夏 夢 蘇益明 陳家斌 周雪飛 張亞雷

(同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092)

全球范圍內(nèi)由病毒污染環(huán)境引起流行性傳染病暴發(fā)的事件不斷發(fā)生，嚴重威脅著人類健康。2003年，中國香港高層住宅區(qū)暴發(fā)的涉及300多人的SARS疫情被提出與一個有缺陷的污水處理系統(tǒng)有關(guān)[1]。目前，在全國暴發(fā)的新型冠狀病毒已證實的傳播途徑主要為飛沫和接觸傳播，氣溶膠傳播途徑尚待進一步明確。而近期專家在部分病患糞便標本中檢測到了新型冠狀病毒，這預示著新型冠狀病毒存在糞口傳播風險[2]。針對這一發(fā)現(xiàn)，《關(guān)于做好新型冠狀病毒感染的肺炎疫情醫(yī)療污水和城鎮(zhèn)污水監(jiān)管工作的通知》(環(huán)辦水體函〔2020〕52號)，為醫(yī)療和城鎮(zhèn)污水的處理提出了新要求。對于傳統(tǒng)污水處理系統(tǒng)，污水一級、二級處理工藝很難完全去除病毒或滅活病毒[3]，在疫情暴發(fā)期間很難達標排放。針對新型冠狀病毒疫情期病毒污水防控的特殊需求，本研究重點綜述了對病毒具有高效物理篩分和截留作用的膜分離工藝和對病毒具有滅活作用的紫外線、液氯/二氧化氯、臭氧3種消毒工藝，綜合評估了不同污水處理工藝殺滅病毒的能力，為新型冠狀病毒暴發(fā)期污水安全處理提供參考依據(jù)。

1 水體中病毒的賦存及分布特性

水體中病毒的賦存主要指通過相關(guān)檢測表征病毒是否存在，與其存在形式與結(jié)合狀態(tài)無關(guān)[4]9。

1.1 自然水體中病毒的賦存及傳播途徑

病毒是一類蛋白質(zhì)外殼包裹核酸(DNA和RNA)的微小非細胞生命形態(tài)，一旦脫離宿主進入自然環(huán)境后不能進行自我復制與增殖，但在天然狀態(tài)下能長期存活并保持感染活力，如腸道、輪狀、甲型肝炎和諾如等病毒在自然水體中存活時間可長達1個月以上并保持強感染性[5]2。目前，已發(fā)現(xiàn)有700余種介水傳播病毒，它們中大多數(shù)可穩(wěn)定存在于各類水體中并能隨水四處流動傳播[4]2。

病毒在水體中的傳播主要通過飲用水、食物和直接接觸3種方式進行傳播。飲用水傳播主要是大量病毒顆粒通過感染者的糞便或嘔吐物排入污水中[6]，然后未處理或處理不充分的污水進入受納自然水體，進而污染飲用水源，人飲用后造成傳染病的發(fā)生。近年，一些飲用水傳播病毒性疾病暴發(fā)案例見表1。

表1 飲用水傳播病毒性疾病暴發(fā)案例

直接接觸傳播主要通過暴露在受病毒污染的景觀娛樂水體中直接接觸黏膜或傷口進入人體造成污染病的發(fā)生。XAGORARAKI等[19]報道了美國某海灘人體腺病毒為103個/L。而病毒在景觀娛樂水體中的出現(xiàn)增加了人體暴露風險。有報道稱，暴露在病毒污染嚴重的區(qū)域，感染耳朵、眼睛、腸胃或呼吸道疾病的風險是在未受病毒污染區(qū)域的兩倍以上[20]。

