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新冠病毒在污水处理厂的分布特征及去除特性研究进展

来源:北极星环保网 时间:2022-07-28 浏览量:38

2019 年暴发的新型冠状病毒肺炎疫情引发了全人类的健康危机。新冠病毒存在粪口传播的可能性,病毒进入污水处理厂后带来二次传播风险,污水的安全处理对疫情防控具有重要意义。针对当前国内外关于新冠病毒的研究现状,主要介绍了新冠病毒在污水处理厂中的分布特征,归纳了新冠病毒在不同介质中的浓度范围、赋存特性,并基于当前污水处理厂的处理工艺,分析并总结了病毒在不同介质中的去除机理。针对污水处理过程中病毒的控制提出建议,以期为今后医疗废水、城镇污水中病毒的处理以及污水处理厂的稳定运行提供参考。

研究亮点

1、归纳并总结了新冠病毒在污水厂不同介质中的分布特征、浓度范围及赋存特性;

2、根据当前污水厂常用处理工艺,分析新冠病毒及相关病毒在不同介质、不同构筑物中的去除机理;

3、总结了针对污水中病毒的工艺流程,为今后污水中病毒的处理提供参考

由新型冠状病毒(COVID-19)感染的肺炎疫情严重威胁人类健康,这是全球性的公共健康危机。新冠病毒与SARS较为类似,均属于包膜病毒,拥有极强的传染能力,主要通过飞沫传播和接触传播,也存在着气溶胶及粪口传播的可能性。病毒可能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。因此,污水处理厂作为排水系统的终端处理设施,防止病毒扩散、保障水环境安全的任务尤为重要。

国内外学者对污水处理厂新冠病毒的防控进行研究,检测不同污水处理厂新冠病毒的浓度,分析部分构筑物对病毒的去除效果,然而对于新冠病毒在污水处理厂分布情况以及浓度范围缺乏系统介绍与归纳,在不同介质中新冠病毒去除过程还不够清晰。我国城镇污水处理厂已配备基本的消毒措施,以有效切断病毒和其他病原微生物的传播。但新冠疫情的暴发对医疗废水和城镇污水的处理提出了更高的要求,分析和梳理新冠病毒在污水处理厂的分布特征与去除特性对疫情防控具有重要意义。本文介绍了新冠病毒在污水处理厂的分布特征,梳理了新冠病毒在不同介质中的浓度范围,分析了各处理工艺针对病毒的消杀性能及去除特性,总结了污水中病毒的处理思路,为污水处理厂病毒的风险防控提供依据和参考。

1、新冠病毒在污水处理厂的分布特征

新冠病毒随着医院废水、市政污水等排放后,经污水管道最终进入污水处理厂。一方面,新冠病毒通过吸附与解吸作用实现在水相与固相间的相互迁移。另一方面,病毒会随着废水中颗粒的雾化溢出至气溶胶内,并随着气溶胶的沉降作用又将新冠病毒重新带回污水以及土壤中(图1)。各国研究者为更好防控疫情,研究新冠病毒在不同介质中的赋存特征,检测并定量新冠病毒的浓度范围,分析新冠病毒的传播能力与影响情况。不同介质中新冠病毒的分布与浓度如表1所示。

1.1 水相中新冠病毒的存在与浓度

为了解新冠病毒当前及未来的暴发情况,各国研究者采用污水流行病学,对欧美、亚洲等多地污水处理厂进行新冠病毒检测分析。检测结果显示,新冠病毒含量在102~108copies/L,大部分污水处理厂的新冠病毒含量在104~106copies/L,最高为印度某污水处理厂,废水中新冠病毒含量高达2.419×108copies/L。Randazzo等在新冠疫情影响非常小的La Murgia地区检测到新冠病毒,其含量高达105.17~105.59copies/L,进一步显示了新冠病毒在污水中的传播能力。通过对污水中新冠病毒的监测,反映新冠病毒在该地区的传播情况,能够提供新冠病毒暴发的预警信息,指导疫情防控。

1.2 固相中新冠病毒的存在与浓度

新冠病毒在固相中的分布主要集中于粪便、污泥与土壤中。一方面,新冠病毒以粪污或呕吐物的形式排入下水管道,随污水进入污水处理厂。污水中的病毒通过吸附与沉淀作用分别转移至悬浮颗粒与污泥中。另一方面,部分含有病毒的污水/污泥用于农田灌溉与施肥,病毒再次转移至土壤中。除此之外,污水雾化形成的病毒气溶胶颗粒以沉降方式进入土壤,并在土壤中沉积。

研究发现,新冠病毒在不同固相中的浓度有所不同。粪便中检测出的新冠病毒含量最高,约为106~108copies/g;而在患者治疗后一周,粪便中新冠病毒含量逐渐降至103copies/g。含有新冠病毒的粪便进入污水处理厂进行处理后,新冠病毒在污泥中的浓度有所下降,含量为103~105copies/mL。Balboa等发现,新冠病毒遗传物质在某些污泥中的浓度更高,病毒颗粒对生物固体的亲和力更强,因此,新冠病毒可优先在污泥中进行监测。

