典型城市污水处理厂微生物气溶胶的时空分布与健康风险

王雯雯, 李慧丽, 伦中财, 颜昌仁, 李彩侠, 王 莹, 李鹏宇, 韩云平, 李 琳

(1.中国科学院生态环境研究中心水质学国家重点实验室, 北京 100085; 2.中国科学院大学, 北京 100049;3.北京卢南污水运营有限责任公司, 北京 100070; 4.北京城市排水集团有限责任公司再生水分公司, 北京 100078)

截至2021年底,我国建成并投入运营4 592座城镇污水处理厂,污水处理率超过96%[1]。污水及其处理系统中含有大量的微生物,因曝气充氧或机械设备的搅拌而受到扰动,污水或污泥中的一些粒径较小的微生物逸散到周围空气中,形成微生物气溶胶[2]。微生物气溶胶是指含有细菌、真菌、病毒、孢子和原生动物等生物颗粒的气溶胶,具有电泳、布朗运动等气溶胶特性,也具有传染性和致敏性[3]。国内外研究显示,污水处理的各个单元都会产生微生物气溶胶。然而,受不同的环境条件(包括温度、相对湿度、风速等)、污水处理工艺(包括厌氧-缺氧-好氧(Anaerobic-Anoxic-Oxic,A2O)、序批式活性污泥工艺等)、曝气方式(包括表面曝气、浸没式曝气)等因素的影响,它们的排放水平差异很大,细菌气溶胶菌落数为0～105个/m3,真菌气溶胶菌落数为0～104个/m3[4-7]。污水处理设施产生的微生物气溶胶中的微生物种类繁多,包括Micrococcussp.、Bacteroidessp.、Sphingomonassp.、Chryseosp.、Pseudomonassp.、Staphylococcussp.和Acinetobactersp.[8-9]。Enterobacteraerogenes、Aeromonassp.和Acinetobacterbaumannii等潜在致病菌亦有检出[10-11]。定量风险评估显示,暴露于含有致病菌的微生物气溶胶会对接触人群的肺部和支气管等呼吸系统构成严重威胁[9,12]。

随着我国污水处理规模增长,污水处理所带来的空气污染物的排放总量将显著增加,使城市污水处理厂排放的空气污染物受到越来越多的关注。A2O工艺作为一种典型的污水处理工艺,利用厌氧、缺氧、好氧环境条件与微生物菌群的有机协调,可同时去除有机物、氮和磷。工艺流程简单,总水力停留时间短,已在我国得到广泛应用。本研究以北方某座A2O工艺城市污水处理厂为研究对象,针对主要处理单元设置采样点,监测空气中的微生物气溶胶,明确其排放源及产生原因,研究微生物气溶胶随季节的变化特征,评估微生物气溶胶的健康风险,为有效控制污水处理厂的微生物气溶胶提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 污水处理工艺及采样点布设

本研究在北京地区某A2O工艺污水处理厂设置采样点,定期采集污水处理工艺主要工段空气中的生物样本,研究污水处理厂微生物气溶胶的逸散特征。微生物气溶胶的采样点包括粗格栅、机修间、曝气池、污泥脱水间、上风向厂界以及下风向厂界,见图1,所有采样点设置在距离地面1.5 m处。采样时段为 10:00—14:00,时间为2021年9—12月。

图1 采样点布设示意Fig.1 Schematic diagram of sampling sites

1.2 样品采集及分析方法

利用安德森六级微生物撞击式采样器(228-9530 K, SKC Gulf Coast Inc., 美国)用于现场微生物气溶胶颗粒收集。该种采样器共6级,收集粒子的粒径范围为第1级(>7.0 μm)至第6级(0.65～1.1 μm)。每级都设置1个具有400个喷射孔的筛板。每级筛板下面都放置细菌生长培养基。在每个月的采样日,10:00—14:00采集空气样本。在每个采样点,2个事先无菌消毒过的采样器同时工作,设置采样流量为28.3 L/min,连续运行3 min,采集平行样本。采样完成后,立即将培养皿取出、密封、放入样品箱保存。样品运回实验室,(35±2)℃培养24 h。根据平板计数的结果和采集的气体体积,计算空气中微生物气溶胶的菌落数。

用风速仪(德尔特欧姆 HD2303.0,意大利)、光照度计(德尔特欧姆 HD2302,意大利)以及手持式智能温湿度记录仪(179-TH,美国)分别监测风速、光照强度、环境温度和相对湿度。采样点的环境条件如表1所示。环境因素与微生物气溶胶逸散水平的相关性采用Canoco 5.0软件分析。

