污泥消化對市政污泥中病原微生物的去除特性

周進宏，雷霽，耿雅妮，陳靜

（寶雞文理學(xué)院 地理與環(huán)境學(xué)院，陜西寶雞 721013）

城市污水中含有各種各樣的病原微生物，這些病原微生物可能進入市政污泥中。城市污泥的不合理處理與處置可能會增加病原體擴散到地表水、地下水和土壤的風(fēng)險，引發(fā)病原體增長和二次污染，從而對人類健康造成威脅。污泥消化是利用微生物的代謝作用降低有機質(zhì)含量從而使污泥穩(wěn)定化的一種手段。污泥經(jīng)過消化處理后，細(xì)菌、寄生蟲和病毒等病原微生物的相對豐度和濃度得到下降。為了系統(tǒng)全面地了解城市污泥中病原微生物的賦存情況及消化作用對病原體的去除特性，本文系統(tǒng)地總結(jié)了城市污泥中病原微生物的類型和賦存特性，并總結(jié)了不同處理工藝對典型病原體的去除特性，進一步討論了消化作用對病原體的去除機理及影響因素，以期為污泥處理過程中病原微生物的風(fēng)險調(diào)控和政策制定提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

1 城市污泥中病原微生物類型和賦存特性

1.1 城市污泥中病原微生物類型

病原微生物是指可以侵入人或動物機體，引起感染甚至傳染病的微生物，也稱病原體。了解和掌握污泥中病原體的概況是污泥消化無害化處理和資源回收利用的關(guān)鍵。城市污泥中含有的病原體主要有細(xì)菌、病毒和寄生蟲。

眾多研究表明，污泥中可檢測到的細(xì)菌類病原體有氣單胞菌、芽孢桿菌、腸球菌、軍團菌、分枝桿菌、沙門氏菌、志賀氏菌、葡萄球菌、鏈球菌等，可能會引起呼吸系統(tǒng)疾病、腸胃炎、結(jié)膜炎、皮膚和軟組織感染，嚴(yán)重的可引起死亡。污泥中檢測到的病毒包括DNA 病毒（如腺病毒、皰疹病毒）和RNA 病毒（如冠狀病毒、腸道病毒、輪狀病毒）。DECREY 和KOHN的研究表明，DNA 病毒比RNA 噬菌體更持久[1]。另有研究提出病毒比大腸菌類更耐藥，但比梭狀芽孢桿菌等孢子生菌耐藥差一些[2]。彎曲桿菌、鏈霉菌等細(xì)菌具有較高的耐藥性，而大腸埃希菌、沙門氏菌、志賀氏菌、腸球菌等在污泥消化過程中較易被滅活[3]。雖然眾多研究報道了大多數(shù)消化源性病原體及其影響，但仍很難確定哪種病原體會對公眾健康造成更高的風(fēng)險，以及哪種病原體是污泥消化期間的主要滅活目標(biāo)。

1.2 病原微生物在污水廠污泥中的賦存特性

城市污水處理廠的污泥主要有三種，初沉污泥、二沉池污泥及兩者的混合污泥。因污水廠服務(wù)對象、污水的特性、處理工藝和病原體的檢測方法等存在差異，病原微生物的濃度有很大的差異，如表1 所示。整體上來看，初沉污泥中各類病原體含量較高，二沉池污泥次之。大腸桿菌和糞大腸菌群數(shù)量比沙門氏菌高1 ～2 個數(shù)量級，沙門氏菌比志賀氏菌高1 ～2 個數(shù)量級。

表1 污水廠不同污泥中病原微生物濃度 [單位：Log10(CFU/g)或Log10(PFU/g)]

