水厂饮用水肠道病毒工艺控制与污染防范

赵 燃

(北京市自来水集团有限公司石景山公司，北京 100043)

2020年初，新型冠状病毒(COVID-19)感染的肺炎疫情给人民生活和经济运行产生巨大影响，目前已经确认该病毒的传播方式有飞沫传播和直接传播，但不排除存在粪口传播的方式［2］，已在人体粪便中发现该病毒［3］，其具备了肠道病毒的部分特征。笔者梳理了水厂对肠道病毒的工艺控制和污染防范资料，以便为水厂在特殊时期采取合理积极的预防性措施，控制水质安全风险提供参考。

1 饮用水中的肠道病毒

1.1 饮用水中肠道病毒的传播

肠道病毒可以通过饮用水传播并感染人的胃肠道，肠道病毒感染者的粪便中含大量肠道病毒，受到污染的水体可能检出肠道病毒。肠道病毒主要通过粪口传播，也可通过呼吸道传播［5］。这种类型的病毒个头小、结构特殊、致病性强，常见的肠道病毒有脊髓灰质炎病毒、柯萨奇病毒、埃可病毒以及甲型肝炎病毒等。被肠道病毒污染的污水、固体和地表径流，是饮用水受到肠道病毒污染的主要来源［6］。

大多数病原微生物不能在水体环境中无限期存活，病毒虽然不像某些细菌那样在水体环境中增殖，但是可在水中存活较长时间。有证据表明SARSCoV等病毒在自来水中可以存活2 d，仍然有较强的感染性［7］。肠道病毒在适宜的水环境中可以存活几周，在大多自然水体和底泥中病毒比细菌的存活时间更长［8］。

1.2 饮用水肠道病毒的控制标准

世界卫生组织(WHO)编制的《饮用水水质准则》，对病毒等可能对健康带来危险的病原体提出绩效目标的概念，即以目标成分浓度减少的程度来评估饮用水中病原体的安全风险。现行第四版中，以每升水源水有10个微生物为例，对病毒的水质处理目标为 5.96log(即 99.999 89%)［9］。

美国国家环境保护局(USEPA)编制的《国家饮用水水质标准》(NPDWRs)，明确了饮用水去除肠道病毒的数值，并作为一级标准严格执行。标准要求对病毒的灭活(去除)率大于4log(即99.99%)［10］。同时，USEPA建立了病毒污染物清单(candidate contaminant list 3，CCL 3)，遴选出肠道病毒等4种病毒作为病毒污染物，作为饮用水安全管理的目标［11］。

我国现行的《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)，对病毒控制提出原则性要求，即“生活饮用水中不得含有病原微生物”，其中病原微生物包括了病毒、细菌和原生动物，将肠道病毒的限值规定为零。

1.3 肠道病毒的指示物

《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)对大肠埃希氏菌和耐热大肠菌群规定了限值，且要求定期检测。但是大肠杆菌或耐热肠杆菌并不适合作为饮用水中是否存在肠道病毒的可靠标志物［12］。因为病毒对化学消毒的抗性较大肠杆菌更强［8］，出厂水中没有大肠杆菌，但仍然可能存在病毒。关于水源性疾病暴发的研究结果表明，保障水质安全不能完全依赖于大肠杆菌的是否检出。

现有的检测技术对具有致病性的病毒的检测分析时间长、费用高，对仪器设备和人员要求高，且存在感染检测人员的风险，故不宜将病毒作为饮用水指标。学者们筛选出了具有代表性的病毒作为一类病毒的预警指示物。饮用水中肠道病毒多采用侵噬细菌的病毒，即噬菌体作为指示物。噬菌体虽非人类病毒，但在组成、形态、结构和复制方式等方面与人类肠道病毒有许多共同之处。由于大肠杆菌噬菌体主要存在于哺乳动物的胃肠道内，它们在饮用水中的存在可作为粪便污染指示，也可指示肠道病毒潜在污染。所以常常将大肠杆菌的噬菌体，作为评价水处理对肠道病毒去除效果的指示物。WHO建议使用大肠杆菌噬菌体这种非常规监测指标，作为验证水体受到肠道病毒污染的评价指示物。目前国内已经建立了以大肠菌f2噬菌体和MS2噬菌体为指示病毒的水环境病毒学安全评价系统［13］。

饮用水中无大肠杆菌噬菌体不代表饮用水中不存在肠道病毒，存在大肠杆菌噬菌体是饮用水可能已经被粪便污染、水中存在肠道病毒的预警信号。在特殊时期，水厂应在开展常规水质检测之外，在水源地、关键工艺和出厂环节增加对大肠杆菌噬菌体的检测，用于提示可能出现的水处理过程缺陷，也可定性分析工艺段对病毒的去除效果。

