基于水熱技術(shù)的糞便污水中病原微生物滅活試驗(yàn)研究

張 喆，王一迪，玉散·吐拉甫，夏 洲，，張 超，沈 威，王 偉

（1.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084；2.四川深藍(lán)環(huán)?？萍加邢薰荆拇?成都 610041）

1 引言

新冠肺炎病毒（COVID-19） 疫情期間，特定醫(yī)療機(jī)構(gòu)亟需醫(yī)療廢水、污水污泥和糞便等多點(diǎn)位協(xié)同的應(yīng)急消毒滅菌技術(shù)與裝備。生態(tài)環(huán)境部制定的《新型冠狀病毒污染的醫(yī)療污水應(yīng)急處理技術(shù)方案（試行）》要求嚴(yán)防污染擴(kuò)散，強(qiáng)化消毒滅菌。新冠肺炎患者的糞便樣本中存在具有活性的病毒，且存活時(shí)間可能達(dá)數(shù)小時(shí)至數(shù)十天，因此，對(duì)特定醫(yī)療機(jī)構(gòu)含病毒污水的消毒是防止疫情擴(kuò)散的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一［1］。目前，對(duì)于含病毒污水的消毒主要以投加二氧化氯為主，在疫情期間為保證最大程度滅殺病原微生物，普遍過量投加，但是含氯消毒劑都具有一定的氧化性、腐蝕性及致敏性，過量或長(zhǎng)期過度消毒會(huì)危害人體健康和生態(tài)環(huán)境。在大規(guī)模疫情暴發(fā)情況下大劑量大規(guī)模的氯消毒會(huì)嚴(yán)重影響市政污水處理系統(tǒng)。

《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案（試行第五版）》指出，新冠病毒具有熱敏感性，故水熱強(qiáng)化滅菌技術(shù)是適合應(yīng)急條件下的含病毒污水處理技術(shù)。目前水熱技術(shù)廣泛應(yīng)用于高含水有機(jī)固廢預(yù)處理領(lǐng)域，其原理主要是通過高溫高壓的環(huán)境破壞并分解處理對(duì)象中的有機(jī)物，該原理同樣適用于含病毒污水［2］。當(dāng)含病毒污水被加熱至一定的溫度后，在相應(yīng)飽和蒸氣壓的作用下，微生物細(xì)胞破碎，蛋白質(zhì)失去生理活性，喪失了感染、致病及繁殖能力，使污水中的病原菌被徹底消殺，有效地阻斷了病毒的繁殖途徑。整個(gè)過程無需投加藥劑，不會(huì)造成后續(xù)城市污水處理廠管道/設(shè)備腐蝕、好氧微生物失活等問題，有利于疫后再生水廠的快速恢復(fù)使用。連續(xù)式水熱設(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)單，投資少、占地面積小、運(yùn)行費(fèi)用低、故障率低、自動(dòng)化水平高，可應(yīng)用于火神山、雷神山和小湯山等定點(diǎn)醫(yī)療結(jié)構(gòu)的水處理系統(tǒng)，同時(shí)可建設(shè)移動(dòng)式、撬裝式水熱裝備作為應(yīng)急儲(chǔ)備物資，當(dāng)疫情發(fā)生時(shí)，可以直接對(duì)接定點(diǎn)醫(yī)院和集中隔離點(diǎn)的水處理系統(tǒng)。

由于疫情期間的條件所限，本研究沒有獲得疫區(qū)現(xiàn)場(chǎng)的醫(yī)療廢水，試驗(yàn)以模擬人糞便污水為研究對(duì)象，以大腸菌群和細(xì)菌作為指示微生物，研究不同溫度下水熱對(duì)樣品中微生物的殺滅特性，為水熱強(qiáng)化滅菌裝置的參數(shù)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

2 材料與方法

2.1 水熱強(qiáng)化滅菌試驗(yàn)

試驗(yàn)原料為模擬人糞便污水和市政污泥。糞便污水采用250 g 人糞便稀釋300 倍代替，為了驗(yàn)證可靠性，對(duì)模擬糞便污水的COD 和SS 進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表1 所示。

表1 模擬糞便污水的理化性質(zhì)

水熱強(qiáng)化試驗(yàn)裝置及示意如圖1 所示，每組試驗(yàn)分別取1 L 模擬糞便污水倒入3 個(gè)不銹鋼密閉反應(yīng)釜中作為平行樣品，采用油浴加熱對(duì)不銹鋼密閉反應(yīng)釜進(jìn)行加熱，設(shè)定水熱溫度分別為120、140、160、180 ℃，根據(jù)之前的研究結(jié)果，將水熱的時(shí)間設(shè)定為30 min，待反應(yīng)釜中溫度升高至指定溫度后開始計(jì)時(shí)［3-5］。將不銹鋼密閉反應(yīng)釜移至冷水槽中強(qiáng)制降溫后取出樣品進(jìn)行大腸菌群數(shù)和細(xì)菌總數(shù)檢測(cè)。上述過程中涉及的容器在試驗(yàn)前均被醫(yī)用滅菌鍋滅菌，試驗(yàn)環(huán)境盡可能保證無菌操作。

