污水處理廠生物氣溶膠中內(nèi)毒素污染研究現(xiàn)狀

韓 超，楊 唐，韓云平，姜遠(yuǎn)光，肖本益，劉啟新

（1.天津城建大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，天津 300384；2.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心環(huán)境水質(zhì)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085）

在現(xiàn)行污水處理過(guò)程中，生物法以其運(yùn)行費(fèi)用低和處理效率高等優(yōu)勢(shì)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用.對(duì)全球23 個(gè)國(guó)家、269 個(gè)污水廠的統(tǒng)計(jì)研究顯示，污水生物處理系統(tǒng)中包含上億種細(xì)菌、真菌等具有活性的微生物[1]，這些微生物在曝氣、攪拌、脫水等外源驅(qū)動(dòng)力的強(qiáng)烈擾動(dòng)下，極易突破水-氣界面進(jìn)入大氣環(huán)境，從而形成污水處理廠生物氣溶膠[2]. 污水處理廠生物氣溶膠中包含大量可引起人類炎癥、肺功能障礙等疾病的生物代謝組分，如內(nèi)毒素、過(guò)敏原、真菌毒素和（1-3）-β-D-葡聚糖等[3-5]. 這其中，內(nèi)毒素被認(rèn)為是污水處理廠等職業(yè)環(huán)境中重要的致病因子之一[6]. 內(nèi)毒素是革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁外層特有的結(jié)構(gòu)，主要由菌體死亡解體時(shí)釋放[7]. 其主要化學(xué)成分是特異O 抗原、核心多糖和類脂A 組成的高分子脂多糖，其中，類脂A 是內(nèi)毒素的主要毒性成分[8]. 內(nèi)毒素侵入機(jī)體后，主要是通過(guò)刺激單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞，使其產(chǎn)生諸如白細(xì)胞介素IL -1、腫瘤壞死因子、干擾素等細(xì)胞因子從而導(dǎo)致機(jī)體致病[9]. 由內(nèi)毒素引發(fā)的常見癥狀有呼吸障礙、呼吸道感染、關(guān)節(jié)疼痛、過(guò)敏、疲勞和頭痛等[10].

近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的加快，我國(guó)建成并運(yùn)行的各類污水處理廠已達(dá)5970 座，并且95%以上的污水處理廠主體工藝均采用生物法[11]. 而隨著城鎮(zhèn)化程度的提高，原有污水處理廠距離居民居住區(qū)越來(lái)越近.本文基于人體健康和區(qū)域生態(tài)安全理念，總結(jié)污水處理廠生物氣溶膠中內(nèi)毒素的樣本采集與分析方法；闡述其存在的潛在健康風(fēng)險(xiǎn)；比較現(xiàn)有控制方法的削減效率，這對(duì)于后續(xù)污水處理廠生物氣溶膠中內(nèi)毒素的逸散特征和控制策略研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

1 污水處理廠生物氣溶膠中內(nèi)毒素逸散水平

研究表明，污水處理廠是生物氣溶膠中內(nèi)毒素的重要來(lái)源之一[12-14].表1 列舉了近15 年來(lái)不同地域污水處理廠生物氣溶膠中內(nèi)毒素的逸散水平. 結(jié)果表明，不同污水處理廠生物氣溶膠中內(nèi)毒素的濃度呈明顯差異，其數(shù)量級(jí)從10-1[15]到105[16]不等. Smit 等、Heldal 等和Lee 等在各自調(diào)研的污水處理廠生物氣溶膠中檢出的內(nèi)毒素濃度分別高達(dá)2093.0[17]、3200.0[18]和39742.2 EU/m3[16]，遠(yuǎn)高于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值.

表1 污水處理廠生物氣溶膠中內(nèi)毒素的逸散水平

同時(shí)，研究也發(fā)現(xiàn)，同一污水處理廠不同工段內(nèi)毒素的逸散水平也存在一定的差異[19].曝氣池、污泥濃縮等污染物處理區(qū)域生物氣溶膠中內(nèi)毒素濃度遠(yuǎn)高于廠內(nèi)辦公室等管理區(qū)域；污水污泥處理區(qū)室內(nèi)工段生物氣溶膠中內(nèi)毒素濃度遠(yuǎn)高于室外工段[20].其中，污泥脫水間檢出的生物氣溶膠中內(nèi)毒素濃度最高[14].

