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战“疫”专题:新冠病毒在城镇污水系统中的“命运”

  1. 引言
  近十几年来,世界各地陆续出现了新型病毒导致的流行性传染病疫情,例如SARS-CoV引起的非典型性肺炎,MERS-CoV引起的中东呼吸综合症,Ebola病毒引起的埃博拉出血热、AIV病毒引起的禽流感病毒人群感染,本次新型冠状病毒引起的新型冠状病毒肺炎,均造成了十分严重的后果,公众对流行传染性病毒的传播途径和感染风险高度关注。
  2. 排泄物中的病毒都可能去了哪里?
  污水处理厂通常汇集了多方来源的污水。在传染病疫情爆发期间,污水处理系统可能在一定程度上也接纳了感染病人的排泄物和用水后排放的污水(图1-A)。携带传染性病毒的污水通过市政污水管网排入到污水处理厂,在这个过程中,负责污水管网系统运维的工人可能会暴露于传染性病毒(图1-B)感染环境。
  图1 传染性病毒在污水系统的传播路径及人类潜在暴露位置[1]
  如果疫情期间出现降水过程,雨污合流制系统的溢流污水有可能携带病毒排入到地表水环境中(图1-C)。在污水处理厂内,病毒可能存在于在不同处理工艺单元和污泥处理单元中,相应地,负责运维的工人可能也会暴露于传染性病毒感染环境中(图1-D和F)。
  在经历了整个污水处理工艺流程后,若仍有病毒残留于污水处理厂的出水中,病毒依旧有可能随出水的排放进入地表水环境中(图1-E)。如果在该地表水环境中出现休闲娱乐活动的公众,那么这些公众也有可能暴露于传染性病毒中的潜在风险(图1-G)。因此,作为环境健康和公共卫生安全的关键一环,在污水处理过程中如何确保流行性病毒的去除与消毒,如何防范人员暴露风险,至关重要。
  3.病毒在水环境中能存活多久?
  在现有的研究和管理规定中,污水处理系统和水环境中的肠道病毒得到了更多的关注。肠道病毒以诺瓦克病毒、轮状病毒等无包膜病毒为主,而近年来引起严重流行性传染病爆发的SARS冠状病毒、MERS冠状病毒、埃博拉病毒、禽流感病毒以及新型肺炎冠状病毒等却均属于有包膜病毒,即其外部包有由蛋白质和脂质组成的外层(图2)。
  图2 有包膜病毒和无包膜病毒[2]
  目前已被发现的人类冠状病毒包括SARS-CoV、MERS-CoV、HKU1-CoV、HCoVNL63、HCoV-OC43、HCoV-229E,以及最近的新型冠状病毒,均属于有包膜病毒。有研究报道,在20℃条件下,SARS冠状病毒在粪便和尿液中分别可以存活3天和17天;而在4℃条件下,其在粪便和尿液中可存活17天以上[3]。
  近日有国际期刊和新闻报道,新型冠状病毒肺炎患者粪便样本中的新型冠状病毒核酸呈阳性,已检测到活病毒,而新型冠状病毒与SARS冠状病毒有相似的特性。因此,根据图1所示的病毒传播路径,新型冠状病毒在污水处理系统和水环境中存在着潜在的传播风险,需要加以特别关注。
  目前对污水处理系统和水环境中有包膜病毒的研究较为有限,因此,我们对比了一些实验室条件下有包膜和无包膜病毒在水相环境中的存活时间(表1)。从这些研究结果中不难发现,SARS等有包膜病毒在水相环境中的存活时间比无包膜病毒的存活时间要短得多。
  表1 病毒在水相环境中的存活时间
  但相似的是,无论是有包膜还是无包膜,更高的温度往往更有利于病毒的灭活。在20℃、避光条件下,SARS冠状病毒在医院污水、生活污水和脱氯自来水中只能存活2天;而在4℃条件下,其在水体中可存活14天以上[3]。
  因此,相比于以往更受关注的脊髓灰质炎病毒、轮状病毒等,冠状病毒等有包膜病毒在水相环境中的存活时间更短,其在水中的传播风险相对更弱。
  4.污水处理工艺能去除多少病毒?
  在目前的研究报道、相关规定以及污水处理厂实际运行中,更大程度上关注的是肠道病毒(无包膜病毒)在污水处理工艺中的去除效果。大多数情况下,污水处理工艺(不包括消毒)对肠道病毒的去除效果通常可以达到2log以上[8]。
  注:对数去除率=log10(进水浓度/出水浓度);1log对应90%去除率,2log对应99%去除率,3log对应99.9%去除率,以此类推。
  在消毒处理之前,污水处理工艺对病毒的去除可以达到2log以上,那么在消毒处理之后呢?