1.2 污水和污泥中病毒的賦存及分布特性

城市污水中含有大量的病原體。污水中的病毒一般會附著在泥砂、黏土、礦物等懸浮固體表面，這可在某種程度上對病毒起保護作用，使病毒具有一定的逆境抗性從而延長其存活時間[5]19。特別是當病毒顆粒以聚集狀態(tài)存在時，可提高其在不利環(huán)境因素下的存活幾率，很大程度上病毒僅是從液相轉(zhuǎn)移到了固相，即病毒被轉(zhuǎn)移到污泥中。病毒在污水和污泥中的存活主要受污水、污泥的溫度、鹽度和成分等的影響。有報道稱，腸道病毒在22 ℃時滅活效率最高[21]443；冠狀病毒滅活受溫度影響極大[22]。污水成分對病毒具有復雜的影響機制，污水中的一些細菌，如克雷伯氏菌、產(chǎn)氣桿菌、枯草桿菌、綠膿桿菌等可引起病毒滅活，一般認為，這些細菌的分泌物具有蛋白酶的作用從而能破壞病毒蛋白衣殼使其滅活，或通過細菌直接捕食使病毒去除[4]9；污水中一些藻類產(chǎn)生的多糖、多肽及小分子代謝產(chǎn)物等可使病毒滅活；污水中的懸浮物和有機物可提高病毒在水環(huán)境中的生存能力。此外，污泥的干化過程對病毒存活有較大影響，在污泥干化過程中加入石灰等物質(zhì)提高pH，能明顯提高病毒去除率[4]10。

2 不同污水處理工藝對病毒去除作用的評估

污水處理過程主要通過分離和滅活兩種方式降低病毒濃度。分離是指病毒附著在顆粒物或絮體(如沙礫、污泥、混凝劑形成的絮體等)上，通過沉淀或過濾將病毒從污水中去除。滅活是指病毒受環(huán)境因素或消毒劑作用后喪失感染能力[4]19。污水處理工藝對病毒的殺滅效果通常用病毒對數(shù)消減量(即出水與進水中病毒數(shù)量比的對數(shù))表示[23]3607。污水的一級處理主要是對附著病毒顆粒物進行分離沉淀。研究表明，一級處理工藝對病原微生物的去除效果較弱，甚至有研究表明，一級處理工藝有時會使污水中病毒數(shù)量不降反增；二級處理的活性污泥法被認為是減少病毒最有效的方法，病毒對數(shù)消減量約1.0～1.6，比一級處理工藝多減少1左右[24]。然而，它們大多不能滅活病毒，僅是將病毒從液相中轉(zhuǎn)移出來。三級處理工藝對污水中較大顆粒病毒有顯著去除效果，此物理過程可有效去除污水中90%～99%的病毒[21]444-446。但較小病毒膠體顆粒(<10 μm)仍然殘存在水體中，存在危害人體健康的潛在風險，需要進一步消毒滅活。

2.1 膜分離技術(shù)

膜分離包括微濾、超濾、納濾和反滲透等。HAI等[23]3607-3608評價了不同膜材料對MS2噬菌體的去除效率，結(jié)果表明，微濾對MS2噬菌體的對數(shù)消減量最低，僅為<1.79，超濾對MS2噬菌體的對數(shù)消減量較高(≥3)，反滲透對MS2噬菌體的對數(shù)消減量最高(>6.5)，但反滲透系統(tǒng)的造價及運行成本較昂貴，普通污水處理很少應(yīng)用。

2.1.1 超濾法

以壓力為推動力的膜分離技術(shù)之一的超濾法，用于改善污水水質(zhì)，特別是提升再生水水質(zhì)，清除病毒效果良好[25]23。QIU等[26]研究發(fā)現(xiàn)，諾如、輪狀、沙坡、星形、腺、腸道和JC病毒通過超濾處理后，病毒對數(shù)消減量達到4.61～6.69。超濾法對于不同病毒的去除存在明顯差異性，這種差異可能取決于病毒的顆粒大小、結(jié)構(gòu)、膜孔徑和膜的靜電吸附作用等[27]。OTTOSON等[28]在比較超濾去除病毒的研究中發(fā)現(xiàn)，超濾對腸道病毒的去除效果較好，而對諾如病毒的去除效果較差。研究發(fā)現(xiàn)，聚砜類超濾膜(10～300 ku)對病毒的對數(shù)消減量≥3，其中100、150 ku聚醚砜超濾膜的病毒對數(shù)消減量分別為3.54、>4.89；醋酸纖維素超濾膜(100 ku)的病毒對數(shù)消減量>6[23]3608。此外，水質(zhì)條件也可影響超濾法對病毒的去除效果。LEE等[25]28等研究表明，調(diào)整水質(zhì)pH為5.5，混凝/超濾法的病毒去除率顯著提升。雖然超濾法可有效降低病毒在水體中水平，但是其造價及運行成本都較昂貴，因此仍然需要進一步開發(fā)新型的膜分離技術(shù)。

