基于城市水鏈條角度的新冠病毒防控關鍵節點分析

孫 勇

(上海市市政規劃設計研究院，上海 200031)

0 引言

2019年末新型冠狀病毒(SARS-COV-2)感染的肺炎(COVID-19)疫情爆發以來，近期已經傳播、蔓延至全球。公眾在積極做好個人衛生安全防護的同時，也對患者群體排泄物新冠病毒是否存在經水傳播風險，暨通過城市供排水管道循環路由發生病毒暴露風險等問題產生疑問[1]，引起極大社會關切。

當下時間，非常有必要從澄清基本概念入手，比如病毒體和活性病毒的概念、水中存在方式、經水存活可能性等。同時，結合我國城市供排水體制和建成現狀，疫情期間城市水系統采取的安全防控措施和成效，闡述城市水循環閉合鏈條組成、潛在暴露環節等內容。同時，通過疫情期間城市水系統安全、高效的綜合防控措施介紹，還公眾客觀、科學視聽。

1 新冠病毒經水存在方式

1.1 病毒生化特性

新冠病毒(SARS-COV-2)同2003年爆發的非典病毒(SARS-COV)、2012年爆發的中東呼吸綜合病毒(MERS-COV)一樣有包膜，均屬于冠狀病毒屬[2]。病毒直徑大小在60～140 nm間，小于水中常見細菌(直徑0.5～2.0 μm)，顆粒呈圓形或橢圓形，常為多形型。病毒外層為疏水性包膜(也稱囊膜、被膜)，包膜主要組分為兩性磷脂分子。內層為核衣殼蛋白(N蛋白)[3]，核衣殼蛋白為高度折疊的多肽結構，保護包裹著病毒的遺傳物質―正鏈單鏈核糖核酸(RNA)。病毒是專性寄生生存的微生物，對宿主的感染致毒具有專一性。

需要特殊說明的是,新冠病毒包膜連同表面結合的刺突蛋白(具備感染能力的抗原)被特殊溶劑(氯仿、醚等脂溶劑或液氯消毒劑)溶解碎裂后，失去感染能力的衣殼蛋白顆粒(內部包裹核糖核酸RNA)，或者衣殼蛋白發生溶解流出的RNA顆粒，這兩種有機物作為大分子膠體仍可獨立存于水中[4]，稱為帶有新冠病毒部分化學結構的病毒體。病毒體可包裹在水中糞便、污垢、黏土、紙張、微小氣泡中形成表面浮渣和懸浮顆粒物，其中也不排除夾帶有完整結構并具有感染致病性的新冠病毒，通過居民衛生潔具流入下水道。在小區或市政污水管網內如采集到上述污水，送至化驗室對所含濃縮分離提純，并采用《新型冠狀病毒肺炎診療方案(試行第七版)》推薦的逆轉錄―聚合酶鏈反應(RT-PCR)方法進行核酸檢測，如果試樣中病毒核酸化學成分沒有被損壞，核酸測試結果會出現陽性[5]。該測試手段只是反映污水試樣中新冠病毒RNA核酸存在與否，也不能反映病毒體RNA化學物質的數量，更不能反映是否存在感染致病活性病毒以及有效病毒載量，即不能判別所檢測出核酸是來自于有感染致病能力的“完整活性新冠病毒”還是來自于無感染致病能力的“化學成分病毒體”[6]。居民或城市污水收集管網中采集污水水樣進行核酸送檢測試，根據取樣位置、覆蓋面、點數、檢測結果并進行統計分析，可間接判斷評估該小區或該區域近期感染人群數量和爆發程度，這是一種流行病學評價手段[7]，并不能代表城市污水管網一定存在感染致病活性新冠病毒，也并不代表污水中一定存在足夠活性新冠病毒載量濃度并可通過接觸、氣溶膠傳播致人患病。

1.2 病毒經水存在方式

1.2.1 水中表現特點

新冠病毒的外層包膜，結構組成主要為磷脂分子層，磷脂是一種兩性分子，分子與分子之間沒有氫鍵作用，彼此結合稀松。這種疏松的兩性分子組合構成病毒疏水性半滲透外包膜，決定了它在不同水溶液離子強度(電導率或滲透率)、不同酸堿性、不同有機溶劑下的吸水溶脹、脫水干化、化學變性和溶解的程度。新冠病毒水中膠體顆粒構造見圖1。

新冠病毒包膜組成大部分為脂類，還有部分的蛋白類。包膜外表面親水基的定向排列程度、親水基分布密度、水溶液中離子強度(滲透壓)、pH值、溫度等條件影響病毒顆粒的親水程度[2]。脂類和蛋白質類有機物分子層面沒有電子極化，分子和分子之間無法形成像水分子那樣的氫鍵，總體上水對其表面產生排斥，屬于疏水性高分子有機膠體顆粒[8]。

