飘啊飘的污水厂病毒气溶胶 一文说清来龙去脉！
01 微生物气溶胶的产生及分布
1.1 微生物气溶胶中的病毒
污水处理厂的待处理废水中不可避免地携带着细菌、真菌和病毒等微生物。针对污水处理厂微生物气溶胶的研究大多集中于细菌、真菌及放线菌领域，其中关于病毒的研究较少。实际上，污水处理厂操作人员的部分疾病，如胃肠道疾病，大概率是与感染空气中散布的病毒有关。
表1中展示了部分国家或地区在原废水或二级废水中检测出的病毒浓度。虽然各个国家或地区的废水中检出的病毒浓度不一，但不论是原废水还是二级废水，均能检测到病毒的存在。Katrine Uhrbrand等人在污水处理厂不同处理单元的水样中均检测到诺如病毒和腺病毒，其中沉砂池水样中的诺如病毒达到了1.79×103 copies/ml。病毒不但存在于待处理废水中，还能够存活于气溶胶化的液滴中，并保持一定的传染性。对医院废水进行处理的污水处理厂中，待处理废水病毒含量可能更高，但先进的处理工艺会大大减小病毒气溶胶的产生。K. Uhrbrand等人对一所采用膜生物反应器（MBR）工艺的医院废水处理设施进行评估时发现，废气存在较低浓度的诺如病毒。
污水处理厂中病毒气溶胶的浓度高低，与当地的经济状况、卫生条件等相关，并且可以间接反映出此地区的病毒感染状况，具有十分重要的研究意义。近年来，国内外研究关于污水处理厂的病毒气溶胶主要为腺病毒、轮状病毒、诺如病毒等。
表1 部分国家原废水及二级出水中检出的病毒浓度
1.2 微生物气溶胶的产生
污水处理厂气溶胶中的微生物，部分来源于待处理的废水。污水处理过程特别是曝气单元中不可避免会产生气泡，气泡破裂会使水溅到空气中，携带着微生物的水滴被分散成细小液滴，并在雾化后形成微生物气溶胶。气泡破裂产生的液滴气溶胶化是微生物气溶胶产生的主要原因；水力跌落大、湍动剧烈的污水处理单元也容易形成气溶胶，污水提升、除渣、除砂等预处理单元的气溶胶中微生物浓度也相对较高。
由表2可以看出，不论是病毒还是细菌，各处理单元水相中的微生物通常也能在气相中被检测到。不同种类微生物浓度在气相中的远低于水相中的，且比值存在较大差异，如大肠杆菌噬菌体；不同类别的微生物，其气/液浓度比值可相差3个数量级。研究也发现，水相中微生物浓度与其在气相中的浓度并没有呈现直接的相关关系，这可能与不同类别的微生物从水相到气相逸散速率不同有关。还有研究表明，废水中固相组分对包膜病毒对吸附率比非包膜病毒（如诺如病毒、脊髓灰质炎病毒等）高20%,不同的附着率也可能是导致不同类型的病毒从水相向气相逸散速率不同的关键原因。
有研究者对空气中微生物来源进行进一步分析，Kaixiong Yang等分析污水处理厂中空气中细菌来源时发现，空气样本病原体中平均有22.25%的病原体来源是污水。也有研究人员研究发现，在氧化沟曝气单元的空气中，其细菌38.27%来源于待处理的污水，45.56%来源于上风向区；而在污泥脱水池，高达72.15%的细菌来源于污水，来源于上风向区的细菌仅为15.38%。
表2 污水处理系统中微生物的气/液两相浓度
注：实验室部分指研究者在实验室内进行的模拟污水处理厂曝气时得到的数据，非污水处理厂内实际检测数据。
1.3 微生物气溶胶的分布
