新冠病毒在污水處理廠的分布特征及去除特性研究進展

徐 悅，陳家斌，肖紹賾，張龍龍，張亞雷，周雪飛

(同濟大學環(huán)境科學與工程學院，污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092)

由新型冠狀病毒(COVID-19)感染的肺炎疫情嚴重威脅人類健康，這是全球性的公共健康危機。新冠病毒與SARS較為類似，均屬于包膜病毒，擁有極強的傳染能力，主要通過飛沫傳播和接觸傳播[1]，也存在著氣溶膠及糞口傳播的可能性[2-4]。病毒可能通過感染患者的糞便排出體外，進而通過排水系統(tǒng)進入污水處理系統(tǒng)。因此，污水處理廠作為排水系統(tǒng)的終端處理設施，防止病毒擴散、保障水環(huán)境安全的任務尤為重要。

國內外學者對污水處理廠新冠病毒的防控進行研究，檢測不同污水處理廠新冠病毒的濃度，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，在不同介質中新冠病毒去除過程還不夠清晰。我國城鎮(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，為污水處理廠病毒的風險防控提供依據和參考。

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，經污水管道最終進入污水處理廠。一方面，新冠病毒通過吸附與解吸作用實現(xiàn)在水相與固相間的相互遷移[5]。另一方面，病毒會隨著廢水中顆粒的霧化溢出至氣溶膠內，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[6](圖1)。各國研究者為更好防控疫情，研究新冠病毒在不同介質中的賦存特征，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。不同介質中新冠病毒的分布與濃度如表1所示。

表1 不同介質中新冠病毒含量

圖1 污水中新冠病毒的分布及遷移規(guī)律

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的暴發(fā)情況，各國研究者采用污水流行病學，對歐美、亞洲等多地污水處理廠進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[6-20]，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2.419×108copies/L[7]。Randazzo等[8]在新冠疫情影響非常小的La Murgia地區(qū)檢測到新冠病毒，其含量高達105.17～105.59copies/L，進一步顯示了新冠病毒在污水中的傳播能力。通過對污水中新冠病毒的監(jiān)測，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，隨污水進入污水處理廠。污水中的病毒通過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入土壤，并在土壤中沉積[21]。

研究發(fā)現(xiàn)，新冠病毒在不同固相中的濃度有所不同。糞便中檢測出的新冠病毒含量最高，約為106～108copies/g[22-26]；而在患者治療后一周，糞便中新冠病毒含量逐漸降至103copies/g[22]。含有新冠病毒的糞便進入污水處理廠進行處理后，新冠病毒在污泥中的濃度有所下降，含量為103～105copies/mL[5,27-29]。Balboa等[30]發(fā)現(xiàn)，新冠病毒遺傳物質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)先在污泥中進行監(jiān)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中通過霧化作用，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[1,6,31]。在金銀潭醫(yī)院、火神山醫(yī)院的調節(jié)池內，COVID-19的氣溶膠含量分別為285、603 copies/m3[6]。因此，污水處理站設計過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)[22]。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[32]，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[33]。然而，F(xiàn)oladori等[25]在關于新冠病毒在污水處理系統(tǒng)的研究表明，盡管在處理過程中新冠病毒載量顯著減少，但仍可以檢測到基因片段。因此，仍需要進一步的研究來評估新冠病毒在水循環(huán)中可能造成的風險。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程，通過對附著病毒的懸浮物進行沉淀分離來去除病毒[34]。一般來說，一級處理對病毒的去除率較低，Lucena等[35]研究了不同污水處理廠一級處理過程對不同病毒過程，其去除率為0.31～0.44 log。

2.1.2 二級處理

西電東送在促進云南邁上“電力強省”之路，極大帶動省內電力工業(yè)發(fā)展的同時，也拉動了省內煤炭、建材、運輸、鋼鐵和第三產業(yè)的高速發(fā)展。目前，西電東送最大送電能力達2870萬千瓦，較送電之初的25萬千瓦增長115倍，年輸送電量較最初的5.5億千瓦時增長225倍。隨著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3615萬千瓦。