  消毒处理对病原微生物的灭活效果取决于CT值,即接触池末端消毒剂的浓度×接触时间。污水消毒工艺中的CT值一般以粪大肠菌群为指标来设计。当采用液氯、次氯酸钠、次氯酸钙或二氧化氯为消毒剂时,美国加州按CT值为450 mg·min/L来设计,肠道病毒的灭活率可达到99.99%(即4log);当采用臭氧为消毒剂时,按CT值1 mg·min/L设计运行[9]。对于有包膜病毒,以埃博拉病毒为例,氯消毒对其在灭菌后市政污水中的去除率也可最高达到4.18log(图3)[10]。
  图3 氯消毒对埃博拉病毒的对数去除率和CT值
  在污水处理工艺流程中,消毒处理对于病毒的灭活是至关重要的环节。那么污水处理厂通常所采用的紫外消毒和氯消毒,对于有包膜和无包膜病毒的灭活存在着什么区别呢?
  图4 UV254和游离氯对有包膜病毒的灭活机制[11]
  美国密歇根大学的研究结果显示,游离氯能够穿透脂质包膜,与病毒内的蛋白质优先反应,对其进行灭活;相比于与无包膜病毒反应,有包膜病毒对游离氯的灭活敏感性要高30倍[11]。而在紫外消毒处理中,UV254则优先通过与有包膜病毒的基因组反应来灭活病毒,同时有包膜和无包膜病毒对UV254的灭活敏感性差异不大(图4)[11]。
  通常情况下,无包膜病毒比有包膜病毒在环境中更稳定。无包膜病毒在污水中的存活时间从几天到几个月不等,而有包膜病毒在污水中的存活时间则为几个小时到几天之间[12]。当暴露于次氯酸钠消毒剂时,有包膜病毒比无包膜病毒呈现了更高的灭活水平[13]。
  目前污水处理厂的(消毒)处理工艺和出水标准,都基于无包膜病毒的灭活,而无包膜病毒比冠状病毒等有包膜病毒更难以灭活,因此,保持现有的污水处理工艺(包括消毒工艺)并严格执行运行管理要求和出水标准,能够控制病毒在城镇污水系统中的传播和暴露风险。
  5.再生水应满足哪些要求?
  城市污水的再生利用能够充分利用非常规水资源,推动水污染负荷的削减,扩充城市水环境容量。大多数污水处理厂已经执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)中一级标准A标准。根据前文所述,目前现有的污水处理设施,包括消毒处理设施,能够满足对新冠病毒传播风险的控制。
  那么,目前的标准中都是怎么样规定呢?
  根据我国《城镇污水再生利用工程设计规范》(GB 50335-2016)中关于再生水厂消毒处理的规定,再生水的消毒方法可采用氯消毒、二氧化氯消毒、紫外消毒、臭氧消毒,也可采用紫外线与氯消毒或臭氧与氯消毒的组合方法。常规氯投加量宜采用6 ~15 mg/L,二氧化氯投加量宜采用4 ~10 mg/L,与再生水的接触时间不应小于30 min;紫外线消毒剂量宜采用24 ~30 mJ/cm2,接触时间宜为5~30s;臭氧消毒投加量宜为8 ~15 mg/L,接触时间宜为10 ~20 min。
  根据我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)中一级标准A标准的规定,出水中的粪大肠菌群数不得超过1000 个/L。对于再生水的利用,《城市污水再生利用 景观环境用水水质》(GB/T 18921-2019)中也规定了观赏性景观用水的粪大肠菌群不得超过1000 个/L。疫情期间,污水处理厂的粪大肠菌群排放限值可适当降低。例如,深圳市在疫情期间,规定了粪大肠菌群限值内控标准为200个/L,特殊情况下,也不得超过500个/L,比国标更加严格。
  总的来说,严格执行这些标准,可以对污水处理厂再生水、排放出水和受纳水体中的病毒传播风险进行有效控制。
  6.总结
  新型冠状病毒在城镇污水处理系统中存在着潜在的传播风险,但严格执行污水处理厂出水标准和再生水利用标准,可以控制病毒的传播风险。相比于肠道病毒,冠状病毒在水中的存活时间更短,目前的消毒处理工艺也能够满足冠状病毒的灭活要求。新型肺炎疫情期间,应确保出水粪大肠菌群稳定达到城镇污水处理厂污染物排放标准的要求;同时应加强城镇污水处理系统从业人员的防护措施,避免污水接触、污泥接触、气溶胶吸入等方面的暴露风险。
  参考文献
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  [4]Rabenau, H. F. et al. (2005). Stability and inactivation of SARS coronavirus. Med Microbiol Immun, 194(1-2), 1-6.
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  [13]Gallandat, K., & Lantagne, D. (2017). Selection of a biosafety level 1 (BSL-1) surrogate to evaluate surface disinfection efficacy in Ebola outbreaks: comparison of four bacteriophages. PloS one, 12(5).
  琬琳 供稿
  来源:水悦动