, 杨庆1,2
, 赵茹涵1,2, 董余凡1,2, 徐宗泽1,2, 彭永臻1,21. 北京工业大学环境与生命学部, 北京 100020;
2. 北京工业大学城镇污水深度处理与资源化利用技术国家工程实验室, 北京 100124
收稿日期: 2021-05-27; 修回日期: 2021-07-05; 录用日期: 2021-07-07
基金项目: 国家自然科学基金(No.51978008)
作者简介: 李沅津(1997-), 女, E-mail: lyjliz@163.com
通讯作者（责任作者）: 杨庆, E-mail: yangqing@bjut.edu.cn
摘要：监测了北京市某A2O工艺污水处理厂不同工艺段逸散出的微生物气溶胶的浓度和粒径分布情况，统计了各工艺段所有采集样本污染程度和可吸入颗粒占比，分析了影响各工艺段微生物气溶胶浓度和可吸入颗粒数变化的因素.同时，计算了各工艺段暴露风险值，判断微生物气溶胶对不同人群的危害性.结果表明，各工艺段微生物气溶胶均有不同程度的释放，浓度变化范围在107~37139 CFU·m-3之间，其中，生物池释放浓度最低，为107~624 CFU·m-3，一直处于清洁等级；板框脱水间释放浓度最高，为3329~37139 CFU·m-3，粉尘颗粒较多是造成板框脱水间微生物气溶胶浓度极高的重要原因.各工艺段可吸入颗粒(< 4.7 μm)占比为42.30%~93.36%，其中，污泥处理单元吸入风险较高，可吸入颗粒占比为83.52%~93.36%.板框脱水间细菌气溶胶对人体存在非致癌风险(HQ>1)，需引起重视.
关键词：城市污水微生物气溶胶逸散特征风险评价
Emission characteristics and exposure risk assessment of microbial aerosols from WWTP with A2O treatment process
LI Yuanjin1,2
, YANG Qing1,2, ZHAO Ruhan1,2, DONG Yufan1,2, XU Zongze1,2, PENG Yongzhen1,21. Faculty of Environment and Life, Beijing University of Technology, Beijing 100020;
2. National Engineering Laboratory for Advanced Municipal Wastewater Treatment and Reuse Technology, Beijing University of Technology, Beijing 100124
Received 27 May 2021; received in revised from 5 July 2021; accepted 7 July 2021
Abstract: The concentration and particle size distribution of microbial aerosol emitted from different process units of an A2O process wastewater treatment plant in Beijing were monitored. The pollution levels and the proportion of inhalable particles were evaluated statistically for all samples from each process to identify and analyze the factors affecting the microbial aerosol concentration and inhalable particles quantity. Based on the calculation of exposure risk value, the harmful effects of microbial aerosol on environment and different population were characterized. The results showed that the microbial aerosols were detected from all treatment stages with the concentration varied from 107 to 37139 CFU·m-3. The bioaerosols concentration near biological treatment process was the lowest level ranging from 107 to 624 CFU·m-3, ranking as clean level. Due to the large amount of dust around, the highest concentration range of 3329~37139 CFU·m-3 was detected from the process of plate and frame filter press dewatering.The inhalable particles (< 4.7 μm) of process units ranged from 42.30% to 93.36%. Meanwhile, the inhalable particles ranged from 83.52% to 93.36%, indicating a potential risk in sludge treatment unit. the dewatering process should require more attention for its non-carcinogenic risk to humans (HQ>1).