通常來說，疏水性膠體顆粒體積小、比表面積大，與水、固體、氣體交界面有較高的界面能，具有熱力學不穩定性，容易吸附水中雜質，尤其是疏水雜質(黏土、油脂、氣泡等)來降低其顆粒界面能。膠體顆粒內層水分子吸附層較為穩定，病毒顆粒無論是分散膠體、黏土包裹懸浮顆粒、油脂包裹浮渣還是氣溶膠存在狀態，吸附層都與病毒顆粒一起構成較為穩定的、帶有一定極性的穩定結構。外層水分子附著流動層特殊的疏松排列的流動形態，使得病毒顆粒在水中或者空氣中形成光滑多面形，流動接觸性好，流動阻力低，便于其附著、包裹在不同形狀尺寸的雜質中[9]。

1.2.2 水中存在方式

病毒在清水中為高度分散、熱力學穩定的懸浮小顆粒膠體。清水中總溶解性固體TDS少、滲透壓低，對病毒膠體顆粒雙電層基本沒有壓縮，膠體物理形態較為穩定，呈分散獨立流動狀態。清水濁度低、透光性好，病毒顆粒自身熱力學穩定再加上缺少粘附附著物(濁度等雜質)保護。并且，新冠病毒生化特性不同于常見的無包膜介水傳播病毒，比如諾如病毒、甲肝病毒、腺病毒等，它的外包膜結構使新冠病毒耐受力脆弱。清水中的新冠病毒存在狀態為高度分散型有機物膠體，沒有雜質絮體對其進行干擾隔斷保護，極易受水溫、透光性、溶解氧、氧化還原電位、消毒劑等影響，發生包膜破裂從而失活。

病毒在污水中具有較高的穩定性，這是由于污水中的雜質條件給病毒提供了多種粘附保護。污水中病毒通常以高分散/高稀釋病毒體膠體顆粒、夾帶病毒沉淀底泥、夾帶病毒浮渣(夾氣)、夾帶病毒顆粒或碎片的微生物氣溶膠等幾種形式存在。

污水中的黏土顆粒、雜質、糞便、家用洗滌劑均為病毒顆粒提供了免受化學變性的保護。污水中含鹽量濃度高，滲透壓也高，病毒顆粒的雙電層收到極性無機鹽溶質的壓縮而變薄失穩，與下水道顆粒附著物之間容易粘附，從而形成帶病毒顆粒懸浮物和管道底泥，并且借此粘附保護也可延長病毒生存。如果咳痰、嘔吐物、大小便中存留有新冠病毒，通過洗滌劑洗滌、便池沖廁排出生活污水，在流經下水道歷程中病毒顆粒會形成多種多樣的存在方式。加入洗滌劑后，可將粘附在人體或物體表面的病毒體剝離洗除并帶入下水道。家用洗滌劑通常并不能溶解病毒包膜。污水中表面活性劑的存在可以提高病毒包覆顆粒表面水吸附層的韌性和強度，使得較大尺寸的包覆顆粒自由流動而不發生破碎，增加包裹其中的新冠病毒完整存在的機會。表面活性劑粘附病毒顆粒和黏土容易形成污水帶氣浮渣，浮渣在管道跌水部位水躍破碎后經空氣風場流動易形成帶水氣溶膠。氣溶膠擴散到大氣中蒸發后形成的小顆粒干燥帶病毒氣溶膠(<5 μm)。病毒干膠具有較大的空氣流動傳播性[12]。

污水管路中的新冠病毒通常被裹挾夾帶，以懸浮物顆粒、浮渣(夾氣)、氣溶膠等形式存在，污水中高分散/高稀釋病毒體膠體顆粒極少，但不排除在末端污水廠深度處理回用水中出現。城鎮污水系統中的病毒雜質在收集、提升、處理、回用、排放歷程中，尤其在污水處理環節，多以濃縮富集的過程處理產物，比如柵渣、沉砂、初沉污泥、活性污泥、池面微生物氣溶膠、構筑物加蓋除臭尾氣微生物氣溶膠、脫水污泥、脫水污泥顆粒氣溶膠等形式存在。污水系統新冠病毒典型存在方式見下圖2～4。

