污水處理廠中典型腸道病毒的分布與檢測方法及其風(fēng)險評估

陳江峰,詹 詠,錢 康,陳 祥,李 錕,董 濱

(1.上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093;2.中國長江三峽集團(tuán)有限公司長江生態(tài)環(huán)境工程研究中心,北京 100038;3.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200092)

SARS-CoV-2新型冠狀病毒已在215個國家導(dǎo)致過疫情暴發(fā),感染人數(shù)超5億,死亡人數(shù)超640萬[1]。研究報告[2]指出,SARS-CoV-2的RNA在患者糞便和生活污水中檢出,與諾如病毒(norovirus)、腺病毒(adenovirus)、輪狀病毒(rotavirus)、星狀病毒(astrovirus)等[3]典型腸道病毒一樣,可能通過患者的糞便進(jìn)入排水系統(tǒng),存在糞口傳播風(fēng)險,若處置不當(dāng)會導(dǎo)致病原體進(jìn)入受納水體。城鎮(zhèn)污水處理廠作為生活污水的主要接納和處理場所,其病原體暴露風(fēng)險得到了污水處理行業(yè)的普遍重視。

污水處理廠進(jìn)水來源廣泛,現(xiàn)已檢測出1 400余種病原體[4],包含病毒、細(xì)菌、真菌等。相關(guān)研究[5]報道表明,病原體能夠以無生命的生物大分子狀態(tài)在污水中穩(wěn)定存在,并長時間維持其感染活性,存活時間長達(dá)幾天甚至數(shù)月。同時,隨著城市管網(wǎng)升級改造,污水短時間即可匯入污水處理廠,使污水處理廠的進(jìn)水中存在大量尚未失活的病原體。因此,污水處理廠的工作人員接觸這些病原體并感染的幾率較高。研究數(shù)據(jù)[6]表示,污水處理廠人員更容易感染由腸道病毒所引起的疾病,疾病的主要傳播途徑可歸因于病毒氣溶膠的吸入和手部接觸攜帶病毒的污水、污泥而導(dǎo)致的手口攝入。此外,若出水中含有病原體,其用于城市綠化和道路清潔時也會對公眾造成一定的健康風(fēng)險。

目前,我國對于污水處理廠出水標(biāo)準(zhǔn)中僅對于寄生蟲卵及糞大腸菌群進(jìn)行限值控制,對病毒的控制限值以及去除策略并無明確的規(guī)定,使污水處理廠的運(yùn)行過程以及出水排放都存在著難以定量的風(fēng)險。本文歸納總結(jié)了國內(nèi)外關(guān)于污水處理廠中病毒的分布、檢測方法及其風(fēng)險評估等方面的研究進(jìn)展,為建立污水處理廠出水病毒控制標(biāo)準(zhǔn)、加強(qiáng)污水處理廠病毒防控、降低工作人員健康風(fēng)險提供科學(xué)參考。

1 污水處理廠中病毒的分布與去除特征

1.1 水相中病毒的分布

污水中存在大量細(xì)菌、真菌、病毒等病原微生物。病原微生物的種類眾多,目前在污水中發(fā)現(xiàn)的600余種病毒中,腸道病毒就存在140余種[7],不同的腸道病毒引起的健康危害以及不同工藝對其去除效果存在差異,因此,明晰污水中腸道病毒的種類、危害和不同工藝對病毒的去除效果尤為重要。表1匯總了國內(nèi)外不同污水處理廠污水中較為典型的腸道病毒種類,以及在不同處理工藝下進(jìn)出水單元的濃度水平[8-19]。各國污水處理廠污水中檢測出的病毒種類及濃度各不相同,但在各工藝的進(jìn)出水中均有病毒檢出。張德友[10]在北京高碑店等污水處理廠出水中均檢出輪狀病毒,通過計算得出各污水處理廠出水健康風(fēng)險均高于美國環(huán)保局(USEPA)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值,說明將污水處理廠出水用于綠化和景觀用水時,對人群存在健康隱患。不同污水處理流程對水中部分病毒的去除效果各不相同,Ouardani等[16]的研究表明氧化溝工藝對甲型肝炎病毒的去除效果約為1.31lg,Schlindwein等[20]和Villar等[14]的研究表明傳統(tǒng)活性污泥法對甲型肝炎病毒的去除效率為0.09lg～0.24lg,表明污水處理工藝和污水處理廠規(guī)模等都會影響對病毒的去除效果。