Keywords: municipal wastewatermicrobial aerosolemission characteristicsrisk assessment
1 引言(Introduction)近年来, 我国污水处理量逐年增高, 截止到2020年底, 我国污水日处理量高达1.92亿m3·d-1, 城市污水处理厂数量达到2679座, 因此, 从业人员的需求量也随之增多.研究发现, 城市污水处理厂空气中病原体平均有22.5%来源于污水(Yang et al., 2019).在处理过程中受到环境、机械运作和曝气充氧等条件的影响, 污水污泥中粒径较小的微生物极易逸散到空气中形成微生物气溶胶.国内外研究发现, 在污水处理各工艺段均有微生物气溶胶产生, 但受环境条件如温度、湿度、光照强度、风速的影响, 以及工艺选择如曝气方式、污泥脱水方式的不同, 产生的微生物气溶胶浓度及粒径大小存在明显差异(Brandi et al., 2000; Sánchez-Monedero et al., 2008; Li et al., 2013; Kowalski et al., 2017; Wang et al., 2019).微生物气溶胶成分复杂, 其中的致病菌及病毒会对人体健康造成危害.例如, 微生物气溶胶可以通过呼吸道、黏膜、皮肤接触等途径进入人体肺部和血液(郁庆福等, 1992; Lacey et al., 1988; 贺小萌, 2014; Hamilton et al., 2018; Yang et al., 2019).研究表明, 污水处理厂的工作人员患肠道疾病及呼吸道疾病的几率要高于其他职业, 长期在污水处理厂工作的人员易患水处理厂工人综合症(Sewage Worker′s Syndrome)的疾病(Melbostad et al., 1994;Tan et al., 2015).特别是在2020年全球爆发的新型冠状病毒肺炎疫情, 钟南山院士提出气溶胶传播是新型冠状病毒传播的潜在途径之一(Melbostad et al., 1994;Tan et al., 2015).因此, 对城市污水处理厂微生物气溶胶的隐患问题需要引起足够的重视.
基于此, 本研究对城市污水处理厂各工艺段的微生物气溶胶浓度及粒径进行监测, 探究城市污水处理厂微生物气溶胶释放特征, 并对各构筑物微生物气溶胶进行风险评价, 以期为城市污水处理厂微生物气溶胶研究提供理论数据, 并为减少微生物气溶胶对人体危害提供建议.
2 材料与方法(Materials and methods)选择北京市某污水处理厂作为研究对象, 该污水处理厂处理规模为1.8×105 m3·d-1, 生化处理工艺为AAO工艺.污水经过粗、细格栅和曝气沉砂池后进入生物池, 生物池出水进入沉淀池进行固液分离, 沉淀池出水进行深度处理达标后排放.剩余污泥经离心脱水后和外厂污泥混合进入热水解系统, 在板框脱水间压滤脱水后外运.本研究于2020年10月—2021年2月, 每月采样3次, 采样时间为上午9:00—12:00.监测期间, 室外气温从25.8 ℃降低至2.4 ℃, 室内气温从26.9 ℃降低至12.5 ℃；环境湿度变化范围为22.0%~55.0%；室内风速为0.24~1.10 m·s-1, 室外风速为2.00~6.40 m·s-1.
2.1 采样方法采样点设置在粗格栅间、曝气沉砂池、生物池、离心脱水间、板框脱水间.采用青岛聚创公司生产FA-1H型Anderson六级空气微生物采样器收集各采样点微生物气溶胶.该采样器为国际公认的标准微生物采样器, 由6个铝合金撞击圆盘组成, 每个圆盘上有400个孔, 孔径逐级缩小, 模拟人体呼吸道解剖学结构和空气动力学特征(Korzeniewska et al., 2009).该采样器各级采样特征如表 1所示.盘下放置培养皿, 可将空气微生物按粒径大小分级收集到半固态的营养琼脂表面上.经过培养计数、计算, 进而测定出空气微生物浓度与粒径分布百分比.
表 1(Table 1)
| 表 1 FA-1H型空气微生物采样器各级特征 Table 1 Characteristics of air microorganism sampler FA-1H | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 1 FA-1H型空气微生物采样器各级特征 Table 1 Characteristics of air microorganism sampler FA-1H
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采样高度设置为1.5 m, 符合人体呼吸带高度.采样流量为28.5 L·min-1, 采样时间为10 min.每个采样点采集细菌、真菌、放线菌气溶胶3个样本.
