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戴晓虎:污水处理厂污泥中病毒的赋存特性及处理处置过程中暴露风险防控研究进展

时间: 2020-04-21 09:42

来源: 给水排水

作者: 戴晓虎等

1 引言

一段时间以来,由2019-nCoV病毒引发的COVID-19新冠肺炎疫情牵头全国亿万人民的心,是继2003年SARS疫情后我国发生的又一次重特大疫情,引发世界各国的关注。近日,国内钟南山院士团队从新冠肺炎患者粪、尿中分离出2019-nCoV新型冠状病毒,警示存在“粪-口”、“粪-呼吸”的可能性。新冠病毒(2019-nCoV)与SARS-CoV、MERS-CoV、Ebolavirus、H5N1等一样,均属于包膜病毒。一些临床报告表明SARS-CoV、禽流感病毒等包膜病毒可通过感染患者的粪便排出体外,进而通过排水系统进入污水处理系统。相关存活性研究表明,许多包膜病毒随粪便进入城市污水系统后,可在几天到几个月内仍具有感染能力。与此同时,污泥富含有机物,导致其容易吸附大量的病毒,有研究表明,人体排泄的100多种病毒可能吸附在污泥中,由此保护病毒免受消毒灭活。因此,需重视随粪便排出的2019-nCoV新型冠状病毒进入城市污水系统后,通过污泥进行二次传播及暴露的风险。

截止2018年我国县级以上城市污水处理厂污泥已达到6765万吨(含水率80%计),且每年以5%-8%的比例增长,预计2020~2025年间,我国污泥年产量将突破8000万吨(含水率80%计)。由于污泥复杂的特性及广泛的来源,不仅含有有机质、氮、磷、钾等营养物质也含有病毒、致病菌、寄生虫卵、重金属等有毒有害物质。目前我国污水厂污泥厂区内实现了浓缩脱水等减量化处理,正在大力推进污泥稳定化、无害化、资源化处理处置,对于污泥卫生化处理的要求关注度较少。已有《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)、《城镇污水处理厂污泥泥质》(GB24188-2009)、《农用污泥污染物控制标准》(GB4284-2018)等污泥处理处置标准对粪大肠菌群、细菌总数、寄生虫卵等进行限值控制,但尚未涉及到病毒的控制值。污水厂污泥处理处置环节中病毒的赋存、传播、灭活及暴露风险还不够清晰,需加强污泥卫生化相关的基础理论及技术方面的研究。

本文系统总结国内外污水处理厂污泥中病毒的赋存特征、灭活特性、传播途径、风险防控技术等方面的研究进展,并提出存在的问题,以便为疫情期间污水厂污泥中新冠病毒的风险防控,以及对未来加强相关方面的研究及标准制定提出了建议。

2 污泥中病毒的赋存特征

2.1 污泥中的病毒

病毒是一种含核酸(DNA或RNA)、依靠宿主活细胞增殖的非细胞型生物。按感染对象的不同,可分为细菌病毒、植物病毒、动物病毒等。根据有无包膜可分为包膜病毒(如冠状病毒)和无包膜病毒(如肠道病毒),其中研究表明包膜类病毒在环境中更易失活。研究发现病毒可随粪便进入污水收集系统,进而吸附在污泥,因此,新冠病毒可能也存在类似现象。目前污泥中已被检出含有多种病毒,如肠道病毒(Enteroviruses)、腺病毒(Adenovirus)、甲型肝炎病毒(Hepatitis A virus)、轮状病毒(Rotavirus)、疱疹病毒(Herpesvirus)、乳头瘤病毒(Papillomavirus)、博卡病毒(Bocavirus)、冠状病毒HKU1(Coronavirus HKU1)等。污泥中一些常见病毒的类型及浓度如表1所示。

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肠道病毒(Enterovirus):单正链RNA病毒,无包膜,主要包括脊髓灰质炎病毒(Poliovirus)、埃可病毒(Echovirus)、柯萨奇病毒(Coxsackievirus)等,可引起脊髓灰质炎、心肌炎等疾病,主要通过粪-口和呼吸道感染传播。Sidhu和Toze报道称由于污泥的吸附作用,污泥中肠道病毒的浓度往往高于污水厂进水中的浓度,同时其对消毒剂的耐受性较强,导致存活时间也较长,因此认为未消毒处理的污泥土地利用时存在风险。

腺病毒(Adenovirus):线性双链DNA病毒,无包膜,可引起呼吸道疾病。研究表明,腺病毒可在污泥中大量存在(约1.3×102-7.96×105GC/L)。Gerba等发现对免疫功能低下的癌症患者,肠道腺病毒可导致53%-69%的死亡率,同时与其他肠道病毒相比,腺病毒对紫外线和热的耐受力更强,因而可在环境中存活更长的时间。

