01  微生物氣溶膠的產(chǎn)生及分布

1.1 微生物氣溶膠中的病毒

污水處理廠的待處理廢水中不可避免地攜帶著細菌、真菌和病毒等微生物。針對污水處理廠微生物氣溶膠的研究大多集中于細菌、真菌及放線菌領(lǐng)域，其中關(guān)于病毒的研究較少。實際上，污水處理廠操作人員的部分疾病，如胃腸道疾病，大概率是與感染空氣中散布的病毒有關(guān)。

表1中展示了部分國家或地區(qū)在原廢水或二級廢水中檢測出的病毒濃度。雖然各個國家或地區(qū)的廢水中檢出的病毒濃度不一，但不論是原廢水還是二級廢水，均能檢測到病毒的存在。Katrine Uhrbrand等人在污水處理廠不同處理單元的水樣中均檢測到諾如病毒和腺病毒，其中沉砂池水樣中的諾如病毒達到了1.79×103 copies/ml。病毒不但存在于待處理廢水中，還能夠存活于氣溶膠化的液滴中，并保持一定的傳染性。對醫(yī)院廢水進行處理的污水處理廠中，待處理廢水病毒含量可能更高，但先進的處理工藝會大大減小病毒氣溶膠的產(chǎn)生。K. Uhrbrand等人對一所采用膜生物反應(yīng)器（MBR）工藝的醫(yī)院廢水處理設(shè)施進行評估時發(fā)現(xiàn)，廢氣存在較低濃度的諾如病毒。

污水處理廠中病毒氣溶膠的濃度高低，與當?shù)氐慕?jīng)濟狀況、衛(wèi)生條件等相關(guān)，并且可以間接反映出此地區(qū)的病毒感染狀況，具有十分重要的研究意義。近年來，國內(nèi)外研究關(guān)于污水處理廠的病毒氣溶膠主要為腺病毒、輪狀病毒、諾如病毒等。

表1 部分國家原廢水及二級出水中檢出的病毒濃度

1.2 微生物氣溶膠的產(chǎn)生

污水處理廠氣溶膠中的微生物，部分來源于待處理的廢水。污水處理過程特別是曝氣單元中不可避免會產(chǎn)生氣泡，氣泡破裂會使水濺到空氣中，攜帶著微生物的水滴被分散成細小液滴，并在霧化后形成微生物氣溶膠。氣泡破裂產(chǎn)生的液滴氣溶膠化是微生物氣溶膠產(chǎn)生的主要原因；水力跌落大、湍動劇烈的污水處理單元也容易形成氣溶膠，污水提升、除渣、除砂等預(yù)處理單元的氣溶膠中微生物濃度也相對較高。

由表2可以看出，不論是病毒還是細菌，各處理單元水相中的微生物通常也能在氣相中被檢測到。不同種類微生物濃度在氣相中的遠低于水相中的，且比值存在較大差異，如大腸桿菌噬菌體；不同類別的微生物，其氣/液濃度比值可相差3個數(shù)量級。研究也發(fā)現(xiàn)，水相中微生物濃度與其在氣相中的濃度并沒有呈現(xiàn)直接的相關(guān)關(guān)系，這可能與不同類別的微生物從水相到氣相逸散速率不同有關(guān)。還有研究表明，廢水中固相組分對包膜病毒對吸附率比非包膜病毒（如諾如病毒、脊髓灰質(zhì)炎病毒等）高20%,不同的附著率也可能是導(dǎo)致不同類型的病毒從水相向氣相逸散速率不同的關(guān)鍵原因。

有研究者對空氣中微生物來源進行進一步分析，Kaixiong Yang等分析污水處理廠中空氣中細菌來源時發(fā)現(xiàn)，空氣樣本病原體中平均有22.25%的病原體來源是污水。也有研究人員研究發(fā)現(xiàn)，在氧化溝曝氣單元的空氣中，其細菌38.27%來源于待處理的污水，45.56%來源于上風向區(qū)；而在污泥脫水池，高達72.15%的細菌來源于污水，來源于上風向區(qū)的細菌僅為15.38%。

