城市污水处理厂微生物气溶胶逸散特性研究进展

康心悦，刘建伟

北京建筑大学环境与能源工程学院

微生物气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分，通常是指空气动力学直径在100 μm以内且含有微生物或来源于生物性物质的气溶胶，主要包括细菌、真菌、病毒、尘螨、花粉和细胞碎片等[1-3]，其在公共卫生、大气环境、生态环境、气候变化、疾病检测及环境与健康等方面均有重要影响[4-5]。微生物气溶胶主要来源于土壤、植被、水体等面源和动物、人类、医院、养殖场、垃圾填埋场、堆肥厂和污水厂等点源[6-7]，传播过程中沉积在物体表面上的微生物气溶胶可以在外界环境（如刮风、降雨过程等）和人类活动（如车辆行驶等）的扰动作用下二次扬起，随风传播到很远的距离[8]。此外，微生物气溶胶中含有的某些活性物质可以导致人类过敏反应或流行疾病传播[1]。整体而言，微生物气溶胶具有来源多相性、种类多样性、传播三维性、沉积再生性、活力易变性、感染广泛性以及影响因素综合性等特点[9-12]。

城市污水处理厂在改善城市水环境方面发挥着重要作用，“十二五”至“十三五”期间，我国城镇污水处理能力从2013年的1.48亿m3/d升至2020年的2.68亿m3/d[13]。城市污水处理厂汇集了来自于污水以及污水处理过程中产生的大量微生物，是微生物气溶胶逸散的重要点源之一。污水或污泥中的微生物在能够造成水面扰动和水滴喷溅的机械作用下逸散至空气中，形成微生物气溶胶。城市污水处理厂周围空气环境中除含有常见的细菌、真菌外，还可能含有某些致病微生物[14-15]，其能够通过呼吸和接触等方式侵入机体[16]。Rylander等[17]报道了城市污水处理厂工作人员经常出现的诸如急性鼻炎、发烧，有时还伴有皮肤病、腹泻和一些其他暂时性肠胃反应等症状的特殊疾病，称为“污水工作者综合征（sewage worker's syndrome）”，长期在污水处理环境工作还可能引起不可逆的呼吸系统疾病和慢性肺功能衰退[18]。随着城市的不断扩张，曾经地处远郊的城市污水处理厂周边地区逐渐发展为新城区[19]，城市污水处理厂逸散至空气中的微生物气溶胶对周边环境和人体健康的影响越来越受到人们的重视。

目前有关城市污水处理厂微生物气溶胶逸散特性的研究已有一定的成果，但仅限于单一城市污水处理厂微生物气溶胶的浓度及粒径特性等，缺乏对现有城市污水处理厂微生物气溶胶逸散特性及影响因素的总结。基于以上情况，笔者系统阐述了城市污水处理厂微生物气溶胶逸散特性的研究进展，总结了城市污水处理厂微生物气溶胶逸散的影响因素。

1 城市污水处理厂微生物气溶胶

1.1 来源

城市污水处理厂作为城市污水的汇集地，污水类型以生活污水为主，污水中不仅包含有机物、无机离子和悬浮固体等常规污染物，同时含有大量细菌、真菌和病毒等微生物，其中包括粪大肠杆菌（Fecal coliform）、艾柯病毒（Echoviruses）等致病微生物，尽管城市污水处理厂能够去除污水中绝大多数的微生物（约99%指示细菌），但其向环境中排放的处理水中仍含有一定量的微生物[20-21]。城市污水处理厂多采用生物处理工艺，利用微生物的代谢作用降解污水中的污染物，因此，城市污水处理厂汇集了大量污水处理微生物。城市污水处理厂微生物气溶胶的来源主要包括4个方面[10,14,22-24]：1）城市污水处理厂的本底空气。微生物在空气中无处不在，与其他大气环境相似，城市污水处理厂的本底空气中也广泛存在着来自各种环境（如土壤、植物、人类活动）的包括细菌、真菌、病毒在内的微生物[10]。2）城市污水处理厂进水及处理后的排放水。城市污水自身含有大量微生物，污水处理以及水流流动过程均可使污水中的微生物逸散到空气中[22]。此外，虽然经处理后的排放水中微生物浓度大幅降低，某些微生物去除率可达99%，但排放水中含有的少量微生物仍可造成微生物的逸散。3）城市污水处理厂的污泥。污泥中含有大量污染物降解微生物，为保证污水的处理效果，在处理设施中（尤其是生化池）污泥需要在机械搅拌等外力作用下与污水充分混合，该过程不可避免地会对含有高微生物浓度的泥水混合物的水面造成剧烈扰动，导致污泥中的微生物向大气扩散[14,23]。4）其他。城市污水处理厂的工作人员也是污水处理环境中微生物气溶胶的来源之一[24]。

