城市排水系统微生物气溶胶检测评估方法及控制策略

顾敏燕

[上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092]

0 引言

微生物气溶胶是悬浮在空气中的复杂胶体体系，至少包括细菌、真菌、病毒及其副产物、灰尘和液体等，可能引起各类传染病、急性中毒、过敏和癌症等，其中，呼吸道症状和肺部损伤最为常见[1]。微生物气溶胶来源广泛，例如垃圾堆置或填埋厂、医院或实验室、畜禽养殖厂、城市排水系统等。其中，城市排水系统作为输送和处理污水的基础设施，具有系统环节多、影响范围大等特点，值得重点关注。城市污水中含有各种致病性病毒（例如SARS-CoV-2）[2]、耐多药细菌、真菌和其他微生物，因此在污水产生、输送和处理全过程中，任何环节导致污水中的病原微生物逸散至空气中，都可能导致显著的环境和健康风险，尤其是排水行业工作人员的职业健康。

随着微生物气溶胶关注度的提升，国内外研究者对微生物气溶胶的研究也逐步深入。微生物种类从早期的仅研究细菌[3]，发展到真菌和病毒；检测方法从培养计数法、染色计数法发展到生物传感器、PCR、高通测序法等；研究对象从仅针对污水处理厂，逐渐关注系统中其他环节，例如排水管网和污泥处理处置等；微生物气溶胶在污水和空气两相间的逸散和扩散影响因素及其机理逐渐明确[4]；微生物气溶胶的健康风险及评估方法逐步完善[5]；由此，提出了越来越多的微生物气溶胶控制技术和策略[4]。

本文将全面总结国内外研究者针对城市排水系统微生物气溶胶开展的研究，包括微生物气溶胶的采样方法、检测监测方法、气溶胶污染和健康风险分析，以及控制策略。本文旨在为城市排水系统运行中微生物气溶胶检测监测、风险防范提供参考。

1 微生物气溶胶检测

1.1 采样点选择

城市排水系统在污水产生、输送和处理全过程中产生职业健康风险的主要节点包括排水检查井、泵站、调蓄池和污水处理厂等公众或排水工作人员容易接触的地方。从接触频率上而言，各设施的工作人员巡检点为风险最大处；从污染浓度上而言，各排水设施微生物气溶胶浓度较高的点位为风险最大处。因此，为识别气溶胶风险较高的地方，研究者需要对排水系统各环节的相关点位进行微生物气溶胶的检测。

研究表明[6-9]，污水处理厂的不同处理单元对微生物气溶胶的产生具有显著差异，因此采样点通常分布在不同处理单元和厂界并设置相应的背景对照点。邱雄辉等人[7]将采样点布置在采用奥贝尔氧化沟工艺污水处理厂的曝气沉砂池、氧化沟、终沉池、污泥脱水车间和出水口等5 个污水处理单元以及厂区上风向100 m 处的背景值点。张俊超[10]将采样点布置在氧化沟工艺污水处理厂的格栅间上方、配水池上方、氧化沟下风向1 m、二沉池下风向1 m、污泥脱水间中间位置和厂门口距离出口2 m 处，采样高度为1.3 m。孙强[6]通过对比A2O 工艺污水处理厂的污泥脱水间、格栅间、曝气池、二沉池、接触消毒间、初沉池、办公区等点位的微生物气溶胶浓度特征，选择3 个浓度较高的采样点和1 个对照点进行进一步实验，分别是污泥脱水间、格栅间、曝气池和附近湿地公园。Han 等人[8]研究了北京、合肥、宜兴和广州的9 个污水处理厂的微生物气溶胶，针对A2O 工艺，选择了细格栅、厌氧池、好氧池、污泥脱水间和背景对照点作为采样点；针对SBR 工艺选择细格栅、序批式反应器、污泥脱水间和背景对照点；针对氧化沟工艺，则选择细格栅、氧化沟反应池、污泥脱水间和背景对照点。

