城市污水處理中病原微生物污染狀況及潛在風(fēng)險(xiǎn)的研究進(jìn)展*

吳 瑒 武 婧 楊 瀾 鄭 雄# 陳銀廣 尹大強(qiáng)

(1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.長(zhǎng)江水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

隨著我國(guó)城市化和工業(yè)化的不斷發(fā)展，截止2019年底，全國(guó)城市污水處理廠污水處理量高達(dá)1.77×109m3/d[1]。由于來源復(fù)雜，污水中不僅含有機(jī)污染物，同時(shí)還存在大量病原微生物，對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境安全造成巨大威脅。污水處理廠一直是病原微生物潛在的重要“匯”，特別是2020年，新型冠狀病毒的突然暴發(fā)引發(fā)全世界關(guān)注，研究者在未經(jīng)處理的污水、醫(yī)院收集的污水和二次處理后的污水中均發(fā)現(xiàn)病毒的核酸樣本[2-4]。此外，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，很多病原微生物隨著污水進(jìn)入城市污水處理系統(tǒng)后，在幾天甚至幾個(gè)月內(nèi)仍然具有感染能力[5]。然而，目前城市污水處理過程中，病原微生物的污染特征、傳播途徑及暴露風(fēng)險(xiǎn)均尚不明晰。本研究系統(tǒng)總結(jié)了國(guó)內(nèi)外城市污水處理中病原微生物特征、污染情況、傳播途徑、防控手段等方面的研究進(jìn)展，并對(duì)今后研究方向提出展望，以期為污水處理過程中病原微生物的風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控和政策制定提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

1 病原微生物及其分類

病原微生物是指可以侵犯人體，引起感染甚至傳染病的微生物，主要包括朊毒體、寄生蟲(原蟲、蠕蟲、醫(yī)學(xué)昆蟲)、真菌、細(xì)菌、衣原體、病毒等，其中，細(xì)菌、病毒和寄生蟲的危害性最大。

1.1 細(xì) 菌

在城鎮(zhèn)生活污水排放標(biāo)準(zhǔn)中，糞大腸菌群是唯一的細(xì)菌指標(biāo)，用來指示經(jīng)處理后污水的消毒效果。糞大腸菌群包括大腸埃希氏桿菌屬(Escherichia)、腸桿菌屬(Enterobacter)、枸椽酸菌屬(Citrobacter)和克雷伯菌屬(Klebsiella)。若水體中糞大腸菌群超標(biāo)將對(duì)人體健康造成巨大威脅。以腸道桿菌中典型的致病菌沙門氏菌(Salmonella)為例，沙門氏菌會(huì)導(dǎo)致人體出現(xiàn)頭疼、嘔吐、全身乏力等癥狀，重者會(huì)出現(xiàn)抽搐和昏迷的癥狀，甚至?xí)滤?。?jù)統(tǒng)計(jì)，沙門氏菌每年在全世界引起大約0.94億病例感染，導(dǎo)致15.5萬人死亡[6]。因此，糞大腸菌群是污水處理廠中倍受關(guān)注的一類重要的病原微生物，需要進(jìn)行深度消毒處理，保障出水安全。

1.2 病 毒

目前污水處理廠已檢測(cè)出多種病毒，如腸道病毒、腺病毒、甲型肝炎病毒、輪狀病毒、冠狀病毒等[7]。這些病毒在常規(guī)污水處理過程中存活時(shí)間長(zhǎng)，且由于污泥的吸附作用，部分病毒在污泥中的濃度往往顯著高于進(jìn)水中的濃度。以冠狀病毒為例，該病毒可造成嚴(yán)重的呼吸系統(tǒng)疾病。室溫條件下，冠狀病毒GVU6109在堿性條件的腹瀉糞便中能存活4 d，在呼吸道中存活17 d[8]。目前，由于檢測(cè)技術(shù)制約，在污水處理廠中檢出率較高的主要是無包膜類病毒(如腸道病毒)，冠狀病毒等包膜類病毒檢出率相對(duì)較低[9]，因此亟需進(jìn)一步發(fā)展污水處理廠病毒檢測(cè)技術(shù)。