2 污水處理廠生物氣溶膠中內(nèi)毒素的研究方法

2.1 采集方法研究

已有研究展現(xiàn)的污水處理廠生物氣溶膠中內(nèi)毒素濃度的差異，除本身實(shí)際濃度不同外，樣品采集方式也是造成其濃度不同的重要因素之一.總結(jié)現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，目前污水處理廠生物氣溶膠中內(nèi)毒素樣本的采集方式主要為固定式采樣和個(gè)體式采樣兩種，如圖1所示.

圖1 固定式采樣[21]及個(gè)體式采樣[22]示意

固定式采樣是在污水處理廠某些點(diǎn)位安裝采樣設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)該點(diǎn)位長(zhǎng)期連續(xù)的樣品收集.這種采樣方式通常易受周邊氣象條件或人員流動(dòng)等影響[20].因此，固定式采樣通常被用于粗略估計(jì)污水處理廠某點(diǎn)位生物氣溶膠中內(nèi)毒素的濃度水平.個(gè)體式采樣是由相關(guān)工作人員隨身攜帶便攜式采樣設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其所處區(qū)域的內(nèi)毒素逸散水平.個(gè)體式采樣可直接反映相關(guān)人員的內(nèi)毒素暴露水平[14]，因此，個(gè)體式采樣可被用于健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究.

除了采樣方式外，采樣器的選擇也至關(guān)重要.目前常用的采樣器根據(jù)其采樣原理不同分為液體沖擊式采樣器和膜過(guò)濾式采樣器兩種.

液體沖擊式采樣器是在采樣泵抽吸作用下，將空氣中的氣溶膠粒子利用噴射氣流方式收集于液體介質(zhì)中.內(nèi)毒素濃度的計(jì)算公式如下

式中：Y 為生物氣溶膠中內(nèi)毒素濃度，EU/m3；c1為收集液中內(nèi)毒素濃度，EU/mL；V 為收集液體積，mL；Q 為空氣流量，m3/min；T 為采集時(shí)間，min.

膜過(guò)濾式采樣器同樣采用采樣泵進(jìn)行抽吸，不同之處在于其采樣頭內(nèi)放置濾膜，氣體穿過(guò)濾膜后，生物氣溶膠顆粒被濾膜截留，從而達(dá)到樣本采集的目的.膜過(guò)濾式采樣器所收集生物氣溶膠樣品中內(nèi)毒素濃度的計(jì)算公式如下

式中：Y 為生物氣溶膠中內(nèi)毒素濃度，EU/m3；c2為截留在濾膜上的顆粒物中內(nèi)毒素濃度，EU/g；m 為截留在濾膜上的顆粒物質(zhì)量，g；Q 為空氣流量，mL/min；T 為采集時(shí)間，min.

比較研究發(fā)現(xiàn)（見表2），相較于液體沖擊式采樣器，膜過(guò)濾式采樣器收集的樣本中內(nèi)毒素濃度檢測(cè)一致性較好[23].因此，后續(xù)研究中建議采用膜過(guò)濾式采樣器進(jìn)行樣本采集.

表2 液體沖擊式采樣器和膜過(guò)濾式采樣器比較

2.2 分析方法研究

內(nèi)毒素經(jīng)典分析方法為鱟試劑檢測(cè)法（limulus amoebocyte lysate，簡(jiǎn)稱LAL）[10]，即LAL 分析. 該方法是基于鱟試劑進(jìn)行的復(fù)雜鏈?zhǔn)矫冈磻?yīng).其原理是采用大腸桿菌內(nèi)毒素作為標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)毒素參考物，利用凝膠法和光度測(cè)定法測(cè)定其他樣本中內(nèi)毒素的濃度.已有研究表明，LAL 法只能檢測(cè)細(xì)胞釋放的自由態(tài)內(nèi)毒素，而無(wú)法測(cè)定結(jié)合態(tài)內(nèi)毒素[14].近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)呼吸吸入的結(jié)合態(tài)內(nèi)毒素在人體內(nèi)仍具有較高的生物活性[27].因此采用LAL 法進(jìn)行分析時(shí)有可能低估了生物氣溶膠中內(nèi)毒素的毒性.同時(shí)，不同廠家的鱟試劑之間也存在精確度、靈敏度及檢出限的差異[28].