表2 污水處理系統(tǒng)中微生物的氣/液兩相濃度

注：實驗室部分指研究者在實驗室內(nèi)進行的模擬污水處理廠曝氣時得到的數(shù)據(jù)，非污水處理廠內(nèi)實際檢測數(shù)據(jù)。

1.3 微生物氣溶膠的分布

隨著污水處理程度的加深，污水中的病毒會逐步被去除。表3展示了在病毒定量檢測中，檢出病毒陽性的樣本數(shù)占總樣本的比例，及檢出樣本中的病毒濃度?？梢钥闯觯鬯幚韽S進水時病毒含量較高，出水中的病毒濃度可以降低1-2個數(shù)量級。這與Katayama 等人的研究結(jié)果相似：某日本污水處理廠中，腸病毒在進水和出水中的濃度分別為17和0.044 RT-PCR units/ml，腺病毒在進水和出水中的濃度分別為320和7 PCR units/ml；污水處理廠進水中病毒陽性率在67%-97%之間，經(jīng)過A2O工藝處理后病毒陽性率降低22%-46%的；消毒處理后的出水樣本病毒濃度已低于檢測線。Ottoson 等的研究也發(fā)現(xiàn)，二級生物處理對腸道病毒和諾如病毒的去除率分別為93.91%和87.45%。由此可見，常規(guī)污水處理工藝對病毒的去除在1-2l g的范圍；MBR對病毒有著顯著的去除效果，其出水的病毒含量能夠降低到較為安全的程度。

表3 污水處理廠進出水的病毒去除

雖然污水處理廠的出水中病毒含量已相對較低，但微生物從水相到氣相的轉(zhuǎn)移可以發(fā)生在污水處理工藝的每個環(huán)節(jié)，包括格柵間、初沉池、曝氣池、污泥濃縮池、污泥脫水間等在內(nèi)的處理單元。圖1展示了氣溶膠中微生物在不同處理單元的濃度，在不同污水處理廠，其氣相中微生物的濃度也有所不同。圖1-a中，污水廠在生物處理單元（污水廠A為活性污泥工藝；污水廠B和E為氧化溝工藝）的細菌氣溶膠濃度最大，污水廠C和D則在污泥脫水間濃度最大。在圖1-b和1-c中，真菌和放線菌氣溶膠在生物處理單元（曝氣池/氧化溝）和污泥脫水間的濃度也較大。圖1-d中可以看出，不同處理單元的氣相中病毒濃度也存在較大差異，諾如病毒基因組Ⅱ在沉砂池的濃度較高，而大腸桿菌噬菌體和腺病毒則在活性污泥池的濃度較高。圖1中并未考慮污水處理廠處理規(guī)模的問題，但有研究發(fā)現(xiàn)，污水廠規(guī)模越大，預(yù)處理單元的氣溶膠濃度越高。

生物處理單元氣溶膠中微生物濃度較高的原因是曝氣增加氣泡破裂的速率，顯著影響周圍空氣的生物氣溶膠水平。污水的機械攪拌會產(chǎn)生氣載顆粒的湍流，從而加快微生物從液相到氣相的擴散。這與lwona B.在研究波蘭一所污水處理廠時，發(fā)現(xiàn)曝氣池是微生物污染最嚴重區(qū)域的結(jié)論相一致?？梢哉J為，曝氣池是微生物氣溶膠的重要發(fā)源地。但除此之外，污泥脫水間等其他污水處理設(shè)施產(chǎn)生微生物氣溶膠的能力也不可小覷。

a 細菌濃度

b 真菌濃度

c 放線菌濃度

d 病毒濃度

圖1 不同處理單元微生物濃度

02  微生物氣溶膠的傳播

表4分別從與污水水面不同垂直距離及與污水處理廠不同水平距離兩個角度，對空氣中微生物氣溶膠濃度進行總結(jié)。在春、夏、冬三季，采樣點與污水水面距離從0.1 m增加到1.5 m時，微生物濃度分別降低為原水平的84.39%、46.23%、8.33%；距離從0.1 m增加到3.0 m時，微生物濃度分別降低為原水平的12.97%、10.05%、2.08%。由此可見，隨著采樣點高度的增加，微生物濃度迅速下降；并且冬季微生物氣溶膠濃度下降最為顯著。Wang Yanjie等人在研究時還發(fā)現(xiàn)，與污水水面距離從0.1 m增加到3.0 m時，氣體中顆?？偭恳苍谥饾u下降，且細顆粒物占比增加。

