污水处理厂生物气溶胶中内毒素污染研究现状

韩 超，杨 唐，韩云平，姜远光，肖本益，刘启新

（1.天津城建大学 环境与市政工程学院，天津 300384；2.中国科学院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室，北京 100085）

在现行污水处理过程中，生物法以其运行费用低和处理效率高等优势发挥着至关重要的作用.对全球23 个国家、269 个污水厂的统计研究显示，污水生物处理系统中包含上亿种细菌、真菌等具有活性的微生物[1]，这些微生物在曝气、搅拌、脱水等外源驱动力的强烈扰动下，极易突破水-气界面进入大气环境，从而形成污水处理厂生物气溶胶[2]. 污水处理厂生物气溶胶中包含大量可引起人类炎症、肺功能障碍等疾病的生物代谢组分，如内毒素、过敏原、真菌毒素和（1-3）-β-D-葡聚糖等[3-5]. 这其中，内毒素被认为是污水处理厂等职业环境中重要的致病因子之一[6]. 内毒素是革兰氏阴性菌细胞壁外层特有的结构，主要由菌体死亡解体时释放[7]. 其主要化学成分是特异O 抗原、核心多糖和类脂A 组成的高分子脂多糖，其中，类脂A 是内毒素的主要毒性成分[8]. 内毒素侵入机体后，主要是通过刺激单核细胞和巨噬细胞，使其产生诸如白细胞介素IL -1、肿瘤坏死因子、干扰素等细胞因子从而导致机体致病[9]. 由内毒素引发的常见症状有呼吸障碍、呼吸道感染、关节疼痛、过敏、疲劳和头痛等[10].

近年来，随着城市化进程的加快，我国建成并运行的各类污水处理厂已达5970 座，并且95%以上的污水处理厂主体工艺均采用生物法[11]. 而随着城镇化程度的提高，原有污水处理厂距离居民居住区越来越近.本文基于人体健康和区域生态安全理念，总结污水处理厂生物气溶胶中内毒素的样本采集与分析方法；阐述其存在的潜在健康风险；比较现有控制方法的削减效率，这对于后续污水处理厂生物气溶胶中内毒素的逸散特征和控制策略研究具有重要的现实意义.

1 污水处理厂生物气溶胶中内毒素逸散水平

研究表明，污水处理厂是生物气溶胶中内毒素的重要来源之一[12-14].表1 列举了近15 年来不同地域污水处理厂生物气溶胶中内毒素的逸散水平. 结果表明，不同污水处理厂生物气溶胶中内毒素的浓度呈明显差异，其数量级从10-1[15]到105[16]不等. Smit 等、Heldal 等和Lee 等在各自调研的污水处理厂生物气溶胶中检出的内毒素浓度分别高达2093.0[17]、3200.0[18]和39742.2 EU/m3[16]，远高于相关标准限值.

表1 污水处理厂生物气溶胶中内毒素的逸散水平

同时，研究也发现，同一污水处理厂不同工段内毒素的逸散水平也存在一定的差异[19].曝气池、污泥浓缩等污染物处理区域生物气溶胶中内毒素浓度远高于厂内办公室等管理区域；污水污泥处理区室内工段生物气溶胶中内毒素浓度远高于室外工段[20].其中，污泥脱水间检出的生物气溶胶中内毒素浓度最高[14].

2 污水处理厂生物气溶胶中内毒素的研究方法

2.1 采集方法研究

已有研究展现的污水处理厂生物气溶胶中内毒素浓度的差异，除本身实际浓度不同外，样品采集方式也是造成其浓度不同的重要因素之一.总结现有研究发现，目前污水处理厂生物气溶胶中内毒素样本的采集方式主要为固定式采样和个体式采样两种，如图1所示.

图1 固定式采样[21]及个体式采样[22]示意

固定式采样是在污水处理厂某些点位安装采样设备，从而实现该点位长期连续的样品收集.这种采样方式通常易受周边气象条件或人员流动等影响[20].因此，固定式采样通常被用于粗略估计污水处理厂某点位生物气溶胶中内毒素的浓度水平.个体式采样是由相关工作人员随身携带便携式采样设备，实时监测其所处区域的内毒素逸散水平.个体式采样可直接反映相关人员的内毒素暴露水平[14]，因此，个体式采样可被用于健康风险评估研究.

