顧敏燕

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引言

微生物氣溶膠是懸浮在空氣中的復雜膠體體系，至少包括細菌、真菌、病毒及其副產(chǎn)物、灰塵和液體等，可能引起各類傳染病、急性中毒、過敏和癌癥等，其中，呼吸道癥狀和肺部損傷最為常見[1]。微生物氣溶膠來源廣泛，例如垃圾堆置或填埋廠、醫(yī)院或?qū)嶒炇?、畜禽養(yǎng)殖廠、城市排水系統(tǒng)等。其中，城市排水系統(tǒng)作為輸送和處理污水的基礎設施，具有系統(tǒng)環(huán)節(jié)多、影響范圍大等特點，值得重點關注。城市污水中含有各種致病性病毒（例如SARS-CoV-2）[2]、耐多藥細菌、真菌和其他微生物，因此在污水產(chǎn)生、輸送和處理全過程中，任何環(huán)節(jié)導致污水中的病原微生物逸散至空氣中，都可能導致顯著的環(huán)境和健康風險，尤其是排水行業(yè)工作人員的職業(yè)健康。

隨著微生物氣溶膠關注度的提升，國內(nèi)外研究者對微生物氣溶膠的研究也逐步深入。微生物種類從早期的僅研究細菌[3]，發(fā)展到真菌和病毒；檢測方法從培養(yǎng)計數(shù)法、染色計數(shù)法發(fā)展到生物傳感器、PCR、高通測序法等；研究對象從僅針對污水處理廠，逐漸關注系統(tǒng)中其他環(huán)節(jié)，例如排水管網(wǎng)和污泥處理處置等；微生物氣溶膠在污水和空氣兩相間的逸散和擴散影響因素及其機理逐漸明確[4]；微生物氣溶膠的健康風險及評估方法逐步完善[5]；由此，提出了越來越多的微生物氣溶膠控制技術和策略[4]。

本文將全面總結(jié)國內(nèi)外研究者針對城市排水系統(tǒng)微生物氣溶膠開展的研究，包括微生物氣溶膠的采樣方法、檢測監(jiān)測方法、氣溶膠污染和健康風險分析，以及控制策略。本文旨在為城市排水系統(tǒng)運行中微生物氣溶膠檢測監(jiān)測、風險防范提供參考。

1 微生物氣溶膠檢測

1.1 采樣點選擇

城市排水系統(tǒng)在污水產(chǎn)生、輸送和處理全過程中產(chǎn)生職業(yè)健康風險的主要節(jié)點包括排水檢查井、泵站、調(diào)蓄池和污水處理廠等公眾或排水工作人員容易接觸的地方。從接觸頻率上而言，各設施的工作人員巡檢點為風險最大處；從污染濃度上而言，各排水設施微生物氣溶膠濃度較高的點位為風險最大處。因此，為識別氣溶膠風險較高的地方，研究者需要對排水系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的相關點位進行微生物氣溶膠的檢測。

研究表明[6-9]，污水處理廠的不同處理單元對微生物氣溶膠的產(chǎn)生具有顯著差異，因此采樣點通常分布在不同處理單元和廠界并設置相應的背景對照點。邱雄輝等人[7]將采樣點布置在采用奧貝爾氧化溝工藝污水處理廠的曝氣沉砂池、氧化溝、終沉池、污泥脫水車間和出水口等5 個污水處理單元以及廠區(qū)上風向100 m 處的背景值點。張俊超[10]將采樣點布置在氧化溝工藝污水處理廠的格柵間上方、配水池上方、氧化溝下風向1 m、二沉池下風向1 m、污泥脫水間中間位置和廠門口距離出口2 m 處，采樣高度為1.3 m。孫強[6]通過對比A2O 工藝污水處理廠的污泥脫水間、格柵間、曝氣池、二沉池、接觸消毒間、初沉池、辦公區(qū)等點位的微生物氣溶膠濃度特征，選擇3 個濃度較高的采樣點和1 個對照點進行進一步實驗，分別是污泥脫水間、格柵間、曝氣池和附近濕地公園。Han 等人[8]研究了北京、合肥、宜興和廣州的9 個污水處理廠的微生物氣溶膠，針對A2O 工藝，選擇了細格柵、厭氧池、好氧池、污泥脫水間和背景對照點作為采樣點；針對SBR 工藝選擇細格柵、序批式反應器、污泥脫水間和背景對照點；針對氧化溝工藝，則選擇細格柵、氧化溝反應池、污泥脫水間和背景對照點。

