城鎮污水處理工藝去除病原微生物的研究進展

黃思偉，劉 成,*，李 榮，李鵬程

(1.河海大學環境學院，江蘇南京 210098；2.南京工業大學城市建設學院，江蘇南京 211816)

水是傳播疾病的重要媒介，近幾十年世界各地均暴發過大面積的水媒性傳染病，每年因水中病原微生物而引發的疾病能造成1.6萬～1 200萬人死亡[1]。城鎮污水主要包括生活污水、工業廢水以及徑流污水，有超過100種的致病微生物，如大腸桿菌、志賀氏菌、腸道病毒、輪狀病毒、隱孢子蟲、賈第鞭毛蟲等[1-2]。病原微生物具有個體小、繁殖快、存活能力強等特點，多數有較強的致病性和耐受性，處理不當則會帶來潛在危險，提高了水源性流行疾病暴發的風險。除此之外，污水中也存在大量的抗生素抗性細菌及抗性基因并難以有效去除，進入到水環境后則會導致抗性基因廣泛傳播轉移，影響自然微生態結構，對人體健康也有極大的威脅[3]。控制病原微生物是水質安全保障的首要問題，因此，對病原微生物控制方法的研究尤為重要。

污水處理廠是主要處理城鎮污水的設施，通常通過一級處理、二級處理以及消毒處理實現對污水水質中典型污染物去除的目的。國家對污水處理的標準也逐步提升，2015年國家出臺的《水污染防治計劃》對水環境質量和城鎮污水廠升級改造都提出了明確的要求；地方政府在“水十條”的基礎上，也頒布了更嚴格的地方排放標準[4]。目前，我國大部分城鎮污水處理廠執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級A排放標準，同時也有許多省市制定與《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中IV類和Ⅲ類指標相當的排放標準。面對日益嚴格的出水水質要求，深度處理工藝有利于強化污水中病原微生物的去除，目前常用的深度處理工藝主要有膜分離工藝、混凝沉淀過濾工藝、人工濕地工藝、活性砂濾池工藝、深床濾池工藝等，可以通過截留、吸附、過濾、化學氧化和生物競爭等作用實現病原微生物的去除[5-7]。本文在分析城鎮污水中病原微生物污染特性基礎上，總結城鎮污水處理工藝對病原微生物的控制效能及機理，并結合目前城鎮污水處理領域的發展趨勢，探討污水廠病原微生物的強化控制途徑及發展方向，以期為污水處理廠中病原微生物的控制提供參考。

1 城鎮污水中病原微生物的污染特點

污水中含有大量的病原微生物，主要包括病原菌、病毒和原生動物。病原微生物種類繁多，不同類型的病原微生物致病劑量不同，引起的健康危害也存在差異，因此，明確污水中病原微生物的種類、危害、致病劑量及濃度分布尤為重要。表1列出污水中較為典型的致病微生物的危害、致病劑量以及二級出水中濃度分布水平。

表1 污水中常見的病原微生物特征及濃度分布水平[8-15]

由表1可知，污水中病原微生物致病劑量各異但均能對人體造成危害，并在二級出水中仍有檢出。病原菌是污水中分布最廣、數量最多的病原微生物，常見的水源性病原菌有致病性大腸桿菌、志賀氏菌、沙門氏菌等。污水中含有大量的病原菌，其中，糞大腸菌群、沙門氏菌、志賀氏菌等典型病原菌在污水廠進水中的含量分別高達108～1010、107～108、107～108個/L[16-17]。致病菌種類繁多，分離、檢測以及定量均很復雜，因此，將以總大腸菌群、糞大腸菌群為代表的糞便指示菌濃度用于定量水中微生物風險評估[18]。糞便指示菌具有檢測方便、指示能力較好等優點，其中，大腸桿菌則被認為是反映水體糞便污染最合適的指標，目前已被廣泛用于評價水中微生物污染狀況[19]。