表1 采样点的环境条件

细菌的总DNA使用Power Soil DNA Isolation Kit试剂盒(MOBIO,美国)进行提取,使用NanoDrop 2000测定DNA 浓度和纯度,使用扩增引物V3-V4 可变区27 F/1492 R(5’-AGRGTTYGATYMTGGCTCAG-3’/5’- RGYTACCTTGTTACGACTT-3’)进行PCR扩增,微生物组测序依托上海美吉生物医药科技有限公司完成。使用UPARSE软件(version 7.1),根据97%的相似度对序列进行分类操作单元聚类并剔除嵌合体。利用RDP classifier (version 2.2) 对每条序列进行物种分类注释。

2 结果与讨论

2.1 逸散特征

在污水处理的主要工艺段,细菌气溶胶发生逸散,菌落数范围为130～6 113个/m3,见图2。其中粗格栅和污泥脱水间空气中的菌落数最多,分别为200～1 684个/m3和1 066～6 113个/m3。污泥脱水间细菌气溶胶的平均菌落数是机修车间的5.61倍。以往研究也表明,格栅间和污泥脱水间是污水处理厂微生物气溶胶逸散最重要的单元[7, 13-16]。解析北京市某城市污水处理厂不同功能区的微生物气溶胶逸散特征时发现,污泥脱水机房细菌气溶胶的菌落数达到3.4×102～8.5×104个/m3[14]。西安市一个典型城市污水处理厂污泥脱水间,空气中检出(7 866±960)个/m3细菌气溶胶[15]。华北地区某Orbal氧化沟工艺的污水处理厂,其细格栅间和粗格栅间均是空气微生物气溶胶的主要排放单元,逸散菌落数分别为(2 800±351)个/m3和(1 988±128)个/m3[16]。

图2 主要处理单元微生物气溶胶的菌落数Fig.2 Bacterial colonies of bioaerosols in the main treatment unit

在格栅间内安装金属格栅条的高链式格栅除污机,以捕获进水中的大型悬浮固体和杂质。在电机减速器的驱动下,除污机的耙齿链逆水流方向回转运动,将水体中的杂物截留并清除。进入污水处理厂的原水通常带有大量的微生物,格栅机运转过程中,水面受到扰动,使原本在水中的微生物逸散到空气中。经浓缩或消化之后,污泥保持液态,必须脱水以减少其含水量和体积,以便进一步运输。污泥脱水间设有离心式污泥脱水机,在高速旋转产生的离心力作用下,污泥和水由于密度不同而形成固液分离,使污泥脱水成为可能。剩余污泥中含有各种微生物,在脱水过程中,含有微生物的小颗粒从设备的间隙逸出到空气中,形成微生物气溶胶。因此,在格栅间和污泥脱水间的空气中均检出较高菌落数的微生物。9—11月的检测结果显示,污泥脱水间空气中细菌菌落数均超过我国国家室内空气质量标准2 500个/m3,其平均值是标准值2.1倍。

曝气池产生的细菌气溶胶的菌落数平均为486个/m3。同时,下风向厂界检出972～2 214个/m3的细菌气溶胶,远高于上风向对照点的检出值,因此推测是污水厂产生的微生物气溶胶扩散到下风向厂界的缘故。A2O工艺污水处理厂好氧处理池采用微孔曝气的方式将空气中的氧溶解于水,为污染物的生物降解以及微生物的生长提供充足的氧。充氧产生的气泡在水面破裂时,在空气中形成无数个微小的液滴;水中的细菌、菌丝、污泥絮体等物质随液滴扩散到周围空气中,生成微生物气溶胶。通常,A2O工艺的好氧处理段空气中微生物气溶胶的菌落数也较高,是重要的产生源之一[17]。位于不同地区的2个氧化沟工艺城市污水处理厂的微生物气溶胶逸散水平及影响因素的研究显示,2个污水厂的生化反应池均是微生物气溶胶的重要产生源。微生物气溶胶中肠道细菌占细菌总数的6%和10.42%[17]。

