城市排水系統(tǒng)微生物氣溶膠檢測(cè)評(píng)估方法及控制策略

顧敏燕

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092]

0 引言

微生物氣溶膠是懸浮在空氣中的復(fù)雜膠體體系，至少包括細(xì)菌、真菌、病毒及其副產(chǎn)物、灰塵和液體等，可能引起各類(lèi)傳染病、急性中毒、過(guò)敏和癌癥等，其中，呼吸道癥狀和肺部損傷最為常見(jiàn)[1]。微生物氣溶膠來(lái)源廣泛，例如垃圾堆置或填埋廠、醫(yī)院或?qū)嶒?yàn)室、畜禽養(yǎng)殖廠、城市排水系統(tǒng)等。其中，城市排水系統(tǒng)作為輸送和處理污水的基礎(chǔ)設(shè)施，具有系統(tǒng)環(huán)節(jié)多、影響范圍大等特點(diǎn)，值得重點(diǎn)關(guān)注。城市污水中含有各種致病性病毒（例如SARS-CoV-2）[2]、耐多藥細(xì)菌、真菌和其他微生物，因此在污水產(chǎn)生、輸送和處理全過(guò)程中，任何環(huán)節(jié)導(dǎo)致污水中的病原微生物逸散至空氣中，都可能導(dǎo)致顯著的環(huán)境和健康風(fēng)險(xiǎn)，尤其是排水行業(yè)工作人員的職業(yè)健康。

隨著微生物氣溶膠關(guān)注度的提升，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)微生物氣溶膠的研究也逐步深入。微生物種類(lèi)從早期的僅研究細(xì)菌[3]，發(fā)展到真菌和病毒；檢測(cè)方法從培養(yǎng)計(jì)數(shù)法、染色計(jì)數(shù)法發(fā)展到生物傳感器、PCR、高通測(cè)序法等；研究對(duì)象從僅針對(duì)污水處理廠，逐漸關(guān)注系統(tǒng)中其他環(huán)節(jié)，例如排水管網(wǎng)和污泥處理處置等；微生物氣溶膠在污水和空氣兩相間的逸散和擴(kuò)散影響因素及其機(jī)理逐漸明確[4]；微生物氣溶膠的健康風(fēng)險(xiǎn)及評(píng)估方法逐步完善[5]；由此，提出了越來(lái)越多的微生物氣溶膠控制技術(shù)和策略[4]。

本文將全面總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)城市排水系統(tǒng)微生物氣溶膠開(kāi)展的研究，包括微生物氣溶膠的采樣方法、檢測(cè)監(jiān)測(cè)方法、氣溶膠污染和健康風(fēng)險(xiǎn)分析，以及控制策略。本文旨在為城市排水系統(tǒng)運(yùn)行中微生物氣溶膠檢測(cè)監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)防范提供參考。

1 微生物氣溶膠檢測(cè)

1.1 采樣點(diǎn)選擇

城市排水系統(tǒng)在污水產(chǎn)生、輸送和處理全過(guò)程中產(chǎn)生職業(yè)健康風(fēng)險(xiǎn)的主要節(jié)點(diǎn)包括排水檢查井、泵站、調(diào)蓄池和污水處理廠等公眾或排水工作人員容易接觸的地方。從接觸頻率上而言，各設(shè)施的工作人員巡檢點(diǎn)為風(fēng)險(xiǎn)最大處；從污染濃度上而言，各排水設(shè)施微生物氣溶膠濃度較高的點(diǎn)位為風(fēng)險(xiǎn)最大處。因此，為識(shí)別氣溶膠風(fēng)險(xiǎn)較高的地方，研究者需要對(duì)排水系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的相關(guān)點(diǎn)位進(jìn)行微生物氣溶膠的檢測(cè)。