2.1.2 膜生物反應(yīng)器(MBR)

MBR是一種將污水生物處理技術(shù)與膜分離技術(shù)相結(jié)合的新型污水處理工藝。研究表明，MBR對病毒的去除最初主要依靠膜表面和膜孔徑的吸附作用，隨著膜污染程度的加劇，膜表面的濾餅層和凝膠層的截留機制對病毒的去除起主要作用[23]3616。MBR的病毒對數(shù)消減量為3.4～6.8[29-30]。需要注意的是，水質(zhì)條件(懸浮物固體濃度、粒度分布、溶解性有機物濃度和黏度等)會影響膜污染，進而影響其去除病毒的效能。有研究表明，投加氫氧化鐵、生物鐵、氯化鐵等可有效緩解MBR膜孔阻塞，提高膜組件對細菌、病毒的截留效果[31]。此外，MBR運行參數(shù)也是影響病毒去除的重要因素，研究表明，較長水力停留時間和較短污泥齡可提高病毒的去除率。

儀器的流量分為工況流量和刻度流量，工況流量即設(shè)備在使用環(huán)境下的實際流量，刻度流量，即標準狀態(tài)下的流量，有些儀器的刻度狀態(tài)是(0 ℃，101.325kPa)，有些設(shè)備的刻度狀態(tài)為(20 ℃，101.325kPa)，也有些其他特殊的狀態(tài)，具體以被檢設(shè)備為準。在測量重復性和穩(wěn)定性時我們要讀取的數(shù)值為檢定點的工況流量，但在測量示值誤差時我們則需要讀取刻度狀態(tài)下的流量。采樣器的流量計上有些顯示的是工況流量，有些顯示的是刻度狀態(tài)下的流量，如果為工況流量，像安裝浮子流量計的采樣器，這時我們必須對流量示值加以換算，在氣路壓力為0kPa情況下測量的流量，具體過程按公式(1)進行計算。

2.2 消 毒

2.2.1 紫外線消毒法

紫外線主要起殺菌作用的波長在254～257 nm，該波段可滿足微生物內(nèi)部DNA和RNA的能量吸收，導致堿基對發(fā)生聚合，進而阻止蛋白質(zhì)合成，使得微生物不能繁殖，達到殺滅微生物的目的[32]6。其消毒效果受水溫、pH影響小，但受濁度及水中懸浮物影響較大。紫外線消毒的廣譜高效性意味著其對病毒具有很好的滅活效果。研究表明，實際水處理中，紫外線消毒劑量一般為40～140 mW·s/cm2，當紫外線消毒劑量為30～45 mW·s/cm2時就可高效去除二級處理和深度處理出水中病毒和鏈球菌[33]。本次流行的新型冠狀與SARS病毒同屬于冠狀病毒。研究表明，在40 mW·s/cm2紫外線輻射下作用2 min可將SARS病毒的感染性完全殺滅[34]。目前，《新型冠狀病毒肺炎診療方案(試行第七版)》也提出新型冠狀病毒對紫外線敏感。雖然紫外線消毒法能在短時間內(nèi)殺死大部分病原體，但其滅菌作用只在其輻照期間有效，不具有殘余的消毒能力。另外，微生物細胞自身修復和光修復作用容易使水體重新被污染。紫外光燈的穩(wěn)定性和老化問題也是紫外線消毒過程中亟待解決的難題。