除了采样方式外，采样器的选择也至关重要.目前常用的采样器根据其采样原理不同分为液体冲击式采样器和膜过滤式采样器两种.

液体冲击式采样器是在采样泵抽吸作用下，将空气中的气溶胶粒子利用喷射气流方式收集于液体介质中.内毒素浓度的计算公式如下

式中：Y 为生物气溶胶中内毒素浓度，EU/m3；c1为收集液中内毒素浓度，EU/mL；V 为收集液体积，mL；Q 为空气流量，m3/min；T 为采集时间，min.

膜过滤式采样器同样采用采样泵进行抽吸，不同之处在于其采样头内放置滤膜，气体穿过滤膜后，生物气溶胶颗粒被滤膜截留，从而达到样本采集的目的.膜过滤式采样器所收集生物气溶胶样品中内毒素浓度的计算公式如下

式中：Y 为生物气溶胶中内毒素浓度，EU/m3；c2为截留在滤膜上的颗粒物中内毒素浓度，EU/g；m 为截留在滤膜上的颗粒物质量，g；Q 为空气流量，mL/min；T 为采集时间，min.

比较研究发现（见表2），相较于液体冲击式采样器，膜过滤式采样器收集的样本中内毒素浓度检测一致性较好[23].因此，后续研究中建议采用膜过滤式采样器进行样本采集.

表2 液体冲击式采样器和膜过滤式采样器比较

2.2 分析方法研究

内毒素经典分析方法为鲎试剂检测法（limulus amoebocyte lysate，简称LAL）[10]，即LAL 分析. 该方法是基于鲎试剂进行的复杂链式酶原反应.其原理是采用大肠杆菌内毒素作为标准内毒素参考物，利用凝胶法和光度测定法测定其他样本中内毒素的浓度.已有研究表明，LAL 法只能检测细胞释放的自由态内毒素，而无法测定结合态内毒素[14].近年来研究发现，通过呼吸吸入的结合态内毒素在人体内仍具有较高的生物活性[27].因此采用LAL 法进行分析时有可能低估了生物气溶胶中内毒素的毒性.同时，不同厂家的鲎试剂之间也存在精确度、灵敏度及检出限的差异[28].

因此，同期有学者尝试采用气相色谱-质谱联用（gas chromatography-mass spectrometry，简称GC-MS）法进行内毒素的测定.该方法主要是通过3-羟基脂肪酸的C10-C18链的定量分析（3-羟基脂肪酸是内毒素类脂A 的主要成分）来计算脂多糖浓度，进而确定内毒素浓度[14]. 但是，通过对LAL 法和GC-MS 法进行比较发现，对于污水处理厂生物气溶胶中内毒素浓度的分析而言，LAL 法仍优于GC-MS 法[14].综合以上分析可知，污水处理厂生物气溶胶中内毒素的分析方法在准确化、标准化方面仍需进一步深入研究.

3 污水处理厂生物气溶胶中内毒素健康风险研究

3.1 生物气溶胶中内毒素安全限值

大气环境中内毒素浓度不同，引发的人体反应也存在一定的差异. 1998 年美国胸科学会国际会议提出，当气溶胶中内毒素含量低于10 ng/m3可避免引起人体呼吸道炎症；当其含量低于100 ng/m3可避免人体全身反应；当其含量低于200 ng/m3可防止有机粉尘毒性综合征产生[29].同年，荷兰标准专家委员会将职业环境中生物气溶胶中内毒素的暴露限值定为50 EU/m3（≈4.5 ng/m3），临时法律约束上限为200 EU/m3[30].2010 年，该法律约束上限被下调为90 EU/m3[31]，随后这一限值被北欧专家组（NEG）采用并于2011 年9 月开始执行.