除病原菌之外，水中的病毒以及原生動物也對人體存在著極大的危險。病毒在污水中廣泛存在，目前已發現超過700種水媒性病毒，其中，僅腸道病毒在污水中就存在150余種，主要包括腸病毒、腺病毒、輪狀病毒、諾如病毒等，它們在污水廠進水中的含量分布在3.14×102～1.93×105copies/mL，能在水體中存活1個月以上并保留強感染性[17,20-21]。噬菌體被認為是人類腸道病毒的預測因子，其中，大腸桿菌噬菌體、噬菌體MS2以及噬菌體f2也憑借檢測方便、不對人類致病、與人類腸道病毒性質類似等特點被用作常見的病毒指標[22-24]。被合稱為“兩蟲”的隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲，則是主要的原生動物污染，美國、澳大利亞等國家以及歐盟都已將“兩蟲”納入水質安全控制的硬性指標[25]。未經處理的污水中含有大量的隱孢子蟲、賈第鞭毛蟲，含量分別達到60 000、100 000孢囊/L[26]?！皟上x”作為代表性的病原原生動物，在污水廠出水中的含量需要嚴格控制。

總體而言，污水中存在大量的病原微生物且經過二級處理后出水仍保持一定數量，較高的病原微生物負荷可能會影響消毒工藝對病原微生物的控制效果。為了控制污水廠出水的微生物風險且避免提高消毒劑投加量對排放水體產生負面影響，這需要消毒工藝前的各工藝將水中的病原微生物量控制到較低的程度以保障出水水質的安全，因此，強化污水廠中各單元對病原微生物的去除，對控制病原微生物有著重要作用。目前，關于污水處理工藝對病原微生物的控制研究較少，為了避免病原微生物帶來的安全隱患問題，亟需明確污水處理中各工藝控制病原微生物的控制效能及機理，這也對污水中病原微生物的控制及強化去除有著重要的指導意義。

2 城鎮污水處理工藝對病原微生物的控制效能及機理

2.1 污水中病原微生物的控制機理

病原微生物在污水環境中由于受到生物因素與非生物因素的影響難以順利進行繁殖，多數病原微生物在經歷饑餓、持續失活等過程后最終死亡。生物的相互作用會增強對病原微生物的控制，原生動物通常作為生物防治劑，通過捕食作用以減少水中的致病菌、病毒[27]。原生動物在生物反應器中也發揮著重要作用，已有研究表明由于原生動物的捕食作用，生物過濾器中已經觀察到原生動物對大腸桿菌的改善去除[28]。除此之外，病毒誘導細菌細胞裂解、產生細菌、釋放抗菌藥物再加上以蛭弧菌為代表的食細菌對病原菌攝食等生物因素，均可以增強對病原微生物的控制[7]。

病原微生物的生長也受溫度、pH、營養條件、太陽輻射等非生物因素的影響，不利的生存環境會導致病原微生物的衰減以及死亡。陳燕飛[29]得出在pH值=3的條件下，大腸桿菌與金黃色葡萄球菌出現大量死亡。李靜等[30]探究了溫度與pH對沙門氏菌生長的影響，試驗結果表明在pH值=5的條件下沙門氏菌的生長明顯受到抑制，在45 ℃時，其存活率為0。Domaizon等[31]表明病原菌的去除受水體的營養情況影響，在富營養水體與貧營養水體中衰減率分別為28%和70%，差異明顯。Ansa等[32]明確了太陽輻射是水生環境中大腸桿菌失活的主要因素，其對細菌的損害效果隨水體深度增加而降低。

在污水處理過程中，各工藝則更多通過氧化滅活和吸附截留這2種主要的控制機理去除病原微生物。氧化滅活是指氧化劑通過氧化作用破壞病原微生物的結構使其喪失感染能力，吸附截留是指通過過濾介質的物理或生物吸附作用以及直接截留作用，使病原微生物從污水中去除。不同工藝去除機理不同，因此，其對病原微生物的控制效能也存在差異。表2列舉幾種污水處理中常見工藝對各類病原微生物的控制效能，并在后續進行深入論述。