1.2 产生过程

在污水处理过程中，曝气充氧和机械搅拌过程不可避免地会产生大量气泡，气泡在浮力作用下漂浮至水面，带动污水中的大量无机物、有机物和微生物一同向上运动，并富集在污水表面几mm厚的水层中[25]。气泡膜在重力作用下逐渐变薄直至破裂，气泡破裂后周围的液体立即充满剩余的气泡腔形成液体射流，液体射流从气泡腔中心上升后变得不稳定，很快分裂成大小不一的液滴喷溅在污水表面15 cm左右的高度[25]。进入大气的液滴以很快的速度蒸发导致粒径大幅减小，其中，粒径较大的液滴落回水面溅起直径为50～100 μm的小液滴，造成污水表面液滴的二次喷溅，粒径1～100 μm的小液滴不再落回水面，从而脱离液相进入大气。富集了大量微生物和污染物的表层污水在气泡破裂过程被分馏，通过液滴的雾化作用实现微生物从液相到气相的转移，形成微生物气溶胶[26]。喷溅出的液滴中的微生物浓度取决于液滴尺寸、质量等因素，通常是污水中的10～1 000倍[25]。微生物在污水处理设施中高度富集，任何一种能够造成水面喷溅或气泡破裂的机械设备都会导致微生物气溶胶的产生，气泡在液体表面破裂和喷溅已被公认为是一种重要的海洋水体中的气溶胶产生机制[27]。此外，污水在各处理设施间流动过程中由于流速过大或流向改变而造成的水面液滴喷溅也会产生微生物气溶胶。

2 城市污水处理厂微生物气溶胶的逸散特性

2.1 浓度分布特性

城市污水处理厂格栅间、沉砂池、生化池、污泥浓缩池和污泥脱水间等处理设施都会产生一定浓度的微生物气溶胶。格栅间安装的格栅机在运行时，传动链不断扰动水面导致污水中大量微生物逸散到空气中；沉砂池一般在侧壁安装曝气装置，空气的注入及旋流的结构设计对水面及水体内部造成扰动，促进污水中微生物的气溶胶化；曝气池的曝气机在充氧过程中产生大量气泡，气泡破裂和喷溅过程形成大量微生物气溶胶；污泥脱水车间的压滤机等运转过程产生的挤压作用使得液滴和附着在污泥表面的微生物团聚体（细菌、病原体和无机颗粒）逐渐变小直至逸散到空气中形成微生物气溶胶[25,28]。研究表明，涉及机械推流和曝气搅拌的处理设施包括格栅间、沉砂池、曝气池和污泥脱水车间是微生物气溶胶的主要来源[28-31]。城市污水厂室内外处理设施的环境条件明显不同，室内处理设施通风性较差，没有外界空气的稀释和阳光辐射作用，温湿度较为稳定，易于微生物气溶胶的积累和生存。因此，格栅间和污泥脱水车间等室内处理设施逸散的微生物气溶胶浓度普遍高于曝气池等室外设施。不同处理设施微生物气溶胶的逸散浓度如表1所示。

表1 不同处理设施微生物气溶胶的逸散浓度Table 1 Emission concentrations of microbial aerosols in different treatment facilitiesCFU/m3