2.2.2 液氯/二氧化氯消毒法

液氯消毒作用主要依靠HOCl的強氧化性來實現(xiàn)。當液氯進入水中后會立刻水解生成具有強氧化性的HOCl和ClO-，HOCl是分子量很小的電中性分子，容易滲透擴散進帶有負電的微生物細胞內(nèi)，破壞其胞內(nèi)的酶系統(tǒng)，導致致病菌死亡[32]7。液氯消毒對水質(zhì)pH敏感，由于實際待消毒水體中含有氨氮，向水中投氯后，HOCl與氨分段反應(yīng)過程影響消毒作用，當pH>9.0時，幾乎只生成一氯胺；當pH約為7.5時，生成數(shù)量相當?shù)囊宦劝泛投劝?；在pH<6.5時，二氯胺占優(yōu)勢；當pH<4.5時，三氯胺生成。導致氨氮和起氧化作用的氯完全從溶液中消失的點稱為折點。折點后剩余氯是游離態(tài)的有效余氯，這時消毒效果最好。城市深度處理出水消毒需要的氯劑量5～20 mg/L、接觸反應(yīng)時間30～60 min。當污水中游離余氯量保持0.5 mg/L以上時可保證完全滅活污水中的SARS病毒[35]69。實際應(yīng)用中，液氯消毒的有效性取決于液氯投加量，若液氯投加量過少則消毒效果不明顯，投加量過多會造成二次污染[36-37]，因此必須根據(jù)實際情況確定投氯的裝置和設(shè)備，使其達到理想的消毒效果又避免二次污染[32]7。

二氧化氯消毒較液氯具有明顯的優(yōu)越性，它是一種強氧化劑，在水中的溶解度是氯的5倍，氧化能力是氯的2.63倍，其殺菌作用不受pH影響，可在廣泛的pH(3～9)范圍內(nèi)殺滅水中的細菌和病毒。但受水溫影響較大，低溫時需要提高二氧化氯投加量。目前，二氧化氯滅活病毒的機制存在兩種不同的觀點，一種是病毒核酸直接發(fā)生致死性損害滅活病毒；另一種是病毒蛋白衣殼變性滅活病毒[38]。雖然二氧化氯對不同病毒的滅活機制不同，但研究表明，二氧化氯對多種病毒均具有良好的滅活效果，當pH為3～7、劑量7 mg/L、接觸反應(yīng)10 min時可有效滅活脊髓灰質(zhì)炎、柯薩奇、?？伞⑾?、單純胞疹和流行性腮腺炎等病毒[39]。當污水中二氧化氯保持2.19 mg/L以上時可保證完全滅活污水中的SARS病毒[35]69。

2.2.3 臭氧消毒法

臭氧消毒對病毒、芽孢等具有強大的殺傷力，是目前最有效的一種消毒劑[40]，其滅活病毒的機制根據(jù)主要破壞的是病毒衣殼還是核酸而存在差異。臭氧消毒不殘留有害物質(zhì)，不存在二次污染的可能性，其消毒在寬泛的水體溫度和pH范圍內(nèi)均有效，在低濁度(≤1 NTU)和低有機物的水體中，臭氧消毒5 min后，剩余臭氧量約為0.1 mg/L可滿足消毒要求。在城市污水消毒中，1～10 mg/L的臭氧量接觸反應(yīng)15 min就能把細菌和病毒殺死。水中臭氧為17.82 mg/L作用4 min可使SARS病毒完全滅活[41]。有研究表明，臭氧對醫(yī)院污水消毒的最優(yōu)工藝條件為pH=9、5 ℃、反應(yīng)60 s、臭氧投加量20 mg/L，此時對糞大腸菌群的對數(shù)消減量可達到3.37[32]59-60。

3 新型冠狀病毒疫情期病毒污水應(yīng)急處理技術(shù)

根據(jù)不同污水處理工藝去除病毒的效果，現(xiàn)從以下4個方面提出新型冠狀病毒疫情期病毒污水應(yīng)急處理技術(shù)：

(1) 強化污染源污水管理控制，防止污染擴散。對于近期中國暴發(fā)的新型冠狀病毒，研究人員已在感染者糞便中檢測到病毒存在。因此，做好相關(guān)場所，特別是醫(yī)院污染源管理控制是防止污染擴散的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對已設(shè)有污水處理設(shè)施的醫(yī)院應(yīng)強化污水處理，適當調(diào)整消毒劑投加量，確保各項消毒指標均能達標排放。對于中小型及鄉(xiāng)鎮(zhèn)醫(yī)院，絕大多數(shù)的污水基本沒有經(jīng)過嚴格處理[42]，因此不得直排進入城市污水排水管網(wǎng)，應(yīng)當采用專用的容器收集病區(qū)人員的排泄物，進行單獨消毒處理，或進行改建增設(shè)污水處理設(shè)施，以保證排水的安全性。

