引用本文：刘枫，陈江峰，董滨，等. 污水处理厂典型肠道病毒的迁移规律与传播风险分析［J］. 给水排水，2025，51（11）：41-48.
本文思维导图，由AI辅助生成
01 材料与方法 1.1 污水处理厂样品采集 本研究选取了国内安徽省某污水处理厂开展相关采样研究，该厂采用氧化沟工艺，进水来源为城镇生活污水，处理规模为8万m³/d，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A标准。本研究采样点包括：进水水样、厌氧池混合物、氧化沟混合物、二沉池出水、紫外出水和剩余污泥。
上午7:00~9:00是城镇居民如厕的主要时间，根据城市管网汇入污水处理厂的时间估算，本研究的采样时间定为上午9:30~10:30。液体样本采用定时采样法，使用水下取样器取液面下1 m的样品，自9:30开始每隔20 min从每个单元选取2个点采样混匀，最后将三次采样的样本混合，样品的最终体积为1500 mL。固体样本采用多点采样法，选取五处采样点进行采样，每次采样约150 g，样本混匀后总重量约750 g。样品采集完毕后，前往污水处理厂内实验室进行浓缩富集前处理。
1.2 典型肠道病毒的富集及检测 1.2.1 污水或污泥样品中典型肠道病毒的浓缩富集 本文采用膜吸附-洗脱法对污水和污泥样品中的典型肠道病毒进行浓缩富集。污水样品采用的滤膜为0.22 μm的硝酸纤维酯膜；污泥样品先用3%已灭菌牛肉膏溶液将病毒洗脱后，采用0.45 μm的混合纤维素膜浓缩。浓缩后的混合液置于-80℃冰箱中保存。
1.2.2 典型肠道病毒的检测方法 本研究采用探针实时荧光PCR法对样品中的典型肠道病毒进行定量检测，诺如病毒、腺病毒和轮状病毒的基因序列均从GenBank中获取，利用Primer5.0和Primer Exp V3.0对引物探针组合进行设计，具体信息如表1所示，随后利用浓缩的病毒DNA/RNA反转录合成cDNA，并加入引物及荧光探针进行PCR扩增，最后利用实时荧光定量PCR仪进行定量检测。
表1 病毒基因编号与引物序列
1.3 典型肠道病毒的风险分析方法 1.3.1 不同途径下污水厂典型肠道病毒的暴露评估 （1）污水厂工作人员的病毒暴露量分析。污水处理厂工作人员在厂内摄入病毒的主要方式可分为以下三种：液滴飞溅摄入、手口接触摄入和呼吸摄入，在前期针对污泥中病原体去除的研究中，已对每种方式的病毒摄入量进行分析，具体计算方式及参数可参考前期研究成果，在本文中就不再赘述。
（2）污水厂出水回用的病毒暴露量分析。我国自20世纪50年代开始城市污水的再生利用的研究，已于等多地建立污水再生回用基地。本研究通过统计相关文献资料，列出了污水厂出水在不同途径回用的暴露频次与剂量，具体如表2所示。
表2 不同途径下回用水的暴露频次与剂量
1.3.2 典型肠道病毒的定量风险评估 （1）病毒感染率和患病率计算。在前期研究中，参考各类病原体致病实例的统计分析，已利用QMRA分析计算了腺病毒及诺如病毒的感染-患病概率模型，因此在本文中仅对轮状病毒的感染及患病率计算方法进行表述。
在本研究中，轮状病毒的日感染率Pinf采用Beta-Poisson模型进行分析，如式（1）所示：
其中α和β为病毒的感染概率常数，针对轮状病毒，分别取0.253 1和6.17；D为计算得到的病毒摄入总量。