針對檢查井、泵站和調(diào)蓄池目前尚缺乏相關研究。與污水處理廠不同，檢查井、泵站和調(diào)蓄池通常占地不大，尤其是檢查井。檢查井微生物氣溶膠風險主要產(chǎn)生在開蓋檢查時，因此采樣點可設置在開蓋狀態(tài)下的井蓋處。泵站的集水井和撈渣間分別因為貯存污水、撈渣設備直接接觸污水可能導致氣溶膠風險較大。此外，由于中控室24 h 均有值班人員，因此中控室采樣點也需要關注。

1.2 富集技術

微生物氣溶膠采樣的方法主要有自然沉降法和儀器采樣法[11]，如表1 所示。常用的儀器采樣法包括撞擊法、離心法、過濾法和靜電沉降法等，均是通過外力作用將生物粒子收集到介質(zhì)中，進而進行下一步培養(yǎng)或分析。由于排水系統(tǒng)微生物氣溶膠十分復雜，涉及各類細菌、真菌、病毒。針對細菌，可選擇的方法較多，例如固體撞擊法、液體沖擊法、過濾法、離心法和靜電法等。真菌可選擇固體撞擊法、沖擊法、過濾法和離心法等。病毒氣溶膠采集則可采用液體沖擊法、過濾法、離心法（液體介質(zhì)）、靜電法和固體撞擊法，但采用固體撞擊法時應在瓊脂表面涂抹水溶性黏質(zhì)層[12]。根據(jù)已有排水系統(tǒng)微生物氣溶膠的研究報道，固體撞擊法是目前最常用的細菌和真菌采集方式之一。邱雄輝等人[7]采用Andersen 六級撞擊式采樣器對西安某污水廠進行氣溶膠采集，實現(xiàn)0.65～7.0 μm 以上的六級尺寸粒子分別采集。同樣的，楊唐等人[13]也采用Andersen 六級撞擊式采樣器對3 座A2O 工藝污水廠進行氣溶膠采集。此外，也有部分研究采用過濾法。楊凱雄等人[14]采用總懸浮顆粒物TSP 采樣器對長三角地區(qū)某污水廠（SBR）進行氣溶膠采集，濾膜材質(zhì)為玻璃纖維，實現(xiàn)0.1～6 μm范圍內(nèi)粒子的捕捉。針對病毒的富集，液體沖擊法和過濾法使用較為廣泛。Fannin 等人[15]利用液體沖擊式LVS 采樣器實現(xiàn)污水處理廠氣溶膠腸道病毒富集。Myatt 等人[16]利用過濾法和固體撞擊法對低濃度呼吸道病毒進行富集，對比研究表明，過濾法結(jié)合PCR 的檢測方法比撞擊式結(jié)合細胞培養(yǎng)的方法具有更高的病毒富集效率。

表1 微生物氣溶膠富集技術

1.3 檢測技術

排水系統(tǒng)各點位微生物氣溶膠采集后，需要進一步根據(jù)不同目的對微生物的種類、濃度或粒徑進行檢測。表2 列舉了部分常見微生物氣溶膠檢測方法及其原理和優(yōu)缺點。檢測方法根據(jù)測試目的選擇，還應與適宜的氣溶膠采樣方法搭配。細胞培養(yǎng)計數(shù)法是較常用的定量方法，可與固體撞擊法、液體沖擊法或過濾法等氣溶膠采集方法組合。楊凱雄等人[14]利用過濾法進行氣溶膠采集，配合細胞培養(yǎng)計數(shù)法和高通測序法測定了污水處理廠氣溶膠中的細菌濃度和種類；楊唐等人[13]和邱雄輝等人[7]采用六級撞擊式采樣器進行氣溶膠采集，利用差別化的細胞培養(yǎng)計數(shù)法測定了污水處理廠氣溶膠中細菌和真菌的濃度和粒徑分布。Guzman 等人[17]和Williams 等人[18]采用BGM 細胞培養(yǎng)法分別測定了生污泥、消化后脫水污泥和堆肥污泥的腸道病毒濃度，以及初沉污泥的腺病毒濃度。除了細胞培養(yǎng)計數(shù)法之外，一些更先進的分子生物學技術和基因檢測技術也逐漸運用到排水系統(tǒng)微生物的檢測中。Monpoeho 等人[19]、Prado 等人[20]和Albinana-Gimenez 等人[21]利用RT-PCR 法分別檢測了初沉污泥、活性污泥、濃縮污泥和消化污泥的腸道病毒濃度，活性污泥的輪狀病毒,生污泥和活性污泥的腺病毒以及活性污泥的甲型肝炎病毒。Han等人[8]以過濾法采樣配合高通測序法，對9 個污水處理廠中95 種細菌和22 種真菌進行了定性和定量檢測。

