康心悅,劉建偉
北京建筑大學環境與能源工程學院
微生物氣溶膠是大氣氣溶膠的重要組成部分,通常是指空氣動力學直徑在100 μm以內且含有微生物或來源于生物性物質的氣溶膠,主要包括細菌、真菌、病毒、塵螨、花粉和細胞碎片等[1-3],其在公共衛生、大氣環境、生態環境、氣候變化、疾病檢測及環境與健康等方面均有重要影響[4-5]。微生物氣溶膠主要來源于土壤、植被、水體等面源和動物、人類、醫院、養殖場、垃圾填埋場、堆肥廠和污水廠等點源[6-7],傳播過程中沉積在物體表面上的微生物氣溶膠可以在外界環境(如刮風、降雨過程等)和人類活動(如車輛行駛等)的擾動作用下二次揚起,隨風傳播到很遠的距離[8]。此外,微生物氣溶膠中含有的某些活性物質可以導致人類過敏反應或流行疾病傳播[1]。整體而言,微生物氣溶膠具有來源多相性、種類多樣性、傳播三維性、沉積再生性、活力易變性、感染廣泛性以及影響因素綜合性等特點[9-12]。
城市污水處理廠在改善城市水環境方面發揮著重要作用,“十二五”至“十三五”期間,我國城鎮污水處理能力從2013年的1.48億m3/d升至2020年的2.68億m3/d[13]。城市污水處理廠匯集了來自于污水以及污水處理過程中產生的大量微生物,是微生物氣溶膠逸散的重要點源之一。污水或污泥中的微生物在能夠造成水面擾動和水滴噴濺的機械作用下逸散至空氣中,形成微生物氣溶膠。城市污水處理廠周圍空氣環境中除含有常見的細菌、真菌外,還可能含有某些致病微生物[14-15],其能夠通過呼吸和接觸等方式侵入機體[16]。Rylander等[17]報道了城市污水處理廠工作人員經常出現的諸如急性鼻炎、發燒,有時還伴有皮膚病、腹瀉和一些其他暫時性腸胃反應等癥狀的特殊疾病,稱為“污水工作者綜合征(sewage worker's syndrome)”,長期在污水處理環境工作還可能引起不可逆的呼吸系統疾病和慢性肺功能衰退[18]。隨著城市的不斷擴張,曾經地處遠郊的城市污水處理廠周邊地區逐漸發展為新城區[19],城市污水處理廠逸散至空氣中的微生物氣溶膠對周邊環境和人體健康的影響越來越受到人們的重視。
目前有關城市污水處理廠微生物氣溶膠逸散特性的研究已有一定的成果,但僅限于單一城市污水處理廠微生物氣溶膠的濃度及粒徑特性等,缺乏對現有城市污水處理廠微生物氣溶膠逸散特性及影響因素的總結?;谝陨锨闆r,筆者系統闡述了城市污水處理廠微生物氣溶膠逸散特性的研究進展,總結了城市污水處理廠微生物氣溶膠逸散的影響因素。
城市污水處理廠作為城市污水的匯集地,污水類型以生活污水為主,污水中不僅包含有機物、無機離子和懸浮固體等常規污染物,同時含有大量細菌、真菌和病毒等微生物,其中包括糞大腸桿菌(Fecal coliform)、艾柯病毒(Echoviruses)等致病微生物,盡管城市污水處理廠能夠去除污水中絕大多數的微生物(約99%指示細菌),但其向環境中排放的處理水中仍含有一定量的微生物[20-21]。城市污水處理廠多采用生物處理工藝,利用微生物的代謝作用降解污水中的污染物,因此,城市污水處理廠匯集了大量污水處理微生物。城市污水處理廠微生物氣溶膠的來源主要包括4個方面[10,14,22-24]:1)城市污水處理廠的本底空氣。微生物在空氣中無處不在,與其他大氣環境相似,城市污水處理廠的本底空氣中也廣泛存在著來自各種環境(如土壤、植物、人類活動)的包括細菌、真菌、病毒在內的微生物[10]。2)城市污水處理廠進水及處理后的排放水。城市污水自身含有大量微生物,污水處理以及水流流動過程均可使污水中的微生物逸散到空氣中[22]。此外,雖然經處理后的排放水中微生物濃度大幅降低,某些微生物去除率可達99%,但排放水中含有的少量微生物仍可造成微生物的逸散。3)城市污水處理廠的污泥。污泥中含有大量污染物降解微生物,為保證污水的處理效果,在處理設施中(尤其是生化池)污泥需要在機械攪拌等外力作用下與污水充分混合,該過程不可避免地會對含有高微生物濃度的泥水混合物的水面造成劇烈擾動,導致污泥中的微生物向大氣擴散[14,23]。4)其他。城市污水處理廠的工作人員也是污水處理環境中微生物氣溶膠的來源之一[24]。