1.3 寄生蟲

寄生蟲是指具有致病性的低等真核生物，可作為病原體，也可成為媒介傳播疾病。寄生蟲在寄主體內(nèi)，或附著于其體外以獲取維持生存、發(fā)育和繁殖所需的營(yíng)養(yǎng)。寄生蟲可以改變寄主的行為，以達(dá)到自身更好生存繁殖的目的。污水處理中常見的寄生蟲為隱孢子蟲(Cryptosporidiumparvum)，有研究者對(duì)30家污水處理廠中寄生蟲水平進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，隱孢子蟲在23家污水處理廠中均有發(fā)現(xiàn)[10]。隱孢子蟲容易引發(fā)腹瀉、惡心、嘔吐，同時(shí)導(dǎo)致嚴(yán)重腸炎，感染后常常危及患者生命。因此，需要強(qiáng)化污水和污泥中寄生蟲的去除，避免造成環(huán)境二次污染。

2 城市污水處理中病原微生物的污染狀況

2.1 城市污水管網(wǎng)及泵站中的污染

大量高活性的微生物存在于污水管的管壁生物膜及污水中，管網(wǎng)內(nèi)生物膜菌群沿程經(jīng)過一定的演替后，逐漸形成穩(wěn)定菌群結(jié)構(gòu)。然而由于部分污水管道年久失修，腐蝕嚴(yán)重，存在泄漏、溢流等問題，因此管道內(nèi)的病原微生物有污染地下水和地表水的風(fēng)險(xiǎn)[11]。同時(shí)，污水泵站設(shè)置于污水管道系統(tǒng)中，由于污水中含有大量的微生物和病毒，泵站在提升污水時(shí)會(huì)受到一定的污染。有研究者對(duì)圣保羅市的小溪和河流的提升泵站進(jìn)行取樣，發(fā)現(xiàn)了腺病毒的存在[12]。徐曉璇等[13]對(duì)上海市徐匯區(qū)景觀河道的多個(gè)提升泵站進(jìn)行檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，糞大腸菌群濃度均超過4×104個(gè)/L，水質(zhì)超標(biāo)率為100%。

2.2 城市污水處理廠進(jìn)水中的污染

水是病毒傳播的重要媒介，目前已發(fā)現(xiàn)的介水傳播病原微生物有700種以上，其中有超過140種可以通過糞便進(jìn)入城市污水處理系統(tǒng)[14]87。表1給出了國(guó)內(nèi)外部分城市污水處理廠中典型病原微生物濃度，其濃度均明顯高于各國(guó)病原微生物的防控要求。這些病原微生物經(jīng)過污水處理和消毒后，應(yīng)減少到可接受水平，否則將對(duì)公共健康和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生巨大威脅[19]。

表1 國(guó)內(nèi)外污水處理廠中典型病原微生物濃度Table 1 Concentrations of typical pathogenic microorganisms in domestic and foreign wastewater treatment plants

2.3 城市污水處理廠污泥中的污染

污水處理廠的污泥中同樣含有大量的病原微生物。史曉瓏等[20]對(duì)呼和浩特市7家污水處理廠、兩家制藥企業(yè)及兩家乳制品企業(yè)所產(chǎn)生的脫水污泥進(jìn)行測(cè)定發(fā)現(xiàn)，糞大腸菌群為2.0×106～5.4×108MPN/g，糞大腸菌群數(shù)最高的情況出現(xiàn)在生活污水處理廠。同時(shí)，在污水處理過程中，水體中的病原微生物很容易被吸附進(jìn)入污泥[21]；而在消毒環(huán)節(jié)，被污泥包裹的病原微生物會(huì)可能由于污泥的保護(hù)而免于被滅活。因此，污泥需要得到深度有效的無害化處理，否則將對(duì)自然環(huán)境和人類健康造成威脅。

2.4 城市污水處理廠出水中的污染

3 城市污水處理中病原微生物的控制標(biāo)準(zhǔn)

為降低病原微生物的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，我國(guó)污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)中將糞大腸菌群數(shù)作為評(píng)價(jià)污水中病原微生物水平的主要指標(biāo)。如表2所示，GB 18918—2002和GB/T 23485—2009)均對(duì)糞大腸菌群進(jìn)行了限定，然而污水中含有多種細(xì)菌和病毒，僅糞大腸菌群這單一指標(biāo)不能完全反映出病原微生物水平。國(guó)外還選取了沙門氏菌、腸道病毒等指標(biāo)進(jìn)一步明確污水或污泥中病原微生物的污染水平。