随着污水处理程度的加深，污水中的病毒会逐步被去除。表3展示了在病毒定量检测中，检出病毒阳性的样本数占总样本的比例，及检出样本中的病毒浓度。可以看出，污水处理厂进水时病毒含量较高，出水中的病毒浓度可以降低1-2个数量级。这与Katayama 等人的研究结果相似：某日本污水处理厂中，肠病毒在进水和出水中的浓度分别为17和0.044 RT-PCR units/ml，腺病毒在进水和出水中的浓度分别为320和7 PCR units/ml；污水处理厂进水中病毒阳性率在67%-97%之间，经过A2O工艺处理后病毒阳性率降低22%-46%的；消毒处理后的出水样本病毒浓度已低于检测线。Ottoson 等的研究也发现，二级生物处理对肠道病毒和诺如病毒的去除率分别为93.91%和87.45%。由此可见，常规污水处理工艺对病毒的去除在1-2l g的范围；MBR对病毒有着显著的去除效果，其出水的病毒含量能够降低到较为安全的程度。
表3 污水处理厂进出水的病毒去除
虽然污水处理厂的出水中病毒含量已相对较低，但微生物从水相到气相的转移可以发生在污水处理工艺的每个环节，包括格栅间、初沉池、曝气池、污泥浓缩池、污泥脱水间等在内的处理单元。图1展示了气溶胶中微生物在不同处理单元的浓度，在不同污水处理厂，其气相中微生物的浓度也有所不同。图1-a中，污水厂在生物处理单元（污水厂A为活性污泥工艺；污水厂B和E为氧化沟工艺）的细菌气溶胶浓度最大，污水厂C和D则在污泥脱水间浓度最大。在图1-b和1-c中，真菌和放线菌气溶胶在生物处理单元（曝气池/氧化沟）和污泥脱水间的浓度也较大。图1-d中可以看出，不同处理单元的气相中病毒浓度也存在较大差异，诺如病毒基因组Ⅱ在沉砂池的浓度较高，而大肠杆菌噬菌体和腺病毒则在活性污泥池的浓度较高。图1中并未考虑污水处理厂处理规模的问题，但有研究发现，污水厂规模越大，预处理单元的气溶胶浓度越高。
生物处理单元气溶胶中微生物浓度较高的原因是曝气增加气泡破裂的速率，显著影响周围空气的生物气溶胶水平。污水的机械搅拌会产生气载颗粒的湍流，从而加快微生物从液相到气相的扩散。这与lwona B.在研究波兰一所污水处理厂时，发现曝气池是微生物污染最严重区域的结论相一致。可以认为，曝气池是微生物气溶胶的重要发源地。但除此之外，污泥脱水间等其他污水处理设施产生微生物气溶胶的能力也不可小觑。
a 细菌浓度
b 真菌浓度
c 放线菌浓度
d 病毒浓度
图1 不同处理单元微生物浓度
02 微生物气溶胶的传播
表4分别从与污水水面不同垂直距离及与污水处理厂不同水平距离两个角度，对空气中微生物气溶胶浓度进行总结。在春、夏、冬三季，采样点与污水水面距离从0.1 m增加到1.5 m时，微生物浓度分别降低为原水平的84.39%、46.23%、8.33%；距离从0.1 m增加到3.0 m时，微生物浓度分别降低为原水平的12.97%、10.05%、2.08%。由此可见，随着采样点高度的增加，微生物浓度迅速下降；并且冬季微生物气溶胶浓度下降最为显著。Wang Yanjie等人在研究时还发现，与污水水面距离从0.1 m增加到3.0 m时，气体中颗粒总量也在逐渐下降，且细颗粒物占比增加。
细菌和真菌气溶胶在离污水处理厂不同水平距离（100-500 m）范围浓度变化并不显著，但与上风向相比均有所增加，这说明距污水厂500 m处的气溶胶浓度仍然保持较高水平；在污水处理厂的下风向处，其微生物气溶胶的健康风险要比上风向处高。以曝气池为中心进行检测时同样发现，下风向处气溶胶浓度比上风向处明显升高，250 m内各类微生物均有所减少，但250 m之外浓度则有不同程度并不显著的增加。Kaixiong Yang等人的研究中也发现，当距离氧化沟由0 m增加到25 m，55 m，210 m时，空气中细菌浓度在逐渐下降。而在与污水处理厂水平距离从0 m增加到300 m时，气溶胶中病毒浓度骤减到7个数量级；100 m增加到300 m时，减少2个数量级。随着水平距离进一步增加时，气相中病毒浓度没有显著变化。这可能病毒的繁殖条件有关，当环境中没有活的寄主细胞时，病毒就无法继续繁殖生存，从而使气溶胶中病毒浓度急剧下降。由此可得初步结论，在一定范围距离内，随着与微生物气溶胶发源地水平距离的增加，微生物气溶胶的浓度会快速降低；与细菌相比，病毒浓度的下降更为显著。