轮状病毒(Rotavirus):双链RNA病毒,无包膜,具有双层衣壳,主要经粪-口途径或呼吸道途径传播。Arraj等]报道称与脊髓灰质炎病毒相比,污泥对轮状病毒的吸附能力较弱,其在污泥中的浓度较低。

甲型肝炎病毒(Hepatitis A virus):单正链RNA病毒,无包膜,主要通过粪-口传播,可引起人类肠道肝炎。Straub等用PCR检测未消化污泥和消化污泥中的甲型肝炎病毒时发现8个样本中有7个均可检测到该病毒,认为该病毒广泛存在于污泥中,但尚不能判断它们是否仍具有感染活性。

星状病毒(Astrovirus):单正链RNA病毒,球形、无包膜,可引起幼小动物产生腹泻症状,可通过粪-口传播。有研究表明污泥中可检测到星状病毒,但其详细报道不多。

目前关于污泥中病毒的报道主要是无包膜病毒,关于包膜病毒报道较少,这可能是由于包膜病毒在城市污水中浓度较低、且被认为易降解,因而一直以来在污水污泥中没有得到足够的关注。然而,2013年Bibby等对美国5个污水处理厂中的污泥进行鸟枪病毒基因组学研究时发现污泥中冠状病毒HKU1的检出率超过80%,且相对丰度较高,应加强重视污泥中冠状病毒等包膜类病毒的存活与灭活。

据文献报道,冠状病毒(Coronavirus)为单正链RNA病毒,有包膜,宿主为脊椎动物(如人、鼠、猪、牛等),可造成呼吸系统感染等人类疾病,室温条件下,SARS冠状病毒GVU6109株可在碱性pH的腹泻粪便中能存活4d,在呼吸道中存活17d。

综上,目前污水厂污泥中检出率和浓度相对较高的主要是无包膜类的病毒(如肠道病毒),但随着检测技术的发展和人们对冠状病毒等包膜类病毒的重视,包膜类病毒在污泥中的检出和存活也逐渐受到关注,未来对污泥中病毒的种类(包膜类和无包膜类病毒)的认识也会逐步提升。

2.2 污泥中病毒的检测方法

污泥中病毒的检测通常包括三个过程,即洗脱、浓缩和检测。

病毒的洗脱是通过洗脱液将病毒和污泥分离,主要洗脱液包括10%牛肉提取液、酸沉淀后牛肉浸液、明矾沉淀后Tris缓冲液等。Monpoeho等对比了8种洗脱方法,发现0.03M NaCl-7%牛肉提取物(pH 7.5)和10%牛肉提取物(pH 9)两种洗脱方法,更利于后续病毒的细胞培养和PCR检测。Sano等认为传统的牛肉提取液含有的蛋白质、腐殖酸等物质不利于后续基因的扩增,因而开发了酶病毒洗脱法(EVE),研究表明溶菌酶等与RT-PCR结合可使病毒回收率达到31%,是使用10%牛肉提取液洗脱法的4倍左右。

病毒的浓缩可提高其检出率,并减小洗脱液的体积,主要包括聚乙二醇浓缩法、超速离心法、过滤法(超滤法、膜过滤法等)、有机絮凝法等。Prado等发现与直接超速离心浓缩法相比,基于牛肉提取液洗脱法的超速离心法更适合污泥中人腺病毒HAdV、轮状病毒RV-A和诺如病毒NoV-GII的浓缩与检测。

病毒的检测常采用细胞培养法、免疫学检测法(免疫荧光法(IFA)、酶联免疫吸附法(ELISA))和分子生物学检测法(PCR、基因芯片等)。细胞培养法作为传统的病毒检测方法,直接通过细胞病变及死亡情况来表征污泥中病毒浓度及其感染活性,检测便捷、直观,但检测周期较长、检测病毒类型有限(仅适合可分离培养病毒,对诺如病毒、星状病毒、沙坡病毒等病毒难以分离培养无法检测)。同时,免疫学检测法(如免疫荧光法IFA、酶联免疫吸附法ELISA)用于污泥病毒检测,常存在检出限高、灵敏度低等问题。

分子生物学检测法具有快速、高效、灵敏、特异等特点,在国内外得到广泛的应用,可同时对多种病原微生物进行快速分析检测,主要方法包括聚合酶链式反应(PCR)、基于核酸序列扩增(NASBA)、环介导等温核酸扩增技术(LAMP)、基因芯片等,同时可与细胞培养法、免疫技术结合使用,如抗原捕获PCR(AC-PCR)方法。采用PCR技术检测污泥病毒时,提取液中的腐殖酸、无机盐等会对PCR造成抑制作用,可利用聚乙二醇沉淀、树脂过滤等方法消除这些影响。此外,Chen等采用基因芯片特异型杂交可对8种冠状病毒进行特异性鉴定和鉴别时,其灵敏度比PCR高1000倍,且可同时用于8种冠状病毒感染的诊断。但是,分子生物学方法也存在无法区分感染性和非感染型病毒颗粒的不足。因此,在实际应用时,应根据检测需求,结合目标病毒与污泥泥质的特点,选择合适的分析方法。

