水专项支撑上海水务全面加强病毒等病原微生物防控 确保供排水安全

【前言】

为贯彻落实习总书记在统筹推进新冠肺炎疫情防控和经济社会发展工作部署会议上的重要讲话精神,发挥国家重大专项科技支撑作用,新型冠状病毒感染的肺炎疫情爆发以来,我部水专项办组织“城市水污染控制”和“饮用水安全保障”两个主题组专家、行业权威专家学者,以及水专项相关课题负责人,编制印发了《饮用水厂加强病毒去除与控制的运行管理建议》、《新冠肺炎疫情期间加强城镇污水处理和水环境风险防范的若干建议》、《新冠肺炎疫情期间城镇污水厂加氯消毒设施运行建议》、《全面加强建筑水系统管理有效防范病毒传播》等系列成果专报,并通过微信公众号向社会公布。上海水务管理部门和运行单位,结合水专项成果专报提出的建议措施,以及水专项在上海市开展科技研究和综合示范取得的成果,针对疫情期间以及今后一段时间可能出现的供排水安全运行问题,组织开展了头脑风暴,解读了供排水标准中有关病原微生物的控制要求,分析了上海供排水运行各环节可能存在的问题,提出了针对性的技术应对措施和管理保障建议,为疫情期间上海水务防控病毒等病原微生物风险提供了参考,并为后续启动上海供排水微生物安全等基础性研究工作提出前瞻性建议。现转发上海水务相关部门提出的有关“加强病毒等病原微生物防控”的思考与建议,为全国各地供排水管理部门(企业)抗击疫情、保障供排水安全提供借鉴和参考。

一、市政供排水标准中病原微生物指标及控制要求

病毒是一类重要的病原微生物,个体最小、结构特殊、致病性强。新型冠状病毒感染肺炎疫情期间,关于新型冠状病毒COVID-19在水中的特性和行为尚不明确或尚缺乏证据,世界卫生组织(WHO)也认为,另一种冠状病毒SARS不属于介水传播病原微生物,不可能存在于饮用水中。但是在已知的致病微生物中,包括甲型肝炎病毒、诺如病毒、腺病毒等病毒,以及大肠埃希氏菌、军团菌等细菌均可介水传播。因此针对供排水中广泛存在的病毒等病原微生物威胁,各个国家或地区均需严格执行相关水质标准,对其进行控制,切实保障供排水安全。

(一)饮用水标准中病原微生物指标的控制要求

对标国际,目前美国和加拿大已在饮用水标准中提出了病毒指标的控制要求。美国环保署(USEPA,2018)在国家饮用水条例一级强制性标准中有8项关于微生物指标的要求,规定了病毒(肠道病毒)的最大污染物浓度目标值为0。EPA认为在保证过滤质量和消毒效果的情况下,病原体可以得到有效去除,要求水处理系统中要有消毒或者过滤工艺,通过实现病毒99.99%的去除或灭活率来控制病毒感染问题;同时在微生物指标中,还对浊度做出了规定,要求滤后水浊度低于1 NTU,且95%水样的浊度低于0.3 NTU。加拿大饮用水水质标准也列入了肠道病毒指标,其控制要求和美国一致。

WHO《饮用水水质准则》(第四版,2017)对饮用水中致病菌、病毒、原生动物等3类病原微生物进行了阐述,其中列出了8项可能的水源性病毒病原体,但是未给出明确的指导值,8项中也未包括冠状病毒。为了确保病原微生物去除和灭活的效率,准则要求消毒前的水质浊度应达到0.5 NTU以下,且平均浊度应达到0.2 NTU或更低。为了建立多重屏障,防范病毒等微生物污染,准则同时要求做好水源防护,整合全面的水处理方法和检测方法。

我国饮用水标准中有针对微生物指标的控制要求,但对病毒没有明确限定。《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)中的微生物指标共有6项,包括细菌学指标4项和原虫指标2项,明确指出“生活饮用水中不得含有病原微生物”,并提出了“生活饮用水应经消毒处理”的要求。为了通过对浊度和消毒的严格控制来保证水处理中病原微生物的去除和灭活,标准规定了浊度限值为1 NTU(水源与净水技术条件受限时为3 NTU)。