2 处理工艺的控制

2.1 降低滤后水浊度

混凝、沉淀和过滤主要以去除水中的悬浮物和胶体为目标。从控制病原微生物角度，这些工艺虽然没有灭活病毒，但也有效地降低了水中病毒的数量。因为病毒在水中并不是独立存在，多是依附在体积更大的悬浮物或胶体上［14］，所以常规水处理中降低浊度的工艺也可显著去除病毒。有研究表明，随着水厂滤后水浊度的降低，城市每10万人肝炎病毒感染的病例数也随之下降［15］。

《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)要求水厂出水浊度小于1 NTU，为了达到此标准，水厂一般要求更低的滤后水浊度。如果滤后水浊度在0.3 NTU以下，病毒的去除率可达到2log［16］。为了降低浊度，要求水厂通过加强对混凝剂和助凝剂的投加量控制，降低滤速，强调混凝、沉淀、过滤协同控制的作用，以便在常规水处理环节创造更良好的絮凝、沉淀和过滤条件。随着水处理工艺技术和管理水平的提高，目前我国部分水厂的浊度内控标准已达0.1 NTU。在特殊时期，水厂应该通过采取更多的手段，更为严格地控制浊度标准。

2.2 提高滤后水消毒CT值

液氯、次氯酸钠等含氯消毒剂是常用的消毒剂，在一定浓度下不仅对各类细菌有良好的消毒作用，也对肠道病毒和新型冠状病毒有较好的灭活作用［17］。含氯消毒剂通过作用于病毒外部的衣壳或内部的核酸使其失去吸附复制能力，作用的位置取决于氯的浓度和病毒类型。例如新型冠状病毒是一种含有包囊的病毒，可以推断在有效氯含量高时更多地直接作用于核酸，含量低时更多地作用于包囊。

饮用水消毒有效氯标示为CT值，《生活饮用水卫生标准》要求水厂出厂余氯不小于0.3 mg/L，消毒接触时间不小于30 min，氯消毒的CT值为9.0 mg/(L·min)。饮用水处理中投加含氯消毒剂对病毒的去除试验，不同学者的研究结果差别较大。有人认为这是因为反应条件(例如浊度、温度、pH等)不同造成，或者是由于指示的噬菌体耐受力不同［18］。表1所示为原水、滤后水和去离子水在不同CT值下的病毒去除情况。3个试验均使用MS2噬菌体作为试验指示物，采用近似的pH和温度，基本排除噬菌体耐受力和环境因素影响。

表1 原水、滤后水、去离子水在不同CT值下的病毒去除率Tab.1 Removal rates of virus in raw water，filtered water and deionized water under different CT values %

从表2看出随着CT值升高，含氯消毒剂对病毒的去除率升高，所以水厂应在特殊时期适当提高投加浓度，延长有效接触时间，充分利用清水池和管网的消毒接触时间，尽量提高含氯消毒剂的CT值。去离子水是消毒剂灭活病毒的最理想状态，USPEA的试验数据更接近于理想状态。原水对病毒的去除效果不如滤后水，说明水中的悬浮物、胶体和有机物对病毒有一定的保护作用。为了保证消毒效果，水厂应更重视滤后水的消毒剂有效浓度。

2.3 稳定膜处理渗透压力

膜处理主要是利用分子筛理论筛分掉水中较大的待去除物，所以病毒的直径对于膜处理的去除率起决定性作用。有研究表明当膜平均孔径小于病毒直径时，膜对病毒的截留率达到99.986% ～100%［20］。膜处理不是简单的病毒过筛，膜表面和膜内部对病毒还存在吸附作用。因为病毒的直径较小，所以当病毒直径小于膜平均孔径时，吸附截留作用是主要的去除方式，膜对病毒仍然有较高的去除率。相关实验表明，0.2 μm的微滤膜对某些直径在0.03 μm左右的肠道病毒的去除率可达99%［21］。肠道病毒的直径为0.02～0.03 μm，新型冠状病毒较肠道病毒更大，直径为 0.06 ～0.14 μm［17］。超滤和纳滤可以去除绝大部分肠道病毒，甚至在一定条件下单一的膜处理工艺即可满足99.99%的USEPA标准。

有试验表明，在过高的过滤压力下，病毒可能穿透孔径更小的膜，导致出水病毒数量升高，如图1所示。水厂在使用膜处理工艺去除病毒时，应注意控制平稳的渗透压力，避免出现过高压力。若使用的膜的平均直径大于病毒直径，还应适当降低膜的负荷和缩短反冲洗周期。当膜的负荷高时，膜表面或内部吸附也趋于饱和，此时对小直径病毒的吸附作用变差，截留率会明显下降［22］。

