城市污水處理廠中SARS-CoV-2的研究進展

胡雨婷，王晶，宛立，劉凱凱，吳英海

（大連海洋大學海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023）

全世界的疾病約有80%是通過水來傳播的，被病毒污染的水易造成病毒擴散、威脅生命。病毒造成的水污染問題每年造成不可計量的損失。病毒是許多致命疾病的主要病原，包括但不限于的疾病有如傷寒、腸胃炎和肝炎等。其中冠狀病毒是一種單股正鏈RNA病毒，會導致幾種嚴重的呼吸道感染疾病。2019年12月起爆發(fā)的席卷全球的新型冠狀病毒肺炎（COVID-19），正是由于新型冠狀病毒（SARSCoV-2）引發(fā)的。類似SARS-CoV-2 的病原體可能會從人類糞便中分離而進入環(huán)境中。此外，廢水凈化后回用、各種非法活動、畜牧業(yè)、醫(yī)院污水或大面積生物事故后的地表水徑流都有可能成為病原體的來源。

污水廠作為城市污水的“匯”以及污水受納水體的“源”，面臨SARS-CoV-2的威脅和消除重任。SARS-CoV-2 的RNA 不僅同時存在于患者的糞便和唾液中，研究還顯示它也存在于原廢水、初級污泥和河水中[1]。廢水監(jiān)測中已發(fā)現(xiàn)SARS-CoV-2的存在，如美國路易斯安那州的一項研究首次在北美廢水中檢測到了SARS-CoV-2[2]。因此，未來需要的研究工作，例如了解污水中病毒的出現(xiàn)、存在的持久性以及在此之上去探討其對人群的風險和防治措施越來越重要。

已有一些研究介紹了SARS-CoV-2 的危害以及其防控方法，目前缺少系統(tǒng)地分析SARS-CoV-2 在國內(nèi)外污水廠出現(xiàn)、富集、檢測及防治的研究。本綜述依據(jù)近兩年的研究成果評述了國內(nèi)外污水廠中SARS-CoV-2 的出現(xiàn)、風險、檢測方法以及防治措施，為污水廠中SARS-CoV-2的研究和防治提供參考。

1 污水廠中的SARS-CoV-2的出現(xiàn)

病毒通常在自然水體和廢水中含量豐富，尤其是受污染水環(huán)境和城市污水中。根據(jù)以往經(jīng)驗，常規(guī)的污水處理方法對于廢水中病原體的去除并不是都適用的，其中殘存的病原體對公眾衛(wèi)生安全造成重大風險。有研究在未處理和處理過的廢水中均檢測到SARS-CoV-2的RNA[3]。此外，Chatterjee 等[4]的團隊在污水處理廠的污泥樣本和同一污水處理廠的干燥床樣本中，都發(fā)現(xiàn)了病毒株。這些研究表明，SARS-CoV-2 極有可能出現(xiàn)在廢水中，或者是由于某些污水廠不具備較好的處理設備而導致SARS-CoV-2在處理后的廢水中依然存在。

目前對于SARS-CoV-2 是否在處理后的污水中一定出現(xiàn)這個問題還沒有一個統(tǒng)一答案，這取決于污水處理工藝、消毒工藝以及采樣的偶然性。但是如果僅僅針對它是否會出現(xiàn)在污水廠中，那么已經(jīng)有多次報道指出這個問題。如Wu 等[5]使用RT-qPCR 檢測了馬薩諸塞州一個主要城市處理設施收集的廢水，發(fā)現(xiàn)存在高滴度的SARS-CoV-2。然后，他們通過直接DNA 測序確認PCR 產(chǎn)物的身份，并根據(jù)臨床確診病例，推斷SARS-CoV-2已經(jīng)開始在污水中富集、傳播。還有Carrillo-Reyes 等[6]采用RdRP、S、N 基因分析方法對墨西哥污水中SARS-CoV-2的RNA進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)克雷塔羅市兩個污水處理廠進水SARS-CoV-2 的RNA 監(jiān)測結果與累計COVID-19 病例相關，結果是二級污泥的RNA水平高于進水污泥，說明病毒在活性污泥中富集。在國內(nèi)污水廠中，關于污水中的SARS-CoV-2處理的相對較好，雖然少數(shù)污水中仍然存在低濃度的SARS-CoV-2，但是最終經(jīng)過污水處理廠凈化消毒后，排放到外環(huán)境中的污水并不存在SARS-CoV-2[7]。

