城市污水处理中病原微生物污染状况及潜在风险的研究进展*

2021-11-05陈银广尹大强

环境污染与防治 2021年10期

吴瑒武婧杨澜郑雄# 陈银广尹大强

(1.同济大学环境科学与工程学院，污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092；2.长江水环境教育部重点实验室，上海 200092)

随着我国城市化和工业化的不断发展，截止2019年底，全国城市污水处理厂污水处理量高达1.77×109m3/d[1]。由于来源复杂，污水中不仅含有机污染物，同时还存在大量病原微生物，对人体健康和生态环境安全造成巨大威胁。污水处理厂一直是病原微生物潜在的重要“汇”，特别是2020年，新型冠状病毒的突然暴发引发全世界关注，研究者在未经处理的污水、医院收集的污水和二次处理后的污水中均发现病毒的核酸样本[2-4]。此外，相关研究发现，很多病原微生物随着污水进入城市污水处理系统后，在几天甚至几个月内仍然具有感染能力[5]。然而，目前城市污水处理过程中，病原微生物的污染特征、传播途径及暴露风险均尚不明晰。本研究系统总结了国内外城市污水处理中病原微生物特征、污染情况、传播途径、防控手段等方面的研究进展，并对今后研究方向提出展望，以期为污水处理过程中病原微生物的风险调控和政策制定提供理论依据和科学指导。

1 病原微生物及其分类

病原微生物是指可以侵犯人体，引起感染甚至传染病的微生物，主要包括朊毒体、寄生虫(原虫、蠕虫、医学昆虫)、真菌、细菌、衣原体、病毒等，其中，细菌、病毒和寄生虫的危害性最大。

1.1 细菌

在城镇生活污水排放标准中，粪大肠菌群是唯一的细菌指标，用来指示经处理后污水的消毒效果。粪大肠菌群包括大肠埃希氏杆菌属(Escherichia)、肠杆菌属(Enterobacter)、枸椽酸菌属(Citrobacter)和克雷伯菌属(Klebsiella)。若水体中粪大肠菌群超标将对人体健康造成巨大威胁。以肠道杆菌中典型的致病菌沙门氏菌(Salmonella)为例，沙门氏菌会导致人体出现头疼、呕吐、全身乏力等症状，重者会出现抽搐和昏迷的症状，甚至会致死。据统计，沙门氏菌每年在全世界引起大约0.94亿病例感染，导致15.5万人死亡[6]。因此，粪大肠菌群是污水处理厂中倍受关注的一类重要的病原微生物，需要进行深度消毒处理，保障出水安全。

1.2 病毒

目前污水处理厂已检测出多种病毒，如肠道病毒、腺病毒、甲型肝炎病毒、轮状病毒、冠状病毒等[7]。这些病毒在常规污水处理过程中存活时间长，且由于污泥的吸附作用，部分病毒在污泥中的浓度往往显著高于进水中的浓度。以冠状病毒为例，该病毒可造成严重的呼吸系统疾病。室温条件下，冠状病毒GVU6109在碱性条件的腹泻粪便中能存活4 d，在呼吸道中存活17 d[8]。目前，由于检测技术制约，在污水处理厂中检出率较高的主要是无包膜类病毒(如肠道病毒)，冠状病毒等包膜类病毒检出率相对较低[9]，因此亟需进一步发展污水处理厂病毒检测技术。

1.3 寄生虫

寄生虫是指具有致病性的低等真核生物，可作为病原体，也可成为媒介传播疾病。寄生虫在寄主体内，或附着于其体外以获取维持生存、发育和繁殖所需的营养。寄生虫可以改变寄主的行为，以达到自身更好生存繁殖的目的。污水处理中常见的寄生虫为隐孢子虫(Cryptosporidiumparvum)，有研究者对30家污水处理厂中寄生虫水平进行研究时发现，隐孢子虫在23家污水处理厂中均有发现[10]。隐孢子虫容易引发腹泻、恶心、呕吐，同时导致严重肠炎，感染后常常危及患者生命。因此，需要强化污水和污泥中寄生虫的去除，避免造成环境二次污染。

2 城市污水处理中病原微生物的污染状况

2.1 城市污水管网及泵站中的污染

大量高活性的微生物存在于污水管的管壁生物膜及污水中，管网内生物膜菌群沿程经过一定的演替后，逐渐形成稳定菌群结构。然而由于部分污水管道年久失修，腐蚀严重，存在泄漏、溢流等问题，因此管道内的病原微生物有污染地下水和地表水的风险[11]。同时，污水泵站设置于污水管道系统中，由于污水中含有大量的微生物和病毒，泵站在提升污水时会受到一定的污染。有研究者对圣保罗市的小溪和河流的提升泵站进行取样，发现了腺病毒的存在[12]。徐晓璇等[13]对上海市徐汇区景观河道的多个提升泵站进行检测时发现，粪大肠菌群浓度均超过4×104个/L，水质超标率为100%。