2 不同消化工藝對污泥中病原微生物的去除特性

2.1 傳統(tǒng)污泥處理工藝對病原體的去除

目前最常用的污泥處理方法是中溫厭氧消化（30 ～37 ℃）、高溫厭氧消化（45 ～55 ℃）、好氧消化（活性污泥法，有機污泥轉(zhuǎn)化成CO2、NH3、H2）、堆肥（微生物發(fā)酵作用下污泥中有機質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉柿希┑?。王燕、符波等[8,11]的研究表明，中溫消化（厭氧和好氧)對污泥中大腸桿菌和糞大腸菌群病原體的去除效率一般在2.0 ～3.6 log10(CFU/g)，對沙門氏菌和志賀氏菌去除效率略低一些，在1.0 ～2.0 log10(CFU/g)。此外，病毒和噬菌體類病原體在污泥中溫消化系統(tǒng)的去除率在1.0 ～2.2 log10(CFU/g)[12]。而高溫（嗜熱）厭氧消化可實現(xiàn)較高的去除率，對大腸桿菌和糞大腸菌群的去除率可達到4.0 ～5.0 log10(CFU/g)，F(xiàn)-噬菌體的去除率約為3.0 log10(CFU/g)[13]。中溫厭氧消化+好氧消化工藝，對大腸桿菌和噬菌體的去除率分別為2.4 log10(CFU/g)和2.0 log10(CFU/g)[14]；而兩次中溫厭氧+好氧消化組合處理工藝，對大腸桿菌的去除率分別為2.3 log10(CFU/g)和3.5 log10(CFU/g)[3]；污泥經(jīng)兩次中溫厭氧和高溫厭氧消化后可分別實現(xiàn)對噬菌體3.5 log10(CFU/g)和2.4 log10(CFU/g)的去除率[12]。

2.2 高級污泥處理工藝對病原體的去除

高級污泥處理工藝主要是指污泥消化預(yù)處理及不同消化工藝的組合，如超聲波、熱或化學(xué)水解。超聲處理對大腸桿菌和體細(xì)胞噬菌體的濃度幾乎沒有影響，而熱水解可非常有效地去除這兩種細(xì)菌[15]。機械超聲對糞大腸菌群和大腸桿菌的去除率僅為0.032 log10(CFU/g)和0.23 log10(CFU/g)，但處理60 min 對抗性基因的去除率接近2 log10(copies/g)；Fenton 電解對糞大腸菌和大腸桿菌分別可實現(xiàn)2.84 log10(CFU/g)和2.63 log10(CFU/g)的去除率，聯(lián)合污泥消化工藝在60 min 內(nèi)去除率大于4 log10(CFU/g)[16]。

3 病原微生物去除特性的影響因素及作用機理

3.1 溫度

溫度是厭氧消化污泥中病原體的主要抑制因素。高溫可引發(fā)微生物酶活性的喪失或衣殼蛋白的變性。研究發(fā)現(xiàn)，55 ℃時病原體（如寄生蟲卵和腸道病毒）的滅活率比25～37 ℃高15～17倍[7]。在高溫條件下，當(dāng)污泥停留時間為12 ～15 d 時，高溫消化可殺死所有的大腸桿菌和腸球菌[13]。此外，耐藥細(xì)菌在中溫消化反應(yīng)22 d 后仍能存活，但在55 ℃的高溫消化系統(tǒng)中可完全去除[17]。

3.2 揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）和pH

VFAs 的存在和病原微生物的殺滅有密切關(guān)系。符波等[11]研究證明，當(dāng)VFAs 濃度大于6 000 mg/L 時，能夠迅速殺滅污泥中的病原微生物，如在消化產(chǎn)酸階段產(chǎn)生的VFAs 可有效滅活大腸桿菌、鼠傷寒沙門氏菌、梭菌等。高濃度VFAs 與較低pH 值的耦合作用也有利于污泥中病原體的滅活和去除，如酸性條件下（pH ≈5）VFAs 對病原菌的滅活效果比中性條件（pH ≈7）好[11]。

3.3 污泥齡（SRT）

研究顯示，大腸菌群在SRT=15 d 內(nèi)就可降低至檢測限以下，延長中溫消化時間到18.2 d，可實現(xiàn)90%病原微生物的強化滅活，大腸桿菌和沙門氏菌在SRT=15 d 時也未檢出[18]。但仍有一些病原體在較長的SRT 下仍能存活，例如90%空腸彎曲桿菌失活需要438.6 d 的SRT，遠遠超出了污泥消化工藝的SRT操作范圍，需要輔助其他操作手段進行處理。

4 結(jié)語

城市污泥中含有大量的細(xì)菌、病毒和寄生蟲，污泥消化對這些病原微生物有明顯的去除作用。污泥消化工藝對大腸桿菌和糞大腸菌群的去除率在2.0 log10(CFU/g)以上，對沙門氏菌、志賀氏菌、病毒的去除率在1.0 log10(CFU/g)以上，且高溫消化比中溫消化效果好，多級消化比單一消化效果好。此外，污泥消化系統(tǒng)中，反應(yīng)溫度、揮發(fā)性脂肪酸和pH、污泥齡等條件對病原微生物的去除有顯著的影響，在實際應(yīng)用中應(yīng)注意對這些因素的調(diào)控。