表2 國(guó)內(nèi)外污水排放標(biāo)準(zhǔn)中病原微生物的限值1)Table 2 Limits of pathogenic microorganisms in domestic and foreign wastewater discharge standards

除了傳統(tǒng)上采用的指示微生物，研究者還提出了許多潛在的指示生物來表征病原微生物。腸球菌是潛在的指示生物之一。有研究者觀察到瓦赫寧根大學(xué)污水處理廠中腸球菌可以在pH為11的嚴(yán)苛條件下存活[26]。因此，使用糞大腸菌群作為指標(biāo)可能會(huì)低估腸球菌濃度，尤其是在高pH條件下。還有人提出將腺病毒和多瘤病毒用作污水處理的病原微生物指標(biāo)，因?yàn)樗鼈儧]有明顯的季節(jié)特征，并且在不同地理區(qū)域的污水中廣泛存在(103～107拷貝數(shù)/L)[27-28]，它們也被選作模型病毒，用于考察排放之前以及高級(jí)處理過程中病原微生物的污染情況，例如反滲透和其他高級(jí)氧化過程[29]。產(chǎn)氣莢膜梭菌(Clostridiumperfringens)是一種在人和動(dòng)物糞便中含量較高的厭氧細(xì)菌，它的孢子對(duì)傳統(tǒng)的消毒過程具有很強(qiáng)的抵抗力。DUNLOP等[30]發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)污水處理工藝對(duì)大腸桿菌的滅活率比產(chǎn)氣莢膜梭菌高1個(gè)數(shù)量級(jí)，因此采用產(chǎn)氣莢膜梭菌作為指示生物可有效預(yù)測(cè)出水和污泥中是否存在抗藥性原生動(dòng)物和蠕蟲病原體[31]。然而，盡管環(huán)境微生物學(xué)領(lǐng)域取得了重要的方法學(xué)改進(jìn)和技術(shù)成就，但有些創(chuàng)新尚未有效地納入污水排放標(biāo)準(zhǔn)中，因此今后需要結(jié)合我國(guó)國(guó)情，完善我國(guó)污水處理衛(wèi)生指標(biāo)體系，對(duì)污水處理過程中病原微生物的二次傳播及暴露風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行防控。

4 城市污水處理中病原微生物的傳播途徑

4.1 病原微生物的氣溶膠傳播

污水處理廠是城市設(shè)施中病原微生物污染較為嚴(yán)重的區(qū)域。在污水處理過程中，生物處理單元大量曝氣增加了氣泡破裂的速率，從而使得污水濺到空氣中。攜帶著微生物的水滴被分散成細(xì)小液滴，并在霧化后形成微生物氣溶膠，導(dǎo)致周圍空氣的微生物氣溶膠水平顯著提升。同時(shí)，污水處理的機(jī)械攪拌會(huì)產(chǎn)生含氣載顆粒的湍流，從而加快微生物從液相到氣相的擴(kuò)散[32]。此外，在脫水過程中，污泥中的微生物很容易逸散到空氣中，而污泥脫水設(shè)施一般建在室內(nèi)，空間相對(duì)密閉，通風(fēng)性較差，從而使微生物氣溶膠在污泥脫水間空氣中易于積累。這些原因?qū)е律锾幚韱卧臀勰嗝撍g成為污水處理廠病原微生物氣溶膠的主要來源。污泥中的病原微生物在土地利用過程中也可能形成氣溶膠，導(dǎo)致其存在空氣傳播風(fēng)險(xiǎn)[14]88。在空氣中的微生物氣溶膠通過黏膜、皮膚、消化道及呼吸道侵入機(jī)體，嚴(yán)重威脅人類健康和生態(tài)安全。