2.2 粒径分布

图3显示了4个月采样期间各主要处理单元产生的细菌气溶胶空气动力学直径的分布特征。对于采样点粗格栅,各级粒子的细菌气溶胶平均菌落数和百分比随粒径显著增加。尺寸大于7.1 μm的细菌气溶胶菌落数最高,平均为246个/m3,占比20.6%～47.1%。超过80%的细菌气溶胶是粒径大于2.1 μm的粗粒子,而只有16.9%的细菌气溶胶的粒径在0.6～1.1 μm。 曝气池空气中细菌气溶胶的粒径分布呈现类似的现象,超过50%的粒子分布在采样器的第1级和第2级,它们的空气动力学直径大于4.7 μm。粗粒子和细粒子(粒径小于2.1 μm)的平均比例分别为74.95 %和25.05%。脱水间检出的细菌气溶胶中,超过50%粒子的粒径范围为1.1～3.3 μm。与污水处理过程逸散的细菌气溶胶相比,污泥脱水产生的细菌气溶胶的粒子更小。与土壤表面产生的或从其他区域传输的细菌气溶胶不同,污水处理厂水体排放的细菌气溶胶,通常聚集在微小的水滴中,或附着在水滴表面[18]。因此,水处理产生的细菌气溶胶粒子的动力学直径通常更大。由于重力作用,大颗粒往往会迅速沉降,而直径小于2.5 μm的粒子具有极低的沉积速度和较高的大气停留时间。从污泥脱水过程释放出的细菌气溶胶大部分空气动力学直径小于2.1 μm。粒径较小的细菌气溶胶具有远距离扩散的潜力,并且由于污泥脱水间接近下风向厂界设置的采样点,因此更有可能扩散到下风向厂界,影响厂界周边的空气质量。粒径较小的细菌气溶胶具有远距离扩散的潜力,并且由于污泥脱水间接近下风向厂界设置的采样点,因此更有可能扩散到下风向厂界,影响厂界周边的空气质量。

图3 细菌气溶胶的空气动力学直径分布Fig.3 Aerodynamic diameter distribution of bacterial bioaerosols

颗粒大小是除菌落数外的影响微生物气溶胶传染性的重要因素。小颗粒物可以深入肺部,吸收更快,致病力更强。研究显示,直径在1.0～2.0 μm的颗粒在肺泡中的滞留量最大[19]。病原微生物进入肺部深处会造成更严重的损害。沉积在上呼吸道(鼻腔和鼻咽)的大颗粒物更有利于微生物的生存,容易导致肌肉损伤。因此,大颗粒物的有害影响不容忽视[20]。

2.3 种群特征

细菌群落分析结果表明(见图4),Pseudomonassp.是污水处理过程中细菌气溶胶的主要菌属,丰度为1.86%～38.03%。除Pseudomonassp.以外,Pantoeasp.、Staphylococcussp.、Stenotrophomonassp.也是粗格栅的微生物气溶胶中大量检出的菌属。曝气池还检测出Piscirickettsiasp.、Staphylococcussp.、Nocardioidessp.和Stenotrophomonassp.。Nannocystissp.和Sorangiumsp.也是在污泥脱水间占比较高的菌属,丰度分别为4.68%和4.67%。在这些常见菌属中,通过吸入、摄入和皮肤接触进入人体的潜在致病菌,如Pseudomonassp.、Stenotrophomonassp.、Acinetobacter,可引起呼吸道、肠道和皮肤疾病。肠杆菌尤其是Enterobacteraerogenes,在自然水源、污水和土壤等环境广泛赋存,是引起机会性感染的病原菌[21]。污水处理工艺段产生的Nannocystissp.、Sorangiumsp.及Deltaproteobacteriasp.同样在下风向厂界空气中检出,但这些微生物并未在上风向厂界中检出,说明污水处理过程产生的这些微生物随风水平扩散到下风向厂界,对污水厂下风向周边居民会有潜在的危害。

图4 微生物气溶胶中的细菌种群(单位:%)Fig.4 Bacterial compositions in bioaerosols (unit:%)

2.4 影响因素

各种气象参数,包括光照强度、风速、相对湿度和温度,是影响细菌气溶胶在大气中存活的重要因素[22-23],因此,空气中微生物气溶胶的菌落数与环境因素密切相关。细菌气溶胶在空气中的菌落数与温度、相对湿度呈正相关,与风速呈负相关(见图5)。70%～80%的相对湿度和12～15 ℃的温度可促进微生物气溶胶的存活[24]。图5呈现了总菌落数、细粒子比例、粗粒子比例、光照、风速、湿度、温度等因子的典型相关分析结果。相对湿度是室内微生物气溶胶研究最广泛的影响因素之一。空气中微生物气溶胶的菌落数与室内相对湿度呈正相关[25-26]。高菌落数与高相对湿度有关。Peccia等[27]发现,当相对湿度在20%～95%时,细菌细胞会从大气中吸收水分以维持其活性。环境空气的温度和相对湿度在9月分别为32.47 ℃和50.39%,10月分别为23.43 ℃和 25.54%,11月分别为8.20 ℃和38.05%, 12月分别为4.44 ℃ 和54.59%。9月时细菌气溶胶平均菌落数为2 105个/m3,菌落数最高,12月最低(平均723个/m3)。适宜的高温和相对湿度对微生物生长有促进作用,导致9月空气中检出的细菌气溶胶菌落数最高。

