基于水熱技術的糞便污水中病原微生物滅活試驗研究

張 喆，王一迪，玉散·吐拉甫，夏 洲，，張 超，沈 威，王 偉

（1.清華大學環境學院，北京 100084；2.四川深藍環?？萍加邢薰?，四川 成都 610041）

1 引言

新冠肺炎病毒（COVID-19） 疫情期間，特定醫療機構亟需醫療廢水、污水污泥和糞便等多點位協同的應急消毒滅菌技術與裝備。生態環境部制定的《新型冠狀病毒污染的醫療污水應急處理技術方案（試行）》要求嚴防污染擴散，強化消毒滅菌。新冠肺炎患者的糞便樣本中存在具有活性的病毒，且存活時間可能達數小時至數十天，因此，對特定醫療機構含病毒污水的消毒是防止疫情擴散的關鍵環節之一［1］。目前，對于含病毒污水的消毒主要以投加二氧化氯為主，在疫情期間為保證最大程度滅殺病原微生物，普遍過量投加，但是含氯消毒劑都具有一定的氧化性、腐蝕性及致敏性，過量或長期過度消毒會危害人體健康和生態環境。在大規模疫情暴發情況下大劑量大規模的氯消毒會嚴重影響市政污水處理系統。

《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案（試行第五版）》指出，新冠病毒具有熱敏感性，故水熱強化滅菌技術是適合應急條件下的含病毒污水處理技術。目前水熱技術廣泛應用于高含水有機固廢預處理領域，其原理主要是通過高溫高壓的環境破壞并分解處理對象中的有機物，該原理同樣適用于含病毒污水［2］。當含病毒污水被加熱至一定的溫度后，在相應飽和蒸氣壓的作用下，微生物細胞破碎，蛋白質失去生理活性，喪失了感染、致病及繁殖能力，使污水中的病原菌被徹底消殺，有效地阻斷了病毒的繁殖途徑。整個過程無需投加藥劑，不會造成后續城市污水處理廠管道/設備腐蝕、好氧微生物失活等問題，有利于疫后再生水廠的快速恢復使用。連續式水熱設備構造簡單，投資少、占地面積小、運行費用低、故障率低、自動化水平高，可應用于火神山、雷神山和小湯山等定點醫療結構的水處理系統，同時可建設移動式、撬裝式水熱裝備作為應急儲備物資，當疫情發生時，可以直接對接定點醫院和集中隔離點的水處理系統。

由于疫情期間的條件所限，本研究沒有獲得疫區現場的醫療廢水，試驗以模擬人糞便污水為研究對象，以大腸菌群和細菌作為指示微生物，研究不同溫度下水熱對樣品中微生物的殺滅特性，為水熱強化滅菌裝置的參數設計提供理論基礎。

2 材料與方法

2.1 水熱強化滅菌試驗

試驗原料為模擬人糞便污水和市政污泥。糞便污水采用250 g 人糞便稀釋300 倍代替，為了驗證可靠性，對模擬糞便污水的COD 和SS 進行了檢測，檢測結果如表1 所示。

表1 模擬糞便污水的理化性質

水熱強化試驗裝置及示意如圖1 所示，每組試驗分別取1 L 模擬糞便污水倒入3 個不銹鋼密閉反應釜中作為平行樣品，采用油浴加熱對不銹鋼密閉反應釜進行加熱，設定水熱溫度分別為120、140、160、180 ℃，根據之前的研究結果，將水熱的時間設定為30 min，待反應釜中溫度升高至指定溫度后開始計時［3-5］。將不銹鋼密閉反應釜移至冷水槽中強制降溫后取出樣品進行大腸菌群數和細菌總數檢測。上述過程中涉及的容器在試驗前均被醫用滅菌鍋滅菌，試驗環境盡可能保證無菌操作。

圖1 水熱強化滅菌試驗裝置及示意

2.2 復活試驗

分別取500 mL 經120、140 ℃條件下水熱后的模擬糞便污水樣品，將其放入人工氣候箱中，設定溫度25 ℃，濕度20%，在日光燈照射下培養24 h，完畢后取出樣品將其倒入容器中，檢測糞大腸桿菌數和細菌總數。

2.3 評測指標

大腸菌群數參照HJ 347.2—2018 水質 糞大腸菌群的測定多管發酵法檢測，細菌總數參照HJ 1000—2018 水質 細菌總數的測定 平皿計數法檢測，滅活率公式如下：

式中：η 表示滅活率，為無量綱數；A 和B 分別表示水熱試驗前后樣品中的糞大腸菌數或細菌總數，m 表示溫度參數，i=1 或2，其中1 表示糞大腸桿菌數，2 表示細菌總數。

3 結果與討論

3.1 模擬糞便污水水熱強化滅菌試驗

以模擬糞便污水作為水熱對象時，不同溫度下的滅菌效果如表2 所示。糞便污水原樣中，糞大腸菌數和細菌總數分別為≥2.4×104MPN/L 和4.0×105CFU/mL，在設定的4 種溫度（120、140、160、180 ℃） 條件下水熱30 min 后，糞便污水中的糞大腸桿菌數和細菌總數均降低到分析方法的檢測限以下，糞大腸菌數和細菌總數的滅活率達到100%，實現了完全滅活，這充分說明將水熱強化滅菌技術應用到糞便污水中是可行的。

表2 模擬糞便污水水熱強化滅菌效果

3.2 復活試驗

復活試驗選用了水熱條件較為溫和的120、140 ℃水熱后的模擬糞便污水樣品，在人工氣候箱中培養24 h 后，檢測結果如表3 所示。

表3 模擬生活污水水熱后復活試驗

通過表3 可以發現，2 種樣品經24 h 培養后，糞大腸菌數和細菌總數未發生明顯變化，培養前后糞大腸菌數和細菌總數均低于檢測下限，這說明水熱后糞便污水中的微生物完全喪失了繁殖再生能力。

4 結論

從2003 年暴發的非典型肺炎到2020 年暴發的COVID-19 疫情，僅間隔了17 a。從2 次疫情中可以發現，面對突發情況，我國醫療機構對于應急狀態下的消毒工藝尚顯不足，因此，國家對建設醫院應急系統的工作勢在必行。水熱強化滅菌技術在120～180 ℃條件下對樣品中的微生物可以實現完全滅活，滅菌后樣品幾乎不再具備復活和繁殖能力，且水熱強化滅菌后的污水可直排市政污水管道。連續式水熱強化滅菌設備可以作為定點醫療機構的水處理應急設備，在疫情暴發的應急狀態下，撬裝式連續式水熱強化滅菌設備可直接對接普通醫院及方艙醫院，為醫療廢水和糞便消毒滅菌。