针对检查井、泵站和调蓄池目前尚缺乏相关研究。与污水处理厂不同，检查井、泵站和调蓄池通常占地不大，尤其是检查井。检查井微生物气溶胶风险主要产生在开盖检查时，因此采样点可设置在开盖状态下的井盖处。泵站的集水井和捞渣间分别因为贮存污水、捞渣设备直接接触污水可能导致气溶胶风险较大。此外，由于中控室24 h 均有值班人员，因此中控室采样点也需要关注。

1.2 富集技术

微生物气溶胶采样的方法主要有自然沉降法和仪器采样法[11]，如表1 所示。常用的仪器采样法包括撞击法、离心法、过滤法和静电沉降法等，均是通过外力作用将生物粒子收集到介质中，进而进行下一步培养或分析。由于排水系统微生物气溶胶十分复杂，涉及各类细菌、真菌、病毒。针对细菌，可选择的方法较多，例如固体撞击法、液体冲击法、过滤法、离心法和静电法等。真菌可选择固体撞击法、冲击法、过滤法和离心法等。病毒气溶胶采集则可采用液体冲击法、过滤法、离心法（液体介质）、静电法和固体撞击法，但采用固体撞击法时应在琼脂表面涂抹水溶性黏质层[12]。根据已有排水系统微生物气溶胶的研究报道，固体撞击法是目前最常用的细菌和真菌采集方式之一。邱雄辉等人[7]采用Andersen 六级撞击式采样器对西安某污水厂进行气溶胶采集，实现0.65～7.0 μm 以上的六级尺寸粒子分别采集。同样的，杨唐等人[13]也采用Andersen 六级撞击式采样器对3 座A2O 工艺污水厂进行气溶胶采集。此外，也有部分研究采用过滤法。杨凯雄等人[14]采用总悬浮颗粒物TSP 采样器对长三角地区某污水厂（SBR）进行气溶胶采集，滤膜材质为玻璃纤维，实现0.1～6 μm范围内粒子的捕捉。针对病毒的富集，液体冲击法和过滤法使用较为广泛。Fannin 等人[15]利用液体冲击式LVS 采样器实现污水处理厂气溶胶肠道病毒富集。Myatt 等人[16]利用过滤法和固体撞击法对低浓度呼吸道病毒进行富集，对比研究表明，过滤法结合PCR 的检测方法比撞击式结合细胞培养的方法具有更高的病毒富集效率。

表1 微生物气溶胶富集技术

1.3 检测技术

排水系统各点位微生物气溶胶采集后，需要进一步根据不同目的对微生物的种类、浓度或粒径进行检测。表2 列举了部分常见微生物气溶胶检测方法及其原理和优缺点。检测方法根据测试目的选择，还应与适宜的气溶胶采样方法搭配。细胞培养计数法是较常用的定量方法，可与固体撞击法、液体冲击法或过滤法等气溶胶采集方法组合。杨凯雄等人[14]利用过滤法进行气溶胶采集，配合细胞培养计数法和高通测序法测定了污水处理厂气溶胶中的细菌浓度和种类；杨唐等人[13]和邱雄辉等人[7]采用六级撞击式采样器进行气溶胶采集，利用差别化的细胞培养计数法测定了污水处理厂气溶胶中细菌和真菌的浓度和粒径分布。Guzman 等人[17]和Williams 等人[18]采用BGM 细胞培养法分别测定了生污泥、消化后脱水污泥和堆肥污泥的肠道病毒浓度，以及初沉污泥的腺病毒浓度。除了细胞培养计数法之外，一些更先进的分子生物学技术和基因检测技术也逐渐运用到排水系统微生物的检测中。Monpoeho 等人[19]、Prado 等人[20]和Albinana-Gimenez 等人[21]利用RT-PCR 法分别检测了初沉污泥、活性污泥、浓缩污泥和消化污泥的肠道病毒浓度，活性污泥的轮状病毒,生污泥和活性污泥的腺病毒以及活性污泥的甲型肝炎病毒。Han等人[8]以过滤法采样配合高通测序法，对9 个污水处理厂中95 种细菌和22 种真菌进行了定性和定量检测。