表2 城鎮污水主要處理工藝對病原微生物的控制效能及機理

2.2 一級處理工藝對病原微生物的控制效能

一級處理工藝作為污水處理廠中的預處理工藝，主要通過格柵、篩網的篩濾以及沉淀池的沉淀作用去除附有病原微生物的顆粒物，總體上控制效能十分有限。Fu等[39]經過長期監測發現經過格柵篩分以及沉砂池除砂處理后隱孢子蟲、賈第鞭毛蟲、體細胞噬菌體以及糞便大腸菌沒有明顯去除。Payment等[48]也得出了類似的結論，加拿大蒙特利爾某污水處理廠的一級處理工藝對糞大腸菌群、糞鏈球菌、大腸埃希氏桿菌、產氣莢膜梭菌的去除率分別為25%、29%、12%、51%，對水中腸道病毒則沒有去除效果。

2.3 活性污泥工藝對病原微生物的控制效能

活性污泥法是控制污水水質的主要工藝，活性污泥上聚集的細菌及原生動物可以分泌出具有黏著性的膠體物質，對病原微生物有著極強的吸附與黏接作用，從而使其從污水中去除。常見的活性污泥法有傳統活性污泥法(CAS)、序批式活性污泥法(SBR)、氧化溝活性污泥法、厭氧-缺氧-好氧法(AAO工藝)等。程艷艷等[33]證實了SBR工藝對水中的糞大腸菌群、病原性大腸桿菌、志賀氏菌以及沙門氏菌等病原菌有出色的控制效果，其中，糞大腸菌群數由1.36×108個/L大幅下降至2×104個/L，其余病原菌的去除率也均在98%以上。Barrios-Hernndez等[34]在荷蘭兩家污水處理廠研究發現CAS工藝對污水中的大腸桿菌、腸球菌以及F-特異性噬菌體均有很好的去除效果，去除率均大于95%。湯俊英[49]對AAO工藝、氧化溝工藝出水中總病原菌數進行檢測，去除率分別可達74.17%、98.38%，但出水中嗜水氣單胞菌、銅綠假單胞菌等病原菌的豐度仍較大?；钚晕勰喾梢杂行p少病原微生物，但這也導致污泥中富集大量的病原微生物，如果處置不當則會產生微生物風險問題，因此，對污泥的無害化處理十分重要。

2.4 生物膜工藝對病原微生物的控制效能

生物膜法包括生物濾池、生物轉盤、生物接觸氧化法等工藝，主要通過生物吸附、自然衰減以及截留作用實現病原微生物的去除。生物吸附是生物膜法主要的病原微生物控制機理，生物膜的厚度、粗糙度、膜齡、微生物群落均能影響對病原微生物的黏附性能，生物膜中的胞外聚合物(EPS)則會通過改變過濾介質的理化表面特性而改變病原微生物與介質表面之間的疏水性、靜電作用和范德華力[50-52]。Hill等[35]通過曝氣生物濾池對污水中的糞大腸菌群、大腸桿菌、沙門氏菌、腸球菌、體細胞巨噬細胞和雄性特異性噬菌體共6個微生物指標進行去除，去除率均保持在95%～99%。El-Senousy等[36]也進行了類似的研究，曝氣生物濾池對輪狀病毒、諾如病毒、腺病毒、糞大腸菌群以及總大腸菌群的去除率分別為84.2%～99.9%、90%～99.2%、80%～99.8%、96.7%～99.9%、96.4%～99.9%，去除效果良好但受季節變化而產生波動。Al-Wasify等[37]考察了移動床生物膜反應器對總大腸菌群和大腸桿菌的控制效果，去除率保持在99.5%以上且出水濃度均低于200個/L。生物膜法對病原微生物有著穩定的去除效果且與活性污泥法相比對水質水量有著更好的適應能力，但由于其容積負荷有限、空間效率較低等問題通常被限制應用于小型污水處理廠中。