对于污泥中肠道病毒和轮状病毒的检测,美国环境保护局(USEPA)采用10%牛肉提取液作为洗脱液,进而利用有机絮凝法进行病毒的浓缩,最后使用BGM细胞系进行噬菌斑分析,以定量检测病毒,但该方法并不能准确检测所有肠道病毒,其定量性能很大程度上与污泥类型和性质有关。

污泥中病毒种类众多,能否找到可以表征污泥病毒性的指示病毒,以及如何快速表征污泥病毒活性是目前研究者们关注的重点。Bibby等利用病毒宏基因组学揭示了污泥中病毒多样性,并认为病毒宏基因组学可结合qPCR、细胞培养法等病毒检测数据,为病毒在污泥中的传播及风险评估提供数据支撑。与此同时,噬菌体如体细胞大肠杆菌噬菌体(SOMCPH)常被用于指示污水污泥中的肠道病毒。澳大利亚等国家已经将SOMCPH添加到污泥卫生化处理的标准中,并采用双层琼脂技术、直接提取等提取方法,结合RT-PCR检测污泥中的SOMCPH。但目前研究的噬菌体更多用来指示污泥中的肠道病毒,尚不清楚是否能指示其他类型的病毒,因此需继续探索适用于污泥中其他病毒污染的表征方法。

2.3 污泥中病毒的存活

病毒离开寄主后不能繁殖,但可以在污泥中存活一定时间。研究表明将含有病原微生物的污泥进行土地利用后,发现两周后土壤中未检测到肠道病毒;大肠杆菌、粪大肠菌群和肠球菌等致病菌在2个月内缓慢下降,但产气荚膜梭菌浓度变化不大,这表明不同病原微生物的存活特性不同。同时,污泥中病毒的存活时间与外界环境因素有重要关系,如温度、pH、湿度、污泥组分等。

温度的影响:温度升高,会造成病毒的蛋白质变性,酶类活性消失,从而造成病毒的存活率和存活时间降低。实验室条件下,污泥中不同温度下猪瘟疱疹病毒(SuHV-1)的存活时间不同:50℃存活时间不到1h;40℃存活时间为4d;30℃存活时间为34d。感染性极强的SARS(SARS-CoV)病毒常温下可在人的粪便和尿液中稳定存活1-2d,而在4℃和-80℃环境下至少可存活4d。Schwarz等研究也表明,污泥中的病毒在冬季可以存活很长一段时间,特别是在污泥中的深层(>1米)。

pH的影响:污泥中病毒的存活还受到pH的影响,高pH值可导致病毒蛋白质衣壳和核酸被破坏,从而抑制病毒的存活。Feng等研究发现,相比于碱性条件,噬菌体MS2在酸性条件下能够存活的更好;甲型肝炎病毒等病毒可在pH为1-3.75时稳定存活,被认为具有耐酸性。pH还会影响污泥中游离氨(NH3)的存在水平,从而影响病毒的存活状况,Ward和Ashley研究表明厌氧消化污泥中的游离氨(NH3)可引起脊髓灰质炎病毒不可逆转的灭活,Magri等发现噬菌体对氨的抗性高于腺病毒和轮状病毒。环境中的pH还可影响病毒的带电性能,从而影响污泥与病毒的结合,周玉芬等发现活性污泥对f2噬菌体的吸附能力随着pH的升高而下降。

湿度的影响:有报道表明,潮湿的环境有利于病原微生物的存活,且湿度每降低10%,病毒可检出量便会减少80%。Ward和Ashley研究发现随着水分的蒸发,污泥中固体含量由65%增至83%,脊髓灰质炎病毒滴度可降低3个数量级以上。Rouch等发现噬菌体、大肠杆菌等在空气干燥过程中明显减少。非典型肺炎SARS病毒在物品表面干燥后可以存活48h,而在患者的排泄物中可生存4d左右。不同的病毒对干燥的耐受能力不同,Scattar等发现保存8个月后的污泥塘干污泥样品中肠道病毒和呼肠孤病毒仍旧存活,Mccaustland等表明甲型肝炎病毒在42%的相对湿度下在粪便中存活时间为30d。

污泥组分的影响:作为一个复杂体系,污泥中大量含有有机物、胶体物质等,因此污泥组分也可能影响病毒的存活特征。Tennant等发现犬冠状病毒在犬粪便中的生存时间较生长培养基明显缩短,认为可能与粪便中的pH值、离子和胶体的存在有关。Berg等发现肠道病毒在5℃下的延时曝气池中可存活38d,而在氧化沟中仅能存活17d,可能与不同污泥中所含物质不同有关。Bagdasaryan研究发现与有菌条件相比,在无菌条件下土壤中病毒的存活率更高,表明污泥和土壤中微生物的存在也会影响病毒的存活。

