污泥厭氧穩(wěn)定化流程中腸道病毒的去除與歸趨

摘要：根據(jù)對典型腸道病毒的生物性研究，選取諾如病毒、腺病毒、輪狀病毒作為研究對象，以安徽某污泥廠作為研究地點，污泥廠采用的是離心濃縮?水解?厭氧消化?機(jī)械脫水?太陽能干化技術(shù)，旨在評估不同污泥處理工藝對這些病毒去除效果的影響。本研究利用實時熒光定量PCR 技術(shù)，對污泥處理各階段的病毒含量進(jìn)行定量分析。研究表明，污泥厭氧消化是諾如病毒和腺病毒的去除效率最高的單元，其對數(shù)去除率分別為0.68 lg 和0.61 lg，太陽能干化單元是輪狀病毒的去除效率最高的單元，其對數(shù)去除率為0.73 lg。該污泥處理流程對諾如病毒、腺病毒、輪狀病毒總量的去除分別達(dá)到了98.7%，97.6%，98.4%，但由于進(jìn)泥中病毒總量較高，最終污泥處置進(jìn)入環(huán)境中含量為1.52×104 copies/g DW，5.17×104 copies/g DW，7.92×103 copies/g DW。

關(guān)鍵詞：腸道病毒；污泥廠；厭氧消化；去除率

中圖分類號：X 835 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

新冠疫情期間，病毒在全球肆虐成疾，研究表明確診患者體內(nèi)的糞便會攜帶大量致病病毒例如腸道病毒、流感病毒、冠狀病毒等，這些病毒會以患者糞便作為載體，通過污水管道進(jìn)入污水處理廠。2020 年2 月1 日，新型冠狀病毒核酸首次在確診患者糞便中檢出，同年2 月13 日，活體新冠病毒首次在患者糞便中檢出[1]。相關(guān)研究表明，部分病毒具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，進(jìn)入污水處理系統(tǒng)后仍然能保持一定的感染能力，持續(xù)時間最長有幾個月[2]。活性污泥法是國內(nèi)目前最常見的污水二級處理工藝之一。在使用活性污泥對污水進(jìn)行生化處理過程中，由于活性污泥中有機(jī)物含量高，水體中大量的病原體會被活性污泥所吸附，富集在污泥中[3]，大大削弱了消毒單元對病毒的去除效率 [4]。有證據(jù)表明，在污泥用于園林綠化土地利用的過程中，生物固體中的病毒將被霧化，病毒會通過空氣接觸人群產(chǎn)生重大健康風(fēng)險[5-7]。國內(nèi)目前正在大力推行污泥的穩(wěn)定化、無害化、資源化處理處置，但是從發(fā)布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥泥質(zhì)》（ GB24188 —2009） [8]、《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB4284—2018）[9]來看，其指標(biāo)仍停留在糞大腸菌群、細(xì)菌總數(shù)、寄生蟲卵等，尚未對病毒有相關(guān)限制指標(biāo)。因此，本研究通過對污泥處理全流程中的病毒檢測歸趨分析，可為污泥中病毒相關(guān)指標(biāo)的制定提供相關(guān)理論支持。

病毒是一種由核酸（DNA 或RNA）和蛋白質(zhì)構(gòu)成的非細(xì)胞型生物，根據(jù)其包膜存在情況可分為無包膜類病毒和包膜類病毒。研究表明包膜類病毒在環(huán)境中的生存能力較差，容易被降解失活[3]，在污泥處理全流程監(jiān)測過程中指示能力較差，因此本次實驗選擇非包膜病毒作為研究對象。研究表明，腺病毒、諾如病毒和輪狀病毒是污水污泥中最常見的腸道病毒，具有致病劑量小，環(huán)境中存活時間長，傳播途徑多樣，全人群易感等特點[10-12]。人體攝入少量活體病毒就有產(chǎn)生較高的感染風(fēng)險，可能出現(xiàn)腸胃炎、結(jié)膜炎、呼吸道疾病，這將增加人群傷殘調(diào)整生命年（DALY），加重人類的疾病負(fù)擔(dān)。Pepper 等[13] 的研究表明，腺病毒對免疫力低的患者致死率較高，病例死亡率高達(dá)50%，Tozzoli 等[14] 的研究發(fā)現(xiàn)，諾如病毒和腺病毒經(jīng)常在表層土壤改良劑、污水、污泥中均有檢出，Crawford 等[15] 的研究表明，輪狀病毒主要通過糞口途徑傳播，在易感宿主中，只需要少量病毒顆粒即可引起疾病。由病毒引起的傳染病每年都會出現(xiàn)，盡管大多數(shù)不會對公共衛(wèi)生造成威脅[3]，但是對于污水污泥廠的職業(yè)人員來說仍需引起重視，因為他們是最容易受到這些病毒侵害的高危人群，也是切斷病毒傳播鏈中重要的一部分。