2.5 深度處理工藝對病原微生物的控制效能

2.5.1 膜分離工藝

膜分離工藝是最有效的去除病原微生物的技術之一，包括微濾、超濾和納濾等，主要通過濾膜的機械篩分以及吸附截留作用將病原微生物截留在膜表面或內部[53]。Gmez等[38]對比了不同的膜分離工藝的去除效果，微濾工藝對污水中糞大腸菌群的去除率達到99.8%，超濾工藝則可以將出水中的糞大腸菌群數控制在100 CFU/L以下，滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級A排放標準。Fu等[39]通過試驗得出超濾工藝對病原微生物的去除率高于一級處理和二級處理的總去除率，糞大腸菌群的出水平均含量為4個/L，體細胞噬菌體、隱孢子蟲以及賈第鞭毛蟲的濃度低于檢測限。膜分離工藝可以有效降低水中的病原微生物水平，同時也具有較好的環境效益，但膜污染、處理成本高等問題阻礙其在實際中的應用。

2.5.2 混凝沉淀工藝

混凝沉淀工藝是一種成熟的污水深度處理工藝，在污水處理廠中的應用較為普遍?；炷恋砉に嚳梢酝ㄟ^網捕-卷掃、吸附架橋等作用使病原微生物與水中的懸浮物、膠體和可絮凝的其他物質凝聚成“絮團”后沉積去除，常見的混凝劑有FeCl3、FeSO4、聚合氯化鋁(PAC)等。蔣以元等[54]在混凝劑PAC投加量為15 mg/L的條件下，通過混凝沉淀過濾工藝分別將大腸桿菌、細菌總數從103～106、106～109個/L降至102～105、105～108個/L，去除率維持在90%左右。Arani等[40]選擇2.5 mg/L的硅藻土作為混凝劑，在pH值=7的條件下對金色葡萄球菌、大腸桿菌的去除率分別為59.3%～93.8%、36.9%～84.9%。相較于傳統的混凝工藝，殺菌型混凝工藝有著更強的去除病原微生物能力，在近些年得到廣泛研究。Zhang等[55]通過協同使用PAC和聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDMDAAC)這2種絮凝劑將對大腸桿菌的去除率提高到94%，這歸功于PAC的絮凝作用、其對膠體顆粒共沉淀作用以及PDMDAAC改變細胞膜的通透性的能力。Zhang等[56]還合成了具有殺菌基團和微嵌段結構的新型桿菌肽基絮凝劑B-g-PAMDAC，有著極好的絮凝能力和殺菌能力，其對大腸桿菌、銅綠假單胞菌、蠟狀芽孢桿菌、糞腸球菌的去除率均高于99.6%。殺菌型混凝劑通過快速吸附和緩慢殺滅病原微生物提高了對各種病原微生物的控制效果，同時也減少了消毒副產物和胞外毒素的產生，有著較好的研究前景。

2.5.3 人工濕地工藝

人工濕地工藝是一種利用植物、基質、生物組合而成的人工生態水處理技術，通過基質的過濾截留、吸附、沉淀以及生物競爭等作用去除水中的病原微生物，植物類型、基質類型及溫度等因素均會影響其控制效能[57-58]。熊瑛等[41]對比了不同尺度的人工濕地對糞大腸菌群的控制效能，出水濃度均保持在5 000個/L以下且去除效率隨著人工濕地的面積增大而增強。Rajan等[59]探究了不同濕地植物對大腸桿菌去除的影響，試驗結果表明僅種植寬葉香蒲的試驗組的去除率僅有80%，而種植寬葉香蒲、三棱藨草和莎草的混合試驗組出水中幾乎檢測不到大腸桿菌。Song等[42]研究發現人工濕地工藝可以將出水中大腸桿菌以及沙門氏菌的含量控制在3 000個/L以下，但去除效果受季節影響。大腸桿菌的去除效果在春季最高，秋季最低；沙門氏菌的去除效果略低于大腸桿菌，在夏季的去除率達到峰值。人工濕地是一種成本較低、抗沖擊負荷強的深度處理工藝，但占地面積大、易堵塞等缺點限制了其在污水深度處理中的應用。