2.4 污水厂污泥中病毒的控制标准

针对污泥处理处置,目前美国主要采用的是1993年颁布的《美国生物污泥产生、使用和处置报告》(40 CFR Part503)这一标准,其中对污泥中病原菌、病毒的控制提出了具体要求(表2)。欧盟针对污泥处理处置制定了多项污泥标准,其中污泥农用准则(Sewage Sludge Directive 86/278/EEC)是欧盟各成员国制订污泥标准时的参考框架,标准中虽未对污泥中病毒等病原体的含量作出明确要求,但要求污泥进行适当的调理,以去除病原微生物。法国、丹麦、芬兰等欧盟成员国对致病微生物的控制限值如表2所示。

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我国针对污泥处理处置最早颁布的标准是《农用污泥中污染物控制标准》(GB4284-1984),提出了农用污泥等的污染指标,但对有机污染物和生物学指标并未作出要求。2002年颁布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中提出了污泥稳定化的控制指标,其中规定了污泥中蠕虫卵死亡率和粪大肠菌菌群的限值。此后,我国制定一系列污泥处理处置标准,包括《城镇污水处理厂污泥泥质》(GB24188-2009)、《城镇污水处理厂污泥处置混合填埋用泥质》(GB/T 23485-2009)、《农用污泥污染物控制标准》(GB4284-2018)等,各标准对污泥卫生学指标的限值如表3所示。目前我国污泥泥质的卫生学指标一般采用粪大肠菌群数、寄生虫卵含量、细菌总数,然而这些病原微生物与大多数病毒对消毒剂和周围环境的耐受能力不同,因此无法准确表征污泥中病毒的污染状况,是否引入病毒学指标需要深入研究。

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我国仅有传染病医疗机构对其产生的污泥限制了肠道病毒这一病毒学指标,如表4所示,不过该标准未对肠道病毒的检测方法和取样量进行明确规定,需要参考国外标准,结合我国国情完善我国污泥卫生学指标体系,防控污泥处理处置过程中病毒二次传播及暴露风险。

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2.5 污泥中病毒的灭活

由于污泥是一种高含水、多介质的复杂体系,和水等均匀介质存在较大的差异,导致污水中常用的消毒方法(如氯消毒、臭氧消毒等)应用于污泥时,消毒效果不理想。因此,国内外对污泥中病毒的灭活开展了一系列研究和工程实践,总体可分为物理法(高温、辐射、干燥等)、化学法(石灰稳定法、二氧化氯、过氧乙酸等)、生物法(酶等)等三大类。

2.5.1 物理法

高温灭活:高温可破坏病毒的蛋白质,从而实现病毒的灭活,常用的方法主要包括巴氏杀菌法(一般在60-82℃)、热处理法(>100℃)等。有研究发现采用巴氏杀菌法(70℃,30min)可杀灭浓缩污泥中沙门氏菌和细胞病变肠道病毒。用热处理灭活贻贝中甲型肝炎病毒(HAV)时发现在60℃下处理30min,80℃浸泡10min和100℃浸泡1min均不足以灭活所有病毒;需要在100℃浸泡2min才能完全灭活病毒。Zenker等研究发现超声波与传统热处理结合还可以实现低频超声波和热的协同作用,提高病原体的灭活效果。

辐射消毒:辐射消毒通常采用β或γ射线(用来自60Co或137Ce)在室温下(20℃)照射污泥,可实现污泥的消毒。张韶华等[71]采用γ射线和电子束照射城市污水厂污泥时发现较低剂量(1 kGy)辐照即可大幅降低活性污泥中的细菌总数。Robert等 发现污泥中的脊髓灰质炎病毒对微波辐射最敏感;艾柯病毒对γ辐射比脊髓灰质炎病毒更敏感。不过,辐射的消毒效果会受到污泥厚度的影响,研究发现污泥厚度会影响粪性链球菌、真菌、放线菌和细菌总数的消毒效果。

干燥灭活:有研究发现肠道病毒会随着污泥自然蒸发干燥而灭活,干燥过程中脊髓灰质炎病毒的活性明显降低。在污泥干燥过程中病毒颗粒可被分解,释放出遗传物质,因而这种灭活是不可逆的。目前利用人工热源可将污泥含水率降至20%以下 ,此过程主要是基于热效应发挥消毒作用。