厭氧消化是國內(nèi)外目前對污泥進(jìn)行穩(wěn)定化處理的常見方法[16]。厭氧消化使得污泥病原生物大量削減，污泥病原微生物豐度下降呈現(xiàn)良好的衛(wèi)生學(xué)特性[17]。國內(nèi)外已有大量研究證實，污泥厭氧消化能夠有效去除污泥中常見致病細(xì)菌和病蟲卵。Carraturo 等[18] 的研究表明，污泥厭氧消化能夠在較短時間內(nèi)實現(xiàn)傷寒沙門氏菌和大腸桿菌濃度的大量削減， 24～ 48 h 后兩種微生物均未檢出。Al-Sulaimi 等[19] 的研究發(fā)現(xiàn)，嗜熱厭氧消化在51 d 內(nèi)對蠕蟲蟲卵的滅活效率達(dá)到了43.6%，厭氧消化是去除蠕蟲蟲卵有效預(yù)處理步驟。 Yang等[20] 的研究表明，厭氧消化降低了病原菌的相對豐度，厭氧消化結(jié)合熱水解預(yù)處理可有效減少除產(chǎn)氣莢膜梭菌外的大多數(shù)致病菌。然而，國內(nèi)外目前對污泥厭氧消化去除病原體的研究仍停留在致病細(xì)菌和病蟲卵，對腸道病毒的研究內(nèi)容較少，沒有深入探究典型腸道病毒在污泥厭氧消化工藝處理全流程中的去除效果。因此，本研究選擇安徽某厭氧消化污泥廠作為病毒檢測地點，選取諾如病毒、輪狀病毒、腺病毒這3 種污泥中的典型腸道病毒作為研究對象，探究實際流程中厭氧消化對腸道病毒的去除效率。

1 材料與方法

1.1 污泥樣本采集

污泥樣本采自安徽六安某污泥處理廠，采用工藝為離心濃縮?水解?厭氧消化?機(jī)械脫水?太陽能干化技術(shù)。該污泥處理廠處理城區(qū)內(nèi)3 所污水處理廠排出的剩余污泥，污泥處理規(guī)模為140 t/d，進(jìn)泥含水率80%～99.2%，污泥在厭氧消化廠區(qū)進(jìn)行厭氧消化和機(jī)械脫水后，污泥通過管道運輸至太陽能干化廠進(jìn)一步脫水干化處理，設(shè)計出泥含水率為70% 以下，干化后的污泥用于園林綠化、制磚等。

2023 年3—5 月期間，在前兩日無雨的晴天早上8 時30 分，于圖1 所示進(jìn)料緩存池、污泥水解池、消化緩存池、帶式脫水車間、太陽能干化棚中每個單元采取500 g 污泥樣品作為原污泥、水解污泥、消化污泥、脫水污泥、干化污泥，每個單元重復(fù)采3 次作為平行樣。

如圖1 所示，原污泥、水解污泥、消化污泥樣品泥質(zhì)均勻，因此直接從罐體中采集，脫水污泥采集帶式脫水機(jī)脫水后污泥；如圖2 所示，由于太陽能干化棚中的干化污泥占地面積廣，為了采集的樣品具有較好的代表性，綜合參考國內(nèi)外關(guān)于污染場地采樣布點的要求[21，22]，考慮到干化棚中污泥基本均勻，采用五點采樣法制備混合樣品來分析干化場中典型腸道病毒含量，對干化棚進(jìn)行對角劃分，采取5 個點樣品，在中心點和離出口33.36 m 與對角線交界處的4 個點設(shè)置采樣點，每個點100 g，混勻合成500 g 后裝入無菌聚乙烯瓶運至實驗室檢測，該步驟重復(fù)3 次作為3 組平行樣進(jìn)行質(zhì)量控制，從圖3 檢測結(jié)果可得，當(dāng)月的3 組平行樣檢測結(jié)果誤差較小，結(jié)果較為可靠。3，4，5 月檢測結(jié)果顯示干化污泥中諾如病毒的含量基本不變，保持在104 copies/g DW 左右，腺病毒和輪狀病毒含量在4 月有一個數(shù)量級的增長，5 月與4 月含量持平基本不變。

