新冠病毒污水消毒工艺及参数选择难?

黄晓家

1964年出生,中国中元国际工程有限公司总工程师,全国工程勘察设计大师,中国科学技术学会聘任全国工艺建筑防火及水灭火系统学科首席科学传播专家。研究方向:城市节水、海绵城市、工业废水再生与回用、建筑与工业给排水、消防工程、饮用水安全、污水处理、水环境、智慧水务。

01  传统传染病与新冠病毒传染病

建国以来我国根治了大多数流行性传染病,现我国国家年鉴每年统计的传染病有28种。根据国家年鉴,2018年有306.3万人感染传染病,年感染人数超过1万人的传染病有11种,其中排前三位的是病毒性肝炎、肺结核和梅毒,占比分别为41.8%、26.9%、16.2%,排第7位的艾滋病占比为2.1%;2018年传染病死亡人数约为2.3万人,其中前3位分别为艾滋病、肺结核和肝炎,分别占比82.5%,13.8%和2.3%。从感染人数和死亡率看,我国现传染病医院接收患者最多的是病毒性肝炎患者和结核病患者,因此通常讲的传染病多指病毒性肝炎和细菌性肺结核。

肝炎病毒是指引起病毒性肝炎的病原体,1972年肝炎病毒在患者的大便中发现。人类肝炎病毒有甲型(HAV)、乙型(HBV)、丙型(HCV)、丁型(HDV)和戊型(HEV)。除了甲型和戊型病毒通过肠道感染外,其他类型病毒均通过密切接触、血液和注射方式传播。其病毒通常由病人粪便排出体外,通过被污染的手、水、食物、食具等传染,通常肝炎病的传播能力不是很强,但严重时会引起甲型肝炎流行。如1988年1月,上海市出现了较大规模的流行性甲型肝炎,主要原因是人们食用了被甲肝病毒污染的毛蚶。乙型肝炎主要通过注射、输血等方式传播。

结核分枝杆菌(M.tuberculosis),俗称结核杆菌,是引起结核病的病原菌,1882年Robert Koch 发现了结核分枝杆菌,结核杆菌分为人型、牛型和非洲型,我国95%以上的感染者为人型。结核病为全身疾病,肺结核占90%。分为原发性肺结核、血行播散型肺结核、继发型肺结核、结核性胸膜炎、其他肺外结核等,也可按部位及脏器命名。结核病的传染源主要是痰,传播源为咳嗽、咳痰症状,通过咳嗽或打喷嚏等把含有结核菌的飞沫散播于空气中,健康人吸入含有结核菌的飞沫可受到感染。感染程度主要受结核病人排菌量、咳嗽症状以及接触的密切程度等因素的影响。健康人受到结核菌感染后,不一定发生结核病,这主要取决于感染结核菌毒力的大小和感染者抵抗力高低,结核病较难形成流行性传染病。2000年抽样调查结果显示,我国结核菌感染者为4亿多人,占全球20%,结核病患者500万人,每年新发患者130万人,占全球的25%,其中耐药肺结核高达46%,被WHO列为特别引起警示的国家和地区,近年随着国家的高度重视,2018年我国结核病新发人数为82万人,结核病新发大幅下降。

2003年SARS来临后,我国有了流行性的空气感染传染病,理论上空气传播的病毒主要在人的呼吸系统中,其排出物主要是飞沫或痰,而在人体消化系统中存在的几率较低。后来有实验人员在粪便中也检测到SARS冠状病毒,病毒可通过洗手、粪便等途径进入污水,然而目前尚未在文献中查到在粪便或污水中病毒浓度的相关数据。

2019新型冠状病毒(COVID-19),自2019年12月以来,我国从湖北开始流行新型冠状病毒肺炎而被发现,最早定义为新型冠状病毒感染的肺炎,后改为新型冠状病毒肺炎,简称新冠肺炎,其病毒2020年2月11日被世界卫生组织命名,其中“Co”代表“冠状病毒”,“Vi”为“病毒”,“D”为“疾病”,早期定义为2019-nCoV,2019 Novel Coronavirus。这种新型冠状病毒(COVID-19)与2003的SARS冠状病毒(SARS-CoV))相似度在85%左右,根据目前测试,该病毒主要通过呼吸系统传播,在粪便和尿中也已经检测到。

关于传染病医院的污水处理消毒,我国过去多以灭活肝炎病毒和结核杆菌为主,然而SARS冠状病毒和新型冠状病毒的病原学特征与其有明显不同,污水处理消毒应根据不同病毒的特性来确定。