1.3 气相中新冠病毒的存在与浓度

新冠病毒在污水处理厂中通过雾化作用,以微生物气溶胶的形式污染周边环境,其含量在102copies/m3左右。在金银潭医院、火神山医院的调节池内,COVID-19的气溶胶含量分别为285、603 copies/m3。因此,污水处理站设计过程中尤其需要注重构筑物密封效果,减少污水在提升、曝气、搅拌等过程中,新冠病毒以气溶胶形式释放至周边环境。

研究表明,分离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,尽管少数研究成功地从粪便样本中分离出感染性新冠病毒,但水和气溶胶中尚难以分离出感染性的新冠病毒,因此,最小感染剂量目前尚不清楚,相比于缺乏感染性病毒粒子,难以分离出完整的包膜病毒粒子是更为重要的原因。然而,Foladori等在关于新冠病毒在污水处理系统的研究表明,尽管在处理过程中新冠病毒载量显著减少,但仍可以检测到基因片段。因此,仍需要进一步的研究来评估新冠病毒在水循环中可能造成的风险。在这之前,针对污水的安全处理必不可少。

2、新冠病毒在污水处理厂的去除特性

2.1 污水处理

2.1.1 一级处理

污水的一级处理是截留除渣、沉淀固体等物理作用的处理过程,通过对附着病毒的悬浮物进行沉淀分离来去除病毒。一般来说,一级处理对病毒的去除率较低,Lucena等研究了不同污水处理厂一级处理过程对不同病毒过程,其去除率为0.31~0.44 log。

2.1.2 二级处理

西电东送在促进云南迈上“电力强省”之路,极大带动省内电力工业发展的同时,也拉动了省内煤炭、建材、运输、钢铁和第三产业的高速发展。目前,西电东送最大送电能力达2870万千瓦,较送电之初的25万千瓦增长115倍,年输送电量较最初的5.5亿千瓦时增长225倍。随着澜沧江上游梯级电站送出工程,以及乌东德送电广东广西工程的加快建成,到2020年,云南省“西电东送”能力将达到3615万千瓦。

污水的二级处理即生物处理过程,其中,活性污泥法被认为是减少病毒最有效的方法,其可通过细菌等微生物对病毒的捕食和酶分解,达到减少并灭活病毒的目的。Lucena等研究发现含病毒的污水经活性污泥法处理后,病毒减少了1.0~1.6 log,比一级处理工艺多减少了约1 log。

膜生物反应器(MBR)作为常用的二级处理设施,是生物处理和膜过滤的集成,能在较短的接触时间内达到很好的微生物灭活效果。Owen等的研究发现,经MBR处理后,出水中肠道病毒等病原微生物都低于检测限,去除率为6~8 log。MBR对病毒的去除作用不仅体现在活性污泥对病毒的灭活,膜表面的滤饼层和凝胶层在病毒的截留中起了重要的作用。

移动床生物膜反应器(MBBR)是另一种污水处理厂常采用的处理设施,具有污泥产量少、运行相对稳定等优点。Bauer等研究表明,气溶胶的排放程度与反应器类型有关,生物膜反应器(MBR)显示出比活性污泥的曝气反应器更少的气溶胶排放,MBBR作为MBR的一种,体现出了一定的优越性。由于MBBR产泥率低,同时降低了病毒在污泥及土壤中的赋存及迁移的程度。

生物处理一方面通过细菌对病毒的作用将病毒灭活,另一方面由于有效降解污水中的有机固体,存在将吸附于固体上的病毒重新转移至水相的可能性。Randazzo等研究发现,在污水处理厂常规活性污泥处理后,仍有11%的样品中新冠病毒RNA呈现阳性;Zhang等同样通过检测发现,火神山在一级调节池进行消毒处理后,检测到新冠病毒含量为633 copies/L,紧随其后的化粪池与二级调节池均未检测到新冠病毒的存在,而在MBBR反应器中偶然会检测到新冠病毒,其原因可能是病毒脱离固体后的重新释放。

2.1.3 三级处理

污水的三级处理是通过混凝沉淀、膜分离等方式对污染物进行进一步去除的过程。在混凝过程中,病毒可以结合正在形成的絮体并吸附至其表面,随后其与絮体重力沉降后被去除。研究表明,在铝混凝剂水解过程中形成的聚合物对病毒具有更大的吸引力,在电荷中和的过程中,病毒与正在形成的聚合物共沉淀,病毒逐渐失去活性与传染性,而相比无机混凝剂,投加聚合氯化铝能使去除效果更佳,其原因是形成更多数量对病毒具有强大吸引力的中间聚合物。铁盐是另一种广泛使用的混凝剂,三价铁盐显示出与铝混凝剂相似的去除效果及作用机理。然而也有研究发现,二氯化铁化学混凝过程同样可以使病毒失活,但其主要作用源于二价铁被氧化。膜分离作为一种高效的水处理技术,可以通过物理截留显著地进一步减少病毒数量,主要通过病毒与膜材料间的静电作用以及滤饼层的吸附作用实现病毒的去除。反渗透技术相比微滤、超滤显示出更高的病毒去除率,但由于成本较高、单位面积产水效率低,该技术较少得到应用。