1.2 污泥樣本保存

現(xiàn)場采集的泥樣使用無菌聚乙烯瓶分裝保存在4 ℃ 冰盒中，1 h 內(nèi)送至當(dāng)?shù)匚鬯幚韽S實驗室進(jìn)行病毒洗脫濃縮預(yù)處理，將濃縮的病毒顆粒沉淀溶解在核酸保存液中后，使用泡沫箱加上10 kg干冰的保溫方式將病毒濃縮液快遞至合肥麟美檢測公司進(jìn)行實時熒光定量PCR 檢測，運送途中干冰損耗有限，樣品始終低溫保存，多余樣品存放在?80 ℃ 冰箱中。

1.3 污泥樣本處理

1.3.1 實驗室測試環(huán)境

預(yù)處理實驗室位于當(dāng)?shù)匚鬯幚韽S水質(zhì)處理檢測實驗室，實驗室具備CMA 檢測認(rèn)證，實驗室桌面使用75% 酒精噴灑擦拭消毒，玻璃棒燒杯等玻璃儀器使用高壓蒸汽滅菌鍋消毒，實驗過程中樣品置于4 ℃ 冰盒中防止由于高溫引起的核酸斷裂消解損耗，使用磁力攪拌機(jī)和4 ℃ 水浴震蕩機(jī)進(jìn)行機(jī)械洗脫、使用4 ℃ 冷凍離心機(jī)進(jìn)行離心濃縮，具備對污泥樣品中病毒洗脫和濃縮的測試條件。病毒提取和實時熒光定量PCR 檢測由合肥麟美檢測公司負(fù)責(zé)。實驗室屬于清潔級實驗室，采用YEASEN 公司的Hifair II 1st Strand cDNASynthesis Kit 反轉(zhuǎn)錄試劑盒進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄，使用羅氏公司的LightCycler480 進(jìn)行熒光定量檢測，實驗室具備病毒qPCR 測試條件，所有的槍頭和耗材都采用高壓蒸汽滅菌法消毒，實驗室桌面設(shè)備使用75% 酒精消毒，樣本使用核酸保存液存放于?80 ℃冰箱。實驗室環(huán)境空氣中可能存在環(huán)境中常見的核酸酶，會略微降低實驗樣本中病毒含量，但是環(huán)境空氣中酶含量較低，并且核酸保存液可以降低空氣中酶對樣本病毒的分解，因此空氣中酶對病毒檢測的干擾有限。

1.3.2 污泥中病毒的洗脫

污泥病毒的洗脫方法采用甘氨酸洗脫法。對于原污泥、水解污泥、消化污泥這3 種含水率較高呈現(xiàn)流態(tài)狀的污泥，先使用離心機(jī)在12 000g下離心1 min，分別得到50 g 固態(tài)污泥，脫水污泥和干化污泥均取50 g。使用150 mL 甘氨酸緩沖溶液（pH 9.5）以3∶1 的比例稀釋50 g 污泥樣品，以分離與有機(jī)物結(jié)合的病毒粒子。隨后用磁力攪拌機(jī)攪拌30 min，攪拌后的樣品用水浴震蕩機(jī)在4 ℃以250 r/min 震蕩10 min，在機(jī)械力的作用下洗脫附著在污泥固體顆粒上的病毒。用離心機(jī)在4 ℃，8 000g 工況下離心15 min 澄清樣品。將上清液倒入燒杯中，棄去沉淀，使用0.45 μm 孔徑的聚醚砜膜過濾上清液，過濾以去除細(xì)菌、腐殖質(zhì)和真核細(xì)胞。通過緩慢加入1 mol/L HCl， 將上清液的pH 值調(diào)節(jié)至7.0，構(gòu)成病毒提取物。

