石灰等物質(zhì)提高pH，能明顯提高病毒去除率[4]10。

2 不同污水處理工藝對(duì)病毒去除作用的評(píng)估

污水處理過(guò)程主要通過(guò)分離和滅活兩種方式降低病毒濃度。分離是指病毒附著在顆粒物或絮體(如沙礫、污泥、混凝劑形成的絮體等)上，通過(guò)沉淀或過(guò)濾將病毒從污水中去除。滅活是指病毒受環(huán)境因素或消毒劑作用后喪失感染能力[4]19。污水處理工藝對(duì)病毒的殺滅效果通常用病毒對(duì)數(shù)消減量(即出水與進(jìn)水中病毒數(shù)量比的對(duì)數(shù))表示[23]3607。污水的一級(jí)處理主要是對(duì)附著病毒顆粒物進(jìn)行分離沉淀。研究表明，一級(jí)處理工藝對(duì)病原微生物的去除效果較弱，甚至有研究表明，一級(jí)處理工藝有時(shí)會(huì)使污水中病毒數(shù)量不降反增；二級(jí)處理的活性污泥法被認(rèn)為是減少病毒最有效的方法，病毒對(duì)數(shù)消減量約1.0～1.6，比一級(jí)處理工藝多減少1左右[24]。然而，它們大多不能滅活病毒，僅是將病毒從液相中轉(zhuǎn)移出來(lái)。三級(jí)處理工藝對(duì)污水中較大顆粒病毒有顯著去除效果，此物理過(guò)程可有效去除污水中90%～99%的病毒[21]444-446。但較小病毒膠體顆粒(<10 μm)仍然殘存在水體中，存在危害人體健康的潛在風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)一步消毒滅活。

2.1 膜分離技術(shù)

膜分離包括微濾、超濾、納濾和反滲透等。HAI等[23]3607-3608評(píng)價(jià)了不同膜材料對(duì)MS2噬菌體的去除效率，結(jié)果表明，微濾對(duì)MS2噬菌體的對(duì)數(shù)消減量最低，僅為<1.79，超濾對(duì)MS2噬菌體的對(duì)數(shù)消減量較高(≥3)，反滲透對(duì)MS2噬菌體的對(duì)數(shù)消減量最高(>6.5)，但反滲透系統(tǒng)的造價(jià)及運(yùn)行成本較昂貴，普通污水處理很少應(yīng)用。

2.1.1 超濾法

以壓力為推動(dòng)力的膜分離技術(shù)之一的超濾法，用于改善污水水質(zhì)，特別是提升再生水水質(zhì)，清除病毒效果良好[25]23。QIU等[26]研究發(fā)現(xiàn)，諾如、輪狀、沙坡、星形、腺、腸道和JC病毒通過(guò)超濾處理后，病毒對(duì)數(shù)消減量達(dá)到4.61～6.69。超濾法對(duì)于不同病毒的去除存在明顯差異性，這種差異可能取決于病毒的顆粒大小、結(jié)構(gòu)、膜孔徑和膜的靜電吸附作用等[27]。OTTOSON等[28]在比較超濾去除病毒的研究中發(fā)現(xiàn)，超濾對(duì)腸道病毒的去除效果較好，而對(duì)諾如病毒的去除效果較差。研究發(fā)現(xiàn)，聚砜類超濾膜(10～300 ku)對(duì)病毒的對(duì)數(shù)消減量≥3，其中100、150 ku聚醚砜超濾膜的病毒對(duì)數(shù)消減量分別為3.54、>4.89；醋酸纖維素超濾膜(100 ku)的病毒對(duì)數(shù)消減量>6[23]3608。此外，水質(zhì)條件也可影響超濾法對(duì)病毒的去除效果。LEE等[25]28等研究表明，調(diào)整水質(zhì)pH為5.5，混凝/超濾法的病毒去除率顯著提升。雖然超濾法可有效降低病毒在水體中水平，但是其造價(jià)及運(yùn)行成本都較昂貴，因此仍然需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)新型的膜分離技術(shù)。

2.1.2 膜生物反應(yīng)器(MBR)