2.2 培养方法采样培养皿均采用9 cm的玻璃平皿, 使用前将所有玻璃平皿高压灭菌.在无菌条件下向平皿中加入25 mL的培养基, 使微生物气溶胶粒子到撞击到培养平面的距离为2~3 mm.冷却凝固后放入每级撞击器圆盘下进行采样.各类微生物所用培养基、培养条件如表 2所示.
表 2(Table 2)
| 表 2 各类微生物培养条件 Table 2 Culture conditions of various microorganisms | ||||||||||||||||
表 2 各类微生物培养条件 Table 2 Culture conditions of various microorganisms
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2.3 数据处理2.3.1 微生物气溶胶浓度培养结束后对各级培养皿进行菌落计数, 用式(1)校正得到校正后菌落数, 再利用式(2)计算各级微生物气溶胶浓度.
 | (1) |
 | (2) |
目前我国还未颁布限定污水处理厂微生物气溶胶排放的标准, 在我国的《室内空气质量标准》(GB/T 18883—2002)中只有细菌总数的标准值2500 CFU·m-3, 对真菌、病毒没有限值, 也没有提到微生物具体种类(宋璐等, 2020).国内研究中使用较多的是中国科学院生态环境研究中心制定的大气微生物评价标准, 该标准评价内容如表 3所示.本研究利用此标准, 对污水处理厂各采样点的微生物气溶胶平均浓度进行评价.
表 3(Table 3)
| 表 3 中国科学院生态环境研究中心推荐的微生物气溶胶排放评价标准 Table 3 Evaluation standard of microbial aerosol emission recommended by Research Center for Eco-Environment, Chinese Academy of Sciences | ||||||||||||||||||||||||||||||||
表 3 中国科学院生态环境研究中心推荐的微生物气溶胶排放评价标准 Table 3 Evaluation standard of microbial aerosol emission recommended by Research Center for Eco-Environment, Chinese Academy of Sciences
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利用浓度平均值评价能反映出污水处理厂对各构筑物微生物气溶胶污染的平均水平, 但考虑环境、操作运行等条件的改变而导致微生物气溶胶浓度发生明显增减的情况也应引起重视.因此, 统计各监测点每次微生物气溶胶污染水平结果, 进行分析讨论.
2.3.2 微生物气溶胶粒径分布各级微生物气溶胶粒径分布情况以各级菌落数占六级总菌落数百分比表示, 利用式(3)来计算.空气动力学直径小于4.7 μm的粒子被称为可吸入粒子(宋璐等, 2020), 可吸入粒子可进入人体气管, 粒径越小进入部位越深, 对人体造成的危害就越大(Guarnieri et al., 2014; 杨唐等, 2019).因此, 计算本研究中各采样点可吸入粒子的百分比, 评价其吸入的风险性.同时, 统计各监测点每次采样的可吸入颗粒占比情况, 分析同一采样点可吸入颗粒占比差异较大的原因.
 | (3) |
2.4 微生物气溶胶风险评估分析微生物气溶胶主要通过呼吸摄入和皮肤接触的方式被人体摄入.微生物气溶胶中存在着致病菌及病毒, 又极易传播, 不仅城市污水处理厂中的工作人员会受到微生物气溶胶的危害, 周围地区的居民也存在着健康风险.因此, 评价人体对城市污水处理厂产生的微生物气溶胶的暴露风险是十分必要的.
研究表明, 污水处理厂各处理工艺段产生的细菌气溶胶只有少数菌种具有致癌风险且浓度极低(杨凯雄等, 2018), 因此, 采用非致癌风险模型评估在呼吸摄入和皮肤接触两种暴露方式下, 污水处理厂各工艺段逸散的细菌气溶胶对成年男性、成年女性的健康风险.