研究表明[6-9]，污水處理廠的不同處理單元對(duì)微生物氣溶膠的產(chǎn)生具有顯著差異，因此采樣點(diǎn)通常分布在不同處理單元和廠界并設(shè)置相應(yīng)的背景對(duì)照點(diǎn)。邱雄輝等人[7]將采樣點(diǎn)布置在采用奧貝爾氧化溝工藝污水處理廠的曝氣沉砂池、氧化溝、終沉池、污泥脫水車(chē)間和出水口等5 個(gè)污水處理單元以及廠區(qū)上風(fēng)向100 m 處的背景值點(diǎn)。張俊超[10]將采樣點(diǎn)布置在氧化溝工藝污水處理廠的格柵間上方、配水池上方、氧化溝下風(fēng)向1 m、二沉池下風(fēng)向1 m、污泥脫水間中間位置和廠門(mén)口距離出口2 m 處，采樣高度為1.3 m。孫強(qiáng)[6]通過(guò)對(duì)比A2O 工藝污水處理廠的污泥脫水間、格柵間、曝氣池、二沉池、接觸消毒間、初沉池、辦公區(qū)等點(diǎn)位的微生物氣溶膠濃度特征，選擇3 個(gè)濃度較高的采樣點(diǎn)和1 個(gè)對(duì)照點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，分別是污泥脫水間、格柵間、曝氣池和附近濕地公園。Han 等人[8]研究了北京、合肥、宜興和廣州的9 個(gè)污水處理廠的微生物氣溶膠，針對(duì)A2O 工藝，選擇了細(xì)格柵、厭氧池、好氧池、污泥脫水間和背景對(duì)照點(diǎn)作為采樣點(diǎn)；針對(duì)SBR 工藝選擇細(xì)格柵、序批式反應(yīng)器、污泥脫水間和背景對(duì)照點(diǎn)；針對(duì)氧化溝工藝，則選擇細(xì)格柵、氧化溝反應(yīng)池、污泥脫水間和背景對(duì)照點(diǎn)。

針對(duì)檢查井、泵站和調(diào)蓄池目前尚缺乏相關(guān)研究。與污水處理廠不同，檢查井、泵站和調(diào)蓄池通常占地不大，尤其是檢查井。檢查井微生物氣溶膠風(fēng)險(xiǎn)主要產(chǎn)生在開(kāi)蓋檢查時(shí)，因此采樣點(diǎn)可設(shè)置在開(kāi)蓋狀態(tài)下的井蓋處。泵站的集水井和撈渣間分別因?yàn)橘A存污水、撈渣設(shè)備直接接觸污水可能導(dǎo)致氣溶膠風(fēng)險(xiǎn)較大。此外，由于中控室24 h 均有值班人員，因此中控室采樣點(diǎn)也需要關(guān)注。

1.2 富集技術(shù)

微生物氣溶膠采樣的方法主要有自然沉降法和儀器采樣法[11]，如表1 所示。常用的儀器采樣法包括撞擊法、離心法、過(guò)濾法和靜電沉降法等，均是通過(guò)外力作用將生物粒子收集到介質(zhì)中，進(jìn)而進(jìn)行下一步培養(yǎng)或分析。由于排水系統(tǒng)微生物氣溶膠十分復(fù)雜，涉及各類(lèi)細(xì)菌、真菌、病毒。針對(duì)細(xì)菌，可選擇的方法較多，例如固體撞擊法、液體沖擊法、過(guò)濾法、離心法和靜電法等。真菌可選擇固體撞擊法、沖擊法、過(guò)濾法和離心法等。病毒氣溶膠采集則可采用液體沖擊法、過(guò)濾法、離心法（液體介質(zhì)）、靜電法和固體撞擊法，但采用固體撞擊法時(shí)應(yīng)在瓊脂表面涂抹水溶性黏質(zhì)層[12]。根據(jù)已有排水系統(tǒng)微生物氣溶膠的研究報(bào)道，固體撞擊法是目前最常用的細(xì)菌和真菌采集方式之一。邱雄輝等人[7]采用Andersen 六級(jí)撞擊式采樣器對(duì)西安某污水廠進(jìn)行氣溶膠采集，實(shí)現(xiàn)0.65～7.0 μm 以上的六級(jí)尺寸粒子分別采集。同樣的，楊唐等人[13]也采用Andersen 六級(jí)撞擊式采樣器對(duì)3 座A2O 工藝污水廠進(jìn)行氣溶膠采集。此外，也有部分研究采用過(guò)濾法。楊凱雄等人[14]采用總懸浮顆粒物TSP 采樣器對(duì)長(zhǎng)三角地區(qū)某污水廠（SBR）進(jìn)行氣溶膠采集，濾膜材質(zhì)為玻璃纖維，實(shí)現(xiàn)0.1～6 μm范圍內(nèi)粒子的捕捉。針對(duì)病毒的富集，液體沖擊法和過(guò)濾法使用較為廣泛。Fannin 等人[15]利用液體沖擊式LVS 采樣器實(shí)現(xiàn)污水處理廠氣溶膠腸道病毒富集。Myatt 等人[16]利用過(guò)濾法和固體撞擊法對(duì)低濃度呼吸道病毒進(jìn)行富集，對(duì)比研究表明，過(guò)濾法結(jié)合PCR 的檢測(cè)方法比撞擊式結(jié)合細(xì)胞培養(yǎng)的方法具有更高的病毒富集效率。