1.2 固相(主要指污泥)中病毒的分布

據(jù)統(tǒng)計,至2020年我國污水處理廠脫水污泥產(chǎn)量已達(dá)7 285萬t(含水率80%計),污泥產(chǎn)量增速為每年5%～8%,預(yù)計2025年底我國污泥產(chǎn)量將達(dá)到9 000萬t[21]。污水處理廠進(jìn)水中含有大量的病毒,剩余污泥作為病毒的重要載體,其帶來的健康風(fēng)險也越來越受到國內(nèi)外的重視。Yang等[22]研究發(fā)現(xiàn)病毒在進(jìn)入污水處理系統(tǒng)后,會逐漸富集吸附在污泥中,并且部分腸道病毒能在污泥中存活幾天甚至數(shù)月。美國等發(fā)達(dá)國家已逐漸將病毒列入污泥排放指標(biāo)中。但我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)和《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥泥質(zhì)》(GB 24188—2009)中,對污泥的病原體排放指標(biāo)僅涉及糞大腸菌群、細(xì)菌總數(shù)和蛔蟲卵死亡率,尚未涉及對病毒的關(guān)注。由表2可知[23-33],出水污泥中仍存在較高濃度腸道病毒,Bofill-Mas等[23]的報告表明污水和污泥中多瘤病毒的濃度相似,但由于污泥對病毒的保存作用要高于污水中,污泥中的高濃度病毒更應(yīng)該引起重視。Reynolds[24]和Sidhu等[25]的研究表明,由于活性污泥對病毒的吸附與保護(hù)作用,污泥中病毒含量通常會高于進(jìn)水,部分病毒(如腺病毒)可達(dá)到進(jìn)水的10倍。因此,關(guān)于污泥后續(xù)處理處置過程中所造成的健康風(fēng)險不容忽視。

1.3 氣相中病毒的分布特征

氣溶膠是由小體積液滴或一些結(jié)構(gòu)簡單的生物分散并懸浮在空氣中的一種膠體體系。在污水處理過程中,如曝氣裝置會在曝氣單元產(chǎn)生氣泡,在氣泡上升至水面破裂后,會使攜帶腸道病毒的小液滴逸散到空氣中[34]。此外,在機(jī)械攪拌或者液體湍流劇烈的處理單元,也存在水相與氣相的接觸[35],導(dǎo)致氣溶膠的產(chǎn)生并使水中所含有的腸道病毒進(jìn)入空氣中。有研究[36]表明污水處理廠職業(yè)人員更容易產(chǎn)生過敏性鼻炎、慢性支氣管炎、哮喘等呼吸系統(tǒng)疾病的問題。由表3[37-43]可知,進(jìn)水與曝氣池等湍流程度較大的單元均有病毒的檢出。Pamionka[37]的研究發(fā)現(xiàn)污水廠工作人員對于諾如病毒與輪狀病毒的疾病負(fù)擔(dān)傷殘調(diào)整壽命年(DALY)指標(biāo)可達(dá)到0.123和0.057 6,遠(yuǎn)超世界衛(wèi)生組織制定的1×10-6的參考值。劉子欣[38]的研究表明污水處理廠工作人員關(guān)于腸道病毒和諾如病毒的年感染概率可達(dá)23%和50%,DALY指標(biāo)也遠(yuǎn)超美國環(huán)保局制定的1×10-4的參考值。因此,需關(guān)注并預(yù)防污水處理廠氣溶膠對廠內(nèi)工作人員與周邊居民造成的健康危害。