《消毒技术规范》(2008)根据国家传染病防治法和卫生部消毒管理办法,用脊髓灰质炎病毒I型疫苗株作为评价消毒剂对病毒的灭活指标。相关研究文献表明,在饮用水处理中1 mg/L游离氯对脊髓灰质炎病毒作用10 min,灭活对数值为1.5~2;300 mg/L二氧化氯消毒液作用5 min,灭活对数值大于5;0.37 mg/L臭氧作用5 min,灭活对数值大于4;50 mJ/cm2紫外剂量作用约10 min,灭活对数值大于5.4。

综上,目前世界上除了美国和加拿大在饮用水标准中提出了明确的病毒控制要求和WHO提出了病毒控制建议外,其他国家或组织都将总大肠菌群或大肠埃希氏菌等作为饮用水中病毒的指示指标,并通过对浊度、消毒等关键处理工艺的要求来保障病毒等病原微生物的去除和灭活。针对新型冠状病毒,目前世界各国标准均未做出限定。

(二)污水、污泥标准中病原微生物指标的控制要求

目前对于污水中病毒允许的排放浓度还缺乏限值规定,基本上均以粪大肠菌群数作为病毒替代指标。我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)对于污水排放中的粪大肠菌数进行了规定,其中一级A标准为103个/L、一级B标准为104个/L。污水处理厂消毒效果一般采用CT值(接触时间结束时消毒剂残留浓度C×接触时间T)确定相应的消毒参数并指导生产运行。我国目前尚缺乏针对粪大肠菌群数达标的CT值数据,一般根据消毒剂投加量、接触时间及出水余氯含量等参数保障消毒效果,确保出水粪大肠菌群数达标。《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)规定次氯酸钠和二氧化氯接触时间不小于30 min。《室外排水设计规范》(GB 50014-2006)规定了二级处理出水加氯量为6~15 mg/L,接触时间不少于30 min;若采用紫外消毒,二级处理出水出厂前的紫外投加强度为15~22 mJ /cm2。

《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)对粪大肠菌群数进行了相关规定,对于传染病、结核病医院污水,一级标准中粪大肠菌群数最高允许排放浓度为100个/L。生态环境部《关于做好新型冠状病毒感染的肺炎疫情医疗污水和城镇污水监管工作的通知》要求接收肺炎患者或疑似患者诊疗的定点医疗机构(医院、卫生院等)以及相关单位,采用液氯、二氧化氯、次氯酸钠、漂白粉或漂白精消毒时,参考有效氯投加量为50 mg/L。消毒接触池的接触时间不小于1.5小时,余氯量大于6.5 mg/L(以游离氯计),粪大肠菌群数小于100个/L。采用臭氧消毒,污水悬浮物浓度应小于20 mg/L,接触时间大于0.5小时,投加量大于50 mg/L,大肠菌群去除率不小于99.99%,粪大肠菌群数小于100个/L。

抑制和杀灭污泥中的病原微生物是实现污泥稳定化的重要环节,《城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南(试行)》提出消化污泥的粪大肠菌群数量一般为1.2×105个/gDS。《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)要求采用好氧堆肥工艺稳定化污泥粪大肠菌群菌值(每产生1个粪大肠菌群所需的样品量,gDS)大于0.01,对其他病原菌并没有明确规定相关控制指标。加拿大《好氧发酵质量导则》要求好氧发酵污泥粪大肠菌群小于1000 MPN/gDS。美国环保总署将污泥病原体的削减要求分为A级标准和B级标准,满足A级标准污泥的粪大肠菌群数量应小于1000 MPN/gDS,其应用基本不受限制,可以直接供给公共场所或作土地利用;B级标准污泥的粪大肠菌群数量应小于2×106MPN/gDS,应用场所受限制。厌氧消化污泥一般可达到B级标准。