02  新冠病毒与其他传染病病毒或细菌生物特性研究

2.1 肝炎病毒

肝炎病毒直径为27nm,有空心和实心两种。甲型肝炎病毒呈球形,无包膜,核酸为单链RNA;乙型肝炎病毒呈球形,具有双层外壳结构,外层相当于一般病毒的包膜,核酸为双链DNA;对丙型肝炎病毒、丁型肝炎病毒和戊型肝炎病毒目前尚在研究之中。

甲型肝炎病毒100℃、5min或紫外线1h杀死,当采用消毒剂消毒时,1mg/L的Cl2可以杀死;乙型肝炎病毒100℃、20min杀死,一般浓度的消毒剂不能杀死。

肝炎病毒在污水中的存活时间为70d。

2.2 结核分枝杆菌

结核分枝杆菌为细长略带弯曲的杆菌,大小1~4×0.4μm。菌无芽孢、无鞭毛,在细胞壁外尚有一层荚膜,对结核分枝杆菌有一定的保护作用。

结核分枝杆菌细胞壁中含有脂质,故对乙醇敏感,在70%乙醇中2min死亡。此外,脂质可防止菌体水分丢失,故对干燥的抵抗力特别强。粘附在尘埃上保持传染性8~10d,在干燥痰内可存活6~8个月。结核分枝杆菌对湿热和紫外线敏感,在液体中加热62~63℃,15min或煮沸即被杀死,直接日光照射数小时可被杀死,可用于结核患者衣服、书籍等的消毒。

结核杆菌在污水中的存活时间为330~420d。

2.3 大肠杆菌

由于污水中往往存在多种致病菌或病毒,因此,在研究消毒剂杀灭污水中致病微生物时常采用某些非致病的微生物作为指示微生物,大肠杆菌是最常用的指示微生物。目前我国医院污水消毒常用的次氯酸钠、氯气、二氧化氯、臭氧等常规水处理消毒剂,均能有效杀灭污水中的粪大肠菌群,灭活能力方面,臭氧、二氧化氯和次氯酸钠依次降低。如试验样品中大肠杆菌的浓度为4.2×106 CFU/mL,次氯酸钠消毒剂投加10mg/L,消毒时间20min,二氧化氯投加8mg/L,消毒时间20min,大肠杆菌全灭活率100%。城市污水处理厂的运行实践中也证明大肠菌群的灭活率在98.94%~100%之间。

2.4 噬菌体

由于水中的一些动物性病毒(主要是肠道病毒)比大肠杆菌具有更强的稳定性,仅以大肠杆菌作为水质安全性指标不能很好地评价水的病毒学安全性,于是开始寻找更合适的病毒指示微生物。噬菌体作为细菌病毒,在污水中普遍存在,其数量高于肠道病毒,具有病毒的共同特性,有严格的宿主特异性,对人类和动物不具有感染性,可保证试验的安全性,而且噬菌体的灭活试验和人类致病性病毒的灭活试验相比,大部分的试验原理是一样的。美国EPA已提出采用大肠杆菌噬菌体作为病毒指示生物。目前,噬菌体作为模式病毒,已被用于评价水和污水的处理效率、阐明病毒灭活机理以及改进病毒监测方法等领域的研究。

大肠杆菌f2噬菌体属于无包膜单链RNA病毒,其生物学特性与甲型肝炎病毒、脊髓灰质炎病毒相似,对消毒剂的抵抗力与致病性肠道病毒相似。研究表明大肠杆菌f2噬菌体经56℃、20min或70℃、10min,灭活对数值为5,即灭活效率为0.99999。有效氯250mg/L,作用时间20min,灭活对数值为4.18,而脊髓灰质炎病毒的灭活对数值大于5;当有效氯500mg/L,作用时间5min,f2噬菌体和脊髓灰质炎病毒灭活对数值均大于5。

2.5 SARS冠状病毒

2003年5月3日,世界卫生组织发表了中国香港特别行政区政府病毒实验室、香港大学Queen Mary医院、日本国家传染病研究所、德国 Marburg大学实验室的研究结果:塑料表面的SARS病毒在室温下至少能够生存2d,在有腹泻病人的粪便中至少能够生存4d,SARS病毒的一个显著特点是怕热不怕冷,-80℃和4℃至少生存4d,甚至21d,在37℃条件下,SARS病毒存活不到4d,在56℃时,病毒的生存时间不超过30min。这些结果表明SARS病毒的生存能力比人们想象的要顽强得多。