由于人体的免疫机能对病原体有一定的杀灭效果，在感染肠道病毒后可能并不会患病。本研究采用流行病学数据来定量描述感染病毒后的人体患病概率，为0.576 9。
年度感染风险可由式（2）计算得到：
式中 Pill/y——年感染概率； n——年均暴露频次。
（2）病毒风险表征。本研究采用由世界卫生组织WHO与哈佛学院共同提出的伤残调整损失寿命年（DALY）计算方法，对病原体所造成的疾病负担进行定量计算，具体计算如式（3）所示：
式中 Pill/y——疾病的年患病率； S——易感人群； DBPC——不同疾病造成的疾病负担。
各项参数的数值如表3所示。
表3 不同病原体的易感人群比例与疾病负担
02 结果与分析 2.1 典型肠道病毒在污水处理系统中的迁移规律 2.1.1 腺病毒的迁移聚集及灭活效果 本研究对污水厂的各处理单元，包括进水泵房、厌氧池、生化池、二沉池、出水泵房的腺病毒开展了为期半年的定量监测，其迁移规律和在污水处理厂各处理单元的浓度及灭活对数分别如图1，污水厂处理工艺对腺病毒去除效率为89.78%，4.41%的腺病毒并未得到有效灭活随出水排出，而剩下5.81%的病毒则浓缩富集于剩余污泥中。进水中有超过10%的腺病毒并未被去除，污水厂处理工艺对其消杀能力不佳，在出水以及剩余污泥后续的处理处置过程中都存在一定的健康隐患。
图1 腺病毒在污水厂各单元的检出浓度及灭活效果
腺病毒在进水中的检出率为83.3%，浓度在4.5×104~7.1×104 copies/L之间，平均值为5.6×104 copies/L。经过生化池处理后，其对数灭活率为0.77 lg，其主要机理与生化池中的微生物有关，相关研究表明病毒的存活能力会随环境中微生物数量的增加而减弱，细菌或微小真菌能够攻击和灭活具有感染性的病毒颗粒。部分细菌可以产生低分子物质以病毒衣壳蛋白作为底物生长繁殖，从而导致病毒消亡。在经过二沉池泥水分离后，38%的腺病毒赋存于污泥中随剩余污泥排出，62%的腺病毒随二沉池进入后续消毒工艺，该污水厂采用的是次氯酸钠与紫外联用的消毒方式，对二沉池出水中腺病毒的对数灭活率仅为0.38 lg，即40.9%。去除效果较差。据研究表明腺病毒对紫外线和消毒剂具有较强的耐受能力，其机理可分为两种：一是腺病毒进入水中后会被棘阿米巴属变形虫（Acanthamoeba）吸附，腺病毒虽不能在其体内繁殖但能保持感染活性，并减少各类消毒措施对腺病毒的杀灭效果；二是腺病毒的遗传物质为双链DNA结构，在水中的稳定性要高于RNA病毒。
传统污水处理工艺及消毒方法对腺病毒的去除效果较差，出水和剩余污泥中仍赋存较高浓度的腺病毒，需要对其进行深度消毒处理。
2.1.2 诺如病毒的迁移聚集及灭活效果 本研究中污水处理厂对诺如病毒的平均灭活率约为89.31%，约2.53%未灭活的诺如病毒随着出水流出，而近8.16%的病毒赋存于剩余污泥中。与腺病毒相比，污水处理工艺对水相中诺如病毒的去除效果更好，但出水中的诺如病毒含量仍处于较高水平，且在剩余污泥中赋存的诺如病毒比例高于腺病毒。
诺如病毒在污水处理厂全环节的检测结果与灭活对数如图2所示，诺如病毒在进水中的检出率为50.0%，浓度在4.4×104~8.5×104 copies/L之间，均值为6.1×104 copies/L。生化池对可去除0.76个数量级的诺如病毒，剩余未去除的诺如病毒在进入二沉池经过泥水分离后，44.3%在剩余污泥中富集并排出，剩下55.7%的诺如病毒随二沉池出水进入后续消毒工艺，其中74%的诺如病毒在次氯酸钠及紫外的作用下被去除。