1.3.3 污泥中病毒的濃縮

目前，國內(nèi)外病毒濃縮方法有聚乙二醇沉淀法、超速離心法、過濾法、鋁鹽沉淀法。本次實驗選用聚乙二醇沉淀法，因為此法相比其他方法更加成熟，適用的病毒廣，成本低，操作簡易。根據(jù)污泥洗脫上清液的體積，定量加入PEG8000和氯化鈉，形成PEG8000 含量為10% 和氯化鈉含量為2.3% 的洗脫混合液體系，將此洗脫混合液放置在4 ℃ 的水浴震蕩器中以150 r/min 震蕩2 h，隨后放入4 ℃ 冰箱過夜孵育，適宜的鹽濃度條件下，病毒顆粒會與聚乙二醇形成多聚體。隨后使用離心機(jī)以13 000g 離心90 min，將水溶液與病毒顆粒多聚體分開，使用移液槍吸取1 mL 核酸保存液，反復(fù)吹吸附著在離心管壁的病毒顆粒多聚體，瞬時離心，使所有液體聚集在管底，收集病毒顆粒多聚體形成的沉淀，用于后續(xù)核酸提取和實時熒光定量PCR 檢測。

1.3.4 污泥中病毒的熒光定量PCR 檢測

a. 病毒基因組基因合成

基因合成產(chǎn)物為本次實驗標(biāo)準(zhǔn)品。合成產(chǎn)物約5 μg，根據(jù)濃度與拷貝數(shù)換算公式，按照比例稀釋成9 組梯度，使用CurveExpert1.4 對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，用于標(biāo)準(zhǔn)曲線構(gòu)建。

b. 引物設(shè)計

通過NCBI 查找諾如病毒（Norovirus GII）、腺病毒（Adenovirus 7）、輪狀病毒（Rotavirus）序列信息，并設(shè)計引物，如表1 所示。

c. DNA/RNA 提取

提取工作由合肥麟美生物科技有限公司負(fù)責(zé)， 2 種RNA 病毒（ 諾如病毒NV、輪狀病毒HRV）使用Trizol 法提取，1 種DNA 病毒（腺病毒HAV）使用吸附柱法（試劑盒）提取。

d. 反轉(zhuǎn)錄

采用YEASEN 公司的Hifair II 1st Strand cDNASynthesis Kit 反轉(zhuǎn)錄試劑盒進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄，合成cDNA第一鏈，詳細(xì)操作步驟參照試劑盒說明書進(jìn)行。

e. qPCR 檢測

采用羅氏公司的LightCycler480 進(jìn)行熒光定量檢測，擴(kuò)增體系和擴(kuò)增程序設(shè)置分別如表2 和表3所示。其中，SYBR Green qPCR Mix 是一種用于實時定量 PCR （qPCR） 實驗的預(yù)混試劑，它可以允許研究人員通過檢測熒光信號的強(qiáng)度來實時監(jiān)控PCR 擴(kuò)增過程。

1.4 污泥樣本分析

由圖4 可以看出，污泥濃縮、水解、厭氧消化工藝單元均提高了進(jìn)料污泥的 pH 值。進(jìn)料污泥的 pH 值平均在6.55，厭氧消化后污泥pH 值提高至平均7.21，而最終處理產(chǎn)物干化污泥的 pH 值平均為 6.54。污泥進(jìn)泥溫度在20.1 ℃ 左右，進(jìn)入水解池后在熱水管加熱作用下污泥溫度升高至38 ℃左右，進(jìn)入?yún)捬跸藓笪勰鄿囟确€(wěn)定在39.7 ℃左右，帶式脫水后污泥溫度降至22.4 ℃，最終在太陽能干化作用下，3—5 月的污泥溫度可上升至27.1 ℃ 左右。濃縮、水解和厭氧消化普遍可提高污泥電導(dǎo)率，而處理后的污泥在機(jī)械脫水和太陽能干化作用下電導(dǎo)率下降。厭氧消化可降低污泥TS 和有機(jī)質(zhì)含量，這是由于厭氧消化可在厭氧條件下，通過細(xì)胞的內(nèi)源代謝作用將污泥有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷，進(jìn)而實現(xiàn)污泥減量。