在污水處理過程中,曝氣充氧和機械攪拌過程不可避免地會產生大量氣泡,氣泡在浮力作用下漂浮至水面,帶動污水中的大量無機物、有機物和微生物一同向上運動,并富集在污水表面幾mm厚的水層中[25]。氣泡膜在重力作用下逐漸變薄直至破裂,氣泡破裂后周圍的液體立即充滿剩余的氣泡腔形成液體射流,液體射流從氣泡腔中心上升后變得不穩定,很快分裂成大小不一的液滴噴濺在污水表面15 cm左右的高度[25]。進入大氣的液滴以很快的速度蒸發導致粒徑大幅減小,其中,粒徑較大的液滴落回水面濺起直徑為50~100 μm的小液滴,造成污水表面液滴的二次噴濺,粒徑1~100 μm的小液滴不再落回水面,從而脫離液相進入大氣。富集了大量微生物和污染物的表層污水在氣泡破裂過程被分餾,通過液滴的霧化作用實現微生物從液相到氣相的轉移,形成微生物氣溶膠[26]。噴濺出的液滴中的微生物濃度取決于液滴尺寸、質量等因素,通常是污水中的10~1 000倍[25]。微生物在污水處理設施中高度富集,任何一種能夠造成水面噴濺或氣泡破裂的機械設備都會導致微生物氣溶膠的產生,氣泡在液體表面破裂和噴濺已被公認為是一種重要的海洋水體中的氣溶膠產生機制[27]。此外,污水在各處理設施間流動過程中由于流速過大或流向改變而造成的水面液滴噴濺也會產生微生物氣溶膠。
城市污水處理廠格柵間、沉砂池、生化池、污泥濃縮池和污泥脫水間等處理設施都會產生一定濃度的微生物氣溶膠。格柵間安裝的格柵機在運行時,傳動鏈不斷擾動水面導致污水中大量微生物逸散到空氣中;沉砂池一般在側壁安裝曝氣裝置,空氣的注入及旋流的結構設計對水面及水體內部造成擾動,促進污水中微生物的氣溶膠化;曝氣池的曝氣機在充氧過程中產生大量氣泡,氣泡破裂和噴濺過程形成大量微生物氣溶膠;污泥脫水車間的壓濾機等運轉過程產生的擠壓作用使得液滴和附著在污泥表面的微生物團聚體(細菌、病原體和無機顆粒)逐漸變小直至逸散到空氣中形成微生物氣溶膠[25,28]。研究表明,涉及機械推流和曝氣攪拌的處理設施包括格柵間、沉砂池、曝氣池和污泥脫水車間是微生物氣溶膠的主要來源[28-31]。城市污水廠室內外處理設施的環境條件明顯不同,室內處理設施通風性較差,沒有外界空氣的稀釋和陽光輻射作用,溫濕度較為穩定,易于微生物氣溶膠的積累和生存。因此,格柵間和污泥脫水車間等室內處理設施逸散的微生物氣溶膠濃度普遍高于曝氣池等室外設施。不同處理設施微生物氣溶膠的逸散濃度如表1所示。

表1 不同處理設施微生物氣溶膠的逸散濃度Table 1 Emission concentrations of microbial aerosols in different treatment facilitiesCFU/m3
濃度差是引起室外污水處理設施中微生物氣溶膠擴散的主要因素[15],微生物氣溶膠的濃度分布存在水平和垂直梯度,距離逸散源的高度越高或者水平距離越遠則濃度越低。Wang等[32]在曝氣池水面處檢測到的細菌和腸道細菌氣溶膠濃度分別為238和22 CFU/m3,在水面上1.5 m處二者的濃度則分別減少了66.71%和64.10%。Millner等[36]模擬了穩定的環境條件下煙曲霉氣溶膠的擴散過程,發現距離逸散源的下風向100 m處,煙曲霉氣溶膠濃度為1.2×104CFU/m3,而下風向1 000 m處,其濃度降至990 CFU/m3,Taha等[37]也得到相似結論。由于污水和污泥是微生物氣溶膠的重要來源,污水和污泥中的細菌含量較真菌高出約2~4個數量級[38],這是導致各處理設施逸散的細菌氣溶膠濃度高于真菌氣溶膠的重要原因之一。