污水廠中的SARS-CoV-2 來源于糞便、醫(yī)療廢水以及各種生活廢水，其中大部分來源于糞便。決于感染過程的不同，SARS-CoV-2 陽性者糞便中的病毒載量估計在5×103～1×107.6copies/mL 之間。在下水道中，糞便經(jīng)過稀釋，進入污水處理廠的廢水中的病毒載量大幅下降，范圍為0.02～3×103copies/mL，這取決于病毒在此地區(qū)的流行程度。這種稀釋是由多種因素造成的，例如人每天排入污水的流量（大約是人均每天飲用水的80%，稀釋率約為103倍）和雨水或滲入下水道網(wǎng)絡中的寄生蟲流入。此外，并非全部人口都對病毒載量有所貢獻，具體取決于污水處理廠服務的人口中陽性病例的百分比。舉例來說，截至2020年4月10日，倫巴第是受影響最嚴重的意大利地區(qū)之一，100,000 人中病例數(shù)為560 例，產(chǎn)生了5.6×103倍的進一步稀釋[8]。

當前污水廠中的SARS-CoV-2 存在于各個工藝環(huán)節(jié)中。在二級處理生物池、剩余污泥以及污泥干化池等均發(fā)現(xiàn)SARS-CoV-2 的存在[3,4]。就含量來說，已有研究發(fā)現(xiàn)二級處理后的污泥中SARS-CoV-2 載量達到最大[6]。因此，在采取去除措施（例如消毒燈）時應該根據(jù)其濃度的不同選擇不同的處理方法。

2 城市污水處理廠中SARS-CoV-2 存在的風險

在COVID-19 大流行期間，城市污水處理廠中存在SARS-CoV-2的危害是十分嚴重的。首先，SARS-CoV-2 存在于污水廠中污水處理的各個環(huán)節(jié)，那么其病毒對于污水廠的工作人員就有風險。污水通過排水管網(wǎng)進入污水處理廠，存在病毒暴露引發(fā)操作人員感染、處理不當造成受納水體污染等的風險[9]。另有研究估計操作人員與污水進水口和生物氧化池接觸時會有較高的平均感染風險，達到3 分鐘的接觸感染風險分別為15.64%和12.73%[10]。盡管一線人員都佩戴好護目鏡、穿戴好防護服，但長期處于風險地區(qū)下仍有被感染的可能。

其次，在許多國家由于缺乏水資源，廢水會被用于灌溉農(nóng)田。此外，處理后的廢水產(chǎn)生的污泥是極好的肥料，在農(nóng)業(yè)中經(jīng)常使用。二次處理廢水(TWW)可以提供一種廉價和可持續(xù)的水灌溉替代方案，并確保糧食安全，特別是在水資源匱乏的地區(qū)。然而，TWW 可能通過將病原體引入灌溉的土壤和作物，特別是引入生吃的灌溉蔬菜。然后，由于病毒在土壤中的遷移或食用受污染的水果蔬菜或者是飲用受污染的水體，種種方面都會對公共健康造成威脅。根據(jù)條件的不同，病毒可以在污水灌溉的植物上存活數(shù)天至近4 周不等的時間[11]，雖然在一段時間后蔬菜上檢測到病毒基因組的存在并不代表有感染性病毒顆粒的存在，但也沒有相應的研究表明病毒完全不存在。

另外，若沿海城市污水廠中存在SARSCoV-2，如果廢水處理或排放管理不善，未經(jīng)處理的廢水會攜帶傳染性SARS-CoV-2 進入海洋哺乳動物賴以生存的天然水系統(tǒng)。根據(jù)已有的海洋哺乳動物物種的易感性研究資料，預計許多物種的鯨魚、海豚、海豹以及水獺極易受到SARS-CoV-2的感染，而一些可食用魚類感染病毒又將威脅人類社會[12]。

諸如此類都是SARS-CoV-2 存在于污水廠中所帶來的威脅，這一系列威脅的內(nèi)部是相互聯(lián)系的環(huán)節(jié)，因此在處理時不僅要在源頭上防止COVID-19 擴散，還需要做好污水處理工作，注意病毒大流行對于環(huán)境的危害以及由此帶來的社會和經(jīng)濟后果。