1.4 污水處理廠中典型腸道病毒存活與去除的影響因素

典型腸道病毒在污水處理廠中的存活與去除受到多方面因素的影響,其可分為物理因素、化學(xué)因素和生物因素3種。

1.4.1 物理因素

涉及腸道病毒去除和存活的物理因素包括溫度、懸浮物、光照等[44]。溫度是影響病原微生物存活最關(guān)鍵的因素。研究[45]表明隨著溫度的升高,病毒衣殼蛋白會變形破壞或被活性升高的胞外蛋白酶降解,從而導(dǎo)致病毒失活。據(jù)Casanova等[46]的研究顯示,小鼠肝炎病毒在25 ℃的條件下,10 d后滴度下降了2lg,而在4 ℃的同等條件下,其滴度并未存在顯著下降。Zhao等[47]的研究表明甲型肝炎病毒在4 ℃瓶裝水中存活一年后其滴度僅下降約1lg,而在20 ℃和35 ℃的情況下,40 d后其滴度下降了約2lg和5lg,并且其在240 d和80 d時徹底失去了活性。Ibrahim等[48]研究表明,在37 ℃滅菌后河水中腺病毒存活時間為27 d,在4 ℃保存下其活性可延長為73 d,而在-20 ℃的情況下其存活時間甚至可以達(dá)到197.5 d。因此,對大多數(shù)病毒而言,低溫條件下腸道病毒的存活時間更長。并且隨著溫度的升高,病原體和懸浮顆粒間的吸附性能也會下降。病原體和懸浮顆粒間的吸附性能也是影響其活性的關(guān)鍵因素,腸道病毒在懸浮顆粒物上的吸附可減少酶、其他降解因子和紫外線(UV)滅活等環(huán)境因素對其的影響,延長病原體在污水中的存活時間。Fongaro等[49]的研究表明,水中的病毒濃度在經(jīng)過沉降后顯著降低,PhiX-174噬菌體和腺病毒的沉降與固體顆粒的沉降呈正相關(guān)。Sakoda等[50]的研究表明,大腸桿菌噬菌體吸附在固體上時比懸浮在水中時更加穩(wěn)定,固體表面的吸附增強(qiáng)了它們的存活能力。

光照也是影響水中病原體存活的重要因素,相關(guān)研究[51]表明UV輻射是環(huán)境中主要的天然殺病毒劑。UV通過改變病毒和微生物的遺傳物質(zhì)、斷裂鍵、變性蛋白質(zhì)(蛋白質(zhì)分子吸收紫外光后,會導(dǎo)致氫鍵的解離從而導(dǎo)致其變性)來對病毒和微生物的基因組造成損害,達(dá)到削減水中病毒存活時間的效果。Johnson等[52]的研究表明,脊髓灰質(zhì)炎病毒在黑暗環(huán)境的海水中24 h后滴度下降了約1lg,而在同一時期陽光下海水中的滴度卻下降了3lg。光照對病原菌的去除效果也與UV強(qiáng)度有關(guān),Meng等[53]的研究表明滅活1lg的腺病毒需要30 mW/cm2劑量,當(dāng)UV強(qiáng)度達(dá)到124 mW/cm2時腺病毒的滅活效率可達(dá)4lg。

1.4.2 化學(xué)因素

影響污水中病毒存活的化學(xué)因素有pH、氧化劑等。不同病毒在水中的等電點(diǎn)不同,水體pH的變化會改變病毒表面的帶電性質(zhì)[54],影響病毒在水中的遷移和吸附性能,并且pH能通過影響微生物表面的蛋白構(gòu)型情況影響微生物的活性和感染能力。但生活污水的pH值通常情況下為6～8,大多數(shù)腸道病毒在這個范圍內(nèi)存活較為穩(wěn)定。Chin等[55]的研究發(fā)現(xiàn),在室溫條件下,pH值在3～10的新冠病毒存活情況穩(wěn)定。而Booth等[56]的研究表明,諾如病毒能在pH值為2～10的緩沖液中存活,在pH值為2的情況下存活30 min后仍具有感染性。氧化劑如二氧化氯、次氯酸鈉、臭氧等,能夠有效降低病毒的傳染活性。研究[57]表明二氧化氯會使包膜病毒的血凝素和神經(jīng)氨酸酶變形,而這些蛋白對病毒的傳染性必不可少,因此,消除了病毒的傳染性。Hatanaka等[58]的研究表明在加入80 mg/L的次氯酸鈉或二氧化氯后10 s后,SARS-CoV-2病毒的滴度下降可以達(dá)到約4lg。Orel等[59]的研究也表明次氯酸鈉對脊髓灰質(zhì)炎病毒有很高的殺滅作用,在水中加入0.63%次氯化鈉溶液在經(jīng)過2 min后其滴度可下降10lg。