從圖3 檢測結(jié)果來看，3 種病毒在當(dāng)月3 組平行樣之間檢測結(jié)果誤差較小，檢測結(jié)果較為準(zhǔn)確。對比3—5 月的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)諾如病毒在每個處理單元的含量變化不大，基本在一個數(shù)量級內(nèi)。腺病毒的含量呈現(xiàn)略微上升的趨勢，4 月每個單元有一個數(shù)量級的增長，5 月含量與4 月持平。輪狀病毒變化趨勢并不明顯，整體變化較小，僅3 月和4 月在干化單元有一個數(shù)量級的增長。

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥中典型腸道病毒的去除

經(jīng)過長達(dá)3 個月的污泥廠區(qū)中原污泥、水解污泥、消化污泥、脫水污泥、干化污泥的典型腸道病毒檢測，如圖5（d）所示，研究發(fā)現(xiàn)污泥進(jìn)泥中腺病毒含量最高，達(dá)到了2.13×106 copies/g DW，其次是諾如病毒含量為1.16×106 copies/g DW，含量最少的是輪狀病毒，其含量為4.91×105 copies/g DW。通過對比進(jìn)泥和出泥中病毒濃度水平，觀察到該污泥廠離心濃縮?水解?厭氧消化?機(jī)械脫水?太陽能干化技術(shù)流程對3 種典型腸道病毒的去除效果由高到低為諾如病毒，輪狀病毒，腺病毒，其對數(shù)去除率分別為1.88，1.79，1.61 lg。腺病毒為線性雙鏈DNA 病毒，輪狀病毒為雙鏈RNA 病毒，而諾如病毒為單股正鏈RNA 病毒。有研究表明人類DNA 病毒在污泥中具有較長的保持能力，受損的腺病毒基因組可以通過宿主細(xì)胞的脫氧核糖核酸修復(fù)機(jī)制進(jìn)行修復(fù)[23]，具有DNA（ ssDNA和dsDNA）和dsRNA 的病毒比ssRNA 病毒具有更高的環(huán)境抗性[24]，這與我們觀察到的腺病毒相對于諾如病毒和輪狀病毒兩種RNA 病毒在污泥處理全流程中賦存濃度較高，未來可以考慮將腺病毒作為污泥指示病毒。

通過對污泥處理各環(huán)節(jié)中腺病毒、諾如病毒、輪狀病毒的含量變化和對數(shù)去除率數(shù)據(jù)分析。從圖5（a）～（c）中可以看到，諾如病毒和輪狀病毒的去除趨勢相對一致，兩者均在污泥厭氧消化和太陽能干化單元有較高的去除效率，各個處理單元對諾如病毒的去除效率由高到低為厭氧消化，太陽能干化，離心濃縮水解，帶式脫水，其對數(shù)去除率分別為0.68，0.45，0.42，0.33 lg；各個處理單元對輪狀病毒的去除效率由高到低為太陽能干化，厭氧消化，離心濃縮水解，帶式脫水，其對數(shù)去除率分別為0.73，0.52，0.28，0.26 lg；各個處理單元對腺病毒的去除效率由高到低為厭氧消化，離心濃縮水解，帶式脫水，太陽能干化，其對數(shù)去除率分別為0.61，0.50，0.29，0.21 lg。腺病毒作為DNA 病毒，其理化性質(zhì)穩(wěn)定具有較高的環(huán)境抗性，在復(fù)雜環(huán)境中能夠保持病毒核酸結(jié)構(gòu)完整[25]，這與我們觀察到的腺病毒在污泥處理的各個階段與諾如病毒和輪狀病毒相比較檢出濃度較高，腺病毒在太陽能干化棚中低溫干化作用下病毒含量削減效果沒有諾如病毒和輪狀病毒顯著的現(xiàn)象相符。

2.2 各處理單元去除貢獻(xiàn)率

對各處理階段典型腸道病毒去除量分析，通常去除量分析采用去除貢獻(xiàn)率表示，去除貢獻(xiàn)率由目標(biāo)處理單元病毒去除量與病毒總?cè)コ康谋戎档贸觥?/p>