浓度差是引起室外污水处理设施中微生物气溶胶扩散的主要因素[15]，微生物气溶胶的浓度分布存在水平和垂直梯度，距离逸散源的高度越高或者水平距离越远则浓度越低。Wang等[32]在曝气池水面处检测到的细菌和肠道细菌气溶胶浓度分别为238和22 CFU/m3，在水面上1.5 m处二者的浓度则分别减少了66.71%和64.10%。Millner等[36]模拟了稳定的环境条件下烟曲霉气溶胶的扩散过程，发现距离逸散源的下风向100 m处，烟曲霉气溶胶浓度为1.2×104CFU/m3，而下风向1 000 m处，其浓度降至990 CFU/m3，Taha等[37]也得到相似结论。由于污水和污泥是微生物气溶胶的重要来源，污水和污泥中的细菌含量较真菌高出约2～4个数量级[38]，这是导致各处理设施逸散的细菌气溶胶浓度高于真菌气溶胶的重要原因之一。

2.2 粒径分布特性

微生物气溶胶对人体健康的影响不仅与浓度特性有关，而且与粒径特征密切相关[30]。粒径为1.1～4.7 μm的微生物气溶胶可通过呼吸作用进入人体气管和支气管，而粒径为0.65～1.1 μm的微生物气溶胶可被吸入人体肺泡，极易造成呼吸道感染[18]。

污水处理过程产生的微生物通常附着在悬浮于大气中的固体颗粒上，与其他污染源相比，城市污水处理厂逸散的微生物气溶胶粒径相对较大[16]。整体而言，城市污水处理厂逸散的大多数微生物气溶胶的粒径≤4.7 μm[28]，其中，细菌气溶胶的粒径主要分布在2.1～4.7 μm，真菌气溶胶的粒径主要分布在1.1～3.3 μm[16,28]。一般真菌孢子或菌丝的粒径大于细菌的粒径，但在大气中真菌因其疏水性多以单孢子、聚合体或碎片的形式存在[39-40]，而细菌多呈团状或附着在污泥颗粒上[41]。因此，城市污水处理厂大多数真菌气溶胶的粒径小于细菌气溶胶。不同污水处理设施处各级微生物气溶胶的分布存在差异，Li等[28]的研究结果显示，格栅间25.8%的细菌气溶胶粒径分布在0.65～1.10 μm，大于7 μm的真菌气溶胶占比最高；沉砂池35.0%的细菌气溶胶粒径分布在2.1～3.3 μm，真菌气溶胶主要分布在1.1～3.3 μm；而曝气池和污泥脱水车间细菌气溶胶各级粒径分布较均匀，真菌气溶胶主要分布在2.1～3.3 μm。Han等[16]研究发现，曝气池细菌气溶胶的粒径主要分布在 4.7～7 μm，真菌气溶胶的粒径大于 7 μm，下风向细菌气溶胶粒径分布较均匀，真菌气溶胶主要分布在 3.3～4.7 μm。

微生物气溶胶在大气中的平均停留时间从10 min到几周不等，大粒径的微生物气溶胶停留时间较短，小粒径的微生物气溶胶停留时间长，如真菌孢子在大气中的停留时间大约为30 min，而小粒径的气溶胶颗粒停留时间则能够达到60h以上[42]，如病毒和内毒素可以随风传播至100～1 000 m甚至更远的距离[43]。在扩散过程中，由于活性降低和重力沉降作用，微生物气溶胶浓度随扩散时间的延长逐渐降低，其中大粒径气溶胶的浓度减少率较大，小粒径气溶胶的浓度减少率较小[28,33]。此外，任何外界扰动作用都能使已经沉降的微生物气溶胶再次扬起，对城市空气质量和人体健康产生威胁。