2.1.4 消毒处理

由于颗粒的保护作用,污水在进行生物处理之后,病毒尚未完全被去除而重新释放至水相中,需接入后续消毒池,对出水进行二级消毒,确保杀灭剩余病毒。二级消毒同样常采用氯消毒,从预消毒到尾水消毒的全工艺停留时间不小于2 d,确保出水余氯大于6.5 mg/L,保障系统出水的安全性。Zhang等在医院消毒后的废水中未检测到新冠病毒,证实了二级消毒出水后新冠病毒的完全灭杀。Wang等在医院废水中病毒的监测情况表明,尽管预消毒池入口的污水样品新冠病毒RNA呈现阳性,经一级消毒后样品呈弱阳性,但是最后一个消毒池出口的污水样品呈现阴性,展示了二级消毒工艺对于病毒灭杀的重要作用。

除氯消毒之外,臭氧消毒和紫外消毒也常用于污水消毒过程,二者对SARS病毒均有较好的去除效果,为疫情期间新冠病毒的防控提供了参考,但臭氧的运行成本更高,紫外消毒受水中悬浮物浓度影响较大,因此,二者应用相对受限。

综上,针对新冠病毒在污水处理厂的分布特征,污水处理工艺采用一级消毒-生物处理-二级消毒的处理流程(图2),通过水相消杀将数量级为106copies/L的病毒进行部分消杀,接着采用生物反应将固体颗粒消解,使病毒脱落而释放至水相中,最后经二次消毒实现对水相与固相中新冠病毒的完全杀灭,达到了良好的去除效果。

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2.2 污泥处理

污水处理厂在污泥外运处理之前,采用生石灰消毒的方式,减少污泥在外运过程病毒溢出传播的风险。生石灰法是一种通过添加碱性材料将pH值提高至12以上,从而灭活病毒的方法。研究发现,生石灰能在2~24 h将污泥中多种病毒和病原微生物灭活。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。火神山污水处理站采用生石灰消毒,不仅在污泥外运前起到了预消毒作用,而且脱水性能也得到了提高。

2.3 尾气处理

为有效降低病毒气溶胶传播的风险,尾气的控制至关重要,需进行封闭收集。尾气处理主要包括活性炭吸附法、紫外光解法、生物法等方式。

封闭式反应器大大降低了病毒的气溶胶形成,显示了在减轻污染的气溶胶形成中封闭系统的重要作用。同时,MBR曝气量相对较小,可采用此类反应器进一步从源头上减少气溶胶的产生和传播。活性炭因比表面积大、结构紧凑多样以及强度大等优点,具有强大的吸附能力。Powell等研究发现,活性炭对噬菌体MS2表现出良好的吸附去除效果。紫外消毒是常用的消毒手段之一,病毒存在于气溶胶内部,紫外作用并不能完全灭活病毒,因此,污水处理厂可联合活性炭对病毒进行有效灭活,保证尾气的达标排放。此外,研究发现生物反应器在将尾气中有毒有害恶臭物质分解,降解成无毒无害无机物的同时,也能有效减少微生物气溶胶的形成。

3、结论与建议

新冠病毒严重威胁着人类健康。污水的安全处理能够有效阻断病毒通过污水系统传播,降低气溶胶及粪口传播导致的二次传播及暴露风险,对疫情的控制具有重要意义。本文在介绍了污水处理工艺高效去除病毒的基础上,针对污水处理过程中病毒的控制研究提出了建议,以期为今后医疗废水及城镇污水病毒处理提供依据和参考。

(1)研究开发新型消毒剂,如过氧乙酸消毒剂,其在SARS和新冠疫情期间均被列为国家推荐消毒剂,在污水污泥消毒中展现出一定的优越性,成本适中且消毒过程无有害副产物产生,减少了微生物抗生素抗药性的出现和传播,实现高效低廉消毒过程。

(2)研究污水处理厂气溶胶形成的过程机理,探明温度、湿度等因素及处理工艺与运行方式对气溶胶形成的影响,并基于不同工艺研发曝气方式的改进优化技术,进一步从源头上减少气溶胶的释放。

(3)研究新型技术手段提升对固相(如粪污、污泥等)消毒或将病毒从固相中脱落的可能性与有效性,并加强污泥贮存、调理、脱水、转运等环节的控制,减小病毒进一步传播的风险。

(4)研究污水中新冠病毒以指导疫情防控的污水流行病学,通过对下水道实时数据的监测,提供疫情暴发的早期迹象,在高度流行传染病之前制定遏制措施和分配医疗资源,减少对当地经济的损失。