微生物氣溶膠對人體健康的影響不僅與濃度特性有關,而且與粒徑特征密切相關[30]。粒徑為1.1~4.7 μm的微生物氣溶膠可通過呼吸作用進入人體氣管和支氣管,而粒徑為0.65~1.1 μm的微生物氣溶膠可被吸入人體肺泡,極易造成呼吸道感染[18]。
污水處理過程產生的微生物通常附著在懸浮于大氣中的固體顆粒上,與其他污染源相比,城市污水處理廠逸散的微生物氣溶膠粒徑相對較大[16]。整體而言,城市污水處理廠逸散的大多數微生物氣溶膠的粒徑≤4.7 μm[28],其中,細菌氣溶膠的粒徑主要分布在2.1~4.7 μm,真菌氣溶膠的粒徑主要分布在1.1~3.3 μm[16,28]。一般真菌孢子或菌絲的粒徑大于細菌的粒徑,但在大氣中真菌因其疏水性多以單孢子、聚合體或碎片的形式存在[39-40],而細菌多呈團狀或附著在污泥顆粒上[41]。因此,城市污水處理廠大多數真菌氣溶膠的粒徑小于細菌氣溶膠。不同污水處理設施處各級微生物氣溶膠的分布存在差異,Li等[28]的研究結果顯示,格柵間25.8%的細菌氣溶膠粒徑分布在0.65~1.10 μm,大于7 μm的真菌氣溶膠占比最高;沉砂池35.0%的細菌氣溶膠粒徑分布在2.1~3.3 μm,真菌氣溶膠主要分布在1.1~3.3 μm;而曝氣池和污泥脫水車間細菌氣溶膠各級粒徑分布較均勻,真菌氣溶膠主要分布在2.1~3.3 μm。Han等[16]研究發現,曝氣池細菌氣溶膠的粒徑主要分布在 4.7~7 μm,真菌氣溶膠的粒徑大于 7 μm,下風向細菌氣溶膠粒徑分布較均勻,真菌氣溶膠主要分布在 3.3~4.7 μm。
微生物氣溶膠在大氣中的平均停留時間從10 min到幾周不等,大粒徑的微生物氣溶膠停留時間較短,小粒徑的微生物氣溶膠停留時間長,如真菌孢子在大氣中的停留時間大約為30 min,而小粒徑的氣溶膠顆粒停留時間則能夠達到60h以上[42],如病毒和內毒素可以隨風傳播至100~1 000 m甚至更遠的距離[43]。在擴散過程中,由于活性降低和重力沉降作用,微生物氣溶膠濃度隨擴散時間的延長逐漸降低,其中大粒徑氣溶膠的濃度減少率較大,小粒徑氣溶膠的濃度減少率較小[28,33]。此外,任何外界擾動作用都能使已經沉降的微生物氣溶膠再次揚起,對城市空氣質量和人體健康產生威脅。
種群結構是表征城市污水處理廠微生物氣溶膠的又一重要指標,研究微生物氣溶膠的種群結構對于全面理解大氣中微生物的潛在致病性及其對人體健康的影響具有重要意義。在門水平上,城市污水處理廠細菌氣溶膠主要分布在變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、厚壁菌門(Firmicutes)和放線菌門(Actinobacteria),約占細菌氣溶膠群落組成的60%~80%。真菌氣溶膠的優勢菌門為子囊菌門(Ascomycota)和擔子菌門(Basidiomycota)[44]。在屬水平上,不同污水處理廠以及同一污水處理廠不同處理設施處微生物氣溶膠的種群結構均存在一定差異,其中假單胞菌屬(Pseudomonas)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、腸桿菌屬(Enterobacter)、氣單胞菌屬(Aeromonas)、不動桿菌屬(Acinetobacter)、擬桿菌屬(Bacteroides)和弓形桿菌屬(Arcobacter)為細菌氣溶膠共有的優勢菌屬;真菌氣溶膠的優勢菌屬為曲霉菌屬(Aspergillus)、青霉菌屬(Penicillium)、犁頭霉菌屬(Absidia)、放射毛霉菌屬(Actinomucor)和鏈格孢菌屬(Alternaria)。