1.4.3 生物因素

研究[60]表明病毒的存活率可能會隨著表面微生物的數(shù)量而增加或減少,細(xì)菌或微小真菌能夠攻擊和滅活具有感染性的病毒顆粒。一些細(xì)菌可以產(chǎn)生低分子物質(zhì)或使用病毒衣殼蛋白作為底物生長,從而使病毒失活。除了細(xì)菌和真菌外,水中還存在大量原生動物、后生動物、藻類等生物,對病毒的存活均存在不同程度的影響。Kim等[61]的研究表明脊髓灰質(zhì)炎病毒在從水相被吸附到絮體后,絮體上的后生動物通過攝食作用將其轉(zhuǎn)移至體內(nèi)達(dá)到滅活病毒的效果。Bettarel等[62]的研究發(fā)現(xiàn)微藻能吸附水中的病毒,通過沉淀或其體系中生物(異養(yǎng)納米鞭毛蟲和纖毛蟲)的捕食去除。但是對于病毒而言,水中的生物除了負(fù)面影響外,也存在保護(hù)和傳播病毒的作用。Scheid等[63]的研究發(fā)現(xiàn)棘阿米巴屬變形蟲(Acanthamoeba)在吞食腺病毒后,腺病毒在其體內(nèi)形態(tài)并未發(fā)生改變,且仍具有感染能力。在宿主阿米巴的保護(hù)下,腺病毒還可以免受各種消毒劑的不良作用。Battistini等[64]也發(fā)現(xiàn)纖毛蟲吸收水中腺病毒后,腺病毒可在其體內(nèi)存活長達(dá)35 d。因此,環(huán)境水體中的腸道病毒與各種生物間存在復(fù)雜的相互關(guān)系,其共生、捕食、競爭等都會影響其在水中的存活和分布。

2 環(huán)境樣本中微生物的濃縮與檢測

由于環(huán)境樣本中腸道病毒的含量一般較低,且其存在的許多物質(zhì)會影響后續(xù)的檢測,如有機(jī)質(zhì)和顆粒物等。因此,在檢測前需對樣品進(jìn)一步洗脫和濃縮,提高后續(xù)檢測的準(zhǔn)確性和靈敏度。

2.1 水樣中病毒的富集與濃縮方法

水樣中病毒的濃度較低時,常見的濃縮方法包括:膜過濾-洗脫法、絮凝沉淀法、超濾法、固體吸附-洗脫法等[65]。吸附-洗脫法是其中運(yùn)用較多的濃縮方法,包含膜過濾-洗脫法和固體吸附-洗脫法,通過特定介質(zhì)吸附水中病毒,再使用洗脫液洗脫完成濃縮。膜過濾-洗脫法是通過帶電荷的濾膜來吸附水中帶負(fù)電荷的病毒,根據(jù)膜所帶電荷的不同可分為陽離子膜和陰離子膜。常見的陰離子膜有硝酸纖維膜、尼龍膜、玻璃纖維膜等,Jothikumar等[66]使用Millipore硝化纖維膜對實(shí)驗(yàn)室模擬水樣中脊髓灰質(zhì)炎病毒的回收率可達(dá)80%,但陰離子膜使用前需要在酸化條件下加入陽離子,如Al3+、Ca2+、Mg2+等。此外,Berg等[67]的研究表明,由于污水中的有機(jī)物質(zhì)較多,陰離子膜對污水中病毒的濃縮效果較差,需要在過濾前初步去除水中有機(jī)質(zhì)。常見的陽離子膜有納米鋁濾膜、石棉-纖維素膜等,與陰離子膜相比陽離子膜可以直接吸附帶負(fù)電的病毒。馮微宏等[68]的研究表明,Nanoceram陽離子膜對模擬水樣中諾如病毒的回收率為28.8%±6.1%。固體吸附-洗脫法也是通過帶電荷的濾料介質(zhì)對病毒進(jìn)行吸附,目前研究熱門的濾料包括活性炭、硅膠、玻璃棉、硅藻土及各種改性材料等。Brinkman等[69]運(yùn)用硅藻土濃縮廢水中腸道病毒的回收率為47%～98%。Vilagines等[70]使用50 g玻璃棉對河水中脊髓灰質(zhì)炎病毒的回收率為75%,但固體吸附-洗脫法的濃縮效率與其濾料的用量及環(huán)境條件有關(guān)。Menut等[71]使用5 g玻璃棉對脊髓灰質(zhì)炎病毒的回收效率為25.5%。