細菌和真菌氣溶膠在離污水處理廠不同水平距離（100-500 m）范圍濃度變化并不顯著，但與上風向相比均有所增加，這說明距污水廠500 m處的氣溶膠濃度仍然保持較高水平；在污水處理廠的下風向處，其微生物氣溶膠的健康風險要比上風向處高。以曝氣池為中心進行檢測時同樣發(fā)現(xiàn)，下風向處氣溶膠濃度比上風向處明顯升高，250 m內(nèi)各類微生物均有所減少，但250 m之外濃度則有不同程度并不顯著的增加。Kaixiong Yang等人的研究中也發(fā)現(xiàn)，當距離氧化溝由0 m增加到25 m，55 m，210 m時，空氣中細菌濃度在逐漸下降。而在與污水處理廠水平距離從0 m增加到300 m時，氣溶膠中病毒濃度驟減到7個數(shù)量級；100 m增加到300 m時，減少2個數(shù)量級。隨著水平距離進一步增加時，氣相中病毒濃度沒有顯著變化。這可能病毒的繁殖條件有關(guān)，當環(huán)境中沒有活的寄主細胞時，病毒就無法繼續(xù)繁殖生存，從而使氣溶膠中病毒濃度急劇下降。由此可得初步結(jié)論，在一定范圍距離內(nèi)，隨著與微生物氣溶膠發(fā)源地水平距離的增加，微生物氣溶膠的濃度會快速降低；與細菌相比，病毒濃度的下降更為顯著。

表4 不同距離的微生物氣溶膠濃度

注：-250 m指上風向250 m處。

03  影響微生物氣溶膠產(chǎn)生、傳播的因素

一般來講，氣溶膠中微生物在傳播過程中就會逐漸衰亡，不同種類微生物的衰亡常數(shù)不一致。所有對微生物生存產(chǎn)生正面或負面影響的因素，都能夠影響微生物氣溶膠的傳播。尤其是抗病毒活性物質(zhì)的存在，可以極大影響病毒在氣溶膠中的生存狀態(tài)。下文從環(huán)境溫度、濕度、季節(jié)、風速、光照等氣象條件，和污水處理工藝及其運行方式等方面進行分析。

3.1 氣象條件

天氣條件和季節(jié)是影響空氣微生物污染分布的主要因素。暴露于太陽輻射，過高或過低的環(huán)境溫度，降低相對濕度和高風速等條件可以降低氣溶膠中微生物的濃度。有研究表明，濕度與溫度與污水處理廠中微生物氣溶膠中細菌和真菌的總濃度及粒徑成正相關(guān)，光照強度和風速與其成負相關(guān)。

3.1.1 溫、濕度

微生物的生長繁殖與溫、濕度息息相關(guān)，不同的微生物所適宜的溫度及濕度條件不盡相同。一般情況下，脂含量高的病毒在低相對濕度的環(huán)境中較為穩(wěn)定，而脂含量較低甚至為零的病毒在高相對濕度的環(huán)境中更容易存活。有研究表明，在環(huán)境溫度為-20 ℃~30 ℃的范圍內(nèi)，氣溶膠中微生物濃度會隨溫度升高呈現(xiàn)上升趨勢。但溫度影響各種微生物存活的具體程度，則與微生物的類型及所處環(huán)境的相對濕度有關(guān)。

不同季節(jié)，其溫度、濕度等氣象條件呈現(xiàn)明顯規(guī)律性與周期性，同樣會對微生物氣溶膠產(chǎn)生影響。圖2是部分污水處理廠在不同季節(jié)的氣溶膠微生物濃度：在污水處理廠各處理單元中，大部分細菌、真菌以及病毒在夏季檢出濃度較高；在冬季檢出濃度相對較低。這與Frédéric G. Masclaux等人的研究結(jié)論相似：在污水處理廠的室外樣本中，夏季腺病毒濃度在最低檢測線以上的樣本數(shù)為24（總樣本數(shù)32）,而冬季樣本數(shù)僅為8（總樣本數(shù)30），在此污水處理廠的室內(nèi)樣本中可得到相同規(guī)律。其原因可能是夏季氣溫較高，微生物活性增加；同時較高的氣溫有利大氣湍流及分子擴散，從而增加微生物從液相向氣相擴散的機率。同時由于夏季濕度較大，有利于微生物在氣相中的存活。