4.2 病原微生物的介水傳播

生活污水是水體微生物和病毒的重要來源。污水的流動(dòng)會(huì)引起病原微生物的傳播，因此存在著病原微生物通過污水處理廠出水的再利用進(jìn)行傳播的可能性。有研究者采集并分析了上海3家生活污水處理廠合計(jì)50份出水水樣，共計(jì)發(fā)現(xiàn)10個(gè)隱孢子蟲蟲種或基因型、2個(gè)藍(lán)氏賈第鞭毛蟲基因型和11個(gè)畢氏腸微孢子蟲基因型，并且大多數(shù)檢測(cè)到的蟲種或基因型具有感染人類的能力[22]18-19。還有研究者對(duì)瑞士蘇黎世州31家污水處理廠夏季和冬季的進(jìn)水、出水和周邊大氣樣品進(jìn)行檢測(cè)分析，腺病毒的檢出率為97%～100%[33]。介水傳播病原微生物可通過市政排水管網(wǎng)直排或通過污水處理廠處理后進(jìn)入受納水體[34]。此外，在管網(wǎng)系統(tǒng)中，未被消毒劑滅活的病原微生物容易附著到營(yíng)養(yǎng)相對(duì)豐富的管壁，這些在管壁上附著的活細(xì)菌、死細(xì)菌及其胞外聚合物形成了三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)的管壁生物膜，為微生物和病毒提供了生存場(chǎng)所，從而加劇了微生物污染的風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 污水處理中病原微生物的風(fēng)險(xiǎn)

研究表明，污水處理廠產(chǎn)生的病原微生物氣溶膠可散播至1 000～1 500 m遠(yuǎn)，有導(dǎo)致職業(yè)暴露和公眾感染的風(fēng)險(xiǎn)[35-36]。市政排水管網(wǎng)/污水處理系統(tǒng)/污泥處置設(shè)施的現(xiàn)場(chǎng)工作人員接觸污水和微生物氣溶膠較為頻繁，導(dǎo)致他們受感染的風(fēng)險(xiǎn)大幅度上升。同時(shí)，城市污水管網(wǎng)年久失修，污水泄漏也會(huì)導(dǎo)致地下水系統(tǒng)受病原微生物侵襲。此外，在我國(guó)北方地區(qū)，以污水處理廠出水等非常規(guī)水源補(bǔ)給為主的河/湖逐漸成為城市群下游河/湖的主導(dǎo)類型；而隨著“海綿城市”建設(shè)的推進(jìn)，以污水處理廠尾水為補(bǔ)給水源的城市濕地公園近年來亦大量涌現(xiàn)。再生水的水源一般為城市污水處理廠的二級(jí)出水，相關(guān)研究表明它可能含有種類繁多的病原微生物，這些病原微生物可在氣水界面處擴(kuò)散直接進(jìn)入大氣，也可在水滴飛散、氣泡上浮至水面而破裂時(shí)產(chǎn)生微生物氣溶膠，大幅度增加人群的暴露風(fēng)險(xiǎn)[37]。因噴灌用水霧化程度較高，當(dāng)用含病毒的再生水進(jìn)行噴灌時(shí)極易形成病毒氣溶膠，而當(dāng)氣溶膠中的病毒附著于其他物質(zhì)上而處于結(jié)合狀態(tài)時(shí)，可免受生物學(xué)和理化因素的滅活作用，從而長(zhǎng)期保持其感染力[38]。

5 城市污水處理中病原微生物的去除技術(shù)

5.1 氯消毒技術(shù)

氯是一種強(qiáng)氧化劑，氯消毒技術(shù)是污水處理系統(tǒng)中使用最早的病原微生物去除技術(shù)之一[39]。常用的消毒劑有液氯、二氧化氯和次氯酸鈉，其作用原理主要為含氯消毒劑溶于水生成的次氯酸可以起到殺菌作用。DA COSTA等[40]對(duì)巴西圣保羅市某污水處理廠生物池出水進(jìn)行氯消毒，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大腸菌群和大腸桿菌濃度分別從4.884×104、1.012×104MPN/100 mL降低至24.19、0.30MPN/mL。然而，與細(xì)菌相比，病毒對(duì)氯消毒劑的耐受性相對(duì)較高，這可能與病毒沒有代謝酶系統(tǒng)有關(guān)[41]。盡管大量投加氯可以保證病原微生物的滅活效果，但是含氯的出水排入環(huán)境中可能對(duì)水生生物有害，氯化過程也可能會(huì)產(chǎn)生具有遺傳毒性、誘變性和致癌性的消毒副產(chǎn)物，例如三鹵甲烷、鹵乙酸等[42]。因此，在使用氯消毒技術(shù)去除污水中病原微生物時(shí)，必須合理控制氯投加量，在保證滅活率的同時(shí)也應(yīng)避免消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生。

