城镇污水系统中病毒特性和规律相关研究分析

导语：根据新型冠状病毒的生物学特征，研究了病毒在水体中的赋存状态，分析总结了国内外污水处理中病毒的相关研究，认为污水处理厂只要保持正常稳定运行，就能够有效降低污水中病毒的浓度，可阻断肠道病毒和呼吸道病毒通过污水处理厂出水进行传播。对比分析了污水处理消毒过程中的臭氧消毒、氯消毒、紫外线消毒工艺，再生水处理过程的多级屏障作用可以有效去除病毒，结合工艺控制可以保障出水安全。此外，指出了污水处理工艺中可能产生气溶胶风险的位置，给出了相应的防护建议。这对新冠肺炎期间指导城镇污水处理厂安全稳定运行，防止新型冠状病毒进一步传播扩散有着重要参考意义。

2019年12月，武汉暴发了一种以肺炎为特征的新型呼吸系统疾病，经分离鉴定，确认病原为一种新型冠状病毒，疫情发展迅速。2020年2月1日我国研究人员在新冠肺炎确诊患者的粪便中检测出新型冠状病毒(COVID-19)核酸阳性，2月13日中国疾控中心在患者排泄物中检测到了活体病毒。这一重大发现引起了污水处理行业的极大关注，生态环境部紧急发布了《关于做好新型冠状病毒感染的肺炎疫情医疗污水和城镇污水监管工作的通知》，明确要求各地必须加强医疗污水和城镇污水的监管工作，避免新型冠状病毒通过污水传播扩散。

01 病毒在污水中的赋存状态

1.1 污水中的病毒

根据流行病学研究，人和动物的排泄物中往往含有大量的病毒颗粒，这些病毒颗粒可能通过污水排放、化粪池系统渗滤液和农业区径流进入水环境。国内外科研工作者针对污水处理过程中致病菌的研究较多，对病毒的研究相对较少，而病毒的发生、存活和衰变与致病菌有很大不同[1]。目前在生活污水中已经发现了150多种肠道病毒[2]，当人类通过受污染的水或食物接触到这些病毒时，理论上就存在一定的被感染风险。绝大多数关于城市水循环中病毒赋存状态的研究主要集中在肠道病毒上，而包膜病毒在结构上不同于肠病毒，因此一般认为包膜病毒在水中表现出的特性也有所不同。近年来，污水中的病毒宏基因组显示了人类病毒的多样性，这其中就包括一些包膜病毒[3]。

目前人类已知的五种冠状病毒粒子(MERS-CoV，HKU1-CoV，HCoVNL63，HCoV-OC43，HCoV-229E)在人体排泄物中都已经被检测到，综合国内外研究结论，可以认为冠状病毒不太可能对城市水循环卫生系统构成重大威胁[4]。

病毒感染人类需要同时具备4个必要条件: a. 病毒的存在;b. 一定量的病毒浓度;c. 易感染人员接触病毒;d. 病毒与易感染体表面受体结合。目前尚未见到污水厂进水中检测出新冠病毒的报道，排泄物存在病毒不能简单推断为市政综合污水一定会感染人，污水的净化处理仍然是人类控制疫情传播不可替代的有效手段之一，但是从业人员的暴露风险确实增大。

关于COVID-19在污水系统中生命周期特征、规律的研究还较为有限，但COVID-19作为病毒的一种，其在污水中表现出的特征应该与其他病毒，尤其是冠状病毒有一定的相似性。因此，综合分析已有研究成果对于指导本次疫情期间污水厂安全稳定运行，防止新型冠状病毒传播扩散有着重要参考价值。

1.2 污水中的病毒浓度

污水中的病毒浓度取决于受感染人数和受感染个人传播病毒的速度。大多数污水中病毒数据是关于肠道病毒和qPCR法测量的，污水厂进水中基因组浓度高达108～109拷贝/L，受限于细胞培养技术和病毒提取方法，污水中病毒粒子数量的报道很少，只能由人体粪便或尿液样本中的病毒量大致推测。比如，Noroviru病毒在人类粪便样本中的基因组浓度可以达到1010拷贝/L[5-6]，而在非疫情期间，该数值为109拷贝/L[7]。JCPyV病毒和BKPyV病毒在人类尿液中的基因组浓度为1010拷贝/L，在污水中的浓度为108拷贝/L[8]。SARS病毒在患者腹泻排泄物中的基因组浓度为1010拷贝/L，而患者尿液中的基因组浓度为2.5×107拷贝/L[9]。综合分析已有研究信息，疫情期间人类排泄物中病毒浓度可能提高1个数量级，而污水中病毒浓度比排泄物中约低1～2个数量级。

1.3 病毒在污水中的存活时间

病毒离开宿主细胞后能够存活一定时间，具体存活时间的长短跟病毒种类和环境条件有关，包括温度、有机物和微生物，其中温度是病毒存活的关键影响因素。病毒在污水中一般会吸附在泥砂、粘土、矿物等悬浮固体表面，这些物质可以为病毒提供保护，使病毒具有一定的逆境抗性从而延长其存活时间[10]。但同时如果这些固体沉淀下来，也可以成为去除病毒的一种机制[11]。需要注意的是，当病毒颗粒以聚集状态存在时，可以提高其在不利环境因素下的存活几率，这也同时提醒污水厂要高度重视污水处理工程中的污泥无害化处理环节。

病毒在生物体外表现出一系列对环境因素的敏感性，其中T90值(即在水环境中达到90%失活的时间)从几分钟到几年不等。污水管网水力停留时间一般少于半天，因此污水处理厂进水中有可能存在病毒。通常认为带有脂膜的病毒在水环境中很容易丧失感染性，但并不是所有的包膜病毒都能迅速失去传染性。病毒失活率受温度和基质影响较大，温度和盐度越高，病毒的失活率也越高[12-13]。在两项有关水中人类冠状病毒的研究中发现，温度对病毒的活性有显著影响，室温条件下的病毒样本的失活率比4℃条件下高出一个数量级[14]。研究表明，病毒存活率随着温度的升高而降低，这主要是由病毒外壳蛋白变性和环境中降解蛋白质的胞外酶活性增加引起的[10]。

污水的成分(有机氮组分、细菌病毒)和处理过程对病毒的生存影响较大，经过灭菌的污水中病毒的失活速率大于未灭菌的污水，污水中悬浮物和有机物提高了病毒在水环境中的生存能力。但是污水中的某些物质也能导致病毒加速失活，如冠状病毒在巴氏消毒的污水的T90远低于蒸馏水培养基[12]。

冠状病毒在未经过滤的初级污水中的存活时间比在过滤的初级污水中更长[14]。一项关于冠状病毒在水中存活时间的研究表明，TGEV和MHV两种冠状病毒在水(试剂纯)、地表水和巴氏杀菌的污水中可以长期存活，但传染性都很低，而且温度越高病毒的活性越低[11]。另外有研究表明冠状病毒在水环境中的传播要比肠道病毒少，因为冠状病毒在废水中会更快地失活，病毒粒子可在2～3天内减少99.9%，这与SARS-CoV存活数据相当[14-15]。可见，污水组分对病毒失活的影响是复杂的，并且不同的病毒和环境样本之间的关系存在显著差异，但污水处理过程对病毒去除作用无疑是正向的。

编辑：王媛媛