圖2 不同季節(jié)微生物氣溶膠濃度

3.1.2 風速

風不但可能造成微生物二次懸浮擴散，還會對微生物氣溶膠的大氣傳輸造成較大影響。風對微生物氣溶膠具有稀釋作用，風速越高越會促進空氣流動，污水處理廠氣溶膠中的微生物濃度就會越低。對于較為封閉的室內(nèi)污水處理設(shè)施來說，通風率會直接影響設(shè)施內(nèi)部氣溶膠中微生物的濃度。污水處理廠區(qū)內(nèi)，夏季比冬季測出的氣溶膠中微生物濃度高，也有部分原因是因為夏季風速較小，較多微生物氣溶膠會積累在廠區(qū)內(nèi)。有研究者發(fā)現(xiàn)即使距離污水處理廠200 m，空氣中依然存在來自廠區(qū)的微生物；尤其是位于污水處理廠下風向的區(qū)域，存在來自污水處理廠的微生物氣溶膠的可能性較大。

3.1.3 光照

光照的強弱會影響微生物氣溶膠的種類和濃度。適宜的光強能夠促進微生物的繁殖，使空氣中微生物濃度增大，但強輻射能夠破壞微生物的蛋白質(zhì)導(dǎo)致微生物失活，從而降低氣溶膠中微生物的濃度。紫外線和可見輻射的強度，氧的濃度和有毒化合物的存在均對微生物氣溶膠的濃度產(chǎn)生影響。高光照強度（110–217 W/m²）和風速（1.3–7.1 m/sec）導(dǎo)致空氣傳播過程中細菌濃度較低，微粒較細。國內(nèi)外的研究表明：紫外線對微生物有一定滅活作用，但太陽輻射對不同種類微生物的滅活存在差異。Yongyi Tong等人在研究中發(fā)現(xiàn)太陽輻射可以消除部分光敏性細菌種群。

表5中展示不同氣象條件下微生物氣溶膠濃度的變化?？梢钥闯?，隨著風速、溫度、相對濕度以及光照的條件變化，氣溶膠中大部分微生物濃度沒有發(fā)生明顯變化。除風速與大腸桿菌濃度、溫度與大腸桿菌濃度、相對濕度與K-12HfrD噬菌體濃度具有較強相關(guān)性外，其余條件與微生物濃度均無明顯相關(guān)性。

表5 不同氣象條件下微生物氣溶膠濃度

3.2 處理工藝

表6展示不同處理工藝的污水處理設(shè)施其核心處理單元中空氣微生物氣溶膠的濃度。不同的污水處理方式產(chǎn)生的氣溶膠濃度有所不同；在同一種處理工藝的不同處理單元，其產(chǎn)生的氣溶膠濃度也有顯著差異。A2/O法的好氧池中氣溶膠中微生物濃度顯著高于缺氧池和厭氧池，機械-生物處理法的機械處理單元產(chǎn)生的氣溶膠中微生物濃度要高于生物處理部分。這是由于充足的氧氣給大部分微生物提供了適宜的生存環(huán)境，而且機械曝氣供氧比空氣擴散系統(tǒng)供氧產(chǎn)生更高濃度的微生物。微孔曝氣的速率改變也會導(dǎo)致液滴大小及微生物氣溶膠濃度和粒徑等的變化。同時，污水處理過程中，機械設(shè)備不僅會導(dǎo)致微生物氣溶膠的產(chǎn)生，還可使已經(jīng)沉積在物體表面的微生物氣溶膠粒子再次揚起；并且這種再生性導(dǎo)致微生物氣溶膠感染具有長久性。

表6 不同處理工藝微生物氣溶膠濃度

注：指活性污泥的機械處理及后處理過程。

除了氣象條件、處理工藝因素外，其他因素也對微生物氣溶膠的產(chǎn)生及傳播造成重要影響。由表5、表6及圖2可以看出，不同污水處理廠即使在同一處理設(shè)施處，其氣溶膠中微生物濃度也有差別。這是由于污水處理廠的地理位置、處理規(guī)模、原水來源的多樣性，以及研究者采樣方法、培養(yǎng)方法、計數(shù)方法的差異性造成的。李彥鵬等人與鄭云昊等人均提出，微生物氣溶膠的分布存在顯著時間與空間差異性，其濃度等特征的變化不但與降水等氣象條件有關(guān)，甚至與多種污染因子有一定關(guān)系。