3 SARS-COV-2在污水廠中的檢測

不同于從受感染人員直接取樣檢測SARS-CoV-2，在水生環(huán)境中檢測病毒方法的實施還可能遇到一些障礙，包括：樣品的大量稀釋、基質(zhì)對分析結果的影響以及誘變的可變性等。在被糞便污染的水中，病毒的數(shù)量相對較少。因此，在后續(xù)的RNA 提取和RT-qPCR檢測前，采用有效的濃度濃縮方法才能確定準確的病毒含量。濃縮方法包括電負膜吸附、聚乙二醇沉淀、超濾和固體沉淀等多種，具體利用需要根據(jù)實際情況確定。

對于SARS-CoV-2 檢測方法方面，目前有聚合酶鏈反應（PCR）、生物傳感器的應用、酶聯(lián)免疫吸附測定（ELISA）、原子力顯微鏡（AFM）等。運用較為廣泛的檢測方法是PCR方法，PCR是一種利用被稱為引物的合成核苷酸短序列來檢測病毒的方法，在現(xiàn)階段不論是單獨使用或者是與其他方法共用都卓有成效。在單獨使用方面，已有研究表明通過采用多種PCR 方法檢測樣本中的SARS-CoV-2 核糖核酸(RNA)證明SARS-CoV-2即使在病例比例為0.001%的情況下，也可以以較低的頻率被檢測到，即廢水中的SARS-CoV-2可在疫情早期檢測到，即使確診病例的數(shù)量可能低于實際病例的數(shù)量，這說明PCR 技術可以作為SARSCoV-2 疫情的早期預警[13]。在共用方面，PCR與模板形成的組合測試也是可能的。PCR 用于擴增脫氧核糖核酸（DNA）的特定序列。在該反應中，稱為模板DNA的雙鏈DNA被擴增。由于PCR技術的高度特異性，已被用于檢測環(huán)境中的病毒，尤其是腸病毒和甲型肝炎病毒（HAV）。但是，PCR這種方法的敏感性和特異性取決于通過濃縮和純化過程從樣品中回收病毒的效率，以及通過去除PCR抑制性物質(zhì)回收的病毒最終純度，因此即使PCR 結果陽性，也不可能明確檢測到的病毒是否具有感染性。此外，PCR 反應一次只能檢測一種病毒，但水中有許多不同類型的病毒。運用這類方法來檢測SARS-CoV-2，又會出現(xiàn)新的問題，即使用核酸分析，也只是檢測到了所有存在的病毒的遺傳物質(zhì)，而沒有區(qū)分感染性顆粒和非感染性顆粒[14]。此外有實驗表示，在幾種現(xiàn)有檢測方法中，系統(tǒng)發(fā)育微陣列可快速檢測多種病原體（包括人類腸道病毒）而無需培養(yǎng)環(huán)境樣品[15]。該技術可能對于檢測廢水中出現(xiàn)的新病原體有用，并且可能是檢測水樣中SARSCoV-2的候選方法。

目前，廣泛用于指導傳染病的流行病學監(jiān)測工作的工具是廢水監(jiān)測和基于廢水的流行病學（WBE）監(jiān)測?，F(xiàn)今的無癥狀感染者導致病毒的追蹤難度上升，為了控制COVID-19 的傳播，必須進行有效的病毒檢測以及采取適當?shù)念A防措施。

基于在原廢水、初級污泥和河水中監(jiān)測到SARS-CoV-2[1,2]，利用WBE就可以預先發(fā)現(xiàn)病毒而不必等感染者真正有了發(fā)熱等反應，或是耗費大量資源將檢測普及到每個人再來進行預防控制工作?？紤]到廢水樣本和感染糞便樣本中病毒RNA 的copy 總數(shù)的質(zhì)量平衡是WBE的核心，因此廢水和飲用水中的病毒的檢測方法需要具有靈敏、可抵抗假陽性結果并實現(xiàn)完全自動化等特征。另外，所使用的方法必須快速得到結果且價格低廉，但目前還尚未找到同時滿足所有特征要求的方法。