絮凝沉淀法是通過加入具有絮凝特性的物質(zhì),將病毒沉淀后通過超高速離心的方式將病毒依附在管壁上,在去除上清液后通過緩沖液將其重懸達(dá)到濃縮的效果。這種方法適用于較為渾濁的水樣以及污泥,但其濃縮體積僅適用于生活污水、醫(yī)療廢水等病毒較高的水體。超濾法的原理是依據(jù)濾孔孔徑大小的差異性來截取水中的病毒,并不需要加入其他物質(zhì),只與微生物直徑和自身孔徑相關(guān),但超濾法易堵塞濾膜,適用于自來水、三級出水等較為潔凈的水體。金萍等[72]使用超濾法和PEG沉淀法對純水中諾如病毒的回收率分別為34.72%和6.21%。張崇淼[73]應(yīng)用濾膜吸附-PEG沉淀法對二級出水及進(jìn)水中腸道病毒的回收率分別為65.93%和33.25%。因此,關(guān)于污水處理廠水樣的富集濃縮方法在進(jìn)水等較為渾濁的水體單元采用絮凝沉淀法較為合適,而出水及后續(xù)潔凈水體中應(yīng)使用超濾法或吸附-沉淀法。

2.2 泥樣中病毒的富集與濃縮方法

污泥中病毒的濃縮方法通?？煞譃閮刹?洗脫和富集。污泥中病毒的洗脫,就是通過加入化學(xué)試劑使污泥和病毒分離,使其從固相向水相轉(zhuǎn)移,再通過離心的方式去除沉淀。Mignotte等[74]通過對8種濃縮技術(shù)進(jìn)行比較,得出向污泥中加入0.3 mol/L的NaCl和7%牛肉提取物(pH值=7.5)、100 mL氟利昂和10%牛肉提取物(pH值=9),兩種方法在后續(xù)定量和培養(yǎng)過程中有更好的表現(xiàn),但第二種方法相較于第一種更加便捷,且后續(xù)不存在氟利昂的環(huán)境處置問題。Yang等[22]通過向污泥中投加假單胞Phi6噬菌體、MS2大腸桿菌噬菌體、T4噬菌體、Phix174噬菌體4種不同類型的典型病毒替代物對比了4種濃縮方法,得出向污泥中加入10%牛肉提取物(pH值=7.2)的方法回收率最高,其phiX174噬菌體回收率可達(dá)60.49%。污泥富集的方法與前文污水濃縮方法一致,為PEG沉淀法、超濾法、超速離心法等,在實(shí)際試驗(yàn)過程中病毒的濃縮可以由多種方法一起構(gòu)成,如可使用濾膜法進(jìn)行初步濃縮后再使用有機(jī)絮凝法進(jìn)一步濃縮,可以達(dá)到更好的富集效果。

2.3 氣樣中病毒的采集方法

關(guān)于空氣中氣溶膠樣品的采集效果主要在于采集方式的不同,不同的采集方式其捕獲氣溶膠中病毒的能力以及捕獲后微生物的活性不同?，F(xiàn)有的采集方法依照其原理可分為重力沉降法、撞擊式采樣法、沖擊式采樣法、氣旋式采樣法、靜電采樣法等[75-77]。撞擊沉降法是目前采用較為廣泛的方法之一,最具代表性的便是Andersen六級采樣器,其優(yōu)點(diǎn)在于擁有六級篩孔徑不同的篩板,通過不同的孔徑和不同的氣流流速使不同大小粒徑的病毒截留在不同的篩板上,得到氣溶膠中微生物的粒徑分布,根據(jù)動力學(xué)原理可以模擬不同粒徑下人吸入肺部后的感染性。但其缺點(diǎn)是受到采樣器氣流擾動和慣性影響會造成微生物損傷或死亡,影響后續(xù)檢測。由于病毒在氣溶膠中的含量很少,加上其本身結(jié)構(gòu)十分脆弱,運(yùn)用沖擊式采樣法是目前污水處理廠采集病毒氣溶膠的主流方法之一,其收集氣溶膠的液體介質(zhì)能更好地保持病毒的活性減少其損失。Courault等[42]使用AGI沖擊式液體采樣器對小鼠諾如病毒的回收率可達(dá)71.8%。