(三)供排水中病毒的检测方法

供排水中病毒的检测主要有两种方法,一种方法是直接测定,即对水样通过荷电膜过滤、吸附、洗脱,达到浓缩目的,经过一系列沉淀和离心操作,获得病毒核酸样品,通过反转录PCR扩增进行检测;另一种是间接测定,即不直接测定水中病毒种类和数量,而将相对易分离、危险小、与病毒有较好相关性的噬菌体作为病毒指示物,作为评价水源污染和饮用水处理过程中病毒杀灭效率的指示微生物,也是国际标准化组织(ISO)和美国的推荐方法。但在原生污水、污泥等复杂样品基质中尚缺乏成熟的提取、纯化和测试方法。

病毒属于具有健康风险的病原微生物,水中病毒检测与研究对环境条件具有一定要求。病毒检测首先在环境上需要具备生物安全二级实验室(P2级)要求。P2级生物实验室的设施、设备和生物安全管理应符合《病原微生物实验室生物安全通用准则》(WS 233-2017)相关要求,同时实验室具有PCR扩增功能的分子生物学功能区域,应具备试剂准备、标本制备、扩增反应、产物分析等功能划分,检测过程需要无菌操作,防止外援微生物的干扰。P2实验室实验人员需要经过相关技术安全培训,从而最大化控制实验风险,保证实验室的安全使用和管理。

二、疫情下供排水系统运行管理的思考

由于供排水行业对病毒等病原微生物的关注和研究不足,针对时下疫情供排水系统中新型冠状病毒更无实际数据,目前建议、观点均基于其他病毒的研究经验和国内外文献资料,且相关资料的研究条件和针对性也不清楚。根据上海供排水运行经验,针对此次新型冠状病毒感染肺炎疫情下运行防控的总体看法是:首先,我国饮用水水质标准和污水排放水质标准等针对病原微生物的去除或灭活是有要求的,能从标准上指导并保障水质微生物安全;其次,饮用水处理系统和污水处理系统在设计时,也是按照相关标准要求进行达标建设,在疫情下如能全面加强各工艺环节的运行管理,现有水厂处理工艺即可确保病毒的去除或灭活。具体思考如下:

(一)供水系统稳定运行,可控制疫情下的病毒风险

现有水厂常规处理工艺、臭氧活性炭深度处理工艺、超滤工艺以及后续的消毒工序对病毒均有去除或者灭活效果。消毒环节中,一定的消毒剂量和充分的接触时间也可满足微生物灭活的要求,因此工艺稳定运行是关键。

对于常规净水工艺水厂,消毒是病毒灭活的关键环节,只要水处理工艺稳定运行,出厂前保证足够的消毒剂浓度和接触时间,就能够实现充分的消毒。上海的自来水出厂前,采用游离氯、氯胺的顺序消毒,并根据水源水质情况严格控制游离氯消毒CT值不小于15 mg/L·min。消毒剂的使用量是根据原水水质变化情况进行调节,疫情期间上海消毒剂剂量没有大的变化。并且,上海对出厂水浊度的控制也十分严格,各水厂出厂水浊度控制在0.1~0.2 NTU以下。依据美国饮用水病毒去除技术指南,当滤后水浊度在0.3~1.0 NTU时,病毒去除率一般为90%以上;而当滤后水浊度低于0.3 NTU时,病毒去除率可达99%。因此,上海水厂在消毒充分、浊度控制两方面保障到位,即可有效保证微生物的灭活和去除效果。水质数据也表明,上海自来水厂运行稳定可靠,出厂水水质符合国家《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)。

对于有臭氧-活性炭深度处理工艺以及超滤膜工艺的水厂,要确保臭氧设备的正常开启并稳定运行,现有上海水厂前臭氧0.5~1.0 mg/L、接触时间3 min以上,后臭氧0.5~1.0 mg/L、时间10 min以上,可以满足病毒灭活要求,不需要增加臭氧投加量。超滤对浊度的去除性能远优于常规工艺,小孔径膜的病毒去除效果会更好,但当膜丝发生断裂时,会出现病毒泄漏风险,因此,在运行中应加强颗粒物在线监测,以确保膜丝的完好率,同时为安全起见,超滤水厂也要重视前端的常规处理浊度去除和后续的消毒处理。紫外消毒对于灭活贾第鞭毛虫和隐孢子虫具有良好的效果,但对部分病毒的灭活能力不强(基于美国EPA针对腺病毒的实验结果),因此,安装有紫外消毒设备的水厂,建议严格保障前端常规处理工艺的除浊效率,尽可能降低滤后水的浊度,同时也需要确保消毒的CT值。

