水廠飲用水腸道病毒工藝控制與污染防范

趙 燃

(北京市自來水集團有限公司石景山公司，北京 100043)

2020年初，新型冠狀病毒(COVID-19)感染的肺炎疫情給人民生活和經濟運行產生巨大影響，目前已經確認該病毒的傳播方式有飛沫傳播和直接傳播，但不排除存在糞口傳播的方式［2］，已在人體糞便中發(fā)現(xiàn)該病毒［3］，其具備了腸道病毒的部分特征。筆者梳理了水廠對腸道病毒的工藝控制和污染防范資料，以便為水廠在特殊時期采取合理積極的預防性措施，控制水質安全風險提供參考。

1 飲用水中的腸道病毒

1.1 飲用水中腸道病毒的傳播

腸道病毒可以通過飲用水傳播并感染人的胃腸道，腸道病毒感染者的糞便中含大量腸道病毒，受到污染的水體可能檢出腸道病毒。腸道病毒主要通過糞口傳播，也可通過呼吸道傳播［5］。這種類型的病毒個頭小、結構特殊、致病性強，常見的腸道病毒有脊髓灰質炎病毒、柯薩奇病毒、?？刹《疽约凹仔透窝撞《镜?。被腸道病毒污染的污水、固體和地表徑流，是飲用水受到腸道病毒污染的主要來源［6］。

大多數病原微生物不能在水體環(huán)境中無限期存活，病毒雖然不像某些細菌那樣在水體環(huán)境中增殖，但是可在水中存活較長時間。有證據表明SARSCoV等病毒在自來水中可以存活2 d，仍然有較強的感染性［7］。腸道病毒在適宜的水環(huán)境中可以存活幾周，在大多自然水體和底泥中病毒比細菌的存活時間更長［8］。

1.2 飲用水腸道病毒的控制標準

世界衛(wèi)生組織(WHO)編制的《飲用水水質準則》，對病毒等可能對健康帶來危險的病原體提出績效目標的概念，即以目標成分濃度減少的程度來評估飲用水中病原體的安全風險。現(xiàn)行第四版中，以每升水源水有10個微生物為例，對病毒的水質處理目標為 5.96log(即 99.999 89%)［9］。

美國國家環(huán)境保護局(USEPA)編制的《國家飲用水水質標準》(NPDWRs)，明確了飲用水去除腸道病毒的數值，并作為一級標準嚴格執(zhí)行。標準要求對病毒的滅活(去除)率大于4log(即99.99%)［10］。同時，USEPA建立了病毒污染物清單(candidate contaminant list 3，CCL 3)，遴選出腸道病毒等4種病毒作為病毒污染物，作為飲用水安全管理的目標［11］。

我國現(xiàn)行的《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)，對病毒控制提出原則性要求，即“生活飲用水中不得含有病原微生物”，其中病原微生物包括了病毒、細菌和原生動物，將腸道病毒的限值規(guī)定為零。

1.3 腸道病毒的指示物

《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)對大腸埃希氏菌和耐熱大腸菌群規(guī)定了限值，且要求定期檢測。但是大腸桿菌或耐熱腸桿菌并不適合作為飲用水中是否存在腸道病毒的可靠標志物［12］。因為病毒對化學消毒的抗性較大腸桿菌更強［8］，出廠水中沒有大腸桿菌，但仍然可能存在病毒。關于水源性疾病暴發(fā)的研究結果表明，保障水質安全不能完全依賴于大腸桿菌的是否檢出。

現(xiàn)有的檢測技術對具有致病性的病毒的檢測分析時間長、費用高，對儀器設備和人員要求高，且存在感染檢測人員的風險，故不宜將病毒作為飲用水指標。學者們篩選出了具有代表性的病毒作為一類病毒的預警指示物。飲用水中腸道病毒多采用侵噬細菌的病毒，即噬菌體作為指示物。噬菌體雖非人類病毒，但在組成、形態(tài)、結構和復制方式等方面與人類腸道病毒有許多共同之處。由于大腸桿菌噬菌體主要存在于哺乳動物的胃腸道內，它們在飲用水中的存在可作為糞便污染指示，也可指示腸道病毒潛在污染。所以常常將大腸桿菌的噬菌體，作為評價水處理對腸道病毒去除效果的指示物。WHO建議使用大腸桿菌噬菌體這種非常規(guī)監(jiān)測指標，作為驗證水體受到腸道病毒污染的評價指示物。目前國內已經建立了以大腸菌f2噬菌體和MS2噬菌體為指示病毒的水環(huán)境病毒學安全評價系統(tǒng)［13］。

飲用水中無大腸桿菌噬菌體不代表飲用水中不存在腸道病毒，存在大腸桿菌噬菌體是飲用水可能已經被糞便污染、水中存在腸道病毒的預警信號。在特殊時期，水廠應在開展常規(guī)水質檢測之外，在水源地、關鍵工藝和出廠環(huán)節(jié)增加對大腸桿菌噬菌體的檢測，用于提示可能出現(xiàn)的水處理過程缺陷，也可定性分析工藝段對病毒的去除效果。