图2 诺如病毒在污水厂各单元的检出浓度及灭活效果
紫外的消毒机理主要是通过改变病毒和微生物的DNA或RNA、诱发蛋白质变性（蛋白质分子吸收紫外光后氢键会产生解离发生变性）等方式对病毒的基因组造成损害，完成对病毒的灭活。诺如病毒为单链RNA结构病毒，较腺病毒而言，紫外处理对诺如病毒的灭活效果更好。但由于诺如病毒在进水中的浓度较高，因此出水中仍含有较高浓度的诺如病毒。此外，由于污泥对病毒的保护作用，诺如病毒在剩余污泥中大量存在，浓度约为3.8×105 copies/g干基。
经过传统污水处理工艺及消毒方法处理后，污水处理厂出水和剩余污泥中仍含有较高浓度的诺如病毒，需进一步对其进行消毒处理。
2.1.3 轮状病毒的迁移聚集及灭活效果 轮状病毒在进水中的含量在2.8×103~1.8×104 copies/L之间，均值为9.4×103 copies/L，与本文研究的其他两种肠道病毒相比，轮状病毒在进水中的浓度低了约一个数量级，并且在全环节检测中只有进水、厌氧池及氧化沟检出了轮状病毒，而在二沉池出水及剩余污泥中均未检出轮状病毒，结果如图3所示。
图3 轮状病毒在污水厂各单元的检出浓度
2.2 典型肠道病毒的定量风险评估分析 2.2.1 污水厂工作人员健康风险评价分析 （1）年患病概率。按前文描述的微生物定量风险评价方法，计算了污水厂工作人员在污水处理厂各处理环节的年患病概率（Piil/y），结果如图4所示。显而易见，氧化沟为污水处理厂中风险最高的处理单元，在此处理单元中污水厂工作人员对腺病毒、诺如病毒、轮状病毒三种病原体的年患病概率均高于USEPA制定的相关标准（Piil/y<10-4），分别为2.85×10-3、3.89×10-2和2.77×10-1。风险单元按其风险大小分别为：氧化沟>污泥泵房>进水单元>厌氧池，工作人员在这些单元进行日常工作时，三种病毒的年患病概率均存在超标的情况，而在二沉池及出水两个单元中，三种病毒引起的年患病概率均符合标准。在患病概率较高的几个单元中，诺如病毒相较于另外两种病毒的整体患病概率更高，但患病概率并不是评估健康风险的唯一方法，不同病原体在患病后因其致病机理不同，会对人体造成不同的寿命损失，因此需要在患病概率的基础上，依据世界卫生组织制定的DALY计算方法对其健康安全进行进一步评估。
图4 污水厂工作人员在污水处理厂各处理单元的年患病概率
（2）疾病负担。污水处理厂各环节中不同病原体对工作人员造成的疾病负担（DALY）如图5所示。从图中结果可以看出氧化沟仍为污水处理厂中疾病负担最高的处理单元，此单元中腺病毒、诺如病毒、轮状病毒对工作人员造成的疾病负担分别为1.67×10-4、1.03×10-4和1.78×10-4，均远超WHO制定的相关标准［年疾病负担限值为小于10-6 DALY/（人·年）］。其余风险单元与前文基本相同，风险大小为：污泥泵房>进水单元>厌氧池，但与患病概率的计算结果不同，腺病毒造成的疾病负担超过了诺如病毒，在三种病毒中对人体造成的健康损失最高。此外，厌氧池中腺病毒的年患病概率计算结果符合USEPA制定的相关标准，但是造成的疾病负担却高于WHO的相关标准，因此患病概率并非唯一评价标准，需要通过疾病负担等对其进行综合计算考量。
图5 污水处理厂工作人员在污水厂各处理单元的疾病负担