图1 膜处理压力与病毒去除率的关系Fig.1 Relationship between membrane pressure and removal rate of virus

2.4 加强臭氧和紫外线消毒

臭氧能够有效灭活病毒微生物，0.25 mg/L臭氧浓度对MS2噬菌体的去除就能达到USEPA的饮用水标准。采用臭氧与氯联用消毒时，臭氧和氯的投加量分别达到0.5和1.0 mg/L即可完全去除水中的病毒微生物［23］。

紫外线对病毒也有良好的灭活作用。紫外线照射可破坏病毒的核酸，使病毒失去活性。以柯萨奇病毒为例，有试验表明达到1log的去除率时，需要的紫外线剂量为6.9 mJ/cm2，达到4log需要约30 mJ/cm2。试验表明，不同的病毒对于紫外线的耐受程度存在差别，以MS2噬菌体为例，在29 mJ/cm2紫外线剂量下的去除率为90%，若要取得99.99%的去除率则照射剂量需达到118 mJ/cm2［24］。目前，多数水厂需要改造才可以达到这一强度。

2.5 重视工艺组合使用

水厂大多采用组合工艺，以地下水为水源的水厂在原水水质较好时可能只有消毒工艺，但消毒都是所有水厂必须具备的。从表2可以看出，为实现USEPA规定的病毒4log(99.99%)去除率的指标，强化消毒工艺尤其是充分利用清水池的停留时间，是关键控制环节。在特殊时期，为了达到WHO规定的5.96 log(即99.999 89%)等更高病毒去除率要求，水厂可以将常规处理与深度处理相结合，例如增加应急紫外线消毒等工艺，从而大大提高对水中病毒的去除率。

表2 各水处理工艺对肠道病毒噬菌体的去除率Tab.2 Removal rates of enterovirus phages by each water treatment process

3 肠道病毒污染防护措施

3.1 水源地污染的防护

保护饮用水不受肠道病毒污染，首先是保护水源地和明渠等输水设施不受污染。定期对水源水和输水设施进行大肠杆菌噬菌体的检测，对可能发生的污染提前预警。与环保执法部门联动，对非法排污和垃圾倾倒进行查处，在水源保护地设立缓冲区，对可能污染水源的业态和行为进行干预［26］。建立水源水质分级机制，特殊时期优先使用可靠性更高的水源。

3.2 工艺废水和污泥的防控

水处理过程中部分被去除的病毒并非被灭活而是从水中被分离，这些生产废水内的病毒极有可能再回到生产流程造成污染。水厂应注意包括滤池冲洗水、膜处理冲洗水和污泥等含有病毒的生产废水和污泥的回用和排放，在进行必要的处理之前不能进入到水处理主流程中。

3.3 水厂环境的防控

水厂应做好厂内生产环境的病毒防控，避免饮用水被二次污染。水厂内有条件的生产设施、设备应加盖封闭，确保所有负压设备安全、密封、可靠。对新投入使用、开盖检修、长期停用后复用的设备和管线，应进行必要的消毒和冲洗。建议采用1 000 mg/L次氯酸钠进行消毒，快速灭活肠道病毒［27］。对生产车间的新风入口进行安全评估，入口附近不应存在污染源，不应设置在医院发热门诊的下风向，不在周边存放危险废物或进行污泥处理等。作业人员每天应根据实际情况，对地下或半地下生产构筑物进行一定次数的强制通风。

3.4 接触人员的防控

水厂可能直接或间接接触水的人员包括运行工、加药工、取水工、巡查工等。水厂应对所有相关员工采取必要的体检和防护措施。在特殊时期，重新编排倒班人员的班次，减少交接班次数。生产区域的运行人员除必须持有健康证外，还需每日进行体温检测，体温不正常者禁止进入生产场所。确保涉水人员的健康，避免带病工作。相关人员在疑似患传染病或确诊但未痊愈期间，不能进入生产场所。水厂制水车间应执行门禁制度，其他工作人员及外来人员在未经传染验证前禁止进入。相关人员在开放式的制水构筑物进行操作和巡视时，应佩戴口罩、工帽以避免污染水体。

4 结语

饮用水中的肠道病毒可以通过粪口传播，并在水中长期存在。通过目前的水处理工艺，以水为媒介传播肠道病毒的概率极小。水厂可以通过严格控制出厂水浊度、强化消毒提高CT值、稳定膜处理压力、加强臭氧及紫外线等深度处理工艺，以提高对病毒的去除率。同时，水厂应至少从水源地、工艺废水和污泥、厂区环境、接触人员这4个方面积极防控，避免自来水受到病毒污染。