相關研究結果表明,Enterobacter、克雷伯菌屬(Klebsiella)、沙雷氏菌屬(Serratia)和泛菌屬(Pantoea)是一級處理設施和生化池細菌氣溶膠的優勢菌屬,Arcobacter、Acinetobacter、諾卡氏菌屬(Nocardiodies)和動膠桿菌屬(Zoogloea)是污泥脫水車間的優勢菌屬,下風向處檢測到大量Serratia和Pantoea[7,14,25,45-46]。
城市污水處理廠微生物氣溶膠的來源包括上風向本底空氣、進水、處理出水、污泥及其他來源。Yang等[23]研究得出,細格柵間逸散的微生物氣溶膠45.16%來自上風向本底空氣,32.33%來自該處的污水或污泥;氧化溝處微生物氣溶膠中45.56%來自上風向本底空氣,38.27%來自污水或污泥;污泥脫水車間處15.38%的微生物氣溶膠來自上風向本底空氣,72.15%來自脫水污泥。城市污水處理廠進水和本底空氣中微生物的種群結構不同、各處理設施處不同來源對微生物氣溶膠的貢獻存在差異、各類菌屬從液相或固相逸散到氣相的能力及其對不同環境的適應性不同以及污水處理過程微生物受運行和環境條件影響形成具有針對性的菌群結構等因素,共同導致城市污水處理廠處理設施間及廠間微生物氣溶膠的種群結構的差異。城市污水處理廠不同采樣點微生物氣溶膠中的常見菌屬見表2。
各污水處理設施處微生物氣溶膠中均包含某些潛在致病菌菌屬,其中 Acinetobacter、Enterobacter、Arcobacter、Pseudomonas和Escherichia coli是城市污水處理廠微生物氣溶膠中常見的潛在致病菌菌屬。Yang等[14]在格柵間、沉砂池和污泥脫水車間的氣溶膠中檢測到 Acinetobacter、Chryseobacterium和Micrococcus等潛在致病菌菌屬,在生化池附近檢測到Bacillus和Mycobacterium等潛在致病菌菌屬。Xu等[15]研究得出格柵間和污泥脫水車間的微生物氣溶膠中分別含有10.67%和6.83%的潛在致病菌菌屬。各種潛在致病菌可以通過呼吸、吞咽以及皮膚接觸等途徑進入人體,引起呼吸道、腸道及皮膚疾病,特別是真菌釋放的毒素還可能引發癌癥(表3),對人體健康存在較大威脅。

表3 常見病原微生物的危害Table 3 Hazards of common pathogenic microorganisms
不同類型的污水處理工藝在工藝流程、運行參數和設施結構等方面均不同,比如生物膜工藝中的微生物一般附著在填料上,世代時間較活性污泥法長,微生物相更為豐富、穩定,而活性污泥工藝中污水與污泥為接觸混合狀態,微生物多樣性相對較低。受運行條件和環境因素的影響,不同污水處理工藝中的優勢菌屬、微生物生長階段和微生物活性均不相同,從而導致不同處理工藝逸散的微生物氣溶膠濃度(表4)、粒徑和種群結構存在差異。

表4 不同處理工藝微生物氣溶膠的逸散水平Table 4 Emission concentrations of microbial aerosols in different processesCFU/m3