综上所述，对污水处理厂工作人员而言，污水处理厂中进水、厌氧池、氧化沟、脱水车间等水处理单元均存在相应健康风险。为确保职业人员工作的健康安全，污水厂须制定相关安全生产措施，如在氧化沟等健康风险较高的单元作业时，必需佩戴口罩与手套，并在工作结束后使用医用消毒液对衣物及皮肤进行消杀等。
2.2.2 污水处理厂出水回用的风险评价分析 在本研究中，污水处理厂出水中并未检出轮状病毒，因此本章节主要以诺如病毒和腺病毒来计算分析污水处理厂出水回用过程中的健康风险。
（1）年患病概率。在污水处理厂出水不同的回用途径下，腺病毒导致的年患病概率（Piil/y）如表4所示。当污水处理厂出水以城市绿化、道路清洁、景观用水、农田灌溉四种方式回用时，腺病毒导致的相关工作人员的年患病概率均值分别为1.12×10-1、1.2×10-1、9.26×10-2和4.81×10-1，均远高于USEPA制定的相关标准；当出水以冲洗厕所的方式回用时，年患病概率满足USEPA的要求。
表4 不同回用途径下诺如病毒与腺病毒导致的年患病概率和疾病负担
诺如病毒病毒年患病概率的结果与腺病毒类似，污水厂出水以城市绿化、道路清洁、景观用水、农田灌溉四种方式回用时，相关工作人员的年患病概率均远高于USEPA制定的相关标准。
综上所述，污水厂出水中的腺病毒和诺如病毒，在多数回用途径下对暴露人群造成的年患病率均超过了USEPA的限值。
（2）疾病负担。污水厂出水各回用途径下病原体的疾病负担（DALY）如表4所示。对相关工作人员而言，腺病毒在不同的回用途下造成的疾病负担大小依次为：农田灌溉>道路清洁>城市绿化>景观用水>冲洗厕所，除冲洗厕所外其余四种回用途径下腺病毒对职业人员造成的疾病负担均远高于WHO规定的限值，存在较大健康风险。不同回用途径下诺如病毒造成的疾病负担的整体变化规律与腺病毒相似，但风险相对较小。
综上所示，不论采取何种标准，当出水的回用途径为城市绿化和道路清洁时，腺病毒和诺如病毒对职业人员均造成了较高的健康风险。
（3）不同回用途径下的病原体灭活需求分析。污水处理厂出水中的腺病毒和诺如病毒在不同回用途径下都会对相关暴露人群造成一定的健康风险，且相关工作人员受到的健康损失普遍较高，因此为保证出水回用的安全，须将回用水中的病毒进一步的消毒灭活。
回用水的消毒技术目前国内研究使用较多的有反渗透、膜过滤、臭氧消毒等，污水厂出水在回用前应确认不同回用途径下的病原体健康风险，对风险较高回用途径使用上述方法对目标病原微生物进行灭活，在满足灭活需求后，才可保障其回用过程中暴露人群的健康安全。
03 结论 （1）本文基于实际污水处理厂的生物处理工艺，研究了腺病毒、轮状病毒和诺如病毒三种典型肠道病毒在污水处理厂各个处理环节中的迁移规律，结果表明传统的污水处理厂工艺对腺病毒和诺如病毒的去除效果分别为1.36 lg和1.61 lg，其中紫外工艺与氯消毒剂对两者的去除效果不佳，其对腺病毒和诺如病毒的去除效果仅为0.38 lg和0.63 lg，病毒在出水与剩余污泥中检出浓度仍处于较高水平，而轮状病毒在进水中的检出浓度低，经生化单元处理后可完全去除。
（2）本文开展了对污水处理厂工作人员以及回用水暴露人群的健康风险评价，建立了病原体摄入量与患病率计算方法，计算结果表明，污水处理厂生化处理单元为为最重要的风险单元，污水处理厂工作人员在进行日常工作时应做好相关防护工作，确保污水处理厂安全生产。此外，污水处理厂出水用于城市绿化、道路冲洗、景观用水及农田灌溉四种回用途径时对暴露人群均存在健康风险，须对其进行进一步灭活。