污水的二級處理即生物處理過程，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[35]研究發(fā)現(xiàn)含病毒的污水經活性污泥法處理后，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，是生物處理和膜過濾的集成，能在較短的接觸時間內達到很好的微生物滅活效果。Owen等[36]的研究發(fā)現(xiàn)，經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(xiàn)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。

移動床生物膜反應器(MBBR)是另一種污水處理廠常采用的處理設施，具有污泥產量少、運行相對穩(wěn)定等優(yōu)點。Bauer等[37]研究表明，氣溶膠的排放程度與反應器類型有關，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(xiàn)出了一定的優(yōu)越性。由于MBBR產泥率低，同時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[8]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)陽性；Zhang等[6]同樣通過檢測發(fā)現(xiàn)，火神山在一級調節(jié)池進行消毒處理后，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(jié)池均未檢測到新冠病毒的存在，而在MBBR反應器中偶然會檢測到新冠病毒，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混凝沉淀、膜分離等方式對污染物進行進一步去除的過程。在混凝過程中，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[38-39]。鐵鹽是另一種廣泛使用的混凝劑，三價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(xiàn)，二氯化鐵化學混凝過程同樣可以使病毒失活，但其主要作用源于二價鐵被氧化[40]。膜分離作為一種高效的水處理技術，可以通過物理截留顯著地進一步減少病毒數量，主要通過病毒與膜材料間的靜電作用以及濾餅層的吸附作用實現(xiàn)病毒的去除[41]。反滲透技術相比微濾、超濾顯示出更高的病毒去除率，但由于成本較高、單位面積產水效率低，該技術較少得到應用。

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，對出水進行二級消毒，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[6]在醫(yī)院消毒后的廢水中未檢測到新冠病毒，證實了二級消毒出水后新冠病毒的完全滅殺。Wang等[43]在醫(yī)院廢水中病毒的監(jiān)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(xiàn)陽性，經一級消毒后樣品呈弱陽性，但是最后一個消毒池出口的污水樣品呈現(xiàn)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(圖2)，通過水相消殺將數量級為106copies/L的病毒進行部分消殺，接著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，最后經二次消毒實現(xiàn)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。

圖2 新冠病毒在污水中的去除特性

2.2 污泥處理

污水處理廠在污泥外運處理之前，采用生石灰消毒的方式，減少污泥在外運過程病毒溢出傳播的風險。生石灰法是一種通過添加堿性材料將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[44]。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[45]?；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險，尾氣的控制至關重要，需進行封閉收集。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(tǒng)的重要作用。同時，MBR曝氣量相對較小，可采用此類反應器進一步從源頭上減少氣溶膠的產生和傳播[46]?；钚蕴恳虮缺砻娣e大、結構緊湊多樣以及強度大等優(yōu)點，具有強大的吸附能力。Powell等[47]研究發(fā)現(xiàn)，活性炭對噬菌體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)合活性炭對病毒進行有效滅活，保證尾氣的達標排放。此外，研究發(fā)現(xiàn)生物反應器在將尾氣中有毒有害惡臭物質分解，降解成無毒無害無機物的同時，也能有效減少微生物氣溶膠的形成[48]。

3 結論與建議

新冠病毒嚴重威脅著人類健康。污水的安全處理能夠有效阻斷病毒通過污水系統(tǒng)傳播，降低氣溶膠及糞口傳播導致的二次傳播及暴露風險，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和參考。

(1)研究開發(fā)新型消毒劑，如過氧乙酸消毒劑，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(xiàn)出一定的優(yōu)越性，成本適中且消毒過程無有害副產物產生，減少了微生物抗生素抗藥性的出現(xiàn)和傳播，實現(xiàn)高效低廉消毒過程。

(2)研究污水處理廠氣溶膠形成的過程機理，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)曝氣方式的改進優(yōu)化技術，進一步從源頭上減少氣溶膠的釋放。

(3)研究新型技術手段提升對固相(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(jié)的控制，減小病毒進一步傳播的風險。

(4)研究污水中新冠病毒以指導疫情防控的污水流行病學，通過對下水道實時數據的監(jiān)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(yī)療資源，減少對當地經濟的損失。