2.5.2 化学法

通过添加碱性材料(如石灰、氨水、炉渣等)将pH调节至12或者以上,实现病毒的灭活,是一种简单、经济的消毒方法。Bruna等研究发现碱法稳定能在2-24h内灭活污泥中的大肠杆菌、沙门氏菌等病原指示微生物。石灰稳定法还可在24h内将接种到堆肥和生污泥中的腺病毒5型,轮状病毒Wa和雄性特异性大肠杆菌噬菌体MS2降至低于检出限。研究发现革兰氏阴性杆菌与肠道病毒对熟石灰较为敏感,且利用熟石灰消毒时,有机物和温度对其消毒效果影响较小。此外,添加石灰引起的温度升高也是杀灭病原微生物的重要原因。Boost等[86]发现污泥中加入石灰后温度可由20℃升至98℃。碱法稳定法还常与热处理等联合使用,可增强灭菌效果,并提高污泥脱水性能。

除石灰、氨水外,常用的消毒剂还有次氯酸钠、过氧乙酸等。Tsai等发现次氯酸盐比二氧化氯对大肠杆菌的消毒效果更好,且消毒效果与污泥特性及浓度、搅拌速度有关,即污泥浓度越低,搅拌速度越快,消毒效果越好。他们还发现与浓缩污泥相比,两种消毒剂对二沉污泥的消毒效果更好。过氧乙酸(PAA)是一种结构简单的过氧化有机酸,氧化性强是高效灭活病毒的主要原因。张景丽研究发现次氯酸钠和过氧乙酸两种消毒剂对MBR工艺的污泥消毒均有效,但前者效果略优于后者;采用次氯酸钠对污泥消毒时会产生消毒副产物(如CHCl3),而过氧乙酸消毒过程中无明显副产物的生成,认为过氧乙酸更佳。朱丹等[87]发现对沉降了30min的活性污泥进行消毒可减少过氧乙酸的投加量。

2.5.3 生物法

污泥微生物可通过捕食、拮抗和营养竞争等方式实现病原微生物的杀灭,还可利用降解病毒蛋白质外壳的酶实现病毒的灭活。Paluszak等表明在堆肥过程中猪瘟病毒的灭活与污泥中的微生物紧密相关。Lipson等研究表明污泥细菌可以利用病毒作为生长基质,从而促进病毒的灭活。Cliver等发现污泥中柯萨奇A-9型病毒可被蛋白水解菌(尤其是铜绿假单胞菌)灭活。有研究表明厌氧消化过程污泥中微生物产生的蛋白酶可增加大肠杆菌噬菌体MS2的失活,是引起污泥中肠道病毒衰变的重要因素之一。Ward等发现厌氧消化污泥中,脊髓灰质炎病毒的核糖核酸和两种最大的病毒蛋白都被裂解,这可能与污泥中的核糖核酸酶和蛋白酶有关。一些研究表明土壤和混合垃圾中细菌的产生酶也具有灭活病毒的现象,Nasser等研究土壤中铜绿假单胞菌产生的纯蛋白酶、蛋白酶和胞外酶对MS2大肠杆菌噬菌体和一系列肠道病毒失活的影响,发现所有被检测的蛋白酶源均显示出抗病毒活性,但活性取决于病毒类型。Ming等发现混合垃圾中1型脊髓灰质炎病毒(PO1)失活的部分原因是由垃圾中的细菌产生的蛋白水解酶引起的。

此外,研究表明不同环境条件下微生物对病毒的灭活效果不同。Hurst发现在好氧微生物的作用下人类脊髓灰质炎病毒1型菌株LSc-2ab的灭活可增高2-3倍,而厌氧微生物作用下未发现这一现象,认为土壤中的抗病毒活性作用可归因于好氧微生物的存在。Scheuerman等也发现与厌氧消化(0.33log10/d)相比,污泥好氧消化(0.77log10/d)对病毒的灭活率更高。

3 污泥处理处置中病毒的传播及暴露风险

3.1 污泥处理处置环节中病毒的传播和暴露

我国污水处理厂污泥处理系统包括污泥贮存、浓缩、调理、脱水/干化、存储、运输等环节。根据目前国家有关污泥稳定及资源化需要,污泥处理系统还包括污泥厌氧消化、好氧堆肥、焚烧等处理工艺。在这些处理环节中病毒可能存在气流传播及操作人员的接触传播,然而目前关于污水厂污泥处理过程中病毒的传播和暴露途径及风险缺乏系统研究。2020年2月1日,生态环境部发出了《新型冠状病毒污染的医疗污水应急处理技术方案》,其中提及“污泥在贮泥池中进行消毒,贮泥池有效容积应不小于处理系统24h产泥量,且不宜小于1m³。贮泥池内需采取搅拌措施,以利于污泥加药消毒;应尽量避免进行与人体暴露的污泥脱水处理,尽可能采用离心脱水装置”,这对于疫情期间污水处理厂污泥处理环节的应急防控具有指导和参考价值。