在相似的環境條件和處理水量的活性污泥法中,氧化溝處逸散的微生物氣溶膠濃度高于A/A/O工藝的曝氣池處(表5)。Han等[45]研究了生化處理段采用A/A/O、氧化溝和SBR工藝的9座污水處理廠對應的污泥脫水車間細菌氣溶膠的逸散特性,得出在同一地區氧化溝工藝對應的污泥脫水車間產生的細菌氣溶膠濃度高于A/A/O和SBR工藝,而A/A/O工藝對應的污泥脫水車間產生的微生物氣溶膠中細菌多樣性高于氧化溝和SBR工藝。

表5 不同活性污泥工藝微生物氣溶膠的逸散水平Table 5 Emission levels of microbial aerosols in different activated sludge processesCFU/m3
作為活性污泥處理工藝的重要組成部分,曝氣系統不可避免地會導致污水表面液滴噴濺,促進污水和污泥中的微生物向大氣中轉移[48]。相關研究表明,曝氣轉刷關閉時微生物氣溶膠的濃度比運行時減少超過50%,微生物多樣性顯著降低[49],高強度曝氣的好氧池處微生物氣溶膠的濃度顯著高于缺氧池和厭氧池。水面氣泡破裂噴濺的液滴在一定程度上決定了微生物氣溶膠的分布特性,液滴中微生物的濃度隨氣泡尺寸的增加而增加,并受液滴密度、形狀和質量等因素的影響。曝氣系統一般分為機械曝氣系統和鼓風曝氣系統,其中,機械曝氣系統為表面曝氣,鼓風曝氣系統為水下曝氣,運行特點的不同導致機械曝氣系統產生的微生物氣溶膠濃度高于鼓風曝氣系統,而鼓風曝氣系統產生的可吸入微生物氣溶膠(粒徑<4.7 μm)比例較高[50]。Sánchez-Monedero等[31]研究發現,轉刷曝氣系統產生的微生物氣溶膠濃度最高,其次為表面渦輪曝氣系統,微孔曝氣系統產生的微生物氣溶膠濃度最小,與背景值相差不大。
曝氣速率能夠影響水面噴濺的液滴粒徑,噴濺的液滴尺寸隨曝氣速率的增加而減小[51],進而影響微生物氣溶膠的逸散特性。Wang等[52]通過實驗室模擬污水處理廠的曝氣池,發現當曝氣速率從0.3 m3/h增加到1.2 m3/h時,細菌氣溶膠的濃度從(715±69)CFU/m3增至(1 597±135)CFU/m3;粒徑大于 4.7 μm的微生物氣溶膠濃度由35.21%增至48.5%;此外,隨曝氣速率的增加,細菌氣溶膠的香農多樣性指數從1.67增至2.08,微生物多樣性增加。
污水中的污染物是微生物的營養來源,而污水是微生物氣溶膠的重要來源,因此,當污水水質發生變化時,泥水混合液中微生物的濃度和種類可隨污染物的變化而發生動態變化,進而影響微生物氣溶膠的逸散特性,微生物氣溶膠的濃度隨污水中微生物濃度的增加而增加[53]。研究發現,進水為食品工業廢水的污水處理廠逸散的微生物氣溶膠濃度高于城市生活污水處理廠[54]。Yang等[14]通過典型對應分析得出污水中的總氮、氨氮、固體懸浮物、Na+和Cl-對細菌氣溶膠中不動桿菌屬、莫拉氏菌屬和弓形桿菌屬等的生存有積極作用,總磷、總有機碳、化學需氧量和NO3-對細菌氣溶膠中藍細菌、假單胞菌屬和芽孢桿菌等的生存存在消極作用。由于污水水質受不同地區生活方式、工業化程度、地理位置和氣候因素的影響,城市污水處理廠微生物氣溶膠的優勢菌屬還存在地區差異[45]。
除微生物外,污水中含有的某些化學物質能隨氣化的液滴一同逸散到大氣中,與大氣中的微生物共存,如 Cl-、Na+、NH4+、SO42-和 Ca2+等無機鹽離子和有機物[35,55]。懸浮在空氣中的顆粒物作為微生物附著的介質,有機物和各種無機鹽離子為微生物的生命活動提供營養物質,空氣中的小液滴為微生物的生存和生長提供了良好的微環境,使得微生物可以在空氣中長期存活。Wang等[32]研究發現Na+、NH4+和SO42-與空氣中微生物的多樣性呈正相關,Cl-則與微生物多樣性和數量呈負相關,該現象可能與氯化物具有的消毒作用有關[56]。