5.2 臭氧消毒技術(shù)

臭氧是一種高效的氧化劑，對(duì)病原微生物具有強(qiáng)大的殺菌作用，已被廣泛用于供水工程和污水處理系統(tǒng)中[43]。臭氧通過產(chǎn)生高反應(yīng)性自由基，導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞壁裂解、核酸氧化變性以及蛋白質(zhì)的碳氮鍵斷裂，最終使微生物和病毒滅活[44]。同時(shí)，臭氧對(duì)于寄生蟲的去除更為有效，研究發(fā)現(xiàn)臭氧消毒對(duì)于隱孢子蟲和藍(lán)氏賈第鞭毛蟲的去除效率遠(yuǎn)高于氯消毒[45]。然而臭氧的半衰期較短，在水中并不穩(wěn)定，通常無法提供穩(wěn)定的殘余消毒劑，因而沒有持續(xù)的消毒效果[46]。此外，臭氧的制備成本較高，且它與溴化物和碘化物化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物對(duì)人體健康有害。因此，通常建議將臭氧作為主要消毒劑，與其他輔助消毒劑(如液氯和次氯酸鹽)一起使用從而保證消毒效果。

5.3 紫外線消毒技術(shù)

紫外線消毒是一種清潔有效的消毒技術(shù)，它不僅具有很高的病原微生物滅活效率，并且不會(huì)產(chǎn)生消毒或氧化副產(chǎn)物[47]。紫外線(波長(zhǎng)通常為254 nm)通過破壞細(xì)菌、病毒和單細(xì)胞微生物的DNA和RNA結(jié)構(gòu)，抑制蛋白質(zhì)的合成，進(jìn)而滅活病原微生物。DARNELL等[48]發(fā)現(xiàn)SARS-CoV病毒暴露在紫外線下(波長(zhǎng)254 nm,照射強(qiáng)度4 016 μW/cm2)1 min后，病毒含量減少為原來的1/400，6 min后病毒則完全失活。該技術(shù)無需添加化學(xué)藥品，設(shè)備易于安裝和操作，其消毒性能也不會(huì)受到水質(zhì)參數(shù)(如堿度、溫度和pH等)的影響。然而，紫外線消毒技術(shù)的效能取決于紫外線在水中的穿透能力，藻類、渾濁的有色物質(zhì)和生物污垢可能會(huì)嚴(yán)重影響消毒效果[49]。此外，考慮到紫外線不能提供持續(xù)消毒功能，因此建議配合使用其他輔助消毒劑以保證消毒效果。

6 建議與展望

在探討了污水處理過程中病原微生物特征、污染狀況、傳播途徑、暴露風(fēng)險(xiǎn)及常見污水處理消毒工藝的基礎(chǔ)上，建議未來可開展以下方面的研究工作：

(1) 完善我國(guó)城市污水處理病原微生物的控制標(biāo)準(zhǔn)。篩選適合我國(guó)國(guó)情的病原微生物指示物，建立簡(jiǎn)便快捷的病原微生物檢測(cè)方法，完善我國(guó)城市污水處理病原微生物的控制標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建安全合理的污水處置體系。

(2) 加強(qiáng)污水處理過程中病原微生物的傳播途徑及暴露風(fēng)險(xiǎn)研究。探明城市污水處理過程中典型病原微生物的潛在傳播及暴露途徑，為疫情防控期間污水處理提供科學(xué)依據(jù)，闡明污水中典型病原微生物對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人體健康的中長(zhǎng)期潛在風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 強(qiáng)化城市污水處理過程中病原微生物去除的新技術(shù)研發(fā)。加強(qiáng)現(xiàn)有城市污水處理中病原微生物去除技術(shù)的效能研究，優(yōu)化現(xiàn)有消毒技術(shù)設(shè)置參數(shù)，研發(fā)高效低成本的病原微生物去除新技術(shù)。