除了污泥处理环节,污泥处置过程中也可能存在病毒的扩散及暴露风险,包括污泥土地利用(比如土壤改良、园林绿化、农用、林地利用)、污泥填埋、污泥建材利用等环节。目前关于污泥土地利用中病毒的风险评估比较多。研究表明未消毒处理的污泥一旦进入土地,吸附污泥中的病毒可能会浸出风险。有证据表明污泥中的病毒在土地利用过程中可能形成气溶胶,导致存在空气传播暴露的风险。有关污泥土地利用的定量微生物风险评估分析表明与沙门氏菌相比,诺如病毒、腺病毒每年的感染风险要大,其次为肠道病毒。在不同的暴露途径,病毒风险等级大小分别为:直接摄入>气溶胶吸入>>污染地下水摄入>污染食物摄入。根据美国EPA 503法规记录,对污泥土地利用附近公众最大的风险途径是吸入污泥土地利用中形成的带病原体的气溶胶,包括将污泥放入喷洒装置、污泥喷洒到土地,以及污泥拌入土壤等过程,因为直接摄入污泥将病毒带入人体的概率很低。如何降低污泥土地利用过程中气溶胶传播风险,一方面是可通过强化污泥卫生化前端处理(污泥消毒)削减污泥病毒的含量,另一方面也可通过设置防护间距来控制,研究表明间隔距离从30增加165m时,病毒感染风险可减少0.5-1.0 log。此外污泥含水率也会是一个重要影响因素,研究发现脱水污泥土地利用过程中抛散产生的气溶胶是液态污泥喷洒的80倍。但是,与液态污泥相比,脱水污泥的运输更加经济,因此我们需要优化脱水污泥的含水率,以便平衡经济成本与病毒传播风险。

3.2 污泥处理工艺对病毒的削减作用

(1)污泥厌氧消化

污泥厌氧消化是实现污泥稳定化的重要手段。厌氧过程易腐有机物的降解,同时高温条件存留一定时间,可显著杀灭有效杀死绝大多数病原物,实现污泥的卫生化。美国EPA503指出[55]污泥在35℃到55℃厌氧消化处理15d以上,在20℃处理60d,可显著减少病原体数量。研究表明经中温厌氧消化处理,可满足美国EPA 503规定的B类污泥标准。Cheunbarn等用厌氧中温-厌氧高温或厌氧高温-厌氧中温的双消化系统,处理初沉污泥和剩余污泥的混合物,当进泥中沙门菌浓度为2-12 MPN/g TS时,高温反应器(62℃)处理14d,同时中温反应器(37℃)处理1d,沙门菌等致病菌均能达到美国EPA 503规定的A 类污泥产品标准。

然而,不同污泥消化条件对病毒的削减作用不同。研究表明仅靠中温厌氧消化不能有效降低污泥中感染性病毒的水平。在美国,由中温厌氧消化处理产生的B级污泥中能够检测出感染性肠道病毒和腺病毒,它们的含量分别可达到101~103和102~104 MPN/g污泥。与中温厌氧消化相比,污泥高温厌氧消化对腺病毒的去除率更高。研究发现高温发酵(60℃,65kpa)可导致噬菌体f2每小时降低3.5log10,高温消化(54.5℃)每小时可降低滴度1.2log10,而中温消化(34.5℃)仅观察到每小时0.04log10的失活率,其中温度对三种工艺中噬菌体的灭活的贡献率分别为100%、32%和19%。Levantesi等对比两种预处理方法(热水解和超声波)和5种污泥消化工艺(高温厌氧消化TAD 55℃、中温厌氧消化MAD 37℃、中温厌氧消化与常温好氧消化AA、中温/高温厌氧消化UMT、超声波/中温/高温厌氧消化UMT-S)对体细胞大肠杆菌质粒(SOMCPH,病毒替化性指标)的削减效果,结果表明热预处理(135℃、20min)的log10去除率最高,可达到3.9~5.2,而超声波预处理几乎没有去除效果。5种污泥消化工艺对SOMCPH的log去除率分别为:UMT-S(2.4±0.4)≈UMT(2.3±0.4)≈TAD(2.2±0.7)≈AA(2.0±0.6)>MAD(0.9±0.4)。Astals等研究发现污泥中温厌氧消化(37℃,20d)对SOMCPH和F-RNA细菌质粒(FRNAPH)的平均log10去除率分别为1.0和2.7,而通过80℃、10min卫生化处理后,log10去除率均超过6.0,这可能跟体系中蛋白酶存在有关,有待于进一步研究证实。

总体而言,厌氧消化作为污泥稳定化的工艺,具有一定的去除病原微生物和病毒的效果,起到污泥的卫生化处理的作用,研究结果表明,污泥高温厌氧消化及多级串级消化工艺对病毒有更好的削减作用。针对污泥彻底卫生化的要求,灭活污泥病原菌及病毒,采用污泥消毒+厌氧消化(如高级厌氧消化)或高温卫生化处理是一种有效的途径。