2004年,军事医学科学院王新为等通过实验研究了氯和二氧化氯灭活SARS冠状病毒的效果。采用 SARS冠状病毒加标方法观察病毒在粪便、尿液及不同水体中的存活情况,采用次氯酸钠和二氧化氯消毒污水中的SARS冠状病毒,观察灭活病毒效果。结果表明,加标的SARS冠状病毒在体外环境中的存活情况随温度而异,20℃避光条件下在医院污水、生活污水和脱氯自来水中只能存活2d,在粪便中可以存活3d,在生理盐水中可以存活14d,在尿液中可以存活17d;4℃情况下,SARS冠状病毒在上述各种水体中均可以存活14d以上,在粪尿中可以存活17d以上。SARS冠状病毒在污水中对消毒剂的抵抗力比大肠杆菌及f2噬菌体都低,在相同加氯量或余氯量情况下,氯制剂对SARS冠状病毒的灭活效果优于二氧化氯。当污水中游离余氯量保持在0.5mg/L(氯制剂)或2.19mg/L(二氧化氯)以上时可以保证完全灭活污水中的SARS冠状病毒,但对大肠杆菌和f2噬菌体则不能完全灭活。从而得出结论SARS 冠状病毒在体外环境中存活时间短,对氯和二氧化氯敏感。

研究表明SARS冠状病毒不论对环境因素还是消毒剂都很敏感,在环境中SARS冠状病毒很容易失去感染性。在进行医院污水SARS冠状病毒浓集加标试验时发现,加入的f2噬菌体可以平均回收127.1%,而加入的SARS冠状病毒却只能回收1.05%。此前该团队已证实采用病毒浓集方法对多种肠道病毒均具有较好的回收效果:f2噬菌体的平均回收率为97.3%,脊髓灰质炎病毒回收率88.7%,甲型肝炎病毒为98.2%,埃可病毒为92.1%,柯萨奇病毒为94.9%。试验认为该结果可能是由于SARS冠状病毒的抵抗力低,对环境因素敏感,在浓集过程中由于病毒表面受到损伤而使其失去了感染性。这说明与肝炎病毒、大肠杆菌、f2噬菌体相比,SARS冠状病毒对环境和常用消毒剂的抵抗能力更低。

2.6 新冠病毒

2019新型冠状病毒(COVID-19),因2019年武汉新型冠状病毒肺炎病例而被发现。国家卫健委《新型冠状病毒感染的肺炎诊疗方案(试行第五版)》(2020年2月5日发布)中指出,新型冠状病毒属于β属的新型冠状病毒,有包膜,颗粒呈圆形或椭圆形,常为多形性,直径60~140nm。根据最新研究显示,2019新型冠状病毒与SARS病毒的7个基因片段的同源性高于90%,根据这一标准,新型冠状病毒与SARS病毒属于同一个"种"。

目前对COVID-19理化特性的认识多来自对SARS-CoV和MERS-CoV的研究。COVID-19病毒物理特性与SARS病毒类似,对紫外线和热敏感,56℃30min、乙醚、75%乙醇、含氯消毒剂、过氧乙酸和氯仿等脂溶剂均可有效灭活病毒,氯己定不能有效灭活病毒。

2.7 对比结果分析

通过以上文献研究分析认为,鉴于新冠病毒与SARS冠状病毒理化特性的相似性,新冠病毒对消毒剂的抵抗力远低于我国目前常见传染病肝炎病毒、结核菌、大肠杆菌和f2噬菌体指示微生物,采用消毒工艺处理医院污水,其所含的新冠病毒完全能够得到有效的灭活。

03 新冠病毒感染的肺炎污水处理工艺研究

3.1 工艺选择

根据世界卫生组织WHO的要求,我国现行国家规范《综合医院建筑设计规范》(GB51039-2014)对污水处理做出如下规定:当医疗污水排入有城市污水处理厂的城市排水管道时,应采用消毒处理工艺;当医疗污水直接或间接排入自然水体时,应采用二级生化污水处理工艺。其出水水质应符合现行国家标准《医疗机构污水排放要求》GB18466的有关规定。

2017年我国城市污水处理总量为465.5亿m3,污水处理率94.54%,基本已经完成了城市全覆盖,综合经济、环保、安全等多方面因素考虑,当医院污水有条件排入城市污水处理厂时,无需进行二级生化污水处理工艺,可根据《综合医院建筑设计规范》(GB51039-2014)的规定,采用消毒处理工艺。

我国现行国家标准《传染病医院建筑设计规范》(GB 50849-2014)规定的传染病污水处理要求采用二级生化处理工艺,这是继承了《医院污水处理设计规范》(CECS07-88)我国传统的传染病病毒性肝炎和肺结核病而言。但对于应急医院,其建设周期短,若考虑生化处理工艺,调试运行周期过长,通常至少是1个月左右,尽管现代微生物技术大幅提高,可以接种自城市污水处理厂,但效果很难保证,因此,考虑到实际应用与二级生化污水处理的初期运行特性,以及消毒完全可以控制SARS病毒和新型冠状病毒对水体的影响,综合考虑应急医院的高效运行,推荐采用消毒工艺处理新型冠状病毒应急医疗设施生活污水。

