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              城市污水系統微生物氣溶膠產生及其安全防控策略

              發布時間:2023年02月03日 16:59 作者:中國給水排水 點擊數:

              來源:中國給水排水 


              摘要:針對城市污水收集、傳輸與處理過程中存在高致病性病原微生物通過氣溶膠途徑傳播的風險,總結分析了建筑排水、市政污水管網、污水處理廠全流程的微生物氣溶膠產生特點及其潛在病原微生物傳播風險。從氣溶膠病原微生物排放濃度水平、病原微生物種類及其傳播過程等方面,解析了污水系統全過程的微生物氣溶膠產生特征及其傳播風險情況。提出了針對污水系統微生物氣溶膠傳播風險安全防控的策略,可為污水系統微生物氣溶膠產生的病原微生物傳播風險認識與安全防控提供支持。

              排水系統涵蓋建筑排水(馬桶等受水器具、建筑排水管道和化糞池等附屬排水構筑物)、市政排水管網(雨水和污水管網)、污水處理廠等單元,其中污水收集、輸送及處理過程承擔衛生防疫、污水凈化及水與物質資源循環利用等功能。新冠肺炎(COVID-19)疫情暴發,排水系統成為備受關注的病毒傳播潛在風險點,而COVID-19傳播感染途徑主要為飛沫和接觸傳播,因此排水系統的氣溶膠產生及潛在病毒傳播風險途徑的防控成為關切的要點。

              01 排水系統微生物氣溶膠的產生特征

              氣溶膠是指固體或液體微粒穩定地懸浮于氣體介質中所形成的分散體系,微粒粒徑為0.01~10μm。當微粒含有細菌、真菌、病毒等微生物時稱之為微生物氣溶膠。由于微生物氣溶膠中可能含有病原微生物,因此對人類健康存在一定風險。排水系統具有開放性和運行復雜等特征,在系統運行過程中存在病毒隨氣溶膠傳播的潛在風險,比如確診患者、疑似病例的糞便排泄物在排泄和輸送過程中產生的氣溶膠可能會促進病原微生物的擴散和傳播。建筑排水馬桶沖水和排水立管跌水、市政污水管道檢查井跌水、溢流口污水溢流、污水泵站提升等過程均有產生氣溶膠的潛在風險。污水處理廠的預處理單元、曝氣區域、剩余污泥脫水過程等環節均會因水流擾動或曝氣等作用,促進氣溶膠的產生,存在污水中病原微生物向空氣擴散的潛在可能。污水處理廠出水經過深度處理和消毒后,雖然也存在跌水過程產生氣溶膠的情況,但因出水中病原微生物含量相對較低,能夠引發病原微生物向空氣擴散的風險則相對降低。排水系統這些擾動過程會導致富含微生物的顆粒進入空氣,形成微生物氣溶膠(見圖1)。


              圖片1.png


              排水系統中污水輸送及處理包含三相混合過程,導致病毒有可能在氣、液、固三相中進行轉移擴散。在污水排放過程中,病毒的主要來源為糞便和尿液等人體排泄物,主要類型是腸道類病毒,如諾如病毒、腺病毒等無包膜病毒,但相關的研究也表明,高傳染性呼吸道病毒也會通過糞便、尿液進入排水系統,如SARS-CoV和SARS-CoV-2等冠狀病毒。污水收集、污水處理、污泥處理等過程都可能產生包含病毒的氣溶膠,污水系統的正常運行過程無法避免氣溶膠的產生與釋放。污水源頭排放過程的病毒濃度相對較高,液相的病毒濃度大多分布在1010~1014GC/m3。排水過程產生的氣溶膠中微生物濃度一般為102~104CFU/m3,而進入污水處理廠后的一級預處理(格柵間、曝氣沉砂池、初沉池)、二級生化處理(主要是曝氣池、二沉池和污泥脫水間)以及再生水利用(如綠化噴灑)過程中會產生微生物氣溶膠,其中格柵間、曝氣池上方以及污泥脫水間的氣溶膠濃度最高,濃度數量級分別為103、104和103~104CFU/m3。攜帶病毒的氣溶膠存在較遠距離傳播擴散的可能,這也給排水系統氣溶膠途徑的病毒傳播擴散的阻控帶來了挑戰。