(2)污泥堆肥

污泥堆肥通过有机质降解产生的热量,使基质升温,在稳定化过程中温度可达55-70℃,在一定的停留时间条件下,可充分去除大多数肠道微生物。研究表明55-70℃温度条件下可使病毒削减3-4 log10。美国EPA 503指出污泥堆肥温度上升到40℃或者更高,维持此温度5d,同时在这5d期间,有4h温度超过55℃,即可显著减少病原体数量;使用静态好氧堆肥方法,污泥温度控制在55℃以上,并持续3d,若使用摊堆方法时,污泥温度控制在55℃或者更高,并且要持续15d以上,可进一步杀灭病原体数量。

Paluszak等发现在污泥好氧堆肥过程中,既使没有高温阶段,病毒的存活时间仅为34-44.5h,认为除了温度之外,堆肥过程其他理化因素可能也会引起病毒的削减。脱水作用可能是引起病毒削减的另一个原因,它可通过病毒衣壳的断裂,导致核苷酸的释放。Heck研究发现堆肥终产物中未发现肠病毒。Watanabe等研究表明在1.0g湿堆肥基质也没有检测出病毒,认为污泥堆肥基质中病毒每年的感染风险低于万分之一,表明污泥堆肥对病毒有很好的控制效果。

但是,污泥堆肥也存在一定的不足,如对某些抵抗力较强的植物病毒和噬菌体去除效果有限,同时在堆肥过程烟曲霉等病原性真菌的生长也对堆肥操作人员的健康存在风险。

(3)污泥石灰稳定

石灰稳定是目前控制污泥中病毒等病原体数量的有效手段。美国EPA 503指出通过向污泥投加足量的石灰,使pH≥12,接触2h以上,可显著减少病原体。

研究发现在原污泥中肠道病毒的含量为3.4-167 MPNCU/g TS,经石灰处理后污泥未发现存活的肠道病毒。Sattar等研究发现石灰稳定对腺病毒和吸肠孤病毒等其他病毒的削减也是有效的。研究表明石灰稳定处理11h后脊髓灰质炎病毒的去除率可达到90%。Brewster等研究发现在每克干污泥中加80g以上石灰,储存1d后,污泥中肠道病毒的含量低于1PFU/4gTS,满足美国EPA503中关于A级污泥的要求。此外,Koch和Strauch研究发现污泥特性可能影响石灰稳定灭活病毒的效果,同等条件下在厌氧消化污泥中灭活脊髓灰质炎病毒所需的石灰剂量是生污泥的2.5倍。石灰稳定灭活病毒的机理可能主要是在此过程中pH呈碱性(pH≥12),同时在此pH条件,NH4+离子会转化形成游离氨(NH3)。研究表明高pH和氨的共同作用,肠道病毒的削减可达到至少4 log10。事实上,不同病毒对pH和游离氨的耐受程度不同,如细小病毒对游离氨更敏感,而脊髓灰质炎病毒对高pH值(12以上)更敏感。因此,确保石灰稳定对污泥病毒杀灭效果的重要条件:高pH值和游离氨。

然而,石灰稳定还不能认为是污泥卫生化处理的最有效方法,虽然能显著降低病毒等病原体的数量,但是不能将它们全部杀死,此外,添加量大及高pH值不利于污泥后续处置,因此,通常作为一种应急处理方式。

(4)污泥干化

污泥干化是通过污泥水分蒸发,实现污泥减量化的一种重要手段,研究表明其对病毒等病原体也有很好的削减作用。美国EPA 503指出污泥在沙床、砾石床或未铺石砖的床层上自然风干3个月以上(2个月以上温度大于零度),可显著减少病原体数量;污泥热干化温度高于80℃以上,且含水量低于10%,可进一步杀灭病原体。