圖1 水熱強(qiáng)化滅菌試驗(yàn)裝置及示意

2.2 復(fù)活試驗(yàn)

分別取500 mL 經(jīng)120、140 ℃條件下水熱后的模擬糞便污水樣品，將其放入人工氣候箱中，設(shè)定溫度25 ℃，濕度20%，在日光燈照射下培養(yǎng)24 h，完畢后取出樣品將其倒入容器中，檢測(cè)糞大腸桿菌數(shù)和細(xì)菌總數(shù)。

2.3 評(píng)測(cè)指標(biāo)

大腸菌群數(shù)參照HJ 347.2—2018 水質(zhì) 糞大腸菌群的測(cè)定多管發(fā)酵法檢測(cè)，細(xì)菌總數(shù)參照HJ 1000—2018 水質(zhì) 細(xì)菌總數(shù)的測(cè)定 平皿計(jì)數(shù)法檢測(cè)，滅活率公式如下：

式中：η 表示滅活率，為無量綱數(shù)；A 和B 分別表示水熱試驗(yàn)前后樣品中的糞大腸菌數(shù)或細(xì)菌總數(shù)，m 表示溫度參數(shù)，i=1 或2，其中1 表示糞大腸桿菌數(shù)，2 表示細(xì)菌總數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 模擬糞便污水水熱強(qiáng)化滅菌試驗(yàn)

以模擬糞便污水作為水熱對(duì)象時(shí)，不同溫度下的滅菌效果如表2 所示。糞便污水原樣中，糞大腸菌數(shù)和細(xì)菌總數(shù)分別為≥2.4×104MPN/L 和4.0×105CFU/mL，在設(shè)定的4 種溫度（120、140、160、180 ℃） 條件下水熱30 min 后，糞便污水中的糞大腸桿菌數(shù)和細(xì)菌總數(shù)均降低到分析方法的檢測(cè)限以下，糞大腸菌數(shù)和細(xì)菌總數(shù)的滅活率達(dá)到100%，實(shí)現(xiàn)了完全滅活，這充分說明將水熱強(qiáng)化滅菌技術(shù)應(yīng)用到糞便污水中是可行的。

表2 模擬糞便污水水熱強(qiáng)化滅菌效果

3.2 復(fù)活試驗(yàn)

復(fù)活試驗(yàn)選用了水熱條件較為溫和的120、140 ℃水熱后的模擬糞便污水樣品，在人工氣候箱中培養(yǎng)24 h 后，檢測(cè)結(jié)果如表3 所示。

表3 模擬生活污水水熱后復(fù)活試驗(yàn)

通過表3 可以發(fā)現(xiàn)，2 種樣品經(jīng)24 h 培養(yǎng)后，糞大腸菌數(shù)和細(xì)菌總數(shù)未發(fā)生明顯變化，培養(yǎng)前后糞大腸菌數(shù)和細(xì)菌總數(shù)均低于檢測(cè)下限，這說明水熱后糞便污水中的微生物完全喪失了繁殖再生能力。

4 結(jié)論

從2003 年暴發(fā)的非典型肺炎到2020 年暴發(fā)的COVID-19 疫情，僅間隔了17 a。從2 次疫情中可以發(fā)現(xiàn)，面對(duì)突發(fā)情況，我國醫(yī)療機(jī)構(gòu)對(duì)于應(yīng)急狀態(tài)下的消毒工藝尚顯不足，因此，國家對(duì)建設(shè)醫(yī)院應(yīng)急系統(tǒng)的工作勢(shì)在必行。水熱強(qiáng)化滅菌技術(shù)在120～180 ℃條件下對(duì)樣品中的微生物可以實(shí)現(xiàn)完全滅活，滅菌后樣品幾乎不再具備復(fù)活和繁殖能力，且水熱強(qiáng)化滅菌后的污水可直排市政污水管道。連續(xù)式水熱強(qiáng)化滅菌設(shè)備可以作為定點(diǎn)醫(yī)療機(jī)構(gòu)的水處理應(yīng)急設(shè)備，在疫情暴發(fā)的應(yīng)急狀態(tài)下，撬裝式連續(xù)式水熱強(qiáng)化滅菌設(shè)備可直接對(duì)接普通醫(yī)院及方艙醫(yī)院，為醫(yī)療廢水和糞便消毒滅菌。