              02 排水過程微生物氣溶膠產生及其特性

              2.1 建筑排水過程

              一般情況下,人類糞便或者尿液中存在大量的病毒,在人體排泄物(尿液等)內檢出的病毒數量大多在1011~1014GC/m3的濃度水平。比如,尿液中的包膜類SARS-CoV病毒含量約為1010GC/m3,非包膜多瘤病毒含量約為1011~1015GC/m3;糞便中的包膜類SARS-CoV病毒檢出量約為1010GC/g,非包膜類如犬細小病毒約103~109GC/g。但也應注意到,并非糞便和尿液排出的所有病毒都具有致病性,而是傳染性疾病患者的尿液和糞便含有高致病風險病毒的概率很大。

              建筑排水過程的微生物氣溶膠主要由污水的擾動產生。目前已有研究表明,在如廁沖水時馬桶中的瞬間氣旋會將大量液滴或者氣溶膠帶到空氣中,馬桶每次沖水可產生105~107個氣溶膠顆粒,雖然有報告提及液滴或氣溶膠會隨機附著攜帶不定量的無包膜病毒或包膜病毒,然而試驗研究表明,在馬桶沖水過程產生的氣溶膠中未能檢測出(PFU檢測方法)試驗模擬投加(病毒液相初始濃度為1013PFU/m3)的無包膜病毒(MS2)和包膜病毒(Phi6)。含致病性病毒的液滴或氣溶膠進入空氣后,較大的液滴或者氣溶膠會較快沉降,而較小的氣溶膠則會較長時間漂浮在空氣中,在相對封閉的衛生間中,人們更容易吸入或接觸到這類可能攜帶病原微生物的氣溶膠。雖然新冠病毒感染患者的糞便及尿液均可能攜帶新型冠狀病毒,同時建筑排水設施產生的氣溶膠也成為被公眾懷疑的潛在傳播途徑,然而目前為止依然沒有明確的患者案例證據表明馬桶沖水過程產生的氣溶膠可直接導致病毒的傳播感染,同處一室的人員接觸依然是更高風險的傳播途徑。

              建筑排水系統除了衛生設備如壓力沖水馬桶外,排水立管中也會由于污水排入及跌落而產生較高濃度的微生物氣溶膠。污水在建筑排水立管排放過程中會發生垂直跌落或者劇烈水平擾動,由此產生的含有病毒的微生物氣溶膠,會隨水流氣流在排水管道、通風管道中輸移。當室內排水管道水封因干涸而被破壞或者排水管道破損等情況發生時,都可能導致病原微生物的傳播擴散。此外,排水立管頂部通風帽等處也可能會成為病毒擴散源。已有研究通過模擬建筑排水過程,證明在不同樓層住戶排水管道水封被破壞條件下,馬桶沖水過程產生的攜帶病原微生物的氣溶膠能夠實現跨層傳播,這說明建筑排水管道若發生氣溶膠泄漏,則會帶來病毒傳播風險。但到目前為止,流行病學病例分析還未有明確證據證明建筑排水系統氣溶膠傳播途徑的感染案例。對建筑排水氣溶膠傳播途徑引起懷疑和推測的較早案例均來自香港,第一個是2003年香港公寓大樓嚴重急性呼吸系統綜合征的大規模社區暴發事件,被廣泛推測為由衛生間或排水立管氣溶膠攜帶SARS-CoV病毒引起的擴散傳播;第二個是2020年2月香港康美樓大廈出現同住大廈同一單元兩例相隔10層新冠病毒感染者,同樣在傳播途徑推測中將未完全密封的室內排氣管作為病毒傳播的可能途徑。廣州市疾病預防控制中心也于2020年6月12日公布了某城中村懷疑由于建筑排水立管破裂導致的新冠病毒傳播案例。