表4 不同距离的微生物气溶胶浓度
.jpg)
注：-250 m指上风向250 m处。
03 影响微生物气溶胶产生、传播的因素
一般来讲，气溶胶中微生物在传播过程中就会逐渐衰亡，不同种类微生物的衰亡常数不一致。所有对微生物生存产生正面或负面影响的因素，都能够影响微生物气溶胶的传播。尤其是抗病毒活性物质的存在，可以极大影响病毒在气溶胶中的生存状态。下文从环境温度、湿度、季节、风速、光照等气象条件，和污水处理工艺及其运行方式等方面进行分析。
3.1 气象条件
天气条件和季节是影响空气微生物污染分布的主要因素。暴露于太阳辐射，过高或过低的环境温度，降低相对湿度和高风速等条件可以降低气溶胶中微生物的浓度。有研究表明，湿度与温度与污水处理厂中微生物气溶胶中细菌和真菌的总浓度及粒径成正相关，光照强度和风速与其成负相关。
3.1.1 温、湿度
微生物的生长繁殖与温、湿度息息相关，不同的微生物所适宜的温度及湿度条件不尽相同。一般情况下，脂含量高的病毒在低相对湿度的环境中较为稳定，而脂含量较低甚至为零的病毒在高相对湿度的环境中更容易存活。有研究表明，在环境温度为-20 ℃~30 ℃的范围内，气溶胶中微生物浓度会随温度升高呈现上升趋势。但温度影响各种微生物存活的具体程度，则与微生物的类型及所处环境的相对湿度有关。
不同季节，其温度、湿度等气象条件呈现明显规律性与周期性，同样会对微生物气溶胶产生影响。图2是部分污水处理厂在不同季节的气溶胶微生物浓度：在污水处理厂各处理单元中，大部分细菌、真菌以及病毒在夏季检出浓度较高；在冬季检出浓度相对较低。这与Frédéric G. Masclaux等人的研究结论相似：在污水处理厂的室外样本中，夏季腺病毒浓度在最低检测线以上的样本数为24（总样本数32）,而冬季样本数仅为8（总样本数30），在此污水处理厂的室内样本中可得到相同规律。其原因可能是夏季气温较高，微生物活性增加；同时较高的气温有利大气湍流及分子扩散，从而增加微生物从液相向气相扩散的机率。同时由于夏季湿度较大，有利于微生物在气相中的存活。
图2 不同季节微生物气溶胶浓度
3.1.2 风速
风不但可能造成微生物二次悬浮扩散，还会对微生物气溶胶的大气传输造成较大影响。风对微生物气溶胶具有稀释作用，风速越高越会促进空气流动，污水处理厂气溶胶中的微生物浓度就会越低。对于较为封闭的室内污水处理设施来说，通风率会直接影响设施内部气溶胶中微生物的浓度。污水处理厂区内，夏季比冬季测出的气溶胶中微生物浓度高，也有部分原因是因为夏季风速较小，较多微生物气溶胶会积累在厂区内。有研究者发现即使距离污水处理厂200 m，空气中依然存在来自厂区的微生物；尤其是位于污水处理厂下风向的区域，存在来自污水处理厂的微生物气溶胶的可能性较大。
3.1.3 光照
光照的强弱会影响微生物气溶胶的种类和浓度。适宜的光强能够促进微生物的繁殖，使空气中微生物浓度增大，但强辐射能够破坏微生物的蛋白质导致微生物失活，从而降低气溶胶中微生物的浓度。紫外线和可见辐射的强度，氧的浓度和有毒化合物的存在均对微生物气溶胶的浓度产生影响。高光照强度（110–217 W/m²）和风速（1.3–7.1 m/sec）导致空气传播过程中细菌浓度较低，微粒较细。国内外的研究表明：紫外线对微生物有一定灭活作用，但太阳辐射对不同种类微生物的灭活存在差异。Yongyi Tong等人在研究中发现太阳辐射可以消除部分光敏性细菌种群。
