新冠病毒在污水處理廠的分布特征及去除特性研究進(jìn)展

2019 年暴發(fā)的新型冠狀病毒肺炎疫情引發(fā)了全人類的健康危機(jī)。新冠病毒存在糞口傳播的可能性,病毒進(jìn)入污水處理廠后帶來(lái)二次傳播風(fēng)險(xiǎn),污水的安全處理對(duì)疫情防控具有重要意義。針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外關(guān)于新冠病毒的研究現(xiàn)狀,主要介紹了新冠病毒在污水處理廠中的分布特征,歸納了新冠病毒在不同介質(zhì)中的濃度范圍、賦存特性,并基于當(dāng)前污水處理廠的處理工藝,分析并總結(jié)了病毒在不同介質(zhì)中的去除機(jī)理。針對(duì)污水處理過(guò)程中病毒的控制提出建議,以期為今后醫(yī)療廢水、城鎮(zhèn)污水中病毒的處理以及污水處理廠的穩(wěn)定運(yùn)行提供參考。

研究亮點(diǎn)

1、歸納并總結(jié)了新冠病毒在污水廠不同介質(zhì)中的分布特征、濃度范圍及賦存特性；

2、根據(jù)當(dāng)前污水廠常用處理工藝，分析新冠病毒及相關(guān)病毒在不同介質(zhì)、不同構(gòu)筑物中的去除機(jī)理；

3、總結(jié)了針對(duì)污水中病毒的工藝流程，為今后污水中病毒的處理提供參考

由新型冠狀病毒(COVID-19)感染的肺炎疫情嚴(yán)重威脅人類健康，這是全球性的公共健康危機(jī)。新冠病毒與SARS較為類似，均屬于包膜病毒，擁有極強(qiáng)的傳染能力，主要通過(guò)飛沫傳播和接觸傳播，也存在著氣溶膠及糞口傳播的可能性。病毒可能通過(guò)感染患者的糞便排出體外，進(jìn)而通過(guò)排水系統(tǒng)進(jìn)入污水處理系統(tǒng)。因此，污水處理廠作為排水系統(tǒng)的終端處理設(shè)施，防止病毒擴(kuò)散、保障水環(huán)境安全的任務(wù)尤為重要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)污水處理廠新冠病毒的防控進(jìn)行研究，檢測(cè)不同污水處理廠新冠病毒的濃度，分析部分構(gòu)筑物對(duì)病毒的去除效果，然而對(duì)于新冠病毒在污水處理廠分布情況以及濃度范圍缺乏系統(tǒng)介紹與歸納，在不同介質(zhì)中新冠病毒去除過(guò)程還不夠清晰。我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠已配備基本的消毒措施，以有效切斷病毒和其他病原微生物的傳播。但新冠疫情的暴發(fā)對(duì)醫(yī)療廢水和城鎮(zhèn)污水的處理提出了更高的要求，分析和梳理新冠病毒在污水處理廠的分布特征與去除特性對(duì)疫情防控具有重要意義。本文介紹了新冠病毒在污水處理廠的分布特征，梳理了新冠病毒在不同介質(zhì)中的濃度范圍，分析了各處理工藝針對(duì)病毒的消殺性能及去除特性，總結(jié)了污水中病毒的處理思路，為污水處理廠病毒的風(fēng)險(xiǎn)防控提供依據(jù)和參考。

1、新冠病毒在污水處理廠的分布特征

新冠病毒隨著醫(yī)院廢水、市政污水等排放后，經(jīng)污水管道最終進(jìn)入污水處理廠。一方面，新冠病毒通過(guò)吸附與解吸作用實(shí)現(xiàn)在水相與固相間的相互遷移。另一方面，病毒會(huì)隨著廢水中顆粒的霧化溢出至氣溶膠內(nèi)，并隨著氣溶膠的沉降作用又將新冠病毒重新帶回污水以及土壤中(圖1)。各國(guó)研究者為更好防控疫情，研究新冠病毒在不同介質(zhì)中的賦存特征，檢測(cè)并定量新冠病毒的濃度范圍，分析新冠病毒的傳播能力與影響情況。不同介質(zhì)中新冠病毒的分布與濃度如表1所示。