3.2 小汤山非典医院等污水处理运行案例

总结了2003年小汤山非典医院污水处理建设的过程和工艺流程,采用消毒处理,消毒剂采用了电解法次氯酸钠,预消毒有效氯投加量为10mg/L左右,接触消毒池的有效氯投加量为50mg/L左右。小汤山非典医院从2003年5月1日起开始接收病人,收治680名SARS患者,全部治愈出院,小汤山医院二部附近1km范围内的2个村庄无一人感染,小汤山镇全镇24个村3.5万人无一人感染,小汤山医院院区内约有3000人医务和后勤工作者,无一人感染,实践证明,小汤山ASRS定点医院建设的医院污水处理措施是客观有效的。因此新型冠状病毒肺炎传染病应急医疗设施的污水处理采用消毒处理可行。

我国1979年1季度对北京几家主要医院的污水中的大肠杆菌进行了测试,大肠杆菌在5.5×106~2.0×109个/L之间,其中1.0×107个/L以上的占95.84%,其中1.0×107~1.0×108个/L之间占比为46.8%,甘肃省1977年对于27个医院测试未经处理的医院污水中大肠杆菌的数量为2.38×108个/L,国家标准《医疗机构水污染物排放标准》(GB18466-2005)中规定,传染病医院污水排放标准中大肠杆菌的数量不能大于100MPN/L,实际上按大肠杆菌在污水中的最低浓度计算,大肠杆菌的灭活效率应为99.98%,实际是4Log。我国目前没有发生因为医院污水处理不合格导致的传染病流行,说明日常处理能有效杀灭病毒和细菌。

研究证明,指示显示大肠杆菌灭活率大于23%时,SARS病毒可全灭活,因此当大肠杆菌的灭活效率达到99.98%时,SARS病毒完全能够被灭活,以大肠杆菌作为新冠病毒指示微生物。

 

该工艺不仅流程简单、建造快速、投资少,而且还具有启动快速,运行稳定、管理方便等优点。

污水处理在化粪池前设置预消毒工艺,预消毒池的水力停留时间不宜小于1h;污水处理站的二级消毒池水力停留时间不应小于2h;污水处理从预消毒池至二级消毒池的水力停留总时间不应小于48h;化粪池和污水处理后的污泥回流至化粪池后总的清掏周期不应小于360d;消毒剂的投加应根据具体情况确定,但pH不应大于6.5。

预消毒的目的是使污水处理站后续运行安全,同时也是提高和确保新型冠状病毒灭活效果。有研究表明,悬浮固体和有机物质的存在增加了肠病毒在水性环境中的生存能力,故认为在化粪池前进行预消毒,可以大大降低附着在粪便上的病毒活性,使后续运行更安全。

国家标准《医疗机构水污染物排放标准》(GB 18466-2005)中规定,传染病和结核病医疗机构污水当采用含氯消毒剂时,消毒接触池的消毒时间不低于1.5h,考虑到该新型冠状病毒的未知性,确定污水处理站的二级消毒池水力停留时间不应小于2h。

依据最新研究,新型冠状病毒室温下在粪便和尿液中至少可存活2d,腹泻患者粪便pH升高,通常腹泻粪便的pH为6.7~7.7,新型冠状病毒的存活时间延长至4 d。污水处理从预消毒池至二级消毒池的水力停留总时间不应小于48h,一则满足化粪池的自然沉淀效果,提高消毒效率,减少消毒剂用量,减少消毒副产物对环境的影响,二则提高效果保证率,即使误操作,新型冠状病毒在污水处理系统中的自然死亡率也能保证对环境水体的影响降至最低。消毒环境要求在弱酸环境,pH不应大于6.5的要求是为了有效限制新型冠状病毒在水体环境中的生存能力,提高灭活率。

04  结语

距离2003年的SARS-CoV病毒爆发已经过去17年,国内对该病毒的环境和消毒剂的抵抗能力做了较为详细的研究,为含有新型冠状病毒感染肺炎的污水处理提供了大量技术支撑,通过对病毒性肝炎、肺结核病细菌等传统传染病病原体以及的环境和消毒剂的抵抗能力分析,以及新型冠状病毒与SARS-CoV的比较分析,提供了与SARS-CoV同类型的新型冠状病毒COVID-19的污水二级强化消毒工艺和工程技术参数,以满足我国目前新型冠状病毒疫情防治工作的需求,该研究成果已列入国家卫健委、住建部发布的《新型冠状病毒肺炎应急救治设施设计导则(试行)》和中国工程建设标准化协会颁布的《新型冠状病毒感染的肺炎传染病应急医疗设施设计标准》(T/CECS 661-2020)中,并在全国实施,以确保打赢疫情防控阻击战,保护水体生态安全。

主办单位

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