3.2 污水处理厂生物气溶胶中内毒素潜在致病性研究

1977 年瑞士某污水处理厂职工先后出现了发热、着凉及眼部感染等症状，经研究认为这些病症与污水处理厂生物气溶胶中内毒素存在密切关系[32].此后，关于污水处理厂生物气溶胶中内毒素的潜在致病性研究逐步展开.最初，这种研究主要采用问卷调查形式.1982 年，Lundholm 等的调查结果表示，与空白对照组相比，污水处理厂职工报告皮肤病、腹泻和其他肠道疾病的比例明显升高[33]. 2005 年，Smit 等在前人研究的基础上，大大丰富了调查问卷内容，增加了职工个人特征、工作特性及健康状况等因素.研究结果发现，当生物气溶胶中内毒素浓度在50～200 EU/m3之间时，内毒素浓度与人体下呼吸道感染、皮肤炎症和流感等症状存在显著剂量反应关系；当内毒素浓度高于200 EU/m3时，有机粉尘毒性综合征便会出现[17].

为了进一步客观准确地反映污水处理厂生物气溶胶中内毒素的潜在健康风险，学者们采用体外/体内测试方式进行了临床和免疫学研究.Gangamma 等通过全血分析和促炎症反应分析，发现内毒素是引起促炎症指标肿瘤坏死因子-α 最主要的成分之一[12]；Cyprowski 等通过呼吸量测定法，结合污水处理厂工人一秒用力呼气容积和用力肺活量等参数，考察了个体在内毒素影响下的肺功能短期变化.结果表明，即使在较低浓度水平下，生物气溶胶中内毒素也会对人体肺功能造成显著影响[34]. Heldal 等人综合呼吸量测定法、声反射鼻测量法、和全血分析法，考察了污水处理厂不同工段生物气溶胶中内毒素对人体一氧化氮呼出量及血液样本反应蛋白的影响.结果发现，在无任何防护措施条件下，干污泥处理区域的职工内毒素暴露风险最为严重[18].

4 污水处理厂生物气溶胶中内毒素污染控制研究

目前，污水处理厂生物气溶胶中内毒素的污染控制主要包括源头削减和末端控制两种.污水和污泥是污水处理厂生物气溶胶的主要来源之一[35].因此，从源头区段控制生物气溶胶的逸散可削减污水厂内毒素的暴露水平.这其中，最为常用的方法便是直接削减污水/污泥中内毒素的含量和加盖封闭污水处理主要工段.

除此之外，微波辐射、热效应、紫外灭活、超声及不同方法的组合也被用于研究内毒素的去除.刘航通过研究发现，微波辐射及微波热效应对内毒素的去除率最高可达35.6%[36].温暖家发现紫外灭活对内毒素的去除率为仅为9.9%，但结合超声破胞工艺后，其去除效率便提高到15.6%[37].另外，膜过滤也是有限去除生物气溶胶中内毒素的研究方法之一.Cheng 等分析了空气净化器对室内空气中内毒素的去除效果，结果发现，其去除率为29%～37%[38].

对于污水处理厂而言，在生物气溶胶逸散的同时，还伴随着恶臭气体、挥发性有机物的同步逸散.因此，He 等人也建议可通过化学工艺将内毒素、恶臭气体和挥发性有机物进行同步处理[39].目前，以上研究都还处于建议或实验室阶段，仍需进一步深入研究以便应用于工程实践.

5 结论

综述以往研究发现，污水处理厂生物气溶胶中包含大量内毒素，对污水处理厂职工和周边居民存在严重潜在健康风险，需严格控制其逸散水平.因此，未来应重点展开以下几方面的研究.

（1）建立标准化污水处理厂生物气溶胶中内毒素样本采集和分析方法.样本采集和分析方法对内毒素暴露水平的确定至关重要，统一、标准的采集和分析方法，可为后续内毒素暴露量、暴露风险评估的研究奠定基础.

（2）构建科学化污水处理厂生物气溶胶中内毒素健康风险评估体系. 目前仅对内毒素暴露的风险阈值、不同暴露量与相关症状之间的剂量关系开展了初步研究.后续还需结合健康风险评估指标体系、影响因素、人体特征等，建立科学化、标准化的暴露风险评估方法.

（3）开发适宜的污水处理厂生物气溶胶中内毒素控制技术系统.根据污水处理厂不同工段生物气溶胶中内毒素逸散特征，结合相应工段其他气态污染物的逸散规律，开发实用、高效、节能、便捷的控制技术系统，为污水处理厂生物气溶胶中内毒素的削减提供技术支撑.