如表4 所示， 污泥濃縮水解單元對諾如病毒、腺病毒和輪狀病毒3 種典型腸道病毒的去除貢獻(xiàn)率最高，分別達(dá)到了62.78%，70.37%，48.37%。在污泥處理流程中，對諾如病毒和腺病毒去除貢獻(xiàn)率由高到低的單元依次為污泥濃縮水解單元，厭氧消化單元，機(jī)械脫水單元，太陽能干化單元，各處理單元對輪狀病毒去除貢獻(xiàn)率由高到低依次為污泥濃縮水解單元，厭氧消化單元，太陽能干化單元，機(jī)械脫水單元。濃縮水解單元和厭氧消化單元對典型腸道病毒的總?cè)コ暙I(xiàn)率占比達(dá)到了85%～95%，污泥中病毒在污泥加藥濃縮，熱水解高溫和厭氧消化體系中微生物等復(fù)雜的作用下得到有效去除，污泥濃縮水解和厭氧消化單元為該污泥處理流程中去除病毒的主要單元。

2.3 污泥處理過程中腸道病毒歸趨

污泥進(jìn)泥中3 種典型腸道病毒的含量水平達(dá)到了105～106 copies/g DW，賦存大量腸道病毒的原污泥在進(jìn)入?yún)捬跸耷笆紫纫M(jìn)行污泥加藥濃縮和熱水解預(yù)處理，通過濃縮和熱水解使污泥含水率和溫度達(dá)到消化條件才能通入?yún)捬跸摅w。污泥進(jìn)泥含水率在99.2% 左右，在污泥緩存池內(nèi)使用3 臺濃縮進(jìn)泥泵（2 用1 備）運輸至4 臺濃縮機(jī)內(nèi)，離心濃縮機(jī)處理能力為360～600 kgDS/h。污泥濃縮前首先經(jīng)過加藥處理，從圖4 中可以看到，污泥濃縮水解和厭氧消化可以提高污泥電導(dǎo)率，而處理后的污泥經(jīng)過離心脫水和太陽能干化會導(dǎo)致污泥電導(dǎo)率下降。加入的藥劑是濃度為0.2% 的聚丙烯酰胺（PAM），污泥和PAM 混合后會發(fā)生絮凝反應(yīng)，泥水得到初步分離。病毒粒子會從污泥液相進(jìn)一步的吸附到泥相中，加藥后的污泥進(jìn)入污泥濃縮離心機(jī)，在離心力的作用下，污泥中的含水量減少，達(dá)到濃縮的效果，液相中的病毒隨離心機(jī)的脫水得到去除。污泥濃縮的病毒去除機(jī)理主要是與含水量有關(guān)，有研究表明環(huán)境濕度會影響病毒存活，濕度每降低10%，病毒可檢出量便會減少80%[26]。通過污泥濃縮后，污泥含水率由99.2% 降低到89.9%，病毒隨著污泥含水率降低而得到部分去除。濃縮后污泥進(jìn)入水解池，該污泥廠設(shè)置兩座水解池，池體內(nèi)部配置熱水盤管，池體配置功率為 11 kW 的頂部攪拌機(jī)，兩座水解池間歇運行，濃縮后的污泥在水解池內(nèi)暫存，水解池中采用65 ℃ 的熱水管將污泥加熱至38 ℃ 左右，熱水解池中的污泥絮體在高溫高壓下會發(fā)生解體，污泥中的病菌、蟲卵大量削減，細(xì)胞逐漸破碎，隨著宿主細(xì)胞的死亡，腸道病毒難以在此環(huán)境中保持活性，大量病毒粒子被分解，污泥逐漸變成了流動性好、性質(zhì)穩(wěn)定、容易降解且傳染風(fēng)險低的有機(jī)質(zhì)基質(zhì)。污泥加藥濃縮和熱水解單元去除了污泥中諾如病毒總量的62%，腺病毒總量的68.7%，輪狀病毒總量的47.6%，污泥濃縮和水解是該污泥處理流程中腸道病毒總量去除量最大的單元。水解池對病毒的去除機(jī)理主要是高溫，有研究表明，高溫會導(dǎo)致病毒的衣殼蛋白變性或被外界胞外蛋白酶分解，病毒存活率和存活時間降低[27]。