2 處理工藝的控制

2.1 降低濾后水濁度

混凝、沉淀和過濾主要以去除水中的懸浮物和膠體為目標。從控制病原微生物角度，這些工藝雖然沒有滅活病毒，但也有效地降低了水中病毒的數量。因為病毒在水中并不是獨立存在，多是依附在體積更大的懸浮物或膠體上［14］，所以常規(guī)水處理中降低濁度的工藝也可顯著去除病毒。有研究表明，隨著水廠濾后水濁度的降低，城市每10萬人肝炎病毒感染的病例數也隨之下降［15］。

《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)要求水廠出水濁度小于1 NTU，為了達到此標準，水廠一般要求更低的濾后水濁度。如果濾后水濁度在0.3 NTU以下，病毒的去除率可達到2log［16］。為了降低濁度，要求水廠通過加強對混凝劑和助凝劑的投加量控制，降低濾速，強調混凝、沉淀、過濾協(xié)同控制的作用，以便在常規(guī)水處理環(huán)節(jié)創(chuàng)造更良好的絮凝、沉淀和過濾條件。隨著水處理工藝技術和管理水平的提高，目前我國部分水廠的濁度內控標準已達0.1 NTU。在特殊時期，水廠應該通過采取更多的手段，更為嚴格地控制濁度標準。

2.2 提高濾后水消毒CT值

液氯、次氯酸鈉等含氯消毒劑是常用的消毒劑，在一定濃度下不僅對各類細菌有良好的消毒作用，也對腸道病毒和新型冠狀病毒有較好的滅活作用［17］。含氯消毒劑通過作用于病毒外部的衣殼或內部的核酸使其失去吸附復制能力，作用的位置取決于氯的濃度和病毒類型。例如新型冠狀病毒是一種含有包囊的病毒，可以推斷在有效氯含量高時更多地直接作用于核酸，含量低時更多地作用于包囊。

飲用水消毒有效氯標示為CT值，《生活飲用水衛(wèi)生標準》要求水廠出廠余氯不小于0.3 mg/L，消毒接觸時間不小于30 min，氯消毒的CT值為9.0 mg/(L·min)。飲用水處理中投加含氯消毒劑對病毒的去除試驗，不同學者的研究結果差別較大。有人認為這是因為反應條件(例如濁度、溫度、pH等)不同造成，或者是由于指示的噬菌體耐受力不同［18］。表1所示為原水、濾后水和去離子水在不同CT值下的病毒去除情況。3個試驗均使用MS2噬菌體作為試驗指示物，采用近似的pH和溫度，基本排除噬菌體耐受力和環(huán)境因素影響。

表1 原水、濾后水、去離子水在不同CT值下的病毒去除率Tab.1 Removal rates of virus in raw water，filtered water and deionized water under different CT values %

從表2看出隨著CT值升高，含氯消毒劑對病毒的去除率升高，所以水廠應在特殊時期適當提高投加濃度，延長有效接觸時間，充分利用清水池和管網的消毒接觸時間，盡量提高含氯消毒劑的CT值。去離子水是消毒劑滅活病毒的最理想狀態(tài)，USPEA的試驗數據更接近于理想狀態(tài)。原水對病毒的去除效果不如濾后水，說明水中的懸浮物、膠體和有機物對病毒有一定的保護作用。為了保證消毒效果，水廠應更重視濾后水的消毒劑有效濃度。

2.3 穩(wěn)定膜處理滲透壓力

膜處理主要是利用分子篩理論篩分掉水中較大的待去除物，所以病毒的直徑對于膜處理的去除率起決定性作用。有研究表明當膜平均孔徑小于病毒直徑時，膜對病毒的截留率達到99.986% ～100%［20］。膜處理不是簡單的病毒過篩，膜表面和膜內部對病毒還存在吸附作用。因為病毒的直徑較小，所以當病毒直徑小于膜平均孔徑時，吸附截留作用是主要的去除方式，膜對病毒仍然有較高的去除率。相關實驗表明，0.2 μm的微濾膜對某些直徑在0.03 μm左右的腸道病毒的去除率可達99%［21］。腸道病毒的直徑為0.02～0.03 μm，新型冠狀病毒較腸道病毒更大，直徑為 0.06 ～0.14 μm［17］。超濾和納濾可以去除絕大部分腸道病毒，甚至在一定條件下單一的膜處理工藝即可滿足99.99%的USEPA標準。

有試驗表明，在過高的過濾壓力下，病毒可能穿透孔徑更小的膜，導致出水病毒數量升高，如圖1所示。水廠在使用膜處理工藝去除病毒時，應注意控制平穩(wěn)的滲透壓力，避免出現(xiàn)過高壓力。若使用的膜的平均直徑大于病毒直徑，還應適當降低膜的負荷和縮短反沖洗周期。當膜的負荷高時，膜表面或內部吸附也趨于飽和，此時對小直徑病毒的吸附作用變差，截留率會明顯下降［22］。