污水氣溶膠主要由于空氣流動而產生。管道內污水流動過程中，在發生跌落濺水(常發生在埋地排水管道變徑、變坡時的井位)、正壓或者負壓空氣夾帶水流(建筑排水立管負壓夾帶橫支管存水彎水流波動，污水透氣高位井氣壓波動造成水躍等情況)位置，污水表面帶有的病毒等微生物水滴會被氣體壓力剪切而發生空氣流動，擴散成為污水氣溶膠。污水泵站和污水廠內氣溶膠，主要來自于構筑物水面敞開暴露空間，水面上由于風場流動，擾動池面裹挾病毒的污泥或油脂浮渣破裂，空氣流動帶動裹挾病毒等微生物的液滴氣溶膠散發，形成微生物氣溶膠富集排放源。常見污水微生物氣溶膠粒徑分布范圍為0.01～100 μm，內部包裹的微生物主要為細菌、真菌和病毒以及生物分泌物、碎片，有致病也有非致病微生物。另外，污水廠的柵渣、污泥處理和堆放處也是產生污水氣溶膠的富集排放部位[13]。

2 新冠病毒城市水循環鏈條及潛在暴露風險種類

2.1 城市水循環鏈條組成

以不同城市排水體制為劃分依據，將城市水循環鏈條分為分流制排水系統代表鏈條和合流制排水系統代表鏈條兩大類[14]。這樣劃分的目的是以綜合生活污水(居民生活污水、醫院公建類污水)下水道歷程為主線，更好地體現污水中攜帶致病微生物的所有可能暴露路由和途徑，利于制定全面系統的精準防控措施，按“途”索驥。城市水循環大鏈條見圖5，其中城市排水分流制和合流制子鏈條構成見圖6～7。

2.2 潛在暴露風險種類

新冠病毒借助城市水循環鏈條發生的傳播風險具有2個顯著特征:一是垂直傳播，以污水排水子鏈條為例，從帶有病毒的生活污水開始，依次歷經小區室內排水管、小區總平排水管、市政排水管、中途提升泵站和污水廠，最后至收納水體，在線條各個關鍵暴露節點(見表1)傳播；二是發散傳播，在城市水循環鏈條中，無論是管道線性路由，還是關鍵暴露節點，都有可能發生由于局部暴露而帶來的面傳播風險，例如，管道通溝底泥、泵站柵渣和污水污泥運輸過程中，沿途可發生氣溶膠、污物濺落、滲濾液流入雨水進入河道等現象[15]。新冠病毒在水鏈條的傳播方式，最終在人感染風險這一環節，《新型冠狀病毒感染的肺炎公眾防護指南》介紹的三種方式為接觸傳播、飛沫傳播、氣溶膠傳播。只是在污染源分布復雜性這一塊，城市水循環由于循環流動，帶來的病毒污染物質流更復雜、更廣泛、更隱蔽[16]。

3 城市水循環鏈條防控關鍵節點及潛在傳播途徑

結合近年來開展的黑臭水體治理所配套的岸上截污納管、城市雨污混接改造、城市內澇和積水點改造、小區雨污混接改造、污水提質增效等具體實施工程，對城市水循環系統進行全面梳理，判別出關鍵環節和關鍵位置，為系統性防控措施制定鋪墊基礎。

表1 新冠病毒在城市水循環系統中關鍵環節、關鍵位置存在方式及潛在傳播途徑

續表

4 結語

對于水務系統領域，在疫情期間全面貫徹執行國家和地方制定的各項醫療廢水、城鎮污水、城鎮自來水監管條例，生產運行人員嚴格執行《生產人員暴露風險防范手冊》等個人衛生安全防護，按規章制度嚴把運行關。除此之外，更為重要的是“關口”前移，“早梳理、早判別、早防控”。在做好生產環節操作人員安全衛生防范，避免聚集性傳播同時，更應主動全面消除各種潛在傳播風險。對于城市水系統而言，關注重點就是“污水、污泥和微生物氣溶膠”。針對城市水循環鏈條新冠病毒傳播可能性和潛在傳播途徑，并結合我國目前水務系統建成現狀，從水循環閉環流動和開環輻射視角，判別風險環節和關鍵位置，為更加好地完善和健全城市水務多級防控屏障提供參考。

此次疫情爆發對全社會產生了巨大影響，疫情沖擊下也引發很多業態思考。疫情期間大規模應用的大數據、區塊鏈、智慧物聯網等數字技術，也推動水務行業一些新思考，比如水務系統全程在線儀表自動監測大數據融入城市綜合管理平臺、“智慧”水廠運行、結合流行病學調查對城市污水取樣分析判斷病毒傳播趨勢、水下機器人管道排查檢測和修復、高風險環節下遠程控制無人操作等方面。城市水循環鏈條好比1座城市，鏈條節點好比1座座收治醫院，水務員工這好比奮戰在抗疫一線的社區工作者。整個水系統鏈條中，對介水病毒如何做到“早發現、早識別、早預警、早防控”，既是對水務系統治理體系和治理能力的一次大考，也是對城市“水務一體化”全面深入建設的強大推動。