2.4 病毒檢測技術(shù)

在樣品完成洗脫濃縮等前處理后,關(guān)于污水處理廠等環(huán)境樣本的病毒檢測方式主要可分為細(xì)胞培養(yǎng)法、免疫學(xué)檢測法和分子學(xué)檢測方法[42,78]。細(xì)胞培養(yǎng)法是最傳統(tǒng)的檢測方法,通過顯微鏡直接觀察進(jìn)行定性鑒定和分析或運(yùn)用特定宿主細(xì)胞分離和鑒定病毒。其主要用于評價病毒的感染活性,常用50%細(xì)胞感染劑量(TCID50)或培養(yǎng)皿空斑數(shù)(Pfu)來表征。但這種方法檢測周期較長,污水中的病毒大部分都很難培養(yǎng)(如諾如病毒、輪狀病毒等)且污水中各類微生物成分復(fù)雜,不能很好地對其分離培養(yǎng),因此,檢測結(jié)果往往與實(shí)際結(jié)果存在較大差異性。免疫學(xué)檢測法現(xiàn)有如酶聯(lián)免疫吸附法、免疫熒光法、膠體金免疫技術(shù)等[79],其主要通過帶有標(biāo)記的抗體(或抗原)與抗原(或抗體)的特異性結(jié)合,通過其熒光反應(yīng)或酶的呈色反應(yīng)對其進(jìn)行定性及定量分析,但該方法存在檢測限較高、靈敏度較低等問題,因此,不太適用于微生物濃度低的環(huán)境樣本檢測。

分子檢測技術(shù)包含聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)、脈沖場凝膠電泳(PFGE)、高通量測序、基因芯片等,其具有靈敏度高、周期短、特異性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)時熒光定量PCR是在原有PCR的基礎(chǔ)上發(fā)展的定量技術(shù),是目前用于污水處理廠病原體定量檢測最主流的方法[73]。其通過在PCR反應(yīng)體系中加入熒光基團(tuán),最后用樣品的熒光信號值代入標(biāo)準(zhǔn)曲線對其進(jìn)行定量分析。但污水的成分十分復(fù)雜,污水中含有的有機(jī)質(zhì)(如腐植酸)和顆粒物等會影響PCR最終的檢出結(jié)果,因此,需要在前處理過程中用PEG沉淀、離心或樹脂過濾等方法減少檢測的誤差。

3 健康風(fēng)險評估

污水處理廠中的病原體種類繁多,其暴露情況不同,感染的隨機(jī)性和工人的易感程度相差較大,并且缺少污水處理廠流行病學(xué)的數(shù)據(jù),因此,關(guān)于污水處理廠職業(yè)人員及周邊群眾的健康風(fēng)險評估十分困難。定量微生物風(fēng)險評價(quantitative microbial risk assessment,QMRA)法是一種可以有效評估污水處理廠內(nèi)感染風(fēng)險的主流方法[80],通過病原體的傳染性、濃度和人群的暴露時間來定量計算其感染風(fēng)險。它已被廣泛運(yùn)用于食品、飲用水、再生水及污水處理廠等各方面微生物的風(fēng)險評估,并且已被美國、加拿大、荷蘭等多個國家運(yùn)用于環(huán)境治理方面,為其衛(wèi)生策略和標(biāo)準(zhǔn)制定提供支撐。QMRA的主要步驟可分為危害鑒定、暴露評估、劑量-反應(yīng)分析和風(fēng)險評估4個步驟[81]。