熱水解將污泥加熱至約 38 ℃ 后通過厭氧進(jìn)泥泵輸送至厭氧消化罐，污泥廠設(shè)置3 座厭氧消化罐。單座罐體的直徑17 m，高度16 m，運行液位約 12 m，單座罐體有效容積為 2 700 m3，罐體總?cè)莘e為 8 100 m3，系統(tǒng)進(jìn)料設(shè)計濃度為 10%，設(shè)計停留時間約 29 d；厭氧消化罐采用內(nèi)置式沼氣儲囊，單座儲囊儲存容積約為 700 m3。每座厭氧消化罐均采用兩臺 22 kW 的側(cè)壁式攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，罐內(nèi)設(shè)置熱盤管，可通入熱水對厭氧消化罐補充熱量。從圖4 中可以看到，厭氧消化可以使污泥有機(jī)質(zhì)含量從水解污泥的49% 降低至45%，這是由于在無氧的條件下，由兼性厭氧細(xì)菌及專性厭氧細(xì)菌降解轉(zhuǎn)化有機(jī)物，其最終產(chǎn)物為二氧化碳和甲烷氣，從而使污泥達(dá)到減量化、穩(wěn)定化。厭氧消化體系中的厭氧消化罐體與進(jìn)泥緩存池和消化緩存池均使用管道直接密閉相連，無暴露點位，避免了病原微生物在整個生產(chǎn)過程的擴(kuò)散。從圖6 可以看到，污泥厭氧消化去除了污泥中諾如病毒總量的30.1%，腺病毒總量的23.6%，輪狀病毒總量的36.7%。厭氧消化過程中污泥含水率基本不變，維持在88.6% 左右。因此，含水率在此階段對病毒去除效率的提升影響微弱，污泥厭氧消化對腸道病毒的去除機(jī)理主要與溫度、pH 值、游離氨和微生物有關(guān)。溫度的影響：隨著溫度上升，病毒的蛋白質(zhì)會變性，酶類的活性消失， 進(jìn)而導(dǎo)致病毒的存活時間和存活率降低。pH 值的影響：厭氧消化有產(chǎn)氫、產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷3 個階段，pH 值會在5～7.5 之間波動，會導(dǎo)致部分病毒的蛋白質(zhì)衣殼和核酸造成破壞，厭氧消化產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）和非荷電氨，會對病毒或宿主細(xì)胞的正常生理功能產(chǎn)生毒性等不利影響。游離氨的影響：有研究表明，厭氧消化污泥中脊髓灰質(zhì)炎病毒會在污泥游離氨的作用下發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的滅活[28]；Magri 等[29] 研究發(fā)現(xiàn)，腺病毒和輪狀病毒對游離氨的抗性低于噬菌體。微生物的影響：有研究表明污泥微生物數(shù)量會影響病毒在污泥中的存活率，一些細(xì)菌和真菌能夠使用病毒衣殼蛋白作為底物生長，從而導(dǎo)致病毒的滅活[30]，厭氧消化過程中大腸桿菌噬菌體MS2 會在微生物產(chǎn)生的蛋白酶作用下失活，這是污泥中腸道病毒削減的重要因素之一[31]。

厭氧消化后的消化污泥進(jìn)入到離心脫水機(jī)+帶式脫水機(jī)進(jìn)行脫水處理。從圖6 中可以看到，污泥脫水去除諾如病毒總量的4.3%、腺病毒總量的3.8%、輪狀病毒總量的7%。該污泥處理廠使用離心脫水機(jī)加帶式脫水機(jī)構(gòu)成機(jī)械脫水系統(tǒng)。離心脫水車間共有4 臺離心脫水機(jī)，2 臺韋斯伐里亞的離心機(jī)目前閑置停運，1 臺貝亞雷斯的離心機(jī)處理流量為 8 m3 /h，1 臺浙江三聯(lián)的離心機(jī)處理流量為12 m3 /h，離心脫水后污泥含水率降至80% 左右。帶式脫水機(jī)房設(shè)置4 臺高壓帶式脫水機(jī)，對含水率80% 污泥的處理能力為2.5～3.5 t/h，設(shè)計處理后污泥含水率在70% 左右。污泥脫水的病毒去除機(jī)理與含水率有關(guān)，檢測結(jié)果顯示機(jī)械脫水后污泥含水率由88.6% 降低到77.3%。由于病毒缺乏細(xì)胞器，無法獨立生長，只能依靠活的宿主細(xì)胞才能完成自身蛋白質(zhì)衣殼和核酸的復(fù)制，而宿主細(xì)胞的存活需要水，因此污泥含水率降低會導(dǎo)致污泥中病毒含量的減少。