2.3 种群结构

种群结构是表征城市污水处理厂微生物气溶胶的又一重要指标，研究微生物气溶胶的种群结构对于全面理解大气中微生物的潜在致病性及其对人体健康的影响具有重要意义。在门水平上，城市污水处理厂细菌气溶胶主要分布在变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、厚壁菌门（Firmicutes）和放线菌门（Actinobacteria），约占细菌气溶胶群落组成的60%～80%。真菌气溶胶的优势菌门为子囊菌门（Ascomycota）和担子菌门（Basidiomycota）[44]。在属水平上，不同污水处理厂以及同一污水处理厂不同处理设施处微生物气溶胶的种群结构均存在一定差异，其中假单胞菌属（Pseudomonas）、芽孢杆菌属（Bacillus）、肠杆菌属（Enterobacter）、气单胞菌属（Aeromonas）、不动杆菌属（Acinetobacter）、拟杆菌属（Bacteroides）和弓形杆菌属（Arcobacter）为细菌气溶胶共有的优势菌属；真菌气溶胶的优势菌属为曲霉菌属（Aspergillus）、青霉菌属（Penicillium）、犁头霉菌属（Absidia）、放射毛霉菌属（Actinomucor）和链格孢菌属（Alternaria）。相关研究结果表明，Enterobacter、克雷伯菌属（Klebsiella）、沙雷氏菌属（Serratia）和泛菌属（Pantoea）是一级处理设施和生化池细菌气溶胶的优势菌属，Arcobacter、Acinetobacter、诺卡氏菌属（Nocardiodies）和动胶杆菌属（Zoogloea）是污泥脱水车间的优势菌属，下风向处检测到大量Serratia和Pantoea[7,14,25,45-46]。

城市污水处理厂微生物气溶胶的来源包括上风向本底空气、进水、处理出水、污泥及其他来源。Yang等[23]研究得出，细格栅间逸散的微生物气溶胶45.16%来自上风向本底空气，32.33%来自该处的污水或污泥；氧化沟处微生物气溶胶中45.56%来自上风向本底空气，38.27%来自污水或污泥；污泥脱水车间处15.38%的微生物气溶胶来自上风向本底空气，72.15%来自脱水污泥。城市污水处理厂进水和本底空气中微生物的种群结构不同、各处理设施处不同来源对微生物气溶胶的贡献存在差异、各类菌属从液相或固相逸散到气相的能力及其对不同环境的适应性不同以及污水处理过程微生物受运行和环境条件影响形成具有针对性的菌群结构等因素，共同导致城市污水处理厂处理设施间及厂间微生物气溶胶的种群结构的差异。城市污水处理厂不同采样点微生物气溶胶中的常见菌属见表2。

各污水处理设施处微生物气溶胶中均包含某些潜在致病菌菌属，其中 Acinetobacter、Enterobacter、Arcobacter、Pseudomonas和Escherichia coli是城市污水处理厂微生物气溶胶中常见的潜在致病菌菌属。Yang等[14]在格栅间、沉砂池和污泥脱水车间的气溶胶中检测到 Acinetobacter、Chryseobacterium和Micrococcus等潜在致病菌菌属，在生化池附近检测到Bacillus和Mycobacterium等潜在致病菌菌属。Xu等[15]研究得出格栅间和污泥脱水车间的微生物气溶胶中分别含有10.67%和6.83%的潜在致病菌菌属。各种潜在致病菌可以通过呼吸、吞咽以及皮肤接触等途径进入人体，引起呼吸道、肠道及皮肤疾病，特别是真菌释放的毒素还可能引发癌症（表3），对人体健康存在较大威胁。

表3 常见病原微生物的危害Table 3 Hazards of common pathogenic microorganisms

3 城市污水处理厂微生物气溶胶逸散特性的影响因素

3.1 污水处理工艺类型

不同类型的污水处理工艺在工艺流程、运行参数和设施结构等方面均不同，比如生物膜工艺中的微生物一般附着在填料上，世代时间较活性污泥法长，微生物相更为丰富、稳定，而活性污泥工艺中污水与污泥为接触混合状态，微生物多样性相对较低。受运行条件和环境因素的影响，不同污水处理工艺中的优势菌属、微生物生长阶段和微生物活性均不相同，从而导致不同处理工艺逸散的微生物气溶胶浓度（表4）、粒径和种群结构存在差异。

表4 不同处理工艺微生物气溶胶的逸散水平Table 4 Emission concentrations of microbial aerosols in different processesCFU/m3

在相似的环境条件和处理水量的活性污泥法中，氧化沟处逸散的微生物气溶胶浓度高于A/A/O工艺的曝气池处（表5）。Han等[45]研究了生化处理段采用A/A/O、氧化沟和SBR工艺的9座污水处理厂对应的污泥脱水车间细菌气溶胶的逸散特性，得出在同一地区氧化沟工艺对应的污泥脱水车间产生的细菌气溶胶浓度高于A/A/O和SBR工艺，而A/A/O工艺对应的污泥脱水车间产生的微生物气溶胶中细菌多样性高于氧化沟和SBR工艺。

