新冠病毒在污水處理廠(chǎng)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(lèi)的健康危機。新冠病毒存在糞口傳播的可能性,病毒進(jìn)入污水處理廠(chǎng)后帶來(lái)二次傳播風(fēng)險,污水的安全處理對疫情防控具有重要意義。針對當前國內外關(guān)于新冠病毒的研究現狀,主要介紹了新冠病毒在污水處理廠(chǎng)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,并基于當前污水處理廠(chǎng)的處理工藝,分析并總結了病毒在不同介質(zhì)中的去除機理。針對污水處理過(guò)程中病毒的控制提出建議,以期為今后醫療廢水、城鎮污水中病毒的處理以及污水處理廠(chǎng)的穩定運行提供參考。
研究亮點(diǎn)
1、歸納并總結了新冠病毒在污水廠(chǎng)不同介質(zhì)中的分布特征、濃度范圍及賦存特性；
2、根據當前污水廠(chǎng)常用處理工藝，分析新冠病毒及相關(guān)病毒在不同介質(zhì)、不同構筑物中的去除機理；
3、總結了針對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)感染的肺炎疫情嚴重威脅人類(lèi)健康，這是全球性的公共健康危機。新冠病毒與SARS較為類(lèi)似，均屬于包膜病毒，擁有極強的傳染能力，主要通過(guò)飛沫傳播和接觸傳播，也存在著(zhù)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)排水系統進(jìn)入污水處理系統。因此，污水處理廠(chǎng)作為排水系統的終端處理設施，防止病毒擴散、保障水環(huán)境安全的任務(wù)尤為重要。
國內外學(xué)者對污水處理廠(chǎng)新冠病毒的防控進(jìn)行研究，檢測不同污水處理廠(chǎng)新冠病毒的濃度，分析部分構筑物對病毒的去除效果，然而對于新冠病毒在污水處理廠(chǎng)分布情況以及濃度范圍缺乏系統介紹與歸納，在不同介質(zhì)中新冠病毒去除過(guò)程還不夠清晰。我國城鎮污水處理廠(chǎng)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)對醫療廢水和城鎮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(chǎng)的分布特征與去除特性對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(chǎng)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病毒的消殺性能及去除特性，總結了污水中病毒的處理思路，為污水處理廠(chǎng)病毒的風(fēng)險防控提供依據和參考。
1、新冠病毒在污水處理廠(chǎng)的分布特征
新冠病毒隨著(zhù)醫院廢水、市政污水等排放后，經(jīng)污水管道最終進(jìn)入污水處理廠(chǎng)。一方面，新冠病毒通過(guò)吸附與解吸作用實(shí)現在水相與固相間的相互遷移。另一方面，病毒會(huì )隨著(zhù)廢水中顆粒的霧化溢出至氣溶膠內，并隨著(zhù)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。各國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。
1.1 水相中新冠病毒的存在與濃度
為了解新冠病毒當前及未來(lái)的暴發(fā)情況，各國研究者采用污水流行病學(xué)，對歐美、亞洲等多地污水處理廠(chǎng)進(jìn)行新冠病毒檢測分析。檢測結果顯示，新冠病毒含量在102～108copies/L，大部分污水處理廠(chǎng)的新冠病毒含量在104～106copies/L，最高為印度某污水處理廠(chǎng)，廢水中新冠病毒含量高達2.419×108copies/L。Randazzo等在新冠疫情影響非常小的La Murgia地區檢測到新冠病毒，其含量高達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)對污水中新冠病毒的監測，反映新冠病毒在該地區的傳播情況，能夠提供新冠病毒暴發(fā)的預警信息，指導疫情防控。
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(chǎng)。污水中的病毒通過(guò)吸附與沉淀作用分別轉移至懸浮顆粒與污泥中。另一方面，部分含有病毒的污水/污泥用于農田灌溉與施肥，病毒再次轉移至土壤中。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，新冠病毒在不同固相中的濃度有所不同。糞便中檢測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(chǎng)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，新冠病毒遺傳物質(zhì)在某些污泥中的濃度更高，病毒顆粒對生物固體的親和力更強，因此，新冠病毒可優(yōu)先在污泥中進(jìn)行監測。
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(chǎng)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。在金銀潭醫院、火神山醫院的調節池內，COVID-19的氣溶膠含量分別為285、603 copies/m3。因此，污水處理站設計過(guò)程中尤其需要注重構筑物密封效果，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，Foladori等在關(guān)于新冠病毒在污水處理系統的研究表明，盡管在處理過(guò)程中新冠病毒載量顯著(zhù)減少，但仍可以檢測到基因片段。因此，仍需要進(jìn)一步的研究來(lái)評估新冠病毒在水循環(huán)中可能造成的風(fēng)險。在這之前，針對污水的安全處理必不可少。
2、新冠病毒在污水處理廠(chǎng)的去除特性
2.1 污水處理
2.1.1 一級處理
污水的一級處理是截留除渣、沉淀固體等物理作用的處理過(guò)程，通過(guò)對附著(zhù)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)，一級處理對病毒的去除率較低，Lucena等研究了不同污水處理廠(chǎng)一級處理過(guò)程對不同病毒過(guò)程，其去除率為0.31～0.44 log。
2.1.2 二級處理
西電東送在促進(jìn)云南邁上“電力強省”之路，極大帶動(dòng)省內電力工業(yè)發(fā)展的同時(shí)，也拉動(dòng)了省內煤炭、建材、運輸、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2870萬(wàn)千瓦，較送電之初的25萬(wàn)千瓦增長(cháng)115倍，年輸送電量較最初的5.5億千瓦時(shí)增長(cháng)225倍。隨著(zhù)瀾滄江上游梯級電站送出工程，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”能力將達到3615萬(wàn)千瓦。