表1 微生物氣溶膠富集技術(shù)

1.3 檢測(cè)技術(shù)

排水系統(tǒng)各點(diǎn)位微生物氣溶膠采集后，需要進(jìn)一步根據(jù)不同目的對(duì)微生物的種類(lèi)、濃度或粒徑進(jìn)行檢測(cè)。表2 列舉了部分常見(jiàn)微生物氣溶膠檢測(cè)方法及其原理和優(yōu)缺點(diǎn)。檢測(cè)方法根據(jù)測(cè)試目的選擇，還應(yīng)與適宜的氣溶膠采樣方法搭配。細(xì)胞培養(yǎng)計(jì)數(shù)法是較常用的定量方法，可與固體撞擊法、液體沖擊法或過(guò)濾法等氣溶膠采集方法組合。楊凱雄等人[14]利用過(guò)濾法進(jìn)行氣溶膠采集，配合細(xì)胞培養(yǎng)計(jì)數(shù)法和高通測(cè)序法測(cè)定了污水處理廠氣溶膠中的細(xì)菌濃度和種類(lèi)；楊唐等人[13]和邱雄輝等人[7]采用六級(jí)撞擊式采樣器進(jìn)行氣溶膠采集，利用差別化的細(xì)胞培養(yǎng)計(jì)數(shù)法測(cè)定了污水處理廠氣溶膠中細(xì)菌和真菌的濃度和粒徑分布。Guzman 等人[17]和Williams 等人[18]采用BGM 細(xì)胞培養(yǎng)法分別測(cè)定了生污泥、消化后脫水污泥和堆肥污泥的腸道病毒濃度，以及初沉污泥的腺病毒濃度。除了細(xì)胞培養(yǎng)計(jì)數(shù)法之外，一些更先進(jìn)的分子生物學(xué)技術(shù)和基因檢測(cè)技術(shù)也逐漸運(yùn)用到排水系統(tǒng)微生物的檢測(cè)中。Monpoeho 等人[19]、Prado 等人[20]和Albinana-Gimenez 等人[21]利用RT-PCR 法分別檢測(cè)了初沉污泥、活性污泥、濃縮污泥和消化污泥的腸道病毒濃度，活性污泥的輪狀病毒,生污泥和活性污泥的腺病毒以及活性污泥的甲型肝炎病毒。Han等人[8]以過(guò)濾法采樣配合高通測(cè)序法，對(duì)9 個(gè)污水處理廠中95 種細(xì)菌和22 種真菌進(jìn)行了定性和定量檢測(cè)。

2 微生物氣溶膠監(jiān)測(cè)

由于微生物氣溶膠單次檢測(cè)無(wú)法對(duì)排水系統(tǒng)工作人員或公眾進(jìn)行長(zhǎng)期的警示和保護(hù)，因此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)同樣十分重要，尤其針對(duì)長(zhǎng)期暴露和氣溶膠風(fēng)險(xiǎn)波動(dòng)較大的點(diǎn)位。監(jiān)測(cè)技術(shù)相比于檢測(cè)技術(shù)要求更高，需要滿足24 h 連續(xù)在線、不使用或者少使用耗材和試劑，以及操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)快速。表2 中的部分氣溶膠檢測(cè)技術(shù)也具有作為監(jiān)測(cè)手段的可行性，例如生物傳感器法、流式細(xì)胞計(jì)數(shù)法、QPCR 法和質(zhì)譜法等，但是需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的配套設(shè)備。以美國(guó)TSI、美國(guó)PMS、日本Bioviaila 和中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所為例，目前國(guó)內(nèi)外企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了利用激光誘導(dǎo)空氣中微生物粒子產(chǎn)生熒光的監(jiān)測(cè)手段，分辨率達(dá)到1 個(gè)微生物粒子。此外，美國(guó)和芬蘭應(yīng)用紫外技術(shù)誘導(dǎo)活微生物產(chǎn)生紫外熒光?？梢?jiàn)，在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)中，激發(fā)生物熒光成為了目前的主要技術(shù)途徑之一。

表2 微生物氣溶膠檢測(cè)技術(shù)