1.1 水相中新冠病毒的存在與濃度

為了解新冠病毒當(dāng)前及未來(lái)的暴發(fā)情況，各國(guó)研究者采用污水流行病學(xué)，對(duì)歐美、亞洲等多地污水處理廠進(jìn)行新冠病毒檢測(cè)分析。檢測(cè)結(jié)果顯示，新冠病毒含量在102～108copies/L，大部分污水處理廠的新冠病毒含量在104～106copies/L，最高為印度某污水處理廠，廢水中新冠病毒含量高達(dá)2.419×108copies/L。Randazzo等在新冠疫情影響非常小的La Murgia地區(qū)檢測(cè)到新冠病毒，其含量高達(dá)105.17～105.59copies/L，進(jìn)一步顯示了新冠病毒在污水中的傳播能力。通過(guò)對(duì)污水中新冠病毒的監(jiān)測(cè)，反映新冠病毒在該地區(qū)的傳播情況，能夠提供新冠病毒暴發(fā)的預(yù)警信息，指導(dǎo)疫情防控。

1.2 固相中新冠病毒的存在與濃度

新冠病毒在固相中的分布主要集中于糞便、污泥與土壤中。一方面，新冠病毒以糞污或嘔吐物的形式排入下水管道，隨污水進(jìn)入污水處理廠。污水中的病毒通過(guò)吸附與沉淀作用分別轉(zhuǎn)移至懸浮顆粒與污泥中。另一方面，部分含有病毒的污水/污泥用于農(nóng)田灌溉與施肥，病毒再次轉(zhuǎn)移至土壤中。除此之外，污水霧化形成的病毒氣溶膠顆粒以沉降方式進(jìn)入土壤，并在土壤中沉積。

研究發(fā)現(xiàn)，新冠病毒在不同固相中的濃度有所不同。糞便中檢測(cè)出的新冠病毒含量最高，約為106～108copies/g；而在患者治療后一周，糞便中新冠病毒含量逐漸降至103copies/g。含有新冠病毒的糞便進(jìn)入污水處理廠進(jìn)行處理后，新冠病毒在污泥中的濃度有所下降，含量為103～105copies/mL。Balboa等發(fā)現(xiàn)，新冠病毒遺傳物質(zhì)在某些污泥中的濃度更高，病毒顆粒對(duì)生物固體的親和力更強(qiáng)，因此，新冠病毒可優(yōu)先在污泥中進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.3 氣相中新冠病毒的存在與濃度

新冠病毒在污水處理廠中通過(guò)霧化作用，以微生物氣溶膠的形式污染周邊環(huán)境，其含量在102copies/m3左右。在金銀潭醫(yī)院、火神山醫(yī)院的調(diào)節(jié)池內(nèi)，COVID-19的氣溶膠含量分別為285、603 copies/m3。因此，污水處理站設(shè)計(jì)過(guò)程中尤其需要注重構(gòu)筑物密封效果，減少污水在提升、曝氣、攪拌等過(guò)程中,新冠病毒以氣溶膠形式釋放至周邊環(huán)境。

研究表明，分離感染性的新冠病毒粒子需要更高的病毒含量(大于106copies/mL)。因此，盡管少數(shù)研究成功地從糞便樣本中分離出感染性新冠病毒，但水和氣溶膠中尚難以分離出感染性的新冠病毒，因此，最小感染劑量目前尚不清楚，相比于缺乏感染性病毒粒子，難以分離出完整的包膜病毒粒子是更為重要的原因。然而，F(xiàn)oladori等在關(guān)于新冠病毒在污水處理系統(tǒng)的研究表明，盡管在處理過(guò)程中新冠病毒載量顯著減少，但仍可以檢測(cè)到基因片段。因此，仍需要進(jìn)一步的研究來(lái)評(píng)估新冠病毒在水循環(huán)中可能造成的風(fēng)險(xiǎn)。在這之前，針對(duì)污水的安全處理必不可少。