表5中展示不同气象条件下微生物气溶胶浓度的变化。可以看出，随着风速、温度、相对湿度以及光照的条件变化，气溶胶中大部分微生物浓度没有发生明显变化。除风速与大肠杆菌浓度、温度与大肠杆菌浓度、相对湿度与K-12HfrD噬菌体浓度具有较强相关性外，其余条件与微生物浓度均无明显相关性。
表5 不同气象条件下微生物气溶胶浓度
3.2 处理工艺
表6展示不同处理工艺的污水处理设施其核心处理单元中空气微生物气溶胶的浓度。不同的污水处理方式产生的气溶胶浓度有所不同；在同一种处理工艺的不同处理单元，其产生的气溶胶浓度也有显著差异。A2/O法的好氧池中气溶胶中微生物浓度显著高于缺氧池和厌氧池，机械-生物处理法的机械处理单元产生的气溶胶中微生物浓度要高于生物处理部分。这是由于充足的氧气给大部分微生物提供了适宜的生存环境，而且机械曝气供氧比空气扩散系统供氧产生更高浓度的微生物。微孔曝气的速率改变也会导致液滴大小及微生物气溶胶浓度和粒径等的变化。同时，污水处理过程中，机械设备不仅会导致微生物气溶胶的产生，还可使已经沉积在物体表面的微生物气溶胶粒子再次扬起；并且这种再生性导致微生物气溶胶感染具有长久性。
表6 不同处理工艺微生物气溶胶浓度
注：指活性污泥的机械处理及后处理过程。
除了气象条件、处理工艺因素外，其他因素也对微生物气溶胶的产生及传播造成重要影响。由表5、表6及图2可以看出，不同污水处理厂即使在同一处理设施处，其气溶胶中微生物浓度也有差别。这是由于污水处理厂的地理位置、处理规模、原水来源的多样性，以及研究者采样方法、培养方法、计数方法的差异性造成的。李彦鹏等人与郑云昊等人均提出，微生物气溶胶的分布存在显著时间与空间差异性，其浓度等特征的变化不但与降水等气象条件有关，甚至与多种污染因子有一定关系。
04 微生物气溶胶暴露风险评估
污水处理厂气溶胶中的微生物不仅对厂区工人造成健康威胁，同时也对周边居民造成潜在的健康风险。Van Hooste Wim对比利时污水处理厂员工疾病调查发现，虽然污水处理厂员工体内的幽门螺杆菌血清与未暴露人群并无显著差异，但他们的胃肠道疾病发病率仍高于未暴露人员。Frédéric G. M对瑞士某污水处理厂的调查也得到了相似结论：该污水处理厂气体检测样品中检测到腺病毒，腺病毒高于检测线样本数/总样本数的频率在8/30-24/32之间，更发现厂内操作人员肠道疾病的高发病率很可能与气溶胶中的病毒有关。Pasalari Hasan等人研究发现：污水厂工作人员及附近居民对轮状病毒及诺如病毒的疾病负担达到(5.76×10-2和1.23×10-1)，远高于WHO(10-6 pppy)给出的参考值。
图3中展示呼吸吸入和皮肤接触两种暴露方式下，成年男性、成年女性和儿童在污水处理厂不同处理阶段的暴露风险评估。评估时均采用非致癌风险模型及美国环境保护署的人体健康评估模型中的数据，使用公式(1)(2)估算工作人员和附近居民每日吸入空气中细菌的平均暴露剂量率（ADD），
其中ADDinhalation和ADDskin为吸入和皮肤接触的平均每日剂量[CFU·(kg·d)-1]，C为空气中细菌浓度(CFU/m³)，IR为吸入率(m³/d)，EF为曝露频率(d/yr)，ED为暴露时间(yr)，SA为皮肤接触表面积(m²)，ABS为皮肤吸收因子(m/h)，AF是皮肤粘附因子，BW为体重(kg)，AT为平均寿命(d)，