利用式(4)和式(5)计算人体每日吸入及皮肤接触空气中细菌的平均暴露剂量率ADD吸入和ADD皮肤.利用式(6)计算不同暴露途径下非致癌风险商HQ.目前, 国内外研究均使用美国环境保护署(US EPA)于1997年颁布的《暴露因子手册》中的数据来进行计算, 但调查发现, 我国与美国人群特征上存在较大差异, 因此, 本研究选用我国环境保护部于2013年颁布的《中国人群暴露参数手册》中的暴露因子参数进行计算(侯捷等, 2014), 更符合我国国情, 提高了人体健康风险评估的准确性.各参数代表名称、单位、参考取值如表 4所示.
 | (4) |
 | (5) |
 | (6) |
| 表 4 暴露因子参数取值 Table 4 Exposure factor parameter values | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 4 暴露因子参数取值 Table 4 Exposure factor parameter values
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3 结果与讨论(Results and discussion)3.1 微生物气溶胶浓度逸散特征分别对各采样点的细菌气溶胶、真菌气溶胶、放线菌气溶胶进行采集培养计数, 同时计算各处理单元微生物气溶胶浓度的平均值, 结果见图 1.数据表明, 该污水处理厂微生物气溶胶浓度为378~20234 CFU·m-3, 板框脱水间、离心脱水间浓度较高, 生物池浓度最低, 这与孙强(2019)的研究结果相似.该污水处理厂各处理单元逸散出的细菌气溶胶平均浓度最高, 为195~13656 CFU·m-3, 远高于杨凯雄等(2018)检测的细菌气溶胶浓度(82~1525 CFU·m-3).各构筑物真菌气溶胶释放量较低, 为35~2939 CFU·m-3.板框脱水间和离心脱水间放线菌气溶胶浓度相对于其他采样点较高.
图 1(Fig. 1)
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| 图 1 构筑物微生物气溶胶浓度释放情况 Fig. 1Release of microbial aerosol concentration of different structures |
影响污水处理厂各处理单元微生物气溶胶逸散的因素有很多, 不仅包括污水处理工艺运行条件、原污水中微生物浓度, 还会受到环境温度、湿度、紫外线、风速等自然因素的影响.谢佳敏等(2020)研究认为, 高风速对微生物气溶胶有扩散稀释作用, 使微生物气溶胶浓度降低.污泥处理单元处于相对封闭的环境内, 扩散传输作用较差, 污泥在沉淀、离心脱水过程中逸散出大量的微生物进入到封闭环境中, 而得不到扩散稀释, 从而造成高浓度的微生物气溶胶聚集.在曝气沉沙池和生物池中, 被搅动的污水中的微生物很容易从液相转移至气相, 逸出水面进入大气中.当气温升高时, 分子扩散作用加剧, 增加了微生物由液相扩散到气相的机率(程荣等, 2020).但曝气沉砂池位于室外较为开阔的环境中, 微生物气溶胶受空气流动影响被扩散稀释.该污水处理厂的生物池做了加盖封闭处理, 并配有除臭设施, 因此, 在生物池采集到的微生物气溶胶浓度远低于文献中(高敏等, 2010; 杨凯雄等, 2018; 孙强, 2019)生物池的浓度范围.
根据中国科学院生态环境研究中心制定的大气微生物评价标准, 结合图 1各处理单元微生物气溶胶浓度的测定平均值, 可以发现生物池一直属于清洁等级.从总微生物气溶胶方面看, 板框脱水间属于中度污染等级, 离心脱水间处于轻度污染等级, 格栅间、曝气沉砂池处于较清洁等级.从细菌气溶胶方面看, 板框脱水间属于中度污染, 离心脱水间处于微污染等级, 格栅间、曝气沉砂池均处于较清洁等级.从真菌气溶胶角度看, 格栅间和离心脱水间属于轻度污染等级, 曝气沉砂池属于微污染等级板, 框脱水间属于较清洁等级.由于目前国内外没有放线菌气溶胶浓度限值供参考, 未能对其作出污染评价.