2、新冠病毒在污水處理廠的去除特性

2.1 污水處理

2.1.1 一級(jí)處理

污水的一級(jí)處理是截留除渣、沉淀固體等物理作用的處理過(guò)程，通過(guò)對(duì)附著病毒的懸浮物進(jìn)行沉淀分離來(lái)去除病毒。一般來(lái)說(shuō)，一級(jí)處理對(duì)病毒的去除率較低，Lucena等研究了不同污水處理廠一級(jí)處理過(guò)程對(duì)不同病毒過(guò)程，其去除率為0.31～0.44 log。

2.1.2 二級(jí)處理

西電東送在促進(jìn)云南邁上“電力強(qiáng)省”之路，極大帶動(dòng)省內(nèi)電力工業(yè)發(fā)展的同時(shí)，也拉動(dòng)了省內(nèi)煤炭、建材、運(yùn)輸、鋼鐵和第三產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展。目前，西電東送最大送電能力達(dá)2870萬(wàn)千瓦，較送電之初的25萬(wàn)千瓦增長(zhǎng)115倍，年輸送電量較最初的5.5億千瓦時(shí)增長(zhǎng)225倍。隨著瀾滄江上游梯級(jí)電站送出工程，以及烏東德送電廣東廣西工程的加快建成，到2020年，云南省“西電東送”能力將達(dá)到3615萬(wàn)千瓦。

污水的二級(jí)處理即生物處理過(guò)程，其中，活性污泥法被認(rèn)為是減少病毒最有效的方法，其可通過(guò)細(xì)菌等微生物對(duì)病毒的捕食和酶分解，達(dá)到減少并滅活病毒的目的。Lucena等研究發(fā)現(xiàn)含病毒的污水經(jīng)活性污泥法處理后，病毒減少了1.0～1.6 log，比一級(jí)處理工藝多減少了約1 log。

膜生物反應(yīng)器(MBR)作為常用的二級(jí)處理設(shè)施，是生物處理和膜過(guò)濾的集成，能在較短的接觸時(shí)間內(nèi)達(dá)到很好的微生物滅活效果。Owen等的研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)MBR處理后，出水中腸道病毒等病原微生物都低于檢測(cè)限，去除率為6～8 log。MBR對(duì)病毒的去除作用不僅體現(xiàn)在活性污泥對(duì)病毒的滅活，膜表面的濾餅層和凝膠層在病毒的截留中起了重要的作用。

移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(MBBR)是另一種污水處理廠常采用的處理設(shè)施，具有污泥產(chǎn)量少、運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。Bauer等研究表明，氣溶膠的排放程度與反應(yīng)器類型有關(guān)，生物膜反應(yīng)器(MBR)顯示出比活性污泥的曝氣反應(yīng)器更少的氣溶膠排放，MBBR作為MBR的一種，體現(xiàn)出了一定的優(yōu)越性。由于MBBR產(chǎn)泥率低，同時(shí)降低了病毒在污泥及土壤中的賦存及遷移的程度。

生物處理一方面通過(guò)細(xì)菌對(duì)病毒的作用將病毒滅活，另一方面由于有效降解污水中的有機(jī)固體，存在將吸附于固體上的病毒重新轉(zhuǎn)移至水相的可能性。Randazzo等研究發(fā)現(xiàn)，在污水處理廠常規(guī)活性污泥處理后，仍有11%的樣品中新冠病毒RNA呈現(xiàn)陽(yáng)性；Zhang等同樣通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，火神山在一級(jí)調(diào)節(jié)池進(jìn)行消毒處理后，檢測(cè)到新冠病毒含量為633 copies/L，緊隨其后的化糞池與二級(jí)調(diào)節(jié)池均未檢測(cè)到新冠病毒的存在，而在MBBR反應(yīng)器中偶然會(huì)檢測(cè)到新冠病毒，其原因可能是病毒脫離固體后的重新釋放。