3.1 危害鑒定

危害鑒定是對污水處理廠水中病毒種類的識別及其對人體健康損傷的定性分析。由于污水處理廠中病毒的種類繁多,且變異迭代快,受到檢測成本、人力資源和檢測技術(shù)等制約,現(xiàn)有的檢測手段難以檢測污水中所有的病毒。因此,應(yīng)基于污水處理廠自身水體特點(diǎn)確定目標(biāo)病毒。通過現(xiàn)有的當(dāng)?shù)厮w監(jiān)測數(shù)據(jù)、臨床醫(yī)學(xué)研究及流行病學(xué)研究,確立污水處理廠水體中覆蓋范圍廣、致病性強(qiáng)或后續(xù)危害嚴(yán)重的病毒。根據(jù)前文的文獻(xiàn)查閱和對國內(nèi)污水處理廠的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,污水處理廠中主要的危害來源包括諾如病毒、腺病毒、輪狀病毒、星狀病毒等。

3.2 暴露評估

暴露評估是在完成水體特征目標(biāo)病毒識別后,通過對所在環(huán)境中目標(biāo)污染物的污染濃度、頻率和人體暴露的持續(xù)時間、暴露途徑、暴露方式等進(jìn)行分析來計算病毒在環(huán)境中的暴露劑量。暴露途徑主要包括手口接觸和液滴飛濺導(dǎo)致的口腔攝入、附著于空氣氣溶膠中的病毒通過呼吸導(dǎo)致的鼻腔攝入和皮膚接觸[7]?，F(xiàn)有關(guān)于暴露計量的計算方法包括生物標(biāo)記法、直接檢測法和模型預(yù)測法[82],由于前兩種方法在污水處理廠評價中缺失的數(shù)據(jù)較多,污水處理廠中暴露計量的確立多采用模型預(yù)測法。根據(jù)不同暴露途徑下人對目標(biāo)病毒的攝入量(V)和指定水體中病毒的暴露濃度(C)來計算目標(biāo)污染物的攝入量(D)。在關(guān)于暴露劑量的計算中,暴露參數(shù)包括評價對象的體重、呼吸頻率、手口接觸頻次等,可以通過實(shí)地調(diào)研或通過查閱技術(shù)規(guī)范,如中國人群暴露手冊和美國USEPA暴露手冊中建議的數(shù)值來確定。

3.3 劑量-反應(yīng)分析

劑量-反應(yīng)分析就是在通過目標(biāo)病毒暴露劑量計算后,用暴露劑量代入數(shù)學(xué)模型對其導(dǎo)致人體發(fā)生感染的概率進(jìn)行定量計算。目前,較為主流的劑量分析采用的是流行病學(xué)調(diào)查法和數(shù)據(jù)模型分析法[83],在風(fēng)險評價中流行病學(xué)調(diào)查法用于劑量分析雖然準(zhǔn)確且可靠,但由于人群暴露感染數(shù)據(jù)不完善,大部分情況下水體環(huán)境的流行病學(xué)難以完整獲得,并且根據(jù)地區(qū)的不同其數(shù)據(jù)也可能存在差異。相較于流行病學(xué)調(diào)查法,數(shù)據(jù)模型分析法更為普及,是目前最常用于污水處理廠的分析方法。目前,關(guān)于水中病毒主要的計算模型為指數(shù)模型和Beta-Possion模型[84],每種病毒含有不同的參數(shù),需通過計算體現(xiàn)其感染概率的差異性,常見病毒的計算模型以及模型參數(shù)如表4所示。許多病毒其感染后并不會走向致病結(jié)局,因此,在利用常見模型計算出其感染率后,仍需進(jìn)一步計算不同病原體的感染-致病率(f)。而感染-致病率的計算主要通過病毒人體試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過構(gòu)建模型模擬的方式計算得出,但在污水處理廠方面關(guān)于感染-致病率模型的構(gòu)建和計算數(shù)據(jù)并不完善,現(xiàn)有的模型構(gòu)建方法包括蒙特卡洛模擬法、極大擬然估算法等[41]。

表4 常見腸道病毒的劑量-反應(yīng)模型及其參數(shù)[85-87]