污水的二級處理即生物處理過(guò)程，其中，活性污泥法被認為是減少病毒最有效的方法，其可通過(guò)細菌等微生物對病毒的捕食和酶分解，達到減少并滅活病毒的目的。Lucena等研究發(fā)現含病毒的污水經(jīng)活性污泥法處理后，病毒減少了1.0～1.6 log，比一級處理工藝多減少了約1 log。
膜生物反應器(MBR)作為常用的二級處理設施，是生物處理和膜過(guò)濾的集成，能在較短的接觸時(shí)間內達到很好的微生物滅活效果。Owen等的研究發(fā)現，經(jīng)MBR處理后，出水中腸道病毒等病原微生物都低于檢測限，去除率為6～8 log。MBR對病毒的去除作用不僅體現在活性污泥對病毒的滅活，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)床生物膜反應器(MBBR)是另一種污水處理廠(chǎng)常采用的處理設施，具有污泥產(chǎn)量少、運行相對穩定等優(yōu)點(diǎn)。Bauer等研究表明，氣溶膠的排放程度與反應器類(lèi)型有關(guān)，生物膜反應器(MBR)顯示出比活性污泥的曝氣反應器更少的氣溶膠排放，MBBR作為MBR的一種，體現出了一定的優(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)細菌對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固體，存在將吸附于固體上的病毒重新轉移至水相的可能性。Randazzo等研究發(fā)現，在污水處理廠(chǎng)常規活性污泥處理后，仍有11%的樣品中新冠病毒RNA呈現陽(yáng)性；Zhang等同樣通過(guò)檢測發(fā)現，火神山在一級調節池進(jìn)行消毒處理后，檢測到新冠病毒含量為633 copies/L，緊隨其后的化糞池與二級調節池均未檢測到新冠病毒的存在，而在MBBR反應器中偶然會(huì )檢測到新冠病毒，其原因可能是病毒脫離固體后的重新釋放。
2.1.3 三級處理
污水的三級處理是通過(guò)混凝沉淀、膜分離等方式對污染物進(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量對病毒具有強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理。然而也有研究發(fā)現，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(zhù)地進(jìn)一步減少病毒數量，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)較少得到應用。
2.1.4 消毒處理
由于顆粒的保護作用，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，需接入后續消毒池，對出水進(jìn)行二級消毒，確保殺滅剩余病毒。二級消毒同樣常采用氯消毒，從預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，保障系統出水的安全性。Zhang等在醫院消毒后的廢水中未檢測到新冠病毒，證實(shí)了二級消毒出水后新冠病毒的完全滅殺。Wang等在醫院廢水中病毒的監測情況表明，盡管預消毒池入口的污水樣品新冠病毒RNA呈現陽(yáng)性，經(jīng)一級消毒后樣品呈弱陽(yáng)性，但是最后一個(gè)消毒池出口的污水樣品呈現陰性，展示了二級消毒工藝對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，二者應用相對受限。
綜上，針對新冠病毒在污水處理廠(chǎng)的分布特征，污水處理工藝采用一級消毒-生物處理-二級消毒的處理流程，通過(guò)水相消殺將數量級為106copies/L的病毒進(jìn)行部分消殺，接著(zhù)采用生物反應將固體顆粒消解，使病毒脫落而釋放至水相中，最后經(jīng)二次消毒實(shí)現對水相與固相中新冠病毒的完全殺滅，達到了良好的去除效果。
2.2 污泥處理
污水處理廠(chǎng)在污泥外運處理之前，采用生石灰消毒的方式，減少污泥在外運過(guò)程病毒溢出傳播的風(fēng)險。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，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�，不僅在污泥外運前起到了預消毒作用，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，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的重要作用。同時(shí)，MBR曝氣量相對較小，可采用此類(lèi)反應器進(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、結構緊湊多樣以及強度大等優(yōu)點(diǎn)，具有強大的吸附能力。Powell等研究發(fā)現，活性炭對噬菌體MS2表現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部，紫外作用并不能完全滅活病毒，因此，污水處理廠(chǎng)可聯(lián)合活性炭對病毒進(jìn)行有效滅活，保證尾氣的達標排放。此外，研究發(fā)現生物反應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)機物的同時(shí)，也能有效減少微生物氣溶膠的形成。
3、結論與建議
新冠病毒嚴重威脅著(zhù)人類(lèi)健康。污水的安全處理能夠有效阻斷病毒通過(guò)污水系統傳播，降低氣溶膠及糞口傳播導致的二次傳播及暴露風(fēng)險，對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上，針對污水處理過(guò)程中病毒的控制研究提出了建議，以期為今后醫療廢水及城鎮污水病毒處理提供依據和參考。
(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家推薦消毒劑，在污水污泥消毒中展現出一定的優(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和傳播，實(shí)現高效低廉消毒過(guò)程。
(2)研究污水處理廠(chǎng)氣溶膠形成的過(guò)程機理，探明溫度、濕度等因素及處理工藝與運行方式對氣溶膠形成的影響，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)手段提升對固相(如糞污、污泥等)消毒或將病毒從固相中脫落的可能性與有效性，并加強污泥貯存、調理、脫水、轉運等環(huán)節的控制，減小病毒進(jìn)一步傳播的風(fēng)險。
(4)研究污水中新冠病毒以指導疫情防控的污水流行病學(xué)，通過(guò)對下水道實(shí)時(shí)數據的監測，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療資源，減少對當地經(jīng)濟的損失。
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