2.5.4 深床濾池工藝

深床濾池工藝是指采用有效濾層高度≥1.5 m，以石英砂、無煙煤、顆?；钚蕴俊⑻烊环惺㈦x子交換樹脂等作為填料的深度處理工藝[60-61]。深床濾池通過直接截留、慣性、沉淀、分子擴散、靜電力作用等傳輸機制使污染物沉積在填料表面，被濾層過濾截留[62]。深床濾池在深度處理中可以實現去除懸浮物、有機污染物、氮、磷等指標，但其用于去除病原微生物的研究較少。Chan等[63]考察了成熟的深床砂濾池對病原菌的去除效果，在35 d中測得出水的異養菌平均值在(1.8±1.6)CFU/mL，僅有一次檢測到總大腸菌群以及大腸桿菌計數高于0，表現出良好的病原菌控制能力。Levine等[43]得出深床濾池的濾床深度可以影響賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲的去除效率，100 cm的砂層可以分別使賈第鞭毛蟲、隱孢子蟲去除68%、90%，并隨著深度增加去除率也相應增加，但這一特征與腸道病毒的去除沒有顯著的相關性。深床濾池是一種被忽視的病原微生物處理工藝，后續需對深床濾池控制病原微生物的效率、機理及影響因素進行進一步評估。

2.6 消毒工藝對病原微生物的控制效能

消毒工藝是污水廠控制病原微生物的主要方法，其中，紫外線消毒法是目前在水消毒方面公認的物理消毒技術，主要通過破壞病原微生物中的DNA或RNA而實現滅活。Francy等[44]通過試驗證實了紫外線消毒對病原微生物有極強的控制能力，大腸桿菌和體細胞噬菌體去除率均大于99.99%。Fang等[64]在紫外線強度為0.19 mW/cm2、接觸時間為45 s的條件下，對水中大腸桿菌及噬菌體MS2的去除率分別達99.9%和90%，噬菌體MS2與大腸桿菌相比表現出對紫外線更強的耐受性。

化學消毒技術是通過消毒劑改變病原微生物細胞膜的通透性，使小分子代謝物質溢出胞外，影響細胞傳遞活性和能量代謝以及干擾、破壞其酶系統，從而影響微生物的代謝而達到氧化滅活，具有代表性的技術有氯消毒、臭氧消毒等[65]。氯系消毒劑在污水廠的實際消毒處理中應用較為普遍，常見的氯系消毒劑有液氯、二氧化氯、次氯酸鈉、氯胺等?？仔憔甑萚45]明確得出次氯酸鈉可以有效滅活大腸桿菌且去除率隨投加量增加而增加，在投加量達到0.12 mg/L時，大腸桿菌的去除率穩定在4.5 lg左右。Amiri等[46]在pH值=6.0、接觸時間為40 min的條件下，使用氯胺去除大腸桿菌，去除率達到99.9%。臭氧消毒也是一種具有高效性與廣譜性的消毒技術，其對絕大多數病原微生物具有極好的滅活能力，在質量濃度為2 mg/L、作用時間為1 min的條件下，臭氧可以完全殺死大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色念珠菌、枯草桿菌黑色變種芽胞、黑曲霉以及原生動物卵囊等[66]。Moreno-Andrés等[67]以溶藻弧菌為靶標微生物研究了臭氧對其的滅活過程，去除率達到了99.99%。Shin等[68]對具有一定抵抗力的微生物鞭毛甲藻進行了臭氧消毒，可以實現完全滅活。