表5 不同活性污泥工艺微生物气溶胶的逸散水平Table 5 Emission levels of microbial aerosols in different activated sludge processesCFU/m3

3.2 曝气类型及速率

作为活性污泥处理工艺的重要组成部分，曝气系统不可避免地会导致污水表面液滴喷溅，促进污水和污泥中的微生物向大气中转移[48]。相关研究表明，曝气转刷关闭时微生物气溶胶的浓度比运行时减少超过50%，微生物多样性显著降低[49]，高强度曝气的好氧池处微生物气溶胶的浓度显著高于缺氧池和厌氧池。水面气泡破裂喷溅的液滴在一定程度上决定了微生物气溶胶的分布特性，液滴中微生物的浓度随气泡尺寸的增加而增加，并受液滴密度、形状和质量等因素的影响。曝气系统一般分为机械曝气系统和鼓风曝气系统，其中，机械曝气系统为表面曝气，鼓风曝气系统为水下曝气，运行特点的不同导致机械曝气系统产生的微生物气溶胶浓度高于鼓风曝气系统，而鼓风曝气系统产生的可吸入微生物气溶胶（粒径＜4.7 μm）比例较高[50]。Sánchez-Monedero等[31]研究发现，转刷曝气系统产生的微生物气溶胶浓度最高，其次为表面涡轮曝气系统，微孔曝气系统产生的微生物气溶胶浓度最小，与背景值相差不大。

曝气速率能够影响水面喷溅的液滴粒径，喷溅的液滴尺寸随曝气速率的增加而减小[51]，进而影响微生物气溶胶的逸散特性。Wang等[52]通过实验室模拟污水处理厂的曝气池，发现当曝气速率从0.3 m3/h增加到1.2 m3/h时，细菌气溶胶的浓度从（715±69）CFU/m3增至（1 597±135）CFU/m3；粒径大于 4.7 μm的微生物气溶胶浓度由35.21%增至48.5%；此外，随曝气速率的增加，细菌气溶胶的香农多样性指数从1.67增至2.08，微生物多样性增加。

3.3 进水水质

污水中的污染物是微生物的营养来源，而污水是微生物气溶胶的重要来源，因此，当污水水质发生变化时，泥水混合液中微生物的浓度和种类可随污染物的变化而发生动态变化，进而影响微生物气溶胶的逸散特性，微生物气溶胶的浓度随污水中微生物浓度的增加而增加[53]。研究发现，进水为食品工业废水的污水处理厂逸散的微生物气溶胶浓度高于城市生活污水处理厂[54]。Yang等[14]通过典型对应分析得出污水中的总氮、氨氮、固体悬浮物、Na+和Cl-对细菌气溶胶中不动杆菌属、莫拉氏菌属和弓形杆菌属等的生存有积极作用，总磷、总有机碳、化学需氧量和NO3-对细菌气溶胶中蓝细菌、假单胞菌属和芽孢杆菌等的生存存在消极作用。由于污水水质受不同地区生活方式、工业化程度、地理位置和气候因素的影响，城市污水处理厂微生物气溶胶的优势菌属还存在地区差异[45]。

除微生物外，污水中含有的某些化学物质能随气化的液滴一同逸散到大气中，与大气中的微生物共存，如 Cl-、Na+、NH4+、SO42-和 Ca2+等无机盐离子和有机物[35,55]。悬浮在空气中的颗粒物作为微生物附着的介质，有机物和各种无机盐离子为微生物的生命活动提供营养物质，空气中的小液滴为微生物的生存和生长提供了良好的微环境，使得微生物可以在空气中长期存活。Wang等[32]研究发现Na+、NH4+和SO42-与空气中微生物的多样性呈正相关，Cl-则与微生物多样性和数量呈负相关，该现象可能与氯化物具有的消毒作用有关[56]。