              2.2 市政排水管網污水輸送過程

              市政污水管道中病毒的濃度水平變化與季節變化、區域分布、人群特征均有關聯性,一般取決于對應季節該地區或社區被感染患者的數量及感染者排出的病毒水平。人體排泄物經建筑排水系統排出后,一般會被稀釋10~100 倍,因此建筑排水單元排出的污水中病毒濃度一般為109~1012GC/m3?;诟腥拘运綑z測方法的病毒濃度以污水中腸病毒、腺病毒和輪狀病毒的感染性檢測結果為例,其檢出濃度一般小于107感染單位/m3。糞便等人體排泄物攜帶病毒經建筑排水系統排出后,一般經過化糞池單元的水解過程,懸浮于污水中的病毒可視為膠體特征微粒,多數病毒尤其是冠狀病毒可吸附于其他懸浮膠體顆粒物表面。有研究對比了非包膜病毒與包膜病毒在污水沉積物(污泥)和不同材質管道表面的吸附情況,結果表明較高比例的包膜與非包膜病毒保持在液相懸浮狀態(90%以上),在沉積物與管壁表面的吸附比例相對較低。這說明污水在市政管網輸送過程中會保持較高的病毒濃度水平,加大了污水管網微生物氣溶膠產生的健康風險威脅。

              污水管網污水輸送過程的氣溶膠產生情況主要取決于污水流態擾動程度,正常運行的污水管網水面相對平穩,一般硫化氫等臭味物質擴散和氣溶膠產生過程均相對較弱,而在一些流態擾動劇烈的運行節點如檢查井跌水、溢流口污水溢流、污水泵站提升等管網節點位置,臭味物質的擴散和氣溶膠的產生過程均較為顯著。目前,針對污水管網產生的微生物氣溶膠中病毒含量的研究還相對較少。有研究者通過實驗室模擬了污水管網匯水節點微生物氣溶膠的產生速率,結果表明,管網匯水過程微生物氣溶膠的產生速率為105個/min,而氣溶膠中非包膜病毒濃度是包膜病毒的200 倍(病毒液相初始濃度均為1013PFU/m3),其中包膜病毒的氣溶膠檢出濃度為102PFU/m3,這說明非包膜病毒更容易隨著氣溶膠的產生過程進行擴散傳播。進一步對比實際污水管網內氣溶膠產生過程中不同病原微生物的檢出濃度(最大值范圍約為102~104CFU/m3)情況,結果也同樣表明不同類別病原微生物在氣溶膠產生過程中的濃度水平有較大差異。這表明氣溶膠產生過程的病毒等病原微生物濃度水平與病原微生物的結構種類有較大關系,當然也與病原微生物在污水液相中的原始濃度水平有關。由于不同病原微生物的試驗條件和檢測方法存在差異,現有結果還較難獲得確切的直接對比關系。有研究者采用模型對污水管網業務工作人員吸入氣溶膠的潛在健康風險進行了預測評估,評估結果也說明需要加強污水管網日常業務人員的工作防護,以降低吸入氣溶膠的風險。

              03 污水處理過程微生物氣溶膠產生及其特性

              3.1 微生物氣溶膠濃度及其影響因素

              目前我國具有排污許可證的污水處理廠(站)超過1萬座,處理規模差異較大(每天幾百噸至幾百萬噸)。采用相同污水處理工藝的污水處理廠規模越大,整體微生物氣溶膠濃度越高。污水處理廠(站)的微生物氣溶膠濃度主要受以下三方面因素的影響:

              ① 污水處理系統的活性污泥濃度

              污水處理廠各工藝段水體中微生物含量以及微生物氣溶膠濃度總結如表1所示。格柵間主要實現進水的大顆粒雜物的物理分離預處理,產生微生物氣溶膠的微生物類型和濃度受進水特征的影響較大。下游生化處理過程存在活性污泥曝氣,且生化池中微生物含量較高,因此產生的微生物氣溶膠濃度提升約10倍。二沉池出水中微生物含量相對生化池明顯減少,該區跌水導致的微生物氣溶膠濃度降低到格柵間的1/10。盡管如此,目前尚未有直接證據表明污泥中微生物濃度和微生物氣溶膠產生濃度相關,因此還需要開展細致深入的觀測和研究。


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              ② 曝氣方式

              污水處理系統的曝氣過程(如氣浮、曝氣沉砂、生化曝氣等)會產生大量的微生物氣溶膠,曝氣方式(機械曝氣、氣泡)和曝氣量都會對微生物氣溶膠產生造成影響。有研究分析了6座污水處理廠3種曝氣方式(臥式滾筒、表面渦輪、氣泡擴散)對微生物氣溶膠產生的影響,發現:臥式滾筒(103~104CFU/m3)>表面渦輪(102~103CFU/m3)>氣泡擴散(小于102CFU/m3)。膜生物反應器(MBR)的曝氣量較高,產生的微生物氣溶膠濃度也會較高。實驗室規模的研究顯示,MBR中微生物氣溶膠濃度數量級為106CFU/m3[反應器體積為12 mL,曝氣速率為6m3/(h·m2),HRT為6h,封閉檢測]。