3 微生物氣溶膠污染解析和健康風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 粒徑、濃度和種屬解析

在通過(guò)以上方法獲得數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)其展開(kāi)深入的數(shù)據(jù)解析是風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)。在粒徑方面，研究表明，尺寸小于10 μm 的顆粒物可以進(jìn)入鼻腔、小于7 μm 則可以進(jìn)入咽喉，而小于2.5 μm 的顆粒物可深入肺泡并沉積，加入血液循環(huán)系統(tǒng)[23]。此外，粒徑越小則活性更強(qiáng)，壽命也越長(zhǎng)，小于0.1 μm 的氣溶膠顆?？稍诖髿庵袦?0年以上。因此，微生物氣溶膠粒徑分析是氣溶膠檢測(cè)中重要的部分。固體碰撞法通常使用的Andersen 六級(jí)撞擊式采樣器具有6 級(jí)篩孔，可分別采集不同粒徑的氣溶膠粒子，1級(jí)：≥7 μm，2 級(jí)：4.7～7 μm，3 級(jí)：3.3～4.7 μm，4 級(jí)：2.1～3.3 μm，5 級(jí)：1.1～2.1 μm，6 級(jí)：0.65～1.1 μm。6級(jí)采樣粒徑分別針對(duì)1 級(jí)不可進(jìn)入人體、2 級(jí)進(jìn)入咽喉、3 級(jí)進(jìn)入氣管和支氣管、4 級(jí)進(jìn)入第二支氣管、5級(jí)進(jìn)入端支氣管、6 級(jí)進(jìn)入肺泡。Andersen 八級(jí)撞擊式采樣器也是同理。此外，光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡等都可以測(cè)試氣溶膠粒子的準(zhǔn)確直徑分布。

微生物氣溶膠濃度也是影響氣溶膠風(fēng)險(xiǎn)的重要因素，是氣溶膠暴露計(jì)量模型和健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型的重要參數(shù)。研究表明，不同溫度和濕度、風(fēng)速、光照，不同的排水系統(tǒng)設(shè)施，污水處理廠不同處理工藝等，都會(huì)引起微生物氣溶膠濃度的顯著差異。而微生物氣溶膠種屬的鑒定能夠判斷氣溶膠的危害程度，例如脊髓灰質(zhì)炎病毒和諾如病毒[24]能夠在污水處理廠逸散的氣溶膠中檢測(cè)到。盡管目前的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型中沒(méi)有種屬的相關(guān)參數(shù)，但是種屬的測(cè)定對(duì)于防止強(qiáng)致病菌、病毒侵害十分必要。

3.2 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)步驟主要包含暴露計(jì)量模型、暴露因子參數(shù)選取和健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。不同暴露途徑的計(jì)算模型如公式（1）和（2）所示，健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型如公式（3）和（4）所示[9]。

式中：ADD呼吸呼吸為呼吸系統(tǒng)平均暴露量，CFU/d/kg；C 為微生物氣溶膠濃度，CFU/m3；IR 為呼吸速率，m3/d；EF 為暴露頻率，d/a；ET 吸入為呼吸吸入暴露年限，a；ADD皮膚為皮膚接觸平均暴露量，CFU/d/kg；SA 為接觸皮膚表面積，m2；Pc 為皮膚滲透率，m/h；ET皮膚為皮膚接觸途徑暴露時(shí)間，d；BW 為人體質(zhì)量，kg；AT 為預(yù)期壽命，d。

式中：HQ 為非致癌風(fēng)險(xiǎn)商，表示各個(gè)暴露途徑單個(gè)污染物的非致癌風(fēng)險(xiǎn)；RfD 為參考劑量，CFU/d/kg；HI 為多污染物多暴露途徑的非致癌總風(fēng)險(xiǎn)。

4 微生物氣溶膠控制策略

4.1 源頭覆蓋

污水處理廠的各環(huán)節(jié)，尤其是曝氣池，通?？赏ㄟ^(guò)定期清潔或輕質(zhì)材料覆蓋達(dá)到防止逸散的效果。目前，鉸鏈蓋已用于覆蓋全規(guī)模處理設(shè)施中的生物氣溶膠源[25]。其他研究也建議采用覆蓋源頭的方法來(lái)減少生物氣溶膠的排放[26]或者設(shè)計(jì)不直接暴露到空氣中的設(shè)備[27]。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)城市的污水處理廠開(kāi)始采用全覆蓋的設(shè)計(jì)方案，能夠從源頭避免氣溶膠的逸散，同樣的，針對(duì)排水系統(tǒng)中的檢查井、泵站、調(diào)蓄池等其他設(shè)施，也大多采用全覆蓋的方式。但有研究表明覆蓋可能會(huì)使導(dǎo)致曝氣池氧氣傳輸受限，因此通常蓋子都有開(kāi)口，仍然可能導(dǎo)致氣溶膠釋放[28-29]。