2 微生物气溶胶监测

由于微生物气溶胶单次检测无法对排水系统工作人员或公众进行长期的警示和保护，因此实时监测同样十分重要，尤其针对长期暴露和气溶胶风险波动较大的点位。监测技术相比于检测技术要求更高，需要满足24 h 连续在线、不使用或者少使用耗材和试剂，以及操作简单，检测快速。表2 中的部分气溶胶检测技术也具有作为监测手段的可行性，例如生物传感器法、流式细胞计数法、QPCR 法和质谱法等，但是需要开发相应的配套设备。以美国TSI、美国PMS、日本Bioviaila 和中科院上海光学精密机械研究所为例，目前国内外企业或研究机构开发了利用激光诱导空气中微生物粒子产生荧光的监测手段，分辨率达到1 个微生物粒子。此外，美国和芬兰应用紫外技术诱导活微生物产生紫外荧光。可见，在实时监测技术中，激发生物荧光成为了目前的主要技术途径之一。

表2 微生物气溶胶检测技术

3 微生物气溶胶污染解析和健康风险分析

3.1 粒径、浓度和种属解析

在通过以上方法获得数据的基础上，对其展开深入的数据解析是风险分析的基础。在粒径方面，研究表明，尺寸小于10 μm 的颗粒物可以进入鼻腔、小于7 μm 则可以进入咽喉，而小于2.5 μm 的颗粒物可深入肺泡并沉积，加入血液循环系统[23]。此外，粒径越小则活性更强，寿命也越长，小于0.1 μm 的气溶胶颗粒可在大气中滞留10年以上。因此，微生物气溶胶粒径分析是气溶胶检测中重要的部分。固体碰撞法通常使用的Andersen 六级撞击式采样器具有6 级筛孔，可分别采集不同粒径的气溶胶粒子，1级：≥7 μm，2 级：4.7～7 μm，3 级：3.3～4.7 μm，4 级：2.1～3.3 μm，5 级：1.1～2.1 μm，6 级：0.65～1.1 μm。6级采样粒径分别针对1 级不可进入人体、2 级进入咽喉、3 级进入气管和支气管、4 级进入第二支气管、5级进入端支气管、6 级进入肺泡。Andersen 八级撞击式采样器也是同理。此外，光学显微镜、电子显微镜等都可以测试气溶胶粒子的准确直径分布。

微生物气溶胶浓度也是影响气溶胶风险的重要因素，是气溶胶暴露计量模型和健康风险评价模型的重要参数。研究表明，不同温度和湿度、风速、光照，不同的排水系统设施，污水处理厂不同处理工艺等，都会引起微生物气溶胶浓度的显著差异。而微生物气溶胶种属的鉴定能够判断气溶胶的危害程度，例如脊髓灰质炎病毒和诺如病毒[24]能够在污水处理厂逸散的气溶胶中检测到。尽管目前的风险评价模型中没有种属的相关参数，但是种属的测定对于防止强致病菌、病毒侵害十分必要。

3.2 健康风险评价

健康风险评价步骤主要包含暴露计量模型、暴露因子参数选取和健康风险评价模型。不同暴露途径的计算模型如公式（1）和（2）所示，健康风险评价模型如公式（3）和（4）所示[9]。

式中：ADD呼吸呼吸为呼吸系统平均暴露量，CFU/d/kg；C 为微生物气溶胶浓度，CFU/m3；IR 为呼吸速率，m3/d；EF 为暴露频率，d/a；ET 吸入为呼吸吸入暴露年限，a；ADD皮肤为皮肤接触平均暴露量，CFU/d/kg；SA 为接触皮肤表面积，m2；Pc 为皮肤渗透率，m/h；ET皮肤为皮肤接触途径暴露时间，d；BW 为人体质量，kg；AT 为预期寿命，d。