2.1.3 三級(jí)處理

污水的三級(jí)處理是通過(guò)混凝沉淀、膜分離等方式對(duì)污染物進(jìn)行進(jìn)一步去除的過(guò)程。在混凝過(guò)程中，病毒可以結(jié)合正在形成的絮體并吸附至其表面，隨后其與絮體重力沉降后被去除。研究表明，在鋁混凝劑水解過(guò)程中形成的聚合物對(duì)病毒具有更大的吸引力，在電荷中和的過(guò)程中，病毒與正在形成的聚合物共沉淀，病毒逐漸失去活性與傳染性，而相比無(wú)機(jī)混凝劑，投加聚合氯化鋁能使去除效果更佳，其原因是形成更多數(shù)量對(duì)病毒具有強(qiáng)大吸引力的中間聚合物。鐵鹽是另一種廣泛使用的混凝劑，三價(jià)鐵鹽顯示出與鋁混凝劑相似的去除效果及作用機(jī)理。然而也有研究發(fā)現(xiàn)，二氯化鐵化學(xué)混凝過(guò)程同樣可以使病毒失活，但其主要作用源于二價(jià)鐵被氧化。膜分離作為一種高效的水處理技術(shù)，可以通過(guò)物理截留顯著地進(jìn)一步減少病毒數(shù)量，主要通過(guò)病毒與膜材料間的靜電作用以及濾餅層的吸附作用實(shí)現(xiàn)病毒的去除。反滲透技術(shù)相比微濾、超濾顯示出更高的病毒去除率，但由于成本較高、單位面積產(chǎn)水效率低，該技術(shù)較少得到應(yīng)用。

2.1.4 消毒處理

由于顆粒的保護(hù)作用，污水在進(jìn)行生物處理之后，病毒尚未完全被去除而重新釋放至水相中，需接入后續(xù)消毒池，對(duì)出水進(jìn)行二級(jí)消毒，確保殺滅剩余病毒。二級(jí)消毒同樣常采用氯消毒，從預(yù)消毒到尾水消毒的全工藝停留時(shí)間不小于2 d，確保出水余氯大于6.5 mg/L，保障系統(tǒng)出水的安全性。Zhang等在醫(yī)院消毒后的廢水中未檢測(cè)到新冠病毒，證實(shí)了二級(jí)消毒出水后新冠病毒的完全滅殺。Wang等在醫(yī)院廢水中病毒的監(jiān)測(cè)情況表明，盡管預(yù)消毒池入口的污水樣品新冠病毒RNA呈現(xiàn)陽(yáng)性，經(jīng)一級(jí)消毒后樣品呈弱陽(yáng)性，但是最后一個(gè)消毒池出口的污水樣品呈現(xiàn)陰性，展示了二級(jí)消毒工藝對(duì)于病毒滅殺的重要作用。

除氯消毒之外，臭氧消毒和紫外消毒也常用于污水消毒過(guò)程，二者對(duì)SARS病毒均有較好的去除效果，為疫情期間新冠病毒的防控提供了參考，但臭氧的運(yùn)行成本更高，紫外消毒受水中懸浮物濃度影響較大，因此，二者應(yīng)用相對(duì)受限。

綜上，針對(duì)新冠病毒在污水處理廠的分布特征，污水處理工藝采用一級(jí)消毒-生物處理-二級(jí)消毒的處理流程(圖2)，通過(guò)水相消殺將數(shù)量級(jí)為106copies/L的病毒進(jìn)行部分消殺，接著采用生物反應(yīng)將固體顆粒消解，使病毒脫落而釋放至水相中，最后經(jīng)二次消毒實(shí)現(xiàn)對(duì)水相與固相中新冠病毒的完全殺滅，達(dá)到了良好的去除效果。