MBR是一種將污水生物處理技術(shù)與膜分離技術(shù)相結(jié)合的新型污水處理工藝。研究表明，MBR對(duì)病毒的去除最初主要依靠膜表面和膜孔徑的吸附作用，隨著膜污染程度的加劇，膜表面的濾餅層和凝膠層的截留機(jī)制對(duì)病毒的去除起主要作用[23]3616。MBR的病毒對(duì)數(shù)消減量為3.4～6.8[29-30]。需要注意的是，水質(zhì)條件(懸浮物固體濃度、粒度分布、溶解性有機(jī)物濃度和黏度等)會(huì)影響膜污染，進(jìn)而影響其去除病毒的效能。有研究表明，投加氫氧化鐵、生物鐵、氯化鐵等可有效緩解MBR膜孔阻塞，提高膜組件對(duì)細(xì)菌、病毒的截留效果[31]。此外，MBR運(yùn)行參數(shù)也是影響病毒去除的重要因素，研究表明，較長(zhǎng)水力停留時(shí)間和較短污泥齡可提高病毒的去除率。

儀器的流量分為工況流量和刻度流量，工況流量即設(shè)備在使用環(huán)境下的實(shí)際流量，刻度流量，即標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流量，有些儀器的刻度狀態(tài)是(0 ℃，101.325kPa)，有些設(shè)備的刻度狀態(tài)為(20 ℃，101.325kPa)，也有些其他特殊的狀態(tài)，具體以被檢設(shè)備為準(zhǔn)。在測(cè)量重復(fù)性和穩(wěn)定性時(shí)我們要讀取的數(shù)值為檢定點(diǎn)的工況流量，但在測(cè)量示值誤差時(shí)我們則需要讀取刻度狀態(tài)下的流量。采樣器的流量計(jì)上有些顯示的是工況流量，有些顯示的是刻度狀態(tài)下的流量，如果為工況流量，像安裝浮子流量計(jì)的采樣器，這時(shí)我們必須對(duì)流量示值加以換算，在氣路壓力為0kPa情況下測(cè)量的流量，具體過(guò)程按公式(1)進(jìn)行計(jì)算。

2.2 消 毒

2.2.1 紫外線消毒法

紫外線主要起殺菌作用的波長(zhǎng)在254～257 nm，該波段可滿足微生物內(nèi)部DNA和RNA的能量吸收，導(dǎo)致堿基對(duì)發(fā)生聚合，進(jìn)而阻止蛋白質(zhì)合成，使得微生物不能繁殖，達(dá)到殺滅微生物的目的[32]6。其消毒效果受水溫、pH影響小，但受濁度及水中懸浮物影響較大。紫外線消毒的廣譜高效性意味著其對(duì)病毒具有很好的滅活效果。研究表明，實(shí)際水處理中，紫外線消毒劑量一般為40～140 mW·s/cm2，當(dāng)紫外線消毒劑量為30～45 mW·s/cm2時(shí)就可高效去除二級(jí)處理和深度處理出水中病毒和鏈球菌[33]。本次流行的新型冠狀與SARS病毒同屬于冠狀病毒。研究表明，在40 mW·s/cm2紫外線輻射下作用2 min可將SARS病毒的感染性完全殺滅[34]。目前，《新型冠狀病毒肺炎診療方案(試行第七版)》也提出新型冠狀病毒對(duì)紫外線敏感。雖然紫外線消毒法能在短時(shí)間內(nèi)殺死大部分病原體，但其滅菌作用只在其輻照期間有效，不具有殘余的消毒能力。另外，微生物細(xì)胞自身修復(fù)和光修復(fù)作用容易使水體重新被污染。紫外光燈的穩(wěn)定性和老化問(wèn)題也是紫外線消毒過(guò)程中亟待解決的難題。

2.2.2 液氯/二氧化氯消毒法

液氯消毒作用主要依靠HOCl的強(qiáng)氧化性來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)液氯進(jìn)入水中后會(huì)立刻水解生成具有強(qiáng)氧化性的HOCl和ClO-，HOCl是分子量很小的電中性分子，容易滲透擴(kuò)散進(jìn)帶有負(fù)電的微生物細(xì)胞內(nèi)，破壞其胞內(nèi)的酶系統(tǒng)，導(dǎo)致致病菌死亡[32]7。液氯消毒對(duì)水質(zhì)pH敏感，由于實(shí)際待消毒水體中含有氨氮，向水中投氯后，HOCl與氨分段反應(yīng)過(guò)程影響消毒作用，當(dāng)pH>9.0時(shí)，幾乎只生成一氯胺；當(dāng)pH約為7.5時(shí)，生成數(shù)量相當(dāng)?shù)囊宦劝泛投劝?；在pH<6.5時(shí)，二氯胺占優(yōu)勢(shì)；當(dāng)pH<4.5時(shí)，三氯胺生成。導(dǎo)致氨氮和起氧化作用的氯完全從溶液中消失的點(diǎn)稱為折點(diǎn)。折點(diǎn)后剩余氯是游離態(tài)的有效余氯，這時(shí)消毒效果最好。城市深度處理出水消毒需要的氯劑量5～20 mg/L、接觸反應(yīng)時(shí)間30～60 min。當(dāng)污水中游離余氯量保持0.5 mg/L以上時(shí)可保證完全滅活污水中的SARS病毒[35]69。實(shí)際應(yīng)用中，液氯消毒的有效性取決于液氯投加量，若液氯投加量過(guò)少則消毒效果不明顯，投加量過(guò)多會(huì)造成二次污染[36-37]，因此必須根據(jù)實(shí)際情況確定投氯的裝置和設(shè)備，使其達(dá)到理想的消毒效果又避免二次污染[32]7。