Romdhana等评估了四种热干化工艺(转筒间接干化、转筒直接干化、薄层干化、太阳能干化)对甲肝病毒的削减效果,研究表明前三种干化工艺对甲肝病毒的灭活所需时间分别为10min、20min和10s,但太阳能干化效果不明显。转筒间接干化初期,甲肝病毒浓度不变,当温度达到75℃时,浓度开始快速下降,大约10min后,消毒完成。转筒直接干化温度较高(80-100℃),但消毒大概需要20min,这是因为当污泥量较大时污泥传热速率较慢。薄层干化表面温度可达到112-137℃,因此其对甲肝病毒消毒时间仅需要10s。太阳能干化由于温度较低(低于38℃),对甲肝病毒等致病微生物几乎没有消减效果。这表明温度是影响污泥热干化过程中病毒削减的重要因素。Brashear和Ward研究了污泥风干过程中病毒活性的变化,发现在污泥含水率的下降到20%过程中,病毒的感染性会逐渐降低,表明污泥脱水作用有利于减少病毒的感染活性。研究表明污泥脱水可使脊髓灰质炎病毒的结构被分解,释放出其遗传物质RNA,在污泥中不可逆地被灭活,研究发现通过蒸发使污泥中含固率增加至83%以上,可有效地灭活污泥中的脊髓灰质炎病毒(滴度降低1 log10以上),且感染性恢复率明显下降,也可使呼肠孤病毒和柯萨奇病毒滴度明显下降。此外,Rouch等也发现污泥风干过程中大肠杆菌噬菌体数量会逐渐减少,表明污泥自然干化过程中肠道病毒也可能削减。但是,De Oliveira等对比了三种温度(室温、30℃和60℃)的污泥热干化,发现三种污泥干化条件脊髓灰质炎病毒均会快速削减,但是体细胞大肠杆菌噬菌体(somatic coliphages)会持续存在,表明污泥经低温热干化处理后可杀灭部分病毒,但某些抵抗力强的病毒削减效果有限。

总之,高温和低含水率是实现污泥干化过程中病毒削减的两个重要方面。目前没有证据表明低温热干化(40-50℃)条件下会促进病毒等病原体活性的增加。与致病菌不同,病毒的繁殖是在宿主细胞中完成的,因而可以肯定病毒在污泥中是不能繁殖,但是在低温、高湿条件下其存活时间有可能延长。

4 存在问题及展望

4.1 存在问题

(1)污水处理厂污泥病毒的赋存特征尚不清晰,特别是冠状病毒研究较少。由于污泥来源广泛、组成复杂,尽管目前有关污泥病毒的检测方法较多,包括噬菌斑培养、RT-PCR、流式细胞式、染色法等,但这些方法都存在一定局限性,不能全面反映污泥中病毒的种类及丰度。近年来,病毒宏基因组学技术的发展有望推动污泥病毒的赋存特征深入研究。

(2)污泥处理处置过程病毒的传播及暴露风险不明。目前关于国外关于污泥产物土地利用等环节中病毒等致病微生物的暴露风险及传播途径有一定的研究,但对于污泥贮存、浓缩、调理、脱水、储存、转运等处理环节中病毒的传播途径及暴露风险尚未报道。这次疫情期间,不少专家针对污水厂污泥处理处置的风险防控提出了不少建议,如郑兴灿等建议疫情期间初沉池直接超越运行,同时适度提高活性污泥浓度,延长实际运行污泥泥龄,加强脱水间通风与消毒,尽量采用热干化或石灰碱法稳定等方式进行消毒处理,污泥存储及运输过程应密闭,必要时,喷洒消毒剂。这些建议为疫情的病毒风险防控起到很好的支撑作用,但从长远来看,对污泥中病毒及病原菌的传播与暴露风险还缺乏深入的研究,难以满足未来精准及科学防控的要求。

(3)我国污泥中病毒控制要求和标准有待完善。目前美国、法国等国制定的污泥标准对肠道病毒进行限制性控制,但是我国尚没有污水厂污泥中病毒控制的相关要求,有待于进一步健全。

(4)污泥中病毒的防控技术研发有待加强。随着我国将生物安全纳入国家安全体系的重要方向,污水厂污泥中病毒等病原体的卫生化要求势必进一步提高,然而现有污泥卫生化技术能否满足新形势的更高要求,有待进一步研究评估。

4.2 展望

(1)建立我国污水厂污泥病毒的基础性数据库

建立适合我国污泥病毒的检测方法,解析污泥全链条处理处置环节病毒的赋存特征、转化规律及传播风险,探明我国污泥病毒的时空分布规律,构建我国污泥病毒的基础性数据库,为污水处理厂污泥中病毒风险防控提供科学依据。

(2)加强污泥处理处置过程中病毒传播途径及暴露风险研究

探明污泥处理处置过程中典型病毒的潜在传播及暴露途径,为突发性感染疫情防控期间污泥处理处置过程中应急防控提供科学依据;研究污泥典型病毒在土-气-水不同环境介质的扩散迁移机制,阐明污泥典型病毒对生态系统和人类健康的潜在中长期风险。

(3)完善污泥处理处置病毒管控标准体系

基于污泥中病毒传播及暴露风险,建立污泥处理处置环节感染性病毒(应急)防控的管理方案,以细菌质粒为基础筛选确定污泥卫生化的控制指标,基于感染性病毒的传播特性、致病性风险、存活及杀灭特性,提出定量化、分级管控标准,构建完善的污水厂污泥卫生化管理体系。

(4)强化污泥卫生化处理新技术研发

加强现有污泥处理处置技术对病毒等致病微生物的削减效能研究,基于污泥卫生化要求优化现有污泥处理处置技术参数,针对污泥中突发性感染病毒,研发新型的污泥防控技术体系及方案。

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