              ③ 空間特性(開放、封閉)

              表1顯示,相對封閉或空氣不流通環境中的微生物氣溶膠濃度數量級整體高于開放空間(除生化池外)。有報道表明,污泥脫水間氣相中微生物氣溶膠濃度(9282CFU/m3)顯著高于A2/O工藝曝氣池(1784CFU/m3)。

              此外,相關研究也表明,季節因素也會影響污水處理廠微生物氣溶膠的產生和空間分布。一般而言,夏季產生的微生物氣溶膠濃度(生化池為4878CFU/m3)比冬季(生化池為1869CFU/m3)高;在空間分布上,下風向的微生物氣溶膠濃度遠高于上風向。

              3.2 微生物氣溶膠中潛在致病微生物種類

              污水處理過程產生的微生物氣溶膠中的微生物種類較多(如細菌、真菌、病毒等)。Yang等對比A2/O和氧化溝,發現不同污水處理工藝產生的微生物氣溶膠的微生物群落結構存在顯著差異。研究已經發現微生物氣溶膠含有人類健康風險微生物,主要包括病原菌、真菌和病毒等(見表2)。這些微生物可能通過呼吸道吸入、皮膚接觸和攝入而感染人類(尤其是污水處理廠工作人員),并引起各種疾病如上呼吸道感染、痢疾等。



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              從污水處理廠排放的微生物氣溶膠中分離出的病原菌主要有:綠膿桿菌、叢毛單胞菌、施氏假單胞菌、克雷伯氏菌、沙門氏菌等;腸桿菌、金黃色釀膿葡萄球菌、綠膿桿菌的可培養濃度數量級范圍約為10~103CFU/m3(采用安德森六級采樣器收集)。真菌類主要是枝孢菌,群落結構分析中占比較高的還有假絲酵母菌(念珠菌)、紅酵母菌、青霉菌和禾谷鐮孢菌。其中,假絲酵母菌和部分紅酵母菌具有較高的人類致病性。

              以往的研究手段大多基于實驗室可培養微生物檢測技術,很難檢測出病毒的存在。隨著現代DNA分析技術的不斷提高,在微生物氣溶膠中發現了一些過去未關注過的病毒,比如腺病毒、諾如病毒、輪狀病毒等。盡管現有研究還沒有在污水廠微生物氣溶膠中發現SARS、MERS和COVID-19等人類呼吸道致病和傳染性病毒,但并不代表特殊時期這類病毒不會出現在污水處理廠微生物氣溶膠中。這需要未來進一步的研究和觀察。

              04 風險分析及防控策略

              4.1 風險分析參照世界衛生組織(WHO)認可的定量微生物風險評估(QMRA)框架,氣溶膠病毒傳播風險評估過程需要識別病毒危害、暴露途徑、劑量-人體反應關系和風險表征。與普通人群相比,污水管網及污水處理系統的工作人員具有更高的生物氣溶膠接觸風險。有研究發現,污水處理廠工人具有甲型肝炎抗體的比例偏高,說明污水系統產生的氣溶膠可能會對工人健康產生危害。

              一般在封閉空間或者較近的傳播距離內,氣溶膠不斷積累致使病原微生物處于相對較高的濃度水平,若同時處于濕度平衡狀態,細菌或病毒則能保持較長的存活時間,從而增大密閉空間中暴露人群的傳播風險,因此需要重視密閉空間及其附近位點的生物氣溶膠產生的風險防控。

              氣溶膠攜帶病毒的長距離傳播風險同樣需要受到關注,大部分微生物氣溶膠顆粒動力學直徑<4.7 μm,很有可能會隨風遷移幾百米或更遠距離,細小顆粒極易被吸入肺中,給免疫力較低的工人和附近居民造成潛在健康威脅,也可能造成人體過敏反應。