二氧化氯消毒較液氯具有明顯的優(yōu)越性，它是一種強(qiáng)氧化劑，在水中的溶解度是氯的5倍，氧化能力是氯的2.63倍，其殺菌作用不受pH影響，可在廣泛的pH(3～9)范圍內(nèi)殺滅水中的細(xì)菌和病毒。但受水溫影響較大，低溫時(shí)需要提高二氧化氯投加量。目前，二氧化氯滅活病毒的機(jī)制存在兩種不同的觀點(diǎn)，一種是病毒核酸直接發(fā)生致死性損害滅活病毒；另一種是病毒蛋白衣殼變性滅活病毒[38]。雖然二氧化氯對(duì)不同病毒的滅活機(jī)制不同，但研究表明，二氧化氯對(duì)多種病毒均具有良好的滅活效果，當(dāng)pH為3～7、劑量7 mg/L、接觸反應(yīng)10 min時(shí)可有效滅活脊髓灰質(zhì)炎、柯薩奇、?？?、腺、單純胞疹和流行性腮腺炎等病毒[39]。當(dāng)污水中二氧化氯保持2.19 mg/L以上時(shí)可保證完全滅活污水中的SARS病毒[35]69。

2.2.3 臭氧消毒法

臭氧消毒對(duì)病毒、芽孢等具有強(qiáng)大的殺傷力，是目前最有效的一種消毒劑[40]，其滅活病毒的機(jī)制根據(jù)主要破壞的是病毒衣殼還是核酸而存在差異。臭氧消毒不殘留有害物質(zhì)，不存在二次污染的可能性，其消毒在寬泛的水體溫度和pH范圍內(nèi)均有效，在低濁度(≤1 NTU)和低有機(jī)物的水體中，臭氧消毒5 min后，剩余臭氧量約為0.1 mg/L可滿足消毒要求。在城市污水消毒中，1～10 mg/L的臭氧量接觸反應(yīng)15 min就能把細(xì)菌和病毒殺死。水中臭氧為17.82 mg/L作用4 min可使SARS病毒完全滅活[41]。有研究表明，臭氧對(duì)醫(yī)院污水消毒的最優(yōu)工藝條件為pH=9、5 ℃、反應(yīng)60 s、臭氧投加量20 mg/L，此時(shí)對(duì)糞大腸菌群的對(duì)數(shù)消減量可達(dá)到3.37[32]59-60。

3 新型冠狀病毒疫情期病毒污水應(yīng)急處理技術(shù)

根據(jù)不同污水處理工藝去除病毒的效果，現(xiàn)從以下4個(gè)方面提出新型冠狀病毒疫情期病毒污水應(yīng)急處理技術(shù)：

(1) 強(qiáng)化污染源污水管理控制，防止污染擴(kuò)散。對(duì)于近期中國(guó)暴發(fā)的新型冠狀病毒，研究人員已在感染者糞便中檢測(cè)到病毒存在。因此，做好相關(guān)場(chǎng)所，特別是醫(yī)院污染源管理控制是防止污染擴(kuò)散的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)已設(shè)有污水處理設(shè)施的醫(yī)院應(yīng)強(qiáng)化污水處理，適當(dāng)調(diào)整消毒劑投加量，確保各項(xiàng)消毒指標(biāo)均能達(dá)標(biāo)排放。對(duì)于中小型及鄉(xiāng)鎮(zhèn)醫(yī)院，絕大多數(shù)的污水基本沒(méi)有經(jīng)過(guò)嚴(yán)格處理[42]，因此不得直排進(jìn)入城市污水排水管網(wǎng)，應(yīng)當(dāng)采用專用的容器收集病區(qū)人員的排泄物，進(jìn)行單獨(dú)消毒處理，或進(jìn)行改建增設(shè)污水處理設(shè)施，以保證排水的安全性。