通过公式(3)计算风险系数(HQ)，从而评估细菌通过空气传播的风险
HQ为风险系数。RfD为参考剂量[CFU·(kg·d)-1]，图3中均采用500 CFU/m³，这是根据美国政府工业卫生工作者会议提出的可培养细菌暴露在工作日内的极限浓度计算得到的。当风险系数小于1时，对人体的健康风险并不明显；风险系数大于1时，此处的暴露风险应该引起人们重视。
图3中好氧池、氧化沟、生化反应池分别来自采用不同处理工艺的污水处理厂。一般来说，成年男性的暴露风险要稍高于女性，儿童的暴露风险要远高于成人。夏季和秋季的暴露风险要高于春季和冬季。大部分处理单元风险系数均小于1，但在厌氧池处出现大于1的场景。因此应该将此厌氧池置于室内，相对封闭的环境可以减小微生物气溶胶对外的转移。另外，经呼吸吸入造成的健康风险要远高于皮肤接触，可见呼吸吸入是较为重要的微生物气溶胶暴露方式。
a 呼吸吸入
b 皮肤接触
图3 细菌气溶胶对人体的风险评估（HQ）
污水处理厂中微生物气溶胶的健康风险也与季节有关。有研究发现，污水处理厂中，直径大于3.3 mm的微生物气溶胶主要出现在春季和夏季；小于3.3 mm的微生物气溶胶主要出现在秋季和冬季。这部分粒径较小的微生物气溶胶较容易进入肺部，沉积在下呼吸道中，对工作人员健康产生较大影响。由此可见，污水处理厂中夏季微生物气溶胶的暴露风险较大，秋季和冬季微生物气溶胶对工作人员的健康影响也较大，污水处理厂操作人员在一年四季上岗前佩戴口罩应成为基本配置。
气溶胶中病原体的存在对污水处理厂工人的健康带来直接威胁，有必要建立健全污水处理设施的微生物风险管理体系，尤其是病毒风险管理体系。我国目前已经对部分挥发性有机物和部分微生物有对应风险评估方法及结论，但微生物气溶胶的暴露因子等方面的研究有待进一步开展，尤其是污水处理设施中病毒气溶胶的暴露风险评估。
05 总结与讨论
（1）微生物气溶胶中微生物主要来源于待处理污水。微生物从液相向气相的转移发生在污水处理工艺的各个环节，包括格栅间、初沉池、曝气池、污泥浓缩池、污泥脱水间等单元，微生物的最高排放量通常发生在生物反应器单元以及污泥脱水单元。
（2）距离污水界面垂直距离越远，气溶胶中微生物浓度越低；随水平距离的增加，气溶胶中病毒浓度衰减速率高于细菌。
（3）污水处理厂气溶胶中的微生物浓度和种类受到环境温度、湿度、风速、光照以及污水处理工艺及其运行方式等多种因素的影响。夏、春季节的气溶胶中微生物浓度通常高于冬、秋季节。
（4）污水处理厂的微生物气溶胶携带病原微生物，会通过吸入、接触等方式威胁人体健康。儿童与成年男性、女性相比风险更高。
污水处理设施中的微生物气溶胶研究还有待进一步深入：
（1）需要对气溶胶中微生物的致病性组分进行进一步的识别。致病性微生物组分与人群健康密切相关，对其的识别有助于加深对职工职业疾病产生机理的认识。
（2）尽快建立污水处理设施微生物气溶胶风险评估方法及体系。目前，国内外在细菌、真菌及放线菌方面已有相应的风险评估方法，但对病毒的风险评估方法的研究极为缺乏，气溶胶中病毒与人类健康的具体效应关系也有待开展。
（3）制定污水处理设施微生物气溶胶控制标准。严格规定污水处理设施中气溶胶中微生物的排放量，从源头抑制气相中微生物对人群的健康威胁。
（4）加强对微生物气溶胶控制技术及策略的研究，从而抑制微生物气溶胶的产生与传播。
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