4 SARS-CoV-2在污水廠中防治措施

為了進一步降低SARS-CoV-2 帶來的風險，污水廠應做好消毒措施。污水處理廠可以考慮在排放前增加最后的消毒步驟（通常稱為三級處理），從純物理方法，如γ射線的電離輻射、紫外線、光動力氧化和熱非電離輻射等，到利用純化學物質(zhì)，如氯、二氧化氯、臭氧、碘、溴和氯化溴等，這些消毒方法可以有效滅活廢水和水中的病毒。雖然有研究表示臭氧和紫外線協(xié)同殺滅SARS-CoV 的速度比有效氯快數(shù)百倍，而且可殺死對氯消毒劑有高度抵抗力的微生物[16]，但目前運用最為廣泛的消毒劑是仍是氯，因為它相對便宜，在低濃度下也可使用，并且如果以足夠的劑量施用時會形成殘留物持續(xù)消毒。它可以以氣體或次氯酸鹽的形式使用，最常見的是氣體形式，即氯氣。氯氣與水在中性和較低pH值下產(chǎn)生的次氯酸（HOCl）是負責其消毒特性的主要氯形態(tài)，它在這些pH 值下具有更大的消毒能力。此外，有研究報道，某些常規(guī)工藝（如常規(guī)活性污泥工藝，絮凝沉淀和砂濾）可有效去除廢水中的病原體[17]。也有實驗證明基于顆粒污泥反應器（SBBGR），并通過砂濾技術進一步增強的一種簡化處理方案可用于從市政廢水中去除污染物和病原體[18]。另有報道指出，污泥的穩(wěn)定化和無害化處理，如脫水、堆肥、熱處理和中溫厭氧消化均可有效殺滅病毒，其中熱處理是迄今為止病毒失活效率最高的污泥處置方法[19]，利用這一點可以有效處理在污泥中高度富集的SARS-CoV-2。

關于病毒處理方面還有許多新技術。有實驗證明基于膜的過濾過程和結合懸浮生長生物的膜生物反應器是實現(xiàn)去除廢水中病毒的有效替代方法[20]。但目前看來，該系統(tǒng)主要依靠物理分離，去除率取決于病毒的結構，并且價格過高，需要進行改進。此外，涉及使用微藻類或大型藻類從廢水中去除污染物的方法也備受關注[21]。

在疫情期間，為了防止SARS-CoV-2 對環(huán)境和人造成危害，特別是污水廠運行期間，氣溶膠中攜帶的病毒逸散后會感染工作人員，因此需要將容易產(chǎn)生較高濃度微生物氣溶膠的處理單元（污水提升泵房、格柵間、沉砂池、生物曝氣池、污泥濃縮池和污泥脫水間等）盡可能采用自動化管理方式，人員遠程監(jiān)控和避免直接接觸。同時，封閉處理單元（污水提升泵房、格柵間、污泥脫水間等）應安裝強制通風設備，在容易發(fā)生污水飛濺的設備（如格柵、砂水分離器、脫水機等）前增加防護罩[22]。廢水灌溉方面也需要重新考慮，在確定處理后的廢水中不會殘留SARS-CoV-2后再做進一步打算，并且要避免新鮮蔬菜直接接觸到廢水，防止病毒殘留。

5 結論

隨著越來越多的污水廠廢水中發(fā)現(xiàn)SARS-CoV-2 存在，目前亟需對其風險、檢測方法以及防治措施開展研究。未來的研究需要關注以下幾個方面：

①污水廠污水和污泥中的SARS-CoV-2存在規(guī)律的研究。需要進一步了解病毒的特性，比如SARS-CoV-2在污水廠環(huán)境中是否分解、所需時間、穩(wěn)定性如何等，在此基礎上再去調(diào)整監(jiān)視工具，才能在病毒以驚人的速度蔓延之前采取行動。

②開展污水廠SARS-CoV-2 風險評價。主要是研究對污水廠操作人員、污水廠附近居民及排放口區(qū)域人群及環(huán)境的影響。

③如何有效且快速的進行檢測。由于污水廠中的污水一直處于流動狀態(tài)，需要實時監(jiān)測SARS-COV-2的存在，并開發(fā)更加快速便捷的檢測方法、采樣和分析設備，尤其是自動檢測設備。