              SARS-CoV-2與SARS-CoV均為冠狀病毒,兩者在傳播風險方面包括致病性、傳染性及傳染途徑等均較為相似,近50%的新冠肺炎患者糞便及尿液中可檢出新冠病毒。在重點污水排放源頭得到有效消殺管控的前提下,一般污水管網和污水處理廠的新冠病毒濃度水平會相對較低,而污水環境中包膜病毒的可存活情況一般也低于非包膜病毒。已有研究表明,污水氣溶膠生成過程中包膜病毒擴散速率也低于非包膜病毒,因此在含冠狀病毒污水排放源頭得到有效管控的前提下,污水管網和污水處理廠新冠病毒微生物氣溶膠的傳播暴露風險相對較低。

              截至目前,尚未有明確通過污水系統內污水-生物氣溶膠傳播途徑的新冠患者確診病例的流行病學報道。但是,目前對污水中冠狀病毒的實際存活能力和可感染活性均還未知,污水產生的微生物氣溶膠中的新冠病毒實際濃度水平和可感染活性情況也尚未有報道。鑒于冠狀病毒依然在污水環境中難于實現分離、回收和檢測,已有的少量可參照研究結果還存在一定不確定性,因此,在污水排放和處理過程中依然存在新冠病毒隨氣溶膠產生過程進行傳播的可能,需要十分重視污水系統微生物氣溶膠產生與傳播過程的新冠病毒風險防控。

              4.2 風險防控策略建議

              針對污水系統微生物氣溶膠產生過程的高風險病原微生物傳播風險防控,需要根據不同類別病原微生物的致病風險和傳播途徑采取科學舉措和精準施控,在充分保障污水系統穩定運行和從業人員安全防護的前提下,做到適度安全防控。

              ① 加強含有高風險病原微生物污水排放源頭的消殺管控,最大限度地降低污水排放源頭的高風險病原微生物傳播風險。傳染病患者集中診療隔離場所需強化排水消毒,病例多發小區等場所也需在高發時段內針對排放污水采取臨時強化消毒措施;新發病例或疑似病例所住樓房排水立管,應在發現病例后的第一時間進行消毒處理;居家隔離疑似患者規范使用沖水馬桶,封蓋沖水過程可在馬桶內投入適量消毒液或消毒氯片;疫情期間居民住戶每日檢查室內受水器具排水口、地漏等的水封狀況,小區物業定期檢查建筑室外排水、通氣管路密封狀況,及時修復破損。

              ② 保障污水系統安全穩定運行,降低運行過程微生物氣溶膠的產生水平。污水管網保持相對較低的安全水位運行,確保居住小區、醫院等重點防控區域排水通暢、污水管不冒溢,確保排水管網溢流口不發生溢流事件;污水泵站保持平穩運行,泵站運行控制在安全液位和水量波動區間;污水管網明顯惡臭逸散點可及時進行窨井蓋通氣孔臨時封蓋,污水泵站、污水處理廠內已具備除臭系統的應完善臭氣處理運行系統,確保產生的臭氣經抽吸及多級處理后安全排放;有條件的醫院污水處理設施宜采用全密閉(微負壓)運行,設置必要的氣溶膠消毒過程。

              ③ 加強污水系統從業人員的安全防護,嚴格管理排水泵站密閉空間,加強面向公眾的安全宣傳警示。禁止非工作人員、無防護措施的工作人員接近密閉空間;在污水泵站和污水廠內所有可能接觸污水、柵渣及其廢液、沉砂池的排砂、污泥脫水機房、污泥堆放等微生物氣溶膠暴露風險較高的生產區域或場所,應加強日常清掃和消殺;污水系統從業人員日常業務行為應加強安全防護,避免直接接觸污水或吸入微生物氣溶膠;在管網污水溢流口等微生物氣溶膠產生風險點做好面向公眾的安全宣傳與警示。

              05 結論與建議

              在污水管網和污水處理設施的運行過程中,存在多個微生物氣溶膠產生和擴散的場景。污水微生物氣溶膠產生過程受到污水流態擾動條件、病原微生物種類、污水病原微生物濃度水平等因素的綜合影響。針對污水系統微生物氣溶膠產生過程的風險防控,需要根據不同類別病原微生物的致病風險和傳播途徑采取科學舉措和精準施控。未來需要針對污水系統全流程的氣溶膠產生與擴散速率、氣溶膠載體攜帶病毒的種類和濃度、新型冠狀病毒等高危病原微生物在污水和氣溶膠中的賦存狀態及其可感染活性等方面開展深入研究工作。

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