2 微生物氣溶膠監(jiān)測

由于微生物氣溶膠單次檢測無法對排水系統(tǒng)工作人員或公眾進行長期的警示和保護，因此實時監(jiān)測同樣十分重要，尤其針對長期暴露和氣溶膠風險波動較大的點位。監(jiān)測技術相比于檢測技術要求更高，需要滿足24 h 連續(xù)在線、不使用或者少使用耗材和試劑，以及操作簡單，檢測快速。表2 中的部分氣溶膠檢測技術也具有作為監(jiān)測手段的可行性，例如生物傳感器法、流式細胞計數(shù)法、QPCR 法和質(zhì)譜法等，但是需要開發(fā)相應的配套設備。以美國TSI、美國PMS、日本Bioviaila 和中科院上海光學精密機械研究所為例，目前國內(nèi)外企業(yè)或研究機構(gòu)開發(fā)了利用激光誘導空氣中微生物粒子產(chǎn)生熒光的監(jiān)測手段，分辨率達到1 個微生物粒子。此外，美國和芬蘭應用紫外技術誘導活微生物產(chǎn)生紫外熒光?？梢?，在實時監(jiān)測技術中，激發(fā)生物熒光成為了目前的主要技術途徑之一。

表2 微生物氣溶膠檢測技術

3 微生物氣溶膠污染解析和健康風險分析

3.1 粒徑、濃度和種屬解析

在通過以上方法獲得數(shù)據(jù)的基礎上，對其展開深入的數(shù)據(jù)解析是風險分析的基礎。在粒徑方面，研究表明，尺寸小于10 μm 的顆粒物可以進入鼻腔、小于7 μm 則可以進入咽喉，而小于2.5 μm 的顆粒物可深入肺泡并沉積，加入血液循環(huán)系統(tǒng)[23]。此外，粒徑越小則活性更強，壽命也越長，小于0.1 μm 的氣溶膠顆?？稍诖髿庵袦?0年以上。因此，微生物氣溶膠粒徑分析是氣溶膠檢測中重要的部分。固體碰撞法通常使用的Andersen 六級撞擊式采樣器具有6 級篩孔，可分別采集不同粒徑的氣溶膠粒子，1級：≥7 μm，2 級：4.7～7 μm，3 級：3.3～4.7 μm，4 級：2.1～3.3 μm，5 級：1.1～2.1 μm，6 級：0.65～1.1 μm。6級采樣粒徑分別針對1 級不可進入人體、2 級進入咽喉、3 級進入氣管和支氣管、4 級進入第二支氣管、5級進入端支氣管、6 級進入肺泡。Andersen 八級撞擊式采樣器也是同理。此外，光學顯微鏡、電子顯微鏡等都可以測試氣溶膠粒子的準確直徑分布。

微生物氣溶膠濃度也是影響氣溶膠風險的重要因素，是氣溶膠暴露計量模型和健康風險評價模型的重要參數(shù)。研究表明，不同溫度和濕度、風速、光照，不同的排水系統(tǒng)設施，污水處理廠不同處理工藝等，都會引起微生物氣溶膠濃度的顯著差異。而微生物氣溶膠種屬的鑒定能夠判斷氣溶膠的危害程度，例如脊髓灰質(zhì)炎病毒和諾如病毒[24]能夠在污水處理廠逸散的氣溶膠中檢測到。盡管目前的風險評價模型中沒有種屬的相關參數(shù)，但是種屬的測定對于防止強致病菌、病毒侵害十分必要。

3.2 健康風險評價

健康風險評價步驟主要包含暴露計量模型、暴露因子參數(shù)選取和健康風險評價模型。不同暴露途徑的計算模型如公式（1）和（2）所示，健康風險評價模型如公式（3）和（4）所示[9]。

式中：ADD呼吸呼吸為呼吸系統(tǒng)平均暴露量，CFU/d/kg；C 為微生物氣溶膠濃度，CFU/m3；IR 為呼吸速率，m3/d；EF 為暴露頻率，d/a；ET 吸入為呼吸吸入暴露年限，a；ADD皮膚為皮膚接觸平均暴露量，CFU/d/kg；SA 為接觸皮膚表面積，m2；Pc 為皮膚滲透率，m/h；ET皮膚為皮膚接觸途徑暴露時間，d；BW 為人體質(zhì)量，kg；AT 為預期壽命，d。