(2) 適當(dāng)調(diào)整污水處理工藝，快速滅活病毒。疫情暴發(fā)期污水處理廠應(yīng)適當(dāng)調(diào)整消毒工藝，暫停再生水使用。對(duì)于采用氯消毒的項(xiàng)目，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整氯投加量，保持出水中有適當(dāng)?shù)挠嗦?；?duì)于采用紫外線消毒的項(xiàng)目，由于其沒(méi)有后續(xù)消毒作用，建議增加臨時(shí)管道投加氯消毒劑做輔助；對(duì)于采用臭氧消毒的項(xiàng)目，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整其投加量和接觸反應(yīng)時(shí)間；對(duì)于采用膜分離的項(xiàng)目，應(yīng)密切關(guān)注膜污染情況，可適當(dāng)投加藥劑進(jìn)行調(diào)控，試劑可采用聚合氯化鋁或多核類絮凝劑，投加量宜為20～50 mg/L。此外，應(yīng)加強(qiáng)生化系統(tǒng)監(jiān)控，進(jìn)水中如存在過(guò)量余氯，將會(huì)降低或抑制活性污泥的活性，影響生物處理單元的正常運(yùn)行，故需對(duì)活性污泥形狀進(jìn)行密切觀察。疫情期間，應(yīng)密切觀察進(jìn)出水水質(zhì)水量變化，提前預(yù)判并及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

(3) 關(guān)注污泥處理處置，防止病毒擴(kuò)散傳播。疫情期間各處理單位應(yīng)適當(dāng)減少生化池污泥各項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)頻次，密切關(guān)注在線污泥濃度。如有異常，及時(shí)比對(duì)儀表并化驗(yàn)檢測(cè)，同時(shí)做出相應(yīng)調(diào)整。對(duì)于污泥的處理處置，疫情期間應(yīng)當(dāng)充分考慮相關(guān)病毒學(xué)安全性問(wèn)題，建議提高污水處理廠污泥熱干化溫度，或在污泥干化環(huán)節(jié)增設(shè)消毒工藝，消毒劑可采用液氯、次氯酸鈉或過(guò)氧乙酸等，進(jìn)一步提高滅活病毒的效率。建議污泥的各處理環(huán)節(jié)在全密閉環(huán)境中進(jìn)行，防止病毒傳播擴(kuò)散，當(dāng)污泥相應(yīng)指標(biāo)符合要求后進(jìn)行衛(wèi)生填埋或焚燒處置。

(4) 加強(qiáng)工作環(huán)境安全，落實(shí)個(gè)人防護(hù)措施。疫情期間，預(yù)處理單元應(yīng)該保持良好的通風(fēng)和除臭，污水渠道和相關(guān)設(shè)備保持密閉，防止臭氣和病菌散發(fā)。生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)所有可能接觸污水、污泥的生產(chǎn)區(qū)域，應(yīng)每日消毒處理。來(lái)水水質(zhì)水量穩(wěn)定的情況，進(jìn)出水指標(biāo)應(yīng)盡量以在線監(jiān)測(cè)設(shè)備自動(dòng)檢測(cè)為主，視情況減少人工取樣化驗(yàn)頻率。對(duì)需要人工檢測(cè)的項(xiàng)目，取樣人員應(yīng)當(dāng)做好相應(yīng)防護(hù)措施：①取樣前應(yīng)正確佩戴防護(hù)用品；②取樣時(shí)應(yīng)避免身體部位與污水直接接觸；③檢測(cè)期間，應(yīng)打開(kāi)通風(fēng)系統(tǒng)；④檢測(cè)完成后，要對(duì)取樣器材、化驗(yàn)室進(jìn)行消毒；⑤離開(kāi)工作場(chǎng)所前，摘除口罩、防護(hù)鏡等集中消毒或處理；⑥離開(kāi)工作場(chǎng)所后，及時(shí)做好個(gè)人清潔工作。

4 結(jié) 論

新型冠狀病毒的暴發(fā)嚴(yán)重威脅人民身體健康，而其潛在的糞口傳播途徑更對(duì)公眾健康造成隱患。因此，疫情暴發(fā)期含病毒污水的安全處理顯得尤為重要。在綜述了對(duì)病毒具有高效物理篩分和截留作用的膜分離工藝和對(duì)病毒具有滅活作用的紫外線、液氯/二氧化氯、臭氧3種消毒工藝的基礎(chǔ)上，針對(duì)疫情期病毒污水的防控提出了應(yīng)急處理技術(shù)：(1)病毒污水的源頭控制至關(guān)重要；(2)污水及污泥的處理工藝應(yīng)適當(dāng)調(diào)整，以滿足排放標(biāo)準(zhǔn)和處置要求；(3)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)相關(guān)工作人員個(gè)人防護(hù)措施。