(2) 適當調(diào)整污水處理工藝，快速滅活病毒。疫情暴發(fā)期污水處理廠應(yīng)適當調(diào)整消毒工藝，暫停再生水使用。對于采用氯消毒的項目，應(yīng)適當調(diào)整氯投加量，保持出水中有適當?shù)挠嗦?；對于采用紫外線消毒的項目，由于其沒有后續(xù)消毒作用，建議增加臨時管道投加氯消毒劑做輔助；對于采用臭氧消毒的項目，應(yīng)適當調(diào)整其投加量和接觸反應(yīng)時間；對于采用膜分離的項目，應(yīng)密切關(guān)注膜污染情況，可適當投加藥劑進行調(diào)控，試劑可采用聚合氯化鋁或多核類絮凝劑，投加量宜為20～50 mg/L。此外，應(yīng)加強生化系統(tǒng)監(jiān)控，進水中如存在過量余氯，將會降低或抑制活性污泥的活性，影響生物處理單元的正常運行，故需對活性污泥形狀進行密切觀察。疫情期間，應(yīng)密切觀察進出水水質(zhì)水量變化，提前預判并及時調(diào)整工藝參數(shù)，確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

(3) 關(guān)注污泥處理處置，防止病毒擴散傳播。疫情期間各處理單位應(yīng)適當減少生化池污泥各項指標的檢測頻次，密切關(guān)注在線污泥濃度。如有異常，及時比對儀表并化驗檢測，同時做出相應(yīng)調(diào)整。對于污泥的處理處置，疫情期間應(yīng)當充分考慮相關(guān)病毒學安全性問題，建議提高污水處理廠污泥熱干化溫度，或在污泥干化環(huán)節(jié)增設(shè)消毒工藝，消毒劑可采用液氯、次氯酸鈉或過氧乙酸等，進一步提高滅活病毒的效率。建議污泥的各處理環(huán)節(jié)在全密閉環(huán)境中進行，防止病毒傳播擴散，當污泥相應(yīng)指標符合要求后進行衛(wèi)生填埋或焚燒處置。

(4) 加強工作環(huán)境安全，落實個人防護措施。疫情期間，預處理單元應(yīng)該保持良好的通風和除臭，污水渠道和相關(guān)設(shè)備保持密閉，防止臭氣和病菌散發(fā)。生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)所有可能接觸污水、污泥的生產(chǎn)區(qū)域，應(yīng)每日消毒處理。來水水質(zhì)水量穩(wěn)定的情況，進出水指標應(yīng)盡量以在線監(jiān)測設(shè)備自動檢測為主，視情況減少人工取樣化驗頻率。對需要人工檢測的項目，取樣人員應(yīng)當做好相應(yīng)防護措施：①取樣前應(yīng)正確佩戴防護用品；②取樣時應(yīng)避免身體部位與污水直接接觸；③檢測期間，應(yīng)打開通風系統(tǒng)；④檢測完成后，要對取樣器材、化驗室進行消毒；⑤離開工作場所前，摘除口罩、防護鏡等集中消毒或處理；⑥離開工作場所后，及時做好個人清潔工作。

4 結(jié) 論

新型冠狀病毒的暴發(fā)嚴重威脅人民身體健康，而其潛在的糞口傳播途徑更對公眾健康造成隱患。因此，疫情暴發(fā)期含病毒污水的安全處理顯得尤為重要。在綜述了對病毒具有高效物理篩分和截留作用的膜分離工藝和對病毒具有滅活作用的紫外線、液氯/二氧化氯、臭氧3種消毒工藝的基礎(chǔ)上，針對疫情期病毒污水的防控提出了應(yīng)急處理技術(shù)：(1)病毒污水的源頭控制至關(guān)重要；(2)污水及污泥的處理工藝應(yīng)適當調(diào)整，以滿足排放標準和處置要求；(3)應(yīng)當加強相關(guān)工作人員個人防護措施。