圖1 膜處理壓力與病毒去除率的關系Fig.1 Relationship between membrane pressure and removal rate of virus

2.4 加強臭氧和紫外線消毒

臭氧能夠有效滅活病毒微生物，0.25 mg/L臭氧濃度對MS2噬菌體的去除就能達到USEPA的飲用水標準。采用臭氧與氯聯(lián)用消毒時，臭氧和氯的投加量分別達到0.5和1.0 mg/L即可完全去除水中的病毒微生物［23］。

紫外線對病毒也有良好的滅活作用。紫外線照射可破壞病毒的核酸，使病毒失去活性。以柯薩奇病毒為例，有試驗表明達到1log的去除率時，需要的紫外線劑量為6.9 mJ/cm2，達到4log需要約30 mJ/cm2。試驗表明，不同的病毒對于紫外線的耐受程度存在差別，以MS2噬菌體為例，在29 mJ/cm2紫外線劑量下的去除率為90%，若要取得99.99%的去除率則照射劑量需達到118 mJ/cm2［24］。目前，多數水廠需要改造才可以達到這一強度。

2.5 重視工藝組合使用

水廠大多采用組合工藝，以地下水為水源的水廠在原水水質較好時可能只有消毒工藝，但消毒都是所有水廠必須具備的。從表2可以看出，為實現(xiàn)USEPA規(guī)定的病毒4log(99.99%)去除率的指標，強化消毒工藝尤其是充分利用清水池的停留時間，是關鍵控制環(huán)節(jié)。在特殊時期，為了達到WHO規(guī)定的5.96 log(即99.999 89%)等更高病毒去除率要求，水廠可以將常規(guī)處理與深度處理相結合，例如增加應急紫外線消毒等工藝，從而大大提高對水中病毒的去除率。

表2 各水處理工藝對腸道病毒噬菌體的去除率Tab.2 Removal rates of enterovirus phages by each water treatment process

3 腸道病毒污染防護措施

3.1 水源地污染的防護

保護飲用水不受腸道病毒污染，首先是保護水源地和明渠等輸水設施不受污染。定期對水源水和輸水設施進行大腸桿菌噬菌體的檢測，對可能發(fā)生的污染提前預警。與環(huán)保執(zhí)法部門聯(lián)動，對非法排污和垃圾傾倒進行查處，在水源保護地設立緩沖區(qū)，對可能污染水源的業(yè)態(tài)和行為進行干預［26］。建立水源水質分級機制，特殊時期優(yōu)先使用可靠性更高的水源。

3.2 工藝廢水和污泥的防控

水處理過程中部分被去除的病毒并非被滅活而是從水中被分離，這些生產廢水內的病毒極有可能再回到生產流程造成污染。水廠應注意包括濾池沖洗水、膜處理沖洗水和污泥等含有病毒的生產廢水和污泥的回用和排放，在進行必要的處理之前不能進入到水處理主流程中。

3.3 水廠環(huán)境的防控

水廠應做好廠內生產環(huán)境的病毒防控，避免飲用水被二次污染。水廠內有條件的生產設施、設備應加蓋封閉，確保所有負壓設備安全、密封、可靠。對新投入使用、開蓋檢修、長期停用后復用的設備和管線，應進行必要的消毒和沖洗。建議采用1 000 mg/L次氯酸鈉進行消毒，快速滅活腸道病毒［27］。對生產車間的新風入口進行安全評估，入口附近不應存在污染源，不應設置在醫(yī)院發(fā)熱門診的下風向，不在周邊存放危險廢物或進行污泥處理等。作業(yè)人員每天應根據實際情況，對地下或半地下生產構筑物進行一定次數的強制通風。

3.4 接觸人員的防控

水廠可能直接或間接接觸水的人員包括運行工、加藥工、取水工、巡查工等。水廠應對所有相關員工采取必要的體檢和防護措施。在特殊時期，重新編排倒班人員的班次，減少交接班次數。生產區(qū)域的運行人員除必須持有健康證外，還需每日進行體溫檢測，體溫不正常者禁止進入生產場所。確保涉水人員的健康，避免帶病工作。相關人員在疑似患傳染病或確診但未痊愈期間，不能進入生產場所。水廠制水車間應執(zhí)行門禁制度，其他工作人員及外來人員在未經傳染驗證前禁止進入。相關人員在開放式的制水構筑物進行操作和巡視時，應佩戴口罩、工帽以避免污染水體。

4 結語

飲用水中的腸道病毒可以通過糞口傳播，并在水中長期存在。通過目前的水處理工藝，以水為媒介傳播腸道病毒的概率極小。水廠可以通過嚴格控制出廠水濁度、強化消毒提高CT值、穩(wěn)定膜處理壓力、加強臭氧及紫外線等深度處理工藝，以提高對病毒的去除率。同時，水廠應至少從水源地、工藝廢水和污泥、廠區(qū)環(huán)境、接觸人員這4個方面積極防控，避免自來水受到病毒污染。