此外,还须加强供水输配系统余氯保障,加强水质全过程监测,积极与相关部门保持信息交流。管网中余氯或一氯胺也可以灭活病毒和其它致病菌,并有效控制由于管网二次污染造成的微生物风险,应该严格执行供水管网中总余氯最低值要求,同时高度关注居民龙头水余氯,精准投加,在保证微生物安全的同时,避免因过度消毒产生口感等其他不良影响。对可能存在暴露风险的部分二次供水设施,应加强环境的消毒以及相关人员的健康安全排查。疫情期间,需强化对水源、水厂、管网等过程的水质检测,增加对微生物指标的检测强度,及时掌握消毒效果和工艺运行状况。作为保障措施,应通过信息交流和共享机制,及时与卫健、疾控、水务、环保部门进行信息交流,同时掌握疫情控制动态和相关信息,进一步完善应急供水安全保障预案。

(二)加强城镇市政排水管网安全运行管理,强化排水溢流的防控与排除

确保排水管网系统管道畅通不冒溢,加强排水设施和排河口巡查,及时防控与排除污水冒溢和直排入河等排水溢流,杜绝旱天放江;加强管网系统的运行调度,严格控制污水管道运行水位,降低冒溢风险;尽量减少雨天溢流排放,对于无法截流的水体,应尽可能进行消毒;同时,消毒过程中应考虑生物安全,如溢流污水中氮类污染物浓度较高,易与氯形成氯胺,氯胺对水生生物具有急性毒性,应重视消毒剂的选择和投加量的优化。出现堵塞尽量采取水力冲淤的方式,减少人员的直接接触。

加强管网、泵站、检查井等排水设施安全运行管理,排水泵站应加强排气口的消毒,人员尽可能避开排放口的气流,对于检查井,要避免打开井盖及下井作业操作;做好人员专业防护(口罩隔离、手套隔离、护目镜或眼镜隔离),特别是管网疏浚、污水厂巡查、水质监测等与潜在污染产生直接接触的关键人员。

(三)加强城镇污水处理和监管工作,防止新型冠状病毒通过污水传播扩散

城镇污水处理厂在疫情期间应确保稳定运行,稳定运行就是最重要的防控。污水处理厂由于大多采用生物处理工艺,大剂量消毒剂会影响生物处理效果,不适合前端消毒。疫情期间应注重出水消毒,加强消毒前序工艺单元的管理控制,确保消毒工艺发挥效能,适当加强尾水消毒,建议尽量按照一级A标准限值调整消毒剂量,有效控制出水卫生学风险。应选择合适的消毒剂,氯消毒剂比二氧化氯消毒的单耗低、效果好,建议采用氯消毒剂(液氯、次氯酸钠)进行消毒,并关注出水余氯,出水余氯控制在0.5 mg/L左右,避免过度消毒造成对受纳水体生态环境的潜在不利影响。应暂停用于绿化、道路冲洗、处理构筑物泡沫消除的喷淋等非密闭状态下的回用中水。生产运行过程中,除了重视出水消毒之外,也应加强对栅渣堆放点的消毒工作。同时,应加强各工艺段的人员安全防护,尤其是曝气池、生物除臭和污泥处理工艺阶段的人员专业防护,避免工作人员直接接触污水、污泥,尽量避开除臭设施排放口气流。应尽量采用自动采样与在线监测,尽可能减少人工分析检测。

妥善做好污泥处理处置。城镇污水处理厂污泥处理处置应注重稳定化指标,对于处置污泥加强消毒措施;可适度提高生物池活性污泥浓度,延长实际运行泥龄,以进一步提高病毒等病原体的去除率;初沉污泥病原体浓度相对较高,应重点关注;对于污泥脱水间,加强通风措施,污泥的存储及运输过程应密闭,必要时适当喷洒消毒剂。