4.2 自由漂浮載體介質(zhì)

另一種策略是使用自由漂浮載體介質(zhì)（FFCM），這種介質(zhì)由低密度材料組成，可放置在水面上用來(lái)阻止微生物氣溶膠的釋放。Hung 等人[30]在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的生物反應(yīng)器中使用聚苯乙烯球珠，研究表明，隨著球體粒徑的減小，氣溶膠減排量增加；使用多層球珠結(jié)構(gòu)，可以適度提高目標(biāo)物的捕獲效率。在電鍍和污水曝氣實(shí)驗(yàn)中，自由漂浮載體介質(zhì)在去除或防止大多數(shù)氣溶膠顆粒的釋放上，效果十分有效，最多可達(dá)90%左右。Noh 等人[31]研究發(fā)現(xiàn)在膜生物反應(yīng)器中引入粉末活性炭（PAC）會(huì)增加細(xì)菌絮體的形成，并減少游離細(xì)菌數(shù)量。目前還沒(méi)有在實(shí)際污水處理廠進(jìn)行FFCM 實(shí)驗(yàn)的相關(guān)研究。

FFCM 目前仍然面臨兩個(gè)方面的挑戰(zhàn)，一是曝氣過(guò)程，尤其是機(jī)械曝氣，可能會(huì)將介質(zhì)沿水流推離生物氣溶膠源，從而降低其有效性。二是需要經(jīng)常清潔或更換?？傮w而言，F(xiàn)FCM 用于排水系統(tǒng)微生物氣溶膠排放控制的研究仍處于早期階段。在實(shí)際排水處理設(shè)施中的有效性還需要進(jìn)一步研究。

4.3 有效消毒滅菌

常見(jiàn)的空氣消毒方法有以下幾種：物理法、化學(xué)法和其他消毒法。

物理法中以紫外消毒最為常見(jiàn)，但此法的消毒效果會(huì)收到諸多因素的影響，如照射強(qiáng)度、溫度、氣流等條件的差異等[32]，故紫外消毒法在實(shí)際的使用中有明顯的局限性。另一種常見(jiàn)物理法是等離子體消毒法，其原理是利用電離產(chǎn)生的活性氧化物破壞細(xì)胞膜的活性成分，從而實(shí)現(xiàn)殺菌效果，有研究表明這種方法的殺滅效果能達(dá)到98.9%[33]，此外如層流凈化、靜電沉積、空氣離子消毒等均屬于物理消毒法，但這些方法均適用于相對(duì)密閉的空間，有明顯的局限性。

化學(xué)消毒法顧名思義就是物質(zhì)的化學(xué)特性實(shí)現(xiàn)消毒，主要分為兩類(lèi)：利用強(qiáng)酸堿性物質(zhì)進(jìn)行高效的終末消毒等；另一類(lèi)是通過(guò)強(qiáng)氧化性破壞細(xì)菌活性的方法，如臭氧和過(guò)氧乙酸等消毒方法。但化學(xué)法普遍存在損害人和動(dòng)物健康的缺陷，還可能污染環(huán)境[34]。

其他方法有生物消毒法、中草藥消毒法、光催化消毒法、多因子協(xié)同法等。

5 結(jié)論

城市污水中含有各種致病性病毒、耐多藥細(xì)菌、真菌和其他微生物，在污水產(chǎn)生、輸送和處理全過(guò)程中，微生物氣溶膠的檢測(cè)監(jiān)測(cè)和健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有重要意義。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外研究者在排水系統(tǒng)微生物氣溶膠檢測(cè)和防控方面進(jìn)行的研究。微生物氣溶膠富集、采樣點(diǎn)的選擇、檢測(cè)和監(jiān)測(cè)和健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是評(píng)估排水系統(tǒng)氣溶膠污染的四個(gè)關(guān)鍵步驟。其中富集和檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)的選擇建議根據(jù)不同的目的進(jìn)行，尤其是注意富集和檢測(cè)技術(shù)的合理搭配。健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估能夠?yàn)榭刂拼胧┑闹贫ê蛯?shí)施提供依據(jù)。