图5 影响因子的典型相关分析Fig.5 Canonical correlation analysis of influencing factors

太阳辐射可以破坏空气中的微生物,尤其是细菌。风从气溶胶高浓度区域向低浓度区域的扩散是降低空气中细菌水平的另一个因素。在本研究中,格栅机和污泥脱水设施均安装在室内。屋顶和内壁既防止微生物因太阳辐射受到损伤,又阻碍了它们向周围的扩散。光照强度平均352 lx,是室外光照强度的1.19%,风速基本为0 m/s,风速和紫外线强度均较低。通风不足和有限的太阳辐射,使微生物在脱水间空间中积聚,导致这个处理工艺段空气中的细菌气溶胶菌落数明显高于其他处理单元。

2.5 暴露风险评估

人体主要由于呼吸吸入接触污水处理各工艺段逸散的细菌气溶胶,根据美国环保署公布的人体健康评估模型计算呼吸吸入细菌气溶胶的非致癌风险指数(Hazard quotient,HQ)[4,28]。

以往的研究表明,对人体有害的细菌菌落数阈值为5 000个/m3,所以将5 000个/m3确定为本研究的细菌气溶胶参考菌落数[29]。如果HQ<1,则可以忽略细菌气溶胶对人类的非致癌风险,而HQ>1则代表细菌气溶胶对人体存在非致癌危险。

人类通过呼吸接触微生物气溶胶的风险相对较低,HQ<1,见图6。污泥脱水间的暴露风险高于其他处理工艺段。与12月相比,9月空气中微生物气溶胶的暴露风险显著增加。尽管人体每天8 h暴露于各工艺段微生物气溶胶的风险较小(HQ<1),但微生物气溶胶携带潜在病原体,污水处理厂的长期运行也增加了病原体或潜在病原体积累和定植的风险。因此,污水处理厂的员工在相关工艺段工作时,必须采取适当的防护措施。佩戴口罩和手套,定时通风,紫外灭菌,物理隔离污染区域和未污染区域(例如,覆盖处理设施)是削减空气中的微生物气溶胶、降低暴露风险、保护现场操作人员的有效方法。

图6 细菌气溶胶的呼吸吸入暴露风险Fig.6 Inhalation risks for exposure from bacterial bioaerosol

2.6 微生物气溶胶的削减

在新冠疫情期流行期间,污水处理厂采用喷洒消毒剂次氯酸钠的方式对格栅间、污泥脱水间等建有污水处理设施的室内空间做定期消杀,每隔6 h喷洒质量浓度为200 mg/L的次氯酸钠,以控制病毒带来的风险。定期喷洒消毒剂对空气中的微生物气溶胶也有明显的削减作用。

图7显示,喷洒消毒剂2 h后,空气中的细菌气溶胶菌落数明显下降。其中,格栅间细菌气溶胶的平均菌落数由(830±582)个/m3降低至(253±24)个/m3,下降了69.5%。污泥脱水间的细菌气溶胶则减少了74.1%。粒径范围为0.65～1.1 μm的微生物气溶胶削减效果最明显,下降百分比分别为98.2%(格栅间)和91.3%(污泥脱水间)。格栅间暴露风险值HQ相应降低至4.0×10-3,污泥脱水间暴露风险值HQ降低为1.8×10-2。采用喷洒消毒剂的空气消杀措施可以有效削减封闭空间微生物气溶胶,尤其是小粒径的微生物气溶胶的菌落数,显著降低暴露风险。

图7 污水处理厂室内单元消毒前后细菌气溶胶的变化Fig.7 Changes in bacterial bioaerosols before and after disinfection of indoor units in the wastewater treatment plant

3 结论

1) 微生物气溶胶从污水处理的各个工艺段逸散,粗格栅和污泥脱水间是主要的逸散源。气溶胶中的微生物以Pseudomonassp.、Staphylococcussp.、Nocardioidessp.为主, 其中Pseudomonassp.、Stenotrophomonassp.、Acinetobactersp.为潜在致病菌。

2) 温度、相对湿度、风速、光照强度等环境因素均会影响空气中微生物气溶胶的逸散水平。室外环境的微生物气溶胶菌落数受光照强度和温度的影响更明显,温度和相对湿度是室内空气中的微生物气溶胶的主要影响因素。

3) 下风向厂界和污泥脱水间暴露风险较大,成年男性暴露风险高于成年女性,9月份暴露风险最高。定期喷洒消毒剂可以有效降低空气中微生物气溶胶的菌落数和操作人员的暴露风险。