三、下一步工作的建议

鉴于我国供排水系统对病毒去除和灭活的研究基础薄弱,建议在国家水专项项目(课题)研究基础上,尽快开展专题研究,获取对病毒等病原微生物有针对性的基础数据,进一步完善病毒等病原微生物的控制措施,提升市政供排水安全保障能力。

(一)建立水质检测P2级生物安全实验室

病原微生物检测与研究需要专业的P2级生物安全实验室,P2实验室可进行初级卫生服务、诊断和研究,具备对危害等级为Ⅱ级,但一般情况下对健康工作者、群体或环境不会引起严重危害的病原体检测分析的条件。

生物安全是影响饮用水龙头直饮的关键因素,根据对水质安全的更高要求,须建设P2级生物安全实验室,开展病原微生物检测工作和防控技术的研究。目前上海市水务集团水质检测中心(南方水中心检测中心)具有基本的P2级生物安全实验室,若要开展进一步的病毒等病原微生物检测与研究,尚需根据不同病原微生物的检测要求,进行实验室功能改造,划分不同功能区域,增设分子生物学操作实验室、生物样品储存等专门区域,增强空气洁净度控制等。

(二)水中病原微生物检测方法研究

目前我国水质检测单位的微生物检测能力尚显薄弱,不具备针对病毒等病原微生物开展检测和研究的条件,生物风险识别与评估能力不足,需要补充完善相关技术。建议借鉴WHO和EPA在病原微生物方面的检测经验,研究饮用水、污水中病毒等病原微生物的检测方法,建立水中病原微生物检测平台,加强微生物检测与风险评估能力建设,为供排水安全保障与相关研究提供技术平台。

(三)饮用水中病原微生物特征及去除技术研究

开展水源、水厂、管网以及龙头水的病原微生物赋存特征和变化特征研究,识别饮用水全流程中典型病原微生物的风险特征及风险点;研发饮用水病毒等病原微生物去除和灭活关键技术;提出病原微生物监测要求、供水系统运行规范等病原微生物风险防控管理对策,为高品质饮用水目标实现提供技术支撑与管理保障。

(四)污水中病原微生物防控技术研究

研究溢流污染末端快速消毒技术,加强消毒技术与颗粒物快速处理技术的耦合应用,降低溢流排放中病毒等病原微生物对受纳水体的影响,提高水环境安全性。研究污泥稳定化及病原微生物灭活关键技术,加强污泥快速高效稳定化技术开发,持续开展臭氧微气泡高级氧化技术的应用研发及成套装备自主研发,提高污泥病原微生物灭活效果,为高效、低能耗的污泥减量和碳源回收处理提供关键技术。

(五)管理措施与对策研究

尽快开展居民龙头水水质检测工作。研究制定供水企业的居民龙头水水质检测方案,结合现行的一年二次水箱清洗工作,全面开展龙头水水质检测,重点检测二次供水水箱(水池)、居民龙头水余氯、浊度等涉及微生物安全的关键指标,逐步形成常态化机制,做到水质掌握到龙头。

强化供排水微生物安全控制要求。加强对污水收集输送处理全环节、饮用水源头到龙头全流程的供排水微生物检测,推进水质标准中微生物指标的研究与修订,并通过设计和运行规范,强化常规处理工艺对浊度的去除,以及消毒工艺对病原微生物的灭活。

加强饮用水的科普宣传。自来水是第一食品,是最公平、最可靠、最安全的饮用水,建议运用多样化的新媒体平台,发挥专业团队的专业力量,配合水务热线,大力开展水务科普工作,基于专业、科学的数据支撑,用普通百姓喜闻乐见的形式正面传播自来水的安全性、可靠性、公平性,提升老百姓对自来水安全的信任度、对自来水品质的认可度。

专报素材由以下专家提供:

顾玉亮上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司 教高

张东上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司 教高

周新宇上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司 教高

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