因此，同期有學(xué)者嘗試采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（gas chromatography-mass spectrometry，簡(jiǎn)稱GC-MS）法進(jìn)行內(nèi)毒素的測(cè)定.該方法主要是通過(guò)3-羥基脂肪酸的C10-C18鏈的定量分析（3-羥基脂肪酸是內(nèi)毒素類脂A 的主要成分）來(lái)計(jì)算脂多糖濃度，進(jìn)而確定內(nèi)毒素濃度[14]. 但是，通過(guò)對(duì)LAL 法和GC-MS 法進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，對(duì)于污水處理廠生物氣溶膠中內(nèi)毒素濃度的分析而言，LAL 法仍優(yōu)于GC-MS 法[14].綜合以上分析可知，污水處理廠生物氣溶膠中內(nèi)毒素的分析方法在準(zhǔn)確化、標(biāo)準(zhǔn)化方面仍需進(jìn)一步深入研究.

3 污水處理廠生物氣溶膠中內(nèi)毒素健康風(fēng)險(xiǎn)研究

3.1 生物氣溶膠中內(nèi)毒素安全限值

大氣環(huán)境中內(nèi)毒素濃度不同，引發(fā)的人體反應(yīng)也存在一定的差異. 1998 年美國(guó)胸科學(xué)會(huì)國(guó)際會(huì)議提出，當(dāng)氣溶膠中內(nèi)毒素含量低于10 ng/m3可避免引起人體呼吸道炎癥；當(dāng)其含量低于100 ng/m3可避免人體全身反應(yīng)；當(dāng)其含量低于200 ng/m3可防止有機(jī)粉塵毒性綜合征產(chǎn)生[29].同年，荷蘭標(biāo)準(zhǔn)專家委員會(huì)將職業(yè)環(huán)境中生物氣溶膠中內(nèi)毒素的暴露限值定為50 EU/m3（≈4.5 ng/m3），臨時(shí)法律約束上限為200 EU/m3[30].2010 年，該法律約束上限被下調(diào)為90 EU/m3[31]，隨后這一限值被北歐專家組（NEG）采用并于2011 年9 月開始執(zhí)行.

3.2 污水處理廠生物氣溶膠中內(nèi)毒素潛在致病性研究

1977 年瑞士某污水處理廠職工先后出現(xiàn)了發(fā)熱、著涼及眼部感染等癥狀，經(jīng)研究認(rèn)為這些病癥與污水處理廠生物氣溶膠中內(nèi)毒素存在密切關(guān)系[32].此后，關(guān)于污水處理廠生物氣溶膠中內(nèi)毒素的潛在致病性研究逐步展開.最初，這種研究主要采用問(wèn)卷調(diào)查形式.1982 年，Lundholm 等的調(diào)查結(jié)果表示，與空白對(duì)照組相比，污水處理廠職工報(bào)告皮膚病、腹瀉和其他腸道疾病的比例明顯升高[33]. 2005 年，Smit 等在前人研究的基礎(chǔ)上，大大豐富了調(diào)查問(wèn)卷內(nèi)容，增加了職工個(gè)人特征、工作特性及健康狀況等因素.研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生物氣溶膠中內(nèi)毒素濃度在50～200 EU/m3之間時(shí)，內(nèi)毒素濃度與人體下呼吸道感染、皮膚炎癥和流感等癥狀存在顯著劑量反應(yīng)關(guān)系；當(dāng)內(nèi)毒素濃度高于200 EU/m3時(shí)，有機(jī)粉塵毒性綜合征便會(huì)出現(xiàn)[17].