3.4 温度和相对湿度

温度是影响微生物气溶胶存活、沉积和水平扩散的重要因素[57]。其一方面可以促进或抑制微生物的释放和生长，另一方面影响环境中的其他参数进而影响微生物的悬浮和扩散过程[58]。研究发现真菌孢子适宜在高温条件下生存，温度较低会影响真菌孢子的生长发育过程[10,58]。Aarnink等[59]通过研究细菌的衰亡确认温度对Escherichia coli、Mycoplasma synoviae和Enterococcus mundtii存在影响。相对湿度能够影响大气中微生物的生存，不同的微生物有不同的适宜湿度，革兰氏阳性菌适宜在相对湿度较高的条件下生存，革兰氏阴性菌适宜在相对湿度较低的条件下生存[60]。

3.5 太阳辐射

太阳辐射对微生物气溶胶的影响较为复杂，紫外线随太阳辐射的增强对大气中的微生物有明显的灭杀作用，与大气中的微生物浓度呈负相关[61]，但同时紫外线能够激发某些真菌孢子的释放，促进大气中真菌的生长和繁殖[62]。

3.6 风速和风向

风速和风向能够影响微生物气溶胶的传输扩散过程。高风速能够促进微生物气溶胶从污水处理设施处逸散，有利于微生物的悬浮，从而形成高浓度的微生物气溶胶。然而，高风速具有较强的大气稀释效应，带来外源微生物的同时会降低环境微生物水平[63-65]，而风向则决定了微生物气溶胶扩散的方向。

3.7 季节

季节变化是影响微生物气溶胶逸散特性的重要因素，不同季节具有不同的温湿度、大气压以及太阳辐射特点，城市污水处理厂微生物气溶胶的逸散特性随季节变化表现出明显的差异性。Han等[16]研究不同季节某A/A/O工艺污水处理厂微生物气溶胶逸散特性时得出夏季微生物气溶胶浓度最高、冬季浓度最低的结论。Zhong等[64]研究青岛大气中微生物活性随季节变化特性时得出夏季微生物气溶胶活性最高、春季最低的结论。

3.8 其他

污水处理设施的敞开与封闭会影响微生物气溶胶的扩散作用，将露天的污水处理设施改为封闭状态可以阻止微生物气溶胶从处理设施扩散到外部环境空气中，有效降低环境空气中微生物气溶胶的浓度。Fernando等[66]发现敞开的沉砂池外部空气中微生物气溶胶的浓度是封闭时的28倍。污水流动过程保持液面稳定流动、减少液滴喷溅能显著降低周围空气中微生物气溶胶的浓度。

4 结论与展望

（1）城市污水处理厂微生物气溶胶的来源包括城市污水处理厂的本底空气、进水与处理后的排放水、污泥及其他。气泡破裂和水面液滴喷溅造成的液滴雾化是微生物气溶胶的主要产生机制。

（2）城市污水处理厂是造成微生物气溶胶污染的重要点源之一，涉及机械推流和曝气搅拌的处理设施是微生物气溶胶的主要来源，微生物的最高排放量通常发生在格栅间、曝气池和污泥脱水车间，大多数微生物气溶胶的粒径分布在可吸入范围内（＜4.7 μm）。

（3）由于进水和污水厂本底空气中微生物的种群结构不同、各类来源对微生物气溶胶的贡献不同、各类菌属从液相或固相逸散到气相的能力及其对不同环境的适应性不同，城市污水处理厂不同处理设施处微生物气溶胶的种群结构存在差异，Acinetobacter、Enterobacter、Arcobacter、Pseudomonas和Escherichia coli是城市污水处理厂微生物气溶胶中常见的潜在致病菌菌属。

（4）城市污水处理厂微生物气溶胶的分布特性受到污水处理工艺类型、曝气类型及速率、进水水质、温度和相对湿度、风速和风向、太阳辐射以及季节等多种因素的影响。

（5）城市污水处理厂微生物气溶胶的研究有待进一步深入：1）应加大采集的样本量，研究不同地域和操作条件下微生物气溶胶的分布特性；2）微生物气溶胶中除活细胞外，某些失去活性的死细胞依然能够引起人体免疫系统和呼吸系统疾病，应采用合适的方法研究污水处理厂微生物气溶胶中活细胞、死细胞和内毒素等的分布，为微生物气溶胶的暴露风险评估提供依据；3）仍需进一步完善城市污水处理厂潜在致病微生物气溶胶的风险评估方法及体系。