3.4 風(fēng)險評估

風(fēng)險評估是在危害鑒定、暴露評估、劑量-反應(yīng)分析3項(xiàng)的基礎(chǔ)上,將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算,最終達(dá)到病毒感染后對人引起的健康損失進(jìn)行定性描述的目的。為減少風(fēng)險評估因計算方法導(dǎo)致的差異性,目前國內(nèi)外研究中關(guān)于QMRA的計算多數(shù)采用由世界衛(wèi)生組織和哈佛衛(wèi)生院提出的DALY指標(biāo)[88],并且依據(jù)世界衛(wèi)生組織提出的污染物造成的疾病負(fù)擔(dān)DALY指標(biāo)應(yīng)低于1×10-6的標(biāo)準(zhǔn),可以估算出目標(biāo)水體病毒的最高濃度,以此來協(xié)助日后標(biāo)準(zhǔn)的制定。表5為國內(nèi)外研究關(guān)于不同環(huán)境水體中腸道病毒的風(fēng)險評估結(jié)果。

表5 不同國家或地區(qū)對污水處理廠周邊居民或職業(yè)人員風(fēng)險評估結(jié)果[41,89-92]

4 總結(jié)與展望

(1)污水處理廠中腸道病毒種類繁多,國內(nèi)關(guān)于污水中病原體的研究大多集中于細(xì)菌與真菌,病毒的去除機(jī)制及去除效果研究較少。國內(nèi)常用的AAO生物處理工藝和氧化溝等工藝在現(xiàn)有研究中去除效率約為90%,現(xiàn)有的常規(guī)處理技術(shù)對部分腸道病毒的去除效果不佳,出水與剩余污泥中仍存在較高濃度病毒。并且,目前國內(nèi)現(xiàn)有的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)并未對病毒的排放作出限制,關(guān)于腸道病毒的污水排放和污泥后續(xù)處理處置標(biāo)準(zhǔn)有待完善。

(2)由于環(huán)境樣本來源廣泛且不同地區(qū)其水體水質(zhì)存在較大差異,對于大多數(shù)腸道病毒而言,現(xiàn)有的污水、污泥濃縮及檢測方法并未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系。環(huán)境樣本中病毒濃度較低,因此,不同的濃縮及檢測方法往往導(dǎo)致其數(shù)據(jù)結(jié)果存在較大差異。

(3)分析國內(nèi)外監(jiān)測數(shù)據(jù)可得,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注進(jìn)水、曝氣池等單元產(chǎn)生的氣溶膠和出水下游周邊地區(qū)中病毒的含量及其對工作人員與周邊居民的疾病負(fù)擔(dān)。國內(nèi)關(guān)于污水處理廠進(jìn)行的流行病學(xué)調(diào)查研究數(shù)據(jù)和不同病原體感染性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少,且不同地區(qū)優(yōu)勢病毒并不相同,需要進(jìn)行實(shí)地調(diào)研,因此,污水處理廠職業(yè)人員和周邊居民的健康風(fēng)險評價仍存在較大的不確定性。

污水處理廠中關(guān)于腸道病毒的研究還有待進(jìn)一步深入。(1)對國內(nèi)污水處理廠優(yōu)勢腸道類病毒類別進(jìn)行進(jìn)一步識別,參考現(xiàn)有國內(nèi)外使用的病毒提取方法,建立相關(guān)病毒的污水污泥濃縮檢測標(biāo)準(zhǔn),完善污水處理廠各環(huán)節(jié)病毒濃度基礎(chǔ)數(shù)據(jù),制定污水處理廠病毒相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定出水及污泥后續(xù)處理處置中腸道病毒的排放限值。(2)目前國內(nèi)關(guān)于污水處理廠職業(yè)人員和周邊居民的風(fēng)險評估研究極為缺乏,應(yīng)盡快建立污水處理廠各環(huán)節(jié)風(fēng)險評價體系,在QMRA體系的基礎(chǔ)上,通過參考國外已運(yùn)用模型如蒙特卡羅等代入國內(nèi)實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù),減小模型誤差引起的不確定性,闡明污水處理廠職業(yè)人員的健康風(fēng)險,制定相關(guān)防護(hù)措施,構(gòu)建完善的公共衛(wèi)生安全管理體系,實(shí)現(xiàn)污水處理廠腸道病毒全流程的風(fēng)險管控。(3)加強(qiáng)污水處理廠腸道病毒去除新技術(shù)的研究,現(xiàn)有的污水處理廠對于腸道病毒的去除效果不佳,處理后的水體對人群仍有較高的致病風(fēng)險,應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)后續(xù)削減病毒含量深度處理方法的研究。