溫度是影響微生物氣溶膠存活、沉積和水平擴散的重要因素[57]。其一方面可以促進或抑制微生物的釋放和生長,另一方面影響環境中的其他參數進而影響微生物的懸浮和擴散過程[58]。研究發現真菌孢子適宜在高溫條件下生存,溫度較低會影響真菌孢子的生長發育過程[10,58]。Aarnink等[59]通過研究細菌的衰亡確認溫度對Escherichia coli、Mycoplasma synoviae和Enterococcus mundtii存在影響。相對濕度能夠影響大氣中微生物的生存,不同的微生物有不同的適宜濕度,革蘭氏陽性菌適宜在相對濕度較高的條件下生存,革蘭氏陰性菌適宜在相對濕度較低的條件下生存[60]。
太陽輻射對微生物氣溶膠的影響較為復雜,紫外線隨太陽輻射的增強對大氣中的微生物有明顯的滅殺作用,與大氣中的微生物濃度呈負相關[61],但同時紫外線能夠激發某些真菌孢子的釋放,促進大氣中真菌的生長和繁殖[62]。
風速和風向能夠影響微生物氣溶膠的傳輸擴散過程。高風速能夠促進微生物氣溶膠從污水處理設施處逸散,有利于微生物的懸浮,從而形成高濃度的微生物氣溶膠。然而,高風速具有較強的大氣稀釋效應,帶來外源微生物的同時會降低環境微生物水平[63-65],而風向則決定了微生物氣溶膠擴散的方向。
季節變化是影響微生物氣溶膠逸散特性的重要因素,不同季節具有不同的溫濕度、大氣壓以及太陽輻射特點,城市污水處理廠微生物氣溶膠的逸散特性隨季節變化表現出明顯的差異性。Han等[16]研究不同季節某A/A/O工藝污水處理廠微生物氣溶膠逸散特性時得出夏季微生物氣溶膠濃度最高、冬季濃度最低的結論。Zhong等[64]研究青島大氣中微生物活性隨季節變化特性時得出夏季微生物氣溶膠活性最高、春季最低的結論。
污水處理設施的敞開與封閉會影響微生物氣溶膠的擴散作用,將露天的污水處理設施改為封閉狀態可以阻止微生物氣溶膠從處理設施擴散到外部環境空氣中,有效降低環境空氣中微生物氣溶膠的濃度。Fernando等[66]發現敞開的沉砂池外部空氣中微生物氣溶膠的濃度是封閉時的28倍。污水流動過程保持液面穩定流動、減少液滴噴濺能顯著降低周圍空氣中微生物氣溶膠的濃度。
(1)城市污水處理廠微生物氣溶膠的來源包括城市污水處理廠的本底空氣、進水與處理后的排放水、污泥及其他。氣泡破裂和水面液滴噴濺造成的液滴霧化是微生物氣溶膠的主要產生機制。
(2)城市污水處理廠是造成微生物氣溶膠污染的重要點源之一,涉及機械推流和曝氣攪拌的處理設施是微生物氣溶膠的主要來源,微生物的最高排放量通常發生在格柵間、曝氣池和污泥脫水車間,大多數微生物氣溶膠的粒徑分布在可吸入范圍內(<4.7 μm)。
(3)由于進水和污水廠本底空氣中微生物的種群結構不同、各類來源對微生物氣溶膠的貢獻不同、各類菌屬從液相或固相逸散到氣相的能力及其對不同環境的適應性不同,城市污水處理廠不同處理設施處微生物氣溶膠的種群結構存在差異,Acinetobacter、Enterobacter、Arcobacter、Pseudomonas和Escherichia coli是城市污水處理廠微生物氣溶膠中常見的潛在致病菌菌屬。
(4)城市污水處理廠微生物氣溶膠的分布特性受到污水處理工藝類型、曝氣類型及速率、進水水質、溫度和相對濕度、風速和風向、太陽輻射以及季節等多種因素的影響。
(5)城市污水處理廠微生物氣溶膠的研究有待進一步深入:1)應加大采集的樣本量,研究不同地域和操作條件下微生物氣溶膠的分布特性;2)微生物氣溶膠中除活細胞外,某些失去活性的死細胞依然能夠引起人體免疫系統和呼吸系統疾病,應采用合適的方法研究污水處理廠微生物氣溶膠中活細胞、死細胞和內毒素等的分布,為微生物氣溶膠的暴露風險評估提供依據;3)仍需進一步完善城市污水處理廠潛在致病微生物氣溶膠的風險評估方法及體系。