式中：HQ 為非致癌風險商，表示各個暴露途徑單個污染物的非致癌風險；RfD 為參考劑量，CFU/d/kg；HI 為多污染物多暴露途徑的非致癌總風險。

4 微生物氣溶膠控制策略

4.1 源頭覆蓋

污水處理廠的各環(huán)節(jié)，尤其是曝氣池，通常可通過定期清潔或輕質(zhì)材料覆蓋達到防止逸散的效果。目前，鉸鏈蓋已用于覆蓋全規(guī)模處理設施中的生物氣溶膠源[25]。其他研究也建議采用覆蓋源頭的方法來減少生物氣溶膠的排放[26]或者設計不直接暴露到空氣中的設備[27]。目前國內(nèi)大多數(shù)城市的污水處理廠開始采用全覆蓋的設計方案，能夠從源頭避免氣溶膠的逸散，同樣的，針對排水系統(tǒng)中的檢查井、泵站、調(diào)蓄池等其他設施，也大多采用全覆蓋的方式。但有研究表明覆蓋可能會使導致曝氣池氧氣傳輸受限，因此通常蓋子都有開口，仍然可能導致氣溶膠釋放[28-29]。

4.2 自由漂浮載體介質(zhì)

另一種策略是使用自由漂浮載體介質(zhì)（FFCM），這種介質(zhì)由低密度材料組成，可放置在水面上用來阻止微生物氣溶膠的釋放。Hung 等人[30]在實驗室規(guī)模的生物反應器中使用聚苯乙烯球珠，研究表明，隨著球體粒徑的減小，氣溶膠減排量增加；使用多層球珠結(jié)構(gòu)，可以適度提高目標物的捕獲效率。在電鍍和污水曝氣實驗中，自由漂浮載體介質(zhì)在去除或防止大多數(shù)氣溶膠顆粒的釋放上，效果十分有效，最多可達90%左右。Noh 等人[31]研究發(fā)現(xiàn)在膜生物反應器中引入粉末活性炭（PAC）會增加細菌絮體的形成，并減少游離細菌數(shù)量。目前還沒有在實際污水處理廠進行FFCM 實驗的相關研究。

FFCM 目前仍然面臨兩個方面的挑戰(zhàn)，一是曝氣過程，尤其是機械曝氣，可能會將介質(zhì)沿水流推離生物氣溶膠源，從而降低其有效性。二是需要經(jīng)常清潔或更換?？傮w而言，F(xiàn)FCM 用于排水系統(tǒng)微生物氣溶膠排放控制的研究仍處于早期階段。在實際排水處理設施中的有效性還需要進一步研究。

4.3 有效消毒滅菌

常見的空氣消毒方法有以下幾種：物理法、化學法和其他消毒法。

物理法中以紫外消毒最為常見，但此法的消毒效果會收到諸多因素的影響，如照射強度、溫度、氣流等條件的差異等[32]，故紫外消毒法在實際的使用中有明顯的局限性。另一種常見物理法是等離子體消毒法，其原理是利用電離產(chǎn)生的活性氧化物破壞細胞膜的活性成分，從而實現(xiàn)殺菌效果，有研究表明這種方法的殺滅效果能達到98.9%[33]，此外如層流凈化、靜電沉積、空氣離子消毒等均屬于物理消毒法，但這些方法均適用于相對密閉的空間，有明顯的局限性。

化學消毒法顧名思義就是物質(zhì)的化學特性實現(xiàn)消毒，主要分為兩類：利用強酸堿性物質(zhì)進行高效的終末消毒等；另一類是通過強氧化性破壞細菌活性的方法，如臭氧和過氧乙酸等消毒方法。但化學法普遍存在損害人和動物健康的缺陷，還可能污染環(huán)境[34]。

其他方法有生物消毒法、中草藥消毒法、光催化消毒法、多因子協(xié)同法等。

5 結(jié)論

城市污水中含有各種致病性病毒、耐多藥細菌、真菌和其他微生物，在污水產(chǎn)生、輸送和處理全過程中，微生物氣溶膠的檢測監(jiān)測和健康風險評估具有重要意義。本文總結(jié)了國內(nèi)外研究者在排水系統(tǒng)微生物氣溶膠檢測和防控方面進行的研究。微生物氣溶膠富集、采樣點的選擇、檢測和監(jiān)測和健康風險評估是評估排水系統(tǒng)氣溶膠污染的四個關鍵步驟。其中富集和檢測監(jiān)測技術的選擇建議根據(jù)不同的目的進行，尤其是注意富集和檢測技術的合理搭配。健康風險評估能夠為控制措施的制定和實施提供依據(jù)。