2.2 城市污水处理厂进水中的污染

水是病毒传播的重要媒介，目前已发现的介水传播病原微生物有700种以上，其中有超过140种可以通过粪便进入城市污水处理系统[14]87。表1给出了国内外部分城市污水处理厂中典型病原微生物浓度，其浓度均明显高于各国病原微生物的防控要求。这些病原微生物经过污水处理和消毒后，应减少到可接受水平，否则将对公共健康和生态环境产生巨大威胁[19]。

表1 国内外污水处理厂中典型病原微生物浓度Table 1 Concentrations of typical pathogenic microorganisms in domestic and foreign wastewater treatment plants

2.3 城市污水处理厂污泥中的污染

污水处理厂的污泥中同样含有大量的病原微生物。史晓珑等[20]对呼和浩特市7家污水处理厂、两家制药企业及两家乳制品企业所产生的脱水污泥进行测定发现，粪大肠菌群为2.0×106～5.4×108MPN/g，粪大肠菌群数最高的情况出现在生活污水处理厂。同时，在污水处理过程中，水体中的病原微生物很容易被吸附进入污泥[21]；而在消毒环节，被污泥包裹的病原微生物会可能由于污泥的保护而免于被灭活。因此，污泥需要得到深度有效的无害化处理，否则将对自然环境和人类健康造成威胁。

2.4 城市污水处理厂出水中的污染

3 城市污水处理中病原微生物的控制标准

为降低病原微生物的环境风险，我国污水处理厂排放标准中将粪大肠菌群数作为评价污水中病原微生物水平的主要指标。如表2所示，GB 18918—2002和GB/T 23485—2009)均对粪大肠菌群进行了限定，然而污水中含有多种细菌和病毒，仅粪大肠菌群这单一指标不能完全反映出病原微生物水平。国外还选取了沙门氏菌、肠道病毒等指标进一步明确污水或污泥中病原微生物的污染水平。

表2 国内外污水排放标准中病原微生物的限值1)Table 2 Limits of pathogenic microorganisms in domestic and foreign wastewater discharge standards

除了传统上采用的指示微生物，研究者还提出了许多潜在的指示生物来表征病原微生物。肠球菌是潜在的指示生物之一。有研究者观察到瓦赫宁根大学污水处理厂中肠球菌可以在pH为11的严苛条件下存活[26]。因此，使用粪大肠菌群作为指标可能会低估肠球菌浓度，尤其是在高pH条件下。还有人提出将腺病毒和多瘤病毒用作污水处理的病原微生物指标，因为它们没有明显的季节特征，并且在不同地理区域的污水中广泛存在(103～107拷贝数/L)[27-28]，它们也被选作模型病毒，用于考察排放之前以及高级处理过程中病原微生物的污染情况，例如反渗透和其他高级氧化过程[29]。产气荚膜梭菌(Clostridiumperfringens)是一种在人和动物粪便中含量较高的厌氧细菌，它的孢子对传统的消毒过程具有很强的抵抗力。DUNLOP等[30]发现传统污水处理工艺对大肠杆菌的灭活率比产气荚膜梭菌高1个数量级，因此采用产气荚膜梭菌作为指示生物可有效预测出水和污泥中是否存在抗药性原生动物和蠕虫病原体[31]。然而，尽管环境微生物学领域取得了重要的方法学改进和技术成就，但有些创新尚未有效地纳入污水排放标准中，因此今后需要结合我国国情，完善我国污水处理卫生指标体系，对污水处理过程中病原微生物的二次传播及暴露风险进行防控。

4 城市污水处理中病原微生物的传播途径

4.1 病原微生物的气溶胶传播

污水处理厂是城市设施中病原微生物污染较为严重的区域。在污水处理过程中，生物处理单元大量曝气增加了气泡破裂的速率，从而使得污水溅到空气中。携带着微生物的水滴被分散成细小液滴，并在雾化后形成微生物气溶胶，导致周围空气的微生物气溶胶水平显著提升。同时，污水处理的机械搅拌会产生含气载颗粒的湍流，从而加快微生物从液相到气相的扩散[32]。此外，在脱水过程中，污泥中的微生物很容易逸散到空气中，而污泥脱水设施一般建在室内，空间相对密闭，通风性较差，从而使微生物气溶胶在污泥脱水间空气中易于积累。这些原因导致生物处理单元和污泥脱水间成为污水处理厂病原微生物气溶胶的主要来源。污泥中的病原微生物在土地利用过程中也可能形成气溶胶，导致其存在空气传播风险[14]88。在空气中的微生物气溶胶通过黏膜、皮肤、消化道及呼吸道侵入机体，严重威胁人类健康和生态安全。