為了進(jìn)一步客觀準(zhǔn)確地反映污水處理廠生物氣溶膠中內(nèi)毒素的潛在健康風(fēng)險(xiǎn)，學(xué)者們采用體外/體內(nèi)測(cè)試方式進(jìn)行了臨床和免疫學(xué)研究.Gangamma 等通過(guò)全血分析和促炎癥反應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)毒素是引起促炎癥指標(biāo)腫瘤壞死因子-α 最主要的成分之一[12]；Cyprowski 等通過(guò)呼吸量測(cè)定法，結(jié)合污水處理廠工人一秒用力呼氣容積和用力肺活量等參數(shù)，考察了個(gè)體在內(nèi)毒素影響下的肺功能短期變化.結(jié)果表明，即使在較低濃度水平下，生物氣溶膠中內(nèi)毒素也會(huì)對(duì)人體肺功能造成顯著影響[34]. Heldal 等人綜合呼吸量測(cè)定法、聲反射鼻測(cè)量法、和全血分析法，考察了污水處理廠不同工段生物氣溶膠中內(nèi)毒素對(duì)人體一氧化氮呼出量及血液樣本反應(yīng)蛋白的影響.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在無(wú)任何防護(hù)措施條件下，干污泥處理區(qū)域的職工內(nèi)毒素暴露風(fēng)險(xiǎn)最為嚴(yán)重[18].

4 污水處理廠生物氣溶膠中內(nèi)毒素污染控制研究

目前，污水處理廠生物氣溶膠中內(nèi)毒素的污染控制主要包括源頭削減和末端控制兩種.污水和污泥是污水處理廠生物氣溶膠的主要來(lái)源之一[35].因此，從源頭區(qū)段控制生物氣溶膠的逸散可削減污水廠內(nèi)毒素的暴露水平.這其中，最為常用的方法便是直接削減污水/污泥中內(nèi)毒素的含量和加蓋封閉污水處理主要工段.

除此之外，微波輻射、熱效應(yīng)、紫外滅活、超聲及不同方法的組合也被用于研究?jī)?nèi)毒素的去除.劉航通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，微波輻射及微波熱效應(yīng)對(duì)內(nèi)毒素的去除率最高可達(dá)35.6%[36].溫暖家發(fā)現(xiàn)紫外滅活對(duì)內(nèi)毒素的去除率為僅為9.9%，但結(jié)合超聲破胞工藝后，其去除效率便提高到15.6%[37].另外，膜過(guò)濾也是有限去除生物氣溶膠中內(nèi)毒素的研究方法之一.Cheng 等分析了空氣凈化器對(duì)室內(nèi)空氣中內(nèi)毒素的去除效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其去除率為29%～37%[38].

對(duì)于污水處理廠而言，在生物氣溶膠逸散的同時(shí)，還伴隨著惡臭氣體、揮發(fā)性有機(jī)物的同步逸散.因此，He 等人也建議可通過(guò)化學(xué)工藝將內(nèi)毒素、惡臭氣體和揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行同步處理[39].目前，以上研究都還處于建議或?qū)嶒?yàn)室階段，仍需進(jìn)一步深入研究以便應(yīng)用于工程實(shí)踐.

5 結(jié)論

綜述以往研究發(fā)現(xiàn)，污水處理廠生物氣溶膠中包含大量?jī)?nèi)毒素，對(duì)污水處理廠職工和周邊居民存在嚴(yán)重潛在健康風(fēng)險(xiǎn)，需嚴(yán)格控制其逸散水平.因此，未來(lái)應(yīng)重點(diǎn)展開以下幾方面的研究.

（1）建立標(biāo)準(zhǔn)化污水處理廠生物氣溶膠中內(nèi)毒素樣本采集和分析方法.樣本采集和分析方法對(duì)內(nèi)毒素暴露水平的確定至關(guān)重要，統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的采集和分析方法，可為后續(xù)內(nèi)毒素暴露量、暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究奠定基礎(chǔ).

（2）構(gòu)建科學(xué)化污水處理廠生物氣溶膠中內(nèi)毒素健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系. 目前僅對(duì)內(nèi)毒素暴露的風(fēng)險(xiǎn)閾值、不同暴露量與相關(guān)癥狀之間的劑量關(guān)系開展了初步研究.后續(xù)還需結(jié)合健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系、影響因素、人體特征等，建立科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化的暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法.

（3）開發(fā)適宜的污水處理廠生物氣溶膠中內(nèi)毒素控制技術(shù)系統(tǒng).根據(jù)污水處理廠不同工段生物氣溶膠中內(nèi)毒素逸散特征，結(jié)合相應(yīng)工段其他氣態(tài)污染物的逸散規(guī)律，開發(fā)實(shí)用、高效、節(jié)能、便捷的控制技術(shù)系統(tǒng)，為污水處理廠生物氣溶膠中內(nèi)毒素的削減提供技術(shù)支撐.