2.2 污泥處理

污水處理廠在污泥外運(yùn)處理之前，采用生石灰消毒的方式，減少污泥在外運(yùn)過(guò)程病毒溢出傳播的風(fēng)險(xiǎn)。生石灰法是一種通過(guò)添加堿性材料將pH值提高至12以上，從而滅活病毒的方法。研究發(fā)現(xiàn)，生石灰能在2～24 h將污泥中多種病毒和病原微生物滅活。此外，添加石灰引起的溫度升高也是殺滅病原微生物的重要原因?；鹕裆轿鬯幚碚静捎蒙蚁?，不僅在污泥外運(yùn)前起到了預(yù)消毒作用，而且脫水性能也得到了提高。

2.3 尾氣處理

為有效降低病毒氣溶膠傳播的風(fēng)險(xiǎn)，尾氣的控制至關(guān)重要，需進(jìn)行封閉收集。尾氣處理主要包括活性炭吸附法、紫外光解法、生物法等方式。

封閉式反應(yīng)器大大降低了病毒的氣溶膠形成，顯示了在減輕污染的氣溶膠形成中封閉系統(tǒng)的重要作用。同時(shí)，MBR曝氣量相對(duì)較小，可采用此類反應(yīng)器進(jìn)一步從源頭上減少氣溶膠的產(chǎn)生和傳播?；钚蕴恳虮缺砻娣e大、結(jié)構(gòu)緊湊多樣以及強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)，具有強(qiáng)大的吸附能力。Powell等研究發(fā)現(xiàn)，活性炭對(duì)噬菌體MS2表現(xiàn)出良好的吸附去除效果。紫外消毒是常用的消毒手段之一，病毒存在于氣溶膠內(nèi)部，紫外作用并不能完全滅活病毒，因此，污水處理廠可聯(lián)合活性炭對(duì)病毒進(jìn)行有效滅活，保證尾氣的達(dá)標(biāo)排放。此外，研究發(fā)現(xiàn)生物反應(yīng)器在將尾氣中有毒有害惡臭物質(zhì)分解，降解成無(wú)毒無(wú)害無(wú)機(jī)物的同時(shí)，也能有效減少微生物氣溶膠的形成。

3、結(jié)論與建議

新冠病毒嚴(yán)重威脅著人類健康。污水的安全處理能夠有效阻斷病毒通過(guò)污水系統(tǒng)傳播，降低氣溶膠及糞口傳播導(dǎo)致的二次傳播及暴露風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)疫情的控制具有重要意義。本文在介紹了污水處理工藝高效去除病毒的基礎(chǔ)上，針對(duì)污水處理過(guò)程中病毒的控制研究提出了建議，以期為今后醫(yī)療廢水及城鎮(zhèn)污水病毒處理提供依據(jù)和參考。

(1)研究開(kāi)發(fā)新型消毒劑，如過(guò)氧乙酸消毒劑，其在SARS和新冠疫情期間均被列為國(guó)家推薦消毒劑，在污水污泥消毒中展現(xiàn)出一定的優(yōu)越性，成本適中且消毒過(guò)程無(wú)有害副產(chǎn)物產(chǎn)生，減少了微生物抗生素抗藥性的出現(xiàn)和傳播，實(shí)現(xiàn)高效低廉消毒過(guò)程。

(2)研究污水處理廠氣溶膠形成的過(guò)程機(jī)理，探明溫度、濕度等因素及處理工藝與運(yùn)行方式對(duì)氣溶膠形成的影響，并基于不同工藝研發(fā)曝氣方式的改進(jìn)優(yōu)化技術(shù)，進(jìn)一步從源頭上減少氣溶膠的釋放。

(3)研究新型技術(shù)手段提升對(duì)固相(如糞污、污泥等)消毒或?qū)⒉《緩墓滔嘀忻撀涞目赡苄耘c有效性，并加強(qiáng)污泥貯存、調(diào)理、脫水、轉(zhuǎn)運(yùn)等環(huán)節(jié)的控制，減小病毒進(jìn)一步傳播的風(fēng)險(xiǎn)。

(4)研究污水中新冠病毒以指導(dǎo)疫情防控的污水流行病學(xué)，通過(guò)對(duì)下水道實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，提供疫情暴發(fā)的早期跡象，在高度流行傳染病之前制定遏制措施和分配醫(yī)療資源，減少對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的損失。