4.2 病原微生物的介水传播

生活污水是水体微生物和病毒的重要来源。污水的流动会引起病原微生物的传播，因此存在着病原微生物通过污水处理厂出水的再利用进行传播的可能性。有研究者采集并分析了上海3家生活污水处理厂合计50份出水水样，共计发现10个隐孢子虫虫种或基因型、2个蓝氏贾第鞭毛虫基因型和11个毕氏肠微孢子虫基因型，并且大多数检测到的虫种或基因型具有感染人类的能力[22]18-19。还有研究者对瑞士苏黎世州31家污水处理厂夏季和冬季的进水、出水和周边大气样品进行检测分析，腺病毒的检出率为97%～100%[33]。介水传播病原微生物可通过市政排水管网直排或通过污水处理厂处理后进入受纳水体[34]。此外，在管网系统中，未被消毒剂灭活的病原微生物容易附着到营养相对丰富的管壁，这些在管壁上附着的活细菌、死细菌及其胞外聚合物形成了三维异质结构的管壁生物膜，为微生物和病毒提供了生存场所，从而加剧了微生物污染的风险。

4.3 污水处理中病原微生物的风险

研究表明，污水处理厂产生的病原微生物气溶胶可散播至1 000～1 500 m远，有导致职业暴露和公众感染的风险[35-36]。市政排水管网/污水处理系统/污泥处置设施的现场工作人员接触污水和微生物气溶胶较为频繁，导致他们受感染的风险大幅度上升。同时，城市污水管网年久失修，污水泄漏也会导致地下水系统受病原微生物侵袭。此外，在我国北方地区，以污水处理厂出水等非常规水源补给为主的河/湖逐渐成为城市群下游河/湖的主导类型；而随着“海绵城市”建设的推进，以污水处理厂尾水为补给水源的城市湿地公园近年来亦大量涌现。再生水的水源一般为城市污水处理厂的二级出水，相关研究表明它可能含有种类繁多的病原微生物，这些病原微生物可在气水界面处扩散直接进入大气，也可在水滴飞散、气泡上浮至水面而破裂时产生微生物气溶胶，大幅度增加人群的暴露风险[37]。因喷灌用水雾化程度较高，当用含病毒的再生水进行喷灌时极易形成病毒气溶胶，而当气溶胶中的病毒附着于其他物质上而处于结合状态时，可免受生物学和理化因素的灭活作用，从而长期保持其感染力[38]。

5 城市污水处理中病原微生物的去除技术

5.1 氯消毒技术

氯是一种强氧化剂，氯消毒技术是污水处理系统中使用最早的病原微生物去除技术之一[39]。常用的消毒剂有液氯、二氧化氯和次氯酸钠，其作用原理主要为含氯消毒剂溶于水生成的次氯酸可以起到杀菌作用。DA COSTA等[40]对巴西圣保罗市某污水处理厂生物池出水进行氯消毒，结果发现大肠菌群和大肠杆菌浓度分别从4.884×104、1.012×104MPN/100 mL降低至24.19、0.30MPN/mL。然而，与细菌相比，病毒对氯消毒剂的耐受性相对较高，这可能与病毒没有代谢酶系统有关[41]。尽管大量投加氯可以保证病原微生物的灭活效果，但是含氯的出水排入环境中可能对水生生物有害，氯化过程也可能会产生具有遗传毒性、诱变性和致癌性的消毒副产物，例如三卤甲烷、卤乙酸等[42]。因此，在使用氯消毒技术去除污水中病原微生物时，必须合理控制氯投加量，在保证灭活率的同时也应避免消毒副产物的产生。

5.2 臭氧消毒技术

臭氧是一种高效的氧化剂，对病原微生物具有强大的杀菌作用，已被广泛用于供水工程和污水处理系统中[43]。臭氧通过产生高反应性自由基，导致细菌细胞壁裂解、核酸氧化变性以及蛋白质的碳氮键断裂，最终使微生物和病毒灭活[44]。同时，臭氧对于寄生虫的去除更为有效，研究发现臭氧消毒对于隐孢子虫和蓝氏贾第鞭毛虫的去除效率远高于氯消毒[45]。然而臭氧的半衰期较短，在水中并不稳定，通常无法提供稳定的残余消毒剂，因而没有持续的消毒效果[46]。此外，臭氧的制备成本较高，且它与溴化物和碘化物化学反应产生的副产物对人体健康有害。因此，通常建议将臭氧作为主要消毒剂，与其他辅助消毒剂(如液氯和次氯酸盐)一起使用从而保证消毒效果。

5.3 紫外线消毒技术

紫外线消毒是一种清洁有效的消毒技术，它不仅具有很高的病原微生物灭活效率，并且不会产生消毒或氧化副产物[47]。紫外线(波长通常为254 nm)通过破坏细菌、病毒和单细胞微生物的DNA和RNA结构，抑制蛋白质的合成，进而灭活病原微生物。DARNELL等[48]发现SARS-CoV病毒暴露在紫外线下(波长254 nm,照射强度4 016 μW/cm2)1 min后，病毒含量减少为原来的1/400，6 min后病毒则完全失活。该技术无需添加化学药品，设备易于安装和操作，其消毒性能也不会受到水质参数(如碱度、温度和pH等)的影响。然而，紫外线消毒技术的效能取决于紫外线在水中的穿透能力，藻类、浑浊的有色物质和生物污垢可能会严重影响消毒效果[49]。此外，考虑到紫外线不能提供持续消毒功能，因此建议配合使用其他辅助消毒剂以保证消毒效果。