将每次采样获得的细菌、真菌、总微生物气溶胶浓度进行污染等级评价, 统计发现与平均测定值所得污染等级有所差异.各构筑物各类微生物气溶胶污染等级概率情况如图 2所示.板框脱水间的细菌气溶胶及总微生物气溶胶平均浓度被评价为中度污染, 但采样过程中细菌气溶胶浓度分别存在33%的频率为较清洁和重度污染, 总微生物气溶胶浓度存在50%的频率为重度污染.有研究表明, 微生物气溶胶活性与空气细颗粒物浓度呈正相关(Cao et al., 2014; 樊晓燕等, 2018; Yang et al., 2019; Wang et al., 2020).严重的大气物理化学污染(如粉尘污染)为微生物提供了载体, 导致微生物污染程度加剧(史军致, 2010).在板框脱水间改造施工期间, 室内堆积并使用的建筑耗材成分多为含元素碳和有机碳的氧化钙、碳酸钙等, 施工致使粉尘扬起, 空气颗粒物浓度极高.微生物可以附着在细小颗粒物表面, 摄取营养物质进行自身代谢可长时间存活在环境中, 导致监测期间微生物气溶胶处于中度污染或重度污染水平.
图 2(Fig. 2)
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| 图 2 各构筑物细菌气溶胶、真菌气溶胶、总微生物气溶胶污染等级概率分布 Fig. 2Probability distribution of bacterial aerosol, fungal aerosol and total microbial aerosol pollution levels of each structure |
3.2 微生物气溶胶粒径分布特征图 3为污水处理厂不同处理单元各类微生物气溶胶的粒径频率分布.由图 3a可知, 格栅间、曝气沉砂池、生物池、板框脱水间、离心脱水间细菌气溶胶粒径峰值分别分布在2.1~3.3、3.3~4.7、3.3~4.7、0.65~1.1和2.1~3.3 μm之间.由图 3b可知, 格栅间、曝气沉砂池、生物池、板框脱水间、离心脱水间真菌气溶胶粒径峰值分别分布在3.3~4.7、2.1~3.3、3.3~4.7、1.1~2.1和2.1~3.3 μm之间. 由图 3c可知, 各处理单元放线菌气溶胶粒径分布情况存在较大差异, 格栅间、曝气沉砂池、生物池分别集中分布在3.3~4.7、2.1~3.3和4.7~7.0 μm之间, 离心脱水间和板框脱水间放线菌气溶胶粒径峰值均在1.1~2.1 μm之间.由图 3d可知, 格栅间、曝气沉砂池和板框脱水间总微生物气溶胶粒径峰值主要分布在2.1~3.3 μm之间, 生物池、污泥脱水间分别集中分布在3.3~4.7 μm和1.1~2.1 μm之间.这与刘建伟等(2015)的研究结果相似.高敏等(2010)发现, 采用AAO工艺的污水处理厂好氧池处细菌气溶胶的粒径分布以4.7~7.0 μm的粒径所占比例最大, 真菌气溶胶粒径主要集中在2.1~7.0 μm范围内.细菌主要吸附在灰尘粒子表面, 而真菌和放线菌主要以孢子形式存在于大气中, 因此, 细菌气溶胶粒径分布峰值要高于真菌和放线菌气溶胶(方治国等, 2010).