3 現階段存在的問題及尚需完善的內容

以大腸桿菌、大腸菌群為代表的糞便指示菌一直是反映水體微生物安全性的主要工具，然而這一概念存在著明顯的局限性。已有報道稱在水質符合大腸桿菌和大腸菌群標準的條件下，仍有隱孢子蟲等持久性病原微生物未被消除進入水環境，而引發水源性疾病的暴發，這說明病原微生物的控制存在著一些規定上的缺陷[69]。為了改善這一問題，荷蘭規定通過定量微生物風險評估對腸病毒、彎曲桿菌、隱孢子蟲以及賈第鞭毛蟲等指示病原體進行檢測[70]。而目前我國對污水處理的要求仍停留在總大腸菌群數、糞大腸菌群數，針對其他可能引起較大健康風險的病原菌、病毒、原生動物等病原微生物則尚未制定統一的控制標準[71]。病原微生物的特性不同，決定了不同病原微生物對不同工藝存在著不同的耐受能力，這也會造成去除效果的差異，大腸桿菌的含量無法完全反映水體微生物的污染水平，工藝的選擇也對病原微生物控制起到關鍵作用。因此，針對污水廠對病原微生物控制現階段存在的問題，需要通過以下幾個方面進行完善。

(1)完善污水病原微生物的評價體系。將大腸桿菌作為基礎評估對象，同時將水中各類病原微生物作為研究目標，對水中典型、有代表性的病原菌、病毒以及原生動物作為研究對象，探究各工藝對病原微生物的控制效能及作用機理，進行更全面的檢測評估以保障污水廠出水的微生物安全。建立更全面、更完善的污水病原微生物評價系統有利于更好地評估水體微生物污染程度，這亟需對我國污水排放標準中的微生物硬性指標進行進一步明確規定。

(2)針對性的工藝設計。不同病原微生物對不同工藝的耐受程度不同，因此，工藝的選擇對病原微生物的控制效能起到關鍵作用。以“兩蟲”為例，常規的消毒工藝對“兩蟲”的去除效果并不明顯，其中隱孢子蟲表現出對紫外消毒較強的耐受性，氯消毒則對隱孢子蟲幾乎沒有去除效果，而臭氧消毒和二氧化氯消毒則憑借對“兩蟲”的良好去除效果均可以作為控制污水中“兩蟲”的消毒工藝[72-74]。

(3)污水處理工藝的聯用。選用不同控制機理的工藝聯用可以更徹底地實現病原微生物的去除，這在已有的研究中已經得到了證實。Lee等[75]使用混凝-超濾聯用工藝去除污水中噬菌體MS2，平均去除率大于99.99%；鄒振生等[76]通過生物膜-超濾膜聯用工藝幾乎完全去除污水中細菌、病毒以及蟲卵，出水再經紫外消毒后可實現糞大腸菌群檢出為0。臭氧-氯消毒、紫外線-過氧化氫(UV-H2O2)消毒、紫外線-氯消毒等聯合消毒工藝具有強化去除抗氯性的病原微生物(耐氯菌、芽孢桿菌孢子、隱孢子蟲卵囊等)、減少消毒劑的使用量、提高持續消毒能力等優點，也可以進一步降低水中病原微生物指數[77-79]。污水處理工藝聯用可以很好提升病原微生物的去除效能，大幅降低污水廠出水中微生物風險。

4 結論

病原微生物作為污水中主要的污染指標之一，對人體存在著極大威脅，極易引發水媒性傳染病的暴發，因此，對污水中的病原微生物的控制十分重要。污水處理廠通過一級處理工藝、二級處理工藝、深度處理工藝以及消毒工藝對污水水質進行提升，病原微生物也在各個處理階段得到不同程度的去除。目前，我國對污水處理的要求僅對大腸菌群數、糞大腸菌群數進行了規定，各項研究結果表明在如今提標改造的大背景下，污水處理廠已經可以很好地去除水中大腸桿菌，而針對其他可能引起較大健康風險的病原菌、病毒、原生動物等病原微生物目前尚未制定統一的控制標準，因此，在后續對污水中病原微生物的研究則需要進行針對性考察。目前，國內關于污水廠處理工藝對病原微生物去除的針對性研究還相對匱乏，今后研究的重點應放在污水處理工藝對病原微生物的去除機理以及工藝的設計優化，以提高對病原微生物的控制效能。