脫水后污泥通過卡車運輸，使用鏟車將污泥平鋪到太陽能干化棚，污泥廠共有6 條太陽能干化生產(chǎn)線，通過布料收料一體機(jī)的布料和翻拋，在日曬、風(fēng)吹等自然條件下，形成一個高溫干燥的區(qū)域使污泥溫度保持在冬季27 ℃，夏季38 ℃左右，通過20 d 左右的干化處理，當(dāng)污泥含水率降至40% 即可運出污泥處理廠。從圖6 中可以看到， 太陽能干化去除污泥中諾如病毒總量的2.4%、腺病毒總量的1.5%、輪狀病毒總量的7.1%。太陽能干化屬于低溫?zé)岣苫?，分析?shù)據(jù)可得其去除諾如病毒和輪狀病毒的效率比腺病毒高，太陽能干化單元影響病毒去除效果的主要因素是溫度和污泥含水率，然而腺病毒由于其對環(huán)境抗性高，太陽能干化對其去除效率不及諾如和輪狀病毒，其對數(shù)去除率為0.21 lg。研究表明，腺病毒本身對紫外線和消毒劑的耐受能力更強(qiáng)，其機(jī)理目前可分為兩種，一是根據(jù) Schwarzenberger 和 Scheid的研究， 腺病毒進(jìn)入水中后會被 Acanthamoeba（棘阿米巴屬變形蟲） 吸附，腺病毒雖不能在其體內(nèi)繁殖，但能保持感染活性并減少各類消毒措施對腺病毒的殺滅效果[32]，并且 Mattana 等[33] 的研究表明原生動物對不同病毒的吸附能力不同，兩者之間存在一定的選擇性。二是因腺病毒為雙鏈DNA 結(jié)構(gòu)，其在污泥中的穩(wěn)定性要高于另兩種RNA 病毒。

最終出泥中僅有諾如病毒總量的1.3%、腺病毒總量的2.4%、輪狀病毒總量的1.6%，殘留在干化污泥中，但是由于病毒總量較大，其平均含量分別達(dá)到了1.52×103，5.17×104，7.92×103 copies/g DW。國內(nèi)外目前沒有對污泥中腸道病毒的含量做限制指標(biāo)，但據(jù)國外文獻(xiàn)統(tǒng)計，美國b 類污泥中檢出的腺病毒含量在3.7 × 100～4.3 × 102 copies/g DW，諾如病毒的含量在1.0 × 103～3.0 × 103 copies/g DW[34]，六安污泥中腸道病毒含量處在美國b 類污泥中的中高水平，殘留的諾如病毒、腺病毒、輪狀病毒的含量進(jìn)入環(huán)境后仍有較高風(fēng)險。

3 結(jié) 論

在污泥厭氧消化和太陽能干化系統(tǒng)中，3 種典型腸道病毒的去除效率由高到低為諾如病毒，輪狀病毒， 腺病毒， 其對數(shù)去除率分別為1.88，1.79，1.61 lg。腺病毒作為DNA 病毒，其自身分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，環(huán)境抗性強(qiáng)，相比其他兩種RNA 病毒在該污泥處理系統(tǒng)中賦存含量較高，去除效果較差。

污泥厭氧消化單元和太陽能干化單元是該污泥廠去除典型腸道病毒的主要單元，其中厭氧消化單元對諾如病毒和腺病毒去除效率最高，其對數(shù)去除率分別達(dá)到了0.68 lg 和0.61 lg，太陽能干化單元對輪狀病毒去除效率最高，其對數(shù)去除率達(dá)到了0.73 lg。

通過對3 種典型腸道病毒歸趨分析可得，該污泥處理流程對諾如病毒、腺病毒、輪狀病毒總量的去除分別達(dá)到98.7%，97.6%，98.4%，但由于進(jìn)泥中病毒總量較高，最終出泥中典型腸道病毒平均濃度仍有103～ 104 copies/g DW， 處在美國b 類污泥中腸道病毒含量的中高水平，其進(jìn)入土壤環(huán)境后對人體仍有致病風(fēng)險。

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（編輯：黃娟）

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2020YFC1908702）；國家自然科學(xué)基金重點資助項目（52192684）