图 3(Fig. 3)
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| 图 3 不同构筑物微生物气溶胶粒径分布情况 (a.细菌, b.真菌, c.放线菌, d.总微生物) Fig. 3Microbial aerosol particle size distribution of different structures (a.Bacteria, b.Fungi, c.Actinomycetes, d.Total microorganisms) |
该污水处理厂各处理单元的可吸入颗粒(< 4.7 μm)占比普遍较高, 平均可吸入百分比为42.3%~93.36%, 因此, 在场工作人员应做好防护, 减少微生物颗粒的吸入.总体来说, 污泥处理单元的可吸入风险较高.将每次采样获得的细菌、真菌、放线菌、总微生物气溶胶可吸入颗粒占比情况进行汇总统计, 概率分布如图 4所示.由图可知, 同一类微生物气溶胶在采样过程中可吸入颗粒占比存在较大差异.例如, 板框脱水间细菌气溶胶可吸入颗粒占比>90%的概率为66.67%, 有33.33%的概率占比为50%~60%.单次采样板框脱水间总微生物可吸入颗粒占比>90%的概率为100%.生物池放线菌气溶胶可吸入颗粒占比最小, 有33.33%的概率占比为40%~50%, 66.67%的概率占比为50%~60%.环境条件可能是造成粒径分布差异的重要因素, 具体包括温度、相对湿度、空气流动、光照强度等(程荣等, 2020).胡庆轩等(1993)研究发现, 日光辐射对细菌气溶胶粒径分布有影响, < 8.2 μm的细菌粒子与日光辐射成反比, >8.2 μm的细菌粒子与日光辐射成正比.
图 4(Fig. 4)
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| 图 4 各构筑物细菌气溶胶、真菌气溶胶、放线菌气溶胶、总微生物气溶胶可吸入颗粒物百分比概率分布 Fig. 4Percentage probability distribution of bacterial aerosol, fungal aerosol, actinomycete aerosol and total microbial aerosol respirable particulate matter of each structure |
3.3 微生物气溶胶风险评价在各采样点处, 人体对细菌气溶胶的暴露风险如表 5所示.由表可知, 人体通过呼吸吸入细菌气溶胶的暴露风险系数远高于皮肤接触的暴露风险系数, 因此, 呼吸吸入是城市污水处理厂微生物气溶胶进入人体的主要方式.从不同暴露人群来看, 成年男性的暴露风险要略高于成年女性.格栅间、曝气沉砂池、生物池、离心脱水间的HQ均小于1, 说明细菌气溶胶对人体的非致癌风险小, 可以忽略.而所有人群在板框脱水间的HQ均大于1, 说明此处细菌气溶胶对人体存在非致癌风险, 需引起重视.污水处理厂工作人员在板框脱水间工作时, 可带防护面具减少微生物气溶胶的吸入风险.
表 5(Table 5)
| 表 5 不同构筑物微生物气溶胶暴露风险 Table 5 Microbial aerosol exposure risk of different structures | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 5 不同构筑物微生物气溶胶暴露风险 Table 5 Microbial aerosol exposure risk of different structures
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4 结论(Conclusions)1) 在城市污水处理厂格栅间、曝气沉砂池、生物池、离心脱水间和板框脱水间均检出细菌气溶胶(56~26975 CFU·m-3)、真菌细菌气溶胶(35~2939 CFU·m-3)和放线菌气溶胶(11~9389 CFU·m-3).从总微生物气溶胶方面看, 释放最多的为板框脱水间, 最少的为生物池, 且离心脱水间、板框脱水间微生物气溶胶的平均浓度属于污染等级.
2) 该污水处理厂各处理单元的可吸入颗粒(< 4.7 μm)占比普遍较高, 为42.3%~93.36%, 各类微生物气溶胶在离心脱水间可吸入占比最高, 为83.52%~93.36%, 因此, 工作人员应带好防护面罩, 减少吸入风险.
3) 同一构筑物受环境条件(温度、湿度、空气流动、光照强度、大气悬浮颗粒数等)变化的影响, 产生的微生物气溶胶在浓度和粒径分布上也存在差异.粉尘颗粒较多是造成板框脱水间浓度极高的原因.
4) 人体通过呼吸吸入微生物气溶胶的风险值比皮肤接触的风险值高达3~5个数量级, 因此, 呼吸吸入是微生物气溶胶进入人体的主要方式.格栅间、曝气沉砂池、生物池、离心脱水间的HQ均小于1, 说明细菌气溶胶对人体的非致癌风险小, 可以忽略.而所有人群在板框脱水间的HQ均大于1, 说明此处细菌气溶胶对人体存在非致癌风险, 需引起重视.
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