式中：HQ 为非致癌风险商，表示各个暴露途径单个污染物的非致癌风险；RfD 为参考剂量，CFU/d/kg；HI 为多污染物多暴露途径的非致癌总风险。

4 微生物气溶胶控制策略

4.1 源头覆盖

污水处理厂的各环节，尤其是曝气池，通常可通过定期清洁或轻质材料覆盖达到防止逸散的效果。目前，铰链盖已用于覆盖全规模处理设施中的生物气溶胶源[25]。其他研究也建议采用覆盖源头的方法来减少生物气溶胶的排放[26]或者设计不直接暴露到空气中的设备[27]。目前国内大多数城市的污水处理厂开始采用全覆盖的设计方案，能够从源头避免气溶胶的逸散，同样的，针对排水系统中的检查井、泵站、调蓄池等其他设施，也大多采用全覆盖的方式。但有研究表明覆盖可能会使导致曝气池氧气传输受限，因此通常盖子都有开口，仍然可能导致气溶胶释放[28-29]。

4.2 自由漂浮载体介质

另一种策略是使用自由漂浮载体介质（FFCM），这种介质由低密度材料组成，可放置在水面上用来阻止微生物气溶胶的释放。Hung 等人[30]在实验室规模的生物反应器中使用聚苯乙烯球珠，研究表明，随着球体粒径的减小，气溶胶减排量增加；使用多层球珠结构，可以适度提高目标物的捕获效率。在电镀和污水曝气实验中，自由漂浮载体介质在去除或防止大多数气溶胶颗粒的释放上，效果十分有效，最多可达90%左右。Noh 等人[31]研究发现在膜生物反应器中引入粉末活性炭（PAC）会增加细菌絮体的形成，并减少游离细菌数量。目前还没有在实际污水处理厂进行FFCM 实验的相关研究。

FFCM 目前仍然面临两个方面的挑战，一是曝气过程，尤其是机械曝气，可能会将介质沿水流推离生物气溶胶源，从而降低其有效性。二是需要经常清洁或更换。总体而言，FFCM 用于排水系统微生物气溶胶排放控制的研究仍处于早期阶段。在实际排水处理设施中的有效性还需要进一步研究。

4.3 有效消毒灭菌

常见的空气消毒方法有以下几种：物理法、化学法和其他消毒法。

物理法中以紫外消毒最为常见，但此法的消毒效果会收到诸多因素的影响，如照射强度、温度、气流等条件的差异等[32]，故紫外消毒法在实际的使用中有明显的局限性。另一种常见物理法是等离子体消毒法，其原理是利用电离产生的活性氧化物破坏细胞膜的活性成分，从而实现杀菌效果，有研究表明这种方法的杀灭效果能达到98.9%[33]，此外如层流净化、静电沉积、空气离子消毒等均属于物理消毒法，但这些方法均适用于相对密闭的空间，有明显的局限性。

化学消毒法顾名思义就是物质的化学特性实现消毒，主要分为两类：利用强酸碱性物质进行高效的终末消毒等；另一类是通过强氧化性破坏细菌活性的方法，如臭氧和过氧乙酸等消毒方法。但化学法普遍存在损害人和动物健康的缺陷，还可能污染环境[34]。

其他方法有生物消毒法、中草药消毒法、光催化消毒法、多因子协同法等。

5 结论

城市污水中含有各种致病性病毒、耐多药细菌、真菌和其他微生物，在污水产生、输送和处理全过程中，微生物气溶胶的检测监测和健康风险评估具有重要意义。本文总结了国内外研究者在排水系统微生物气溶胶检测和防控方面进行的研究。微生物气溶胶富集、采样点的选择、检测和监测和健康风险评估是评估排水系统气溶胶污染的四个关键步骤。其中富集和检测监测技术的选择建议根据不同的目的进行，尤其是注意富集和检测技术的合理搭配。健康风险评估能够为控制措施的制定和实施提供依据。