04  微生物氣溶膠暴露風險評估

污水處理廠氣溶膠中的微生物不僅對廠區(qū)工人造成健康威脅，同時也對周邊居民造成潛在的健康風險。Van Hooste Wim對比利時污水處理廠員工疾病調(diào)查發(fā)現(xiàn)，雖然污水處理廠員工體內(nèi)的幽門螺桿菌血清與未暴露人群并無顯著差異，但他們的胃腸道疾病發(fā)病率仍高于未暴露人員。Frédéric G. M對瑞士某污水處理廠的調(diào)查也得到了相似結(jié)論：該污水處理廠氣體檢測樣品中檢測到腺病毒，腺病毒高于檢測線樣本數(shù)/總樣本數(shù)的頻率在8/30-24/32之間，更發(fā)現(xiàn)廠內(nèi)操作人員腸道疾病的高發(fā)病率很可能與氣溶膠中的病毒有關(guān)。Pasalari Hasan等人研究發(fā)現(xiàn)：污水廠工作人員及附近居民對輪狀病毒及諾如病毒的疾病負擔達到(5.76×10-2和1.23×10-1)，遠高于WHO(10-6 pppy)給出的參考值。

圖3中展示呼吸吸入和皮膚接觸兩種暴露方式下，成年男性、成年女性和兒童在污水處理廠不同處理階段的暴露風險評估。評估時均采用非致癌風險模型及美國環(huán)境保護署的人體健康評估模型中的數(shù)據(jù)，使用公式(1)(2)估算工作人員和附近居民每日吸入空氣中細菌的平均暴露劑量率（ADD），

其中ADDinhalation和ADDskin為吸入和皮膚接觸的平均每日劑量[CFU·(kg·d)-1]，C為空氣中細菌濃度(CFU/m³)，IR為吸入率(m³/d)，EF為曝露頻率(d/yr)，ED為暴露時間(yr)，SA為皮膚接觸表面積(m²)，ABS為皮膚吸收因子(m/h)，AF是皮膚粘附因子，BW為體重(kg)，AT為平均壽命(d)，

通過公式(3)計算風險系數(shù)(HQ)，從而評估細菌通過空氣傳播的風險

HQ為風險系數(shù)。RfD為參考劑量[CFU·(kg·d)-1]，圖3中均采用500 CFU/m³，這是根據(jù)美國政府工業(yè)衛(wèi)生工作者會議提出的可培養(yǎng)細菌暴露在工作日內(nèi)的極限濃度計算得到的。當風險系數(shù)小于1時，對人體的健康風險并不明顯；風險系數(shù)大于1時，此處的暴露風險應(yīng)該引起人們重視。

圖3中好氧池、氧化溝、生化反應(yīng)池分別來自采用不同處理工藝的污水處理廠。一般來說，成年男性的暴露風險要稍高于女性，兒童的暴露風險要遠高于成人。夏季和秋季的暴露風險要高于春季和冬季。大部分處理單元風險系數(shù)均小于1，但在厭氧池處出現(xiàn)大于1的場景。因此應(yīng)該將此厭氧池置于室內(nèi)，相對封閉的環(huán)境可以減小微生物氣溶膠對外的轉(zhuǎn)移。另外，經(jīng)呼吸吸入造成的健康風險要遠高于皮膚接觸，可見呼吸吸入是較為重要的微生物氣溶膠暴露方式。

a 呼吸吸入

b 皮膚接觸

圖3 細菌氣溶膠對人體的風險評估（HQ）

污水處理廠中微生物氣溶膠的健康風險也與季節(jié)有關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，污水處理廠中，直徑大于3.3 mm的微生物氣溶膠主要出現(xiàn)在春季和夏季；小于3.3 mm的微生物氣溶膠主要出現(xiàn)在秋季和冬季。這部分粒徑較小的微生物氣溶膠較容易進入肺部，沉積在下呼吸道中，對工作人員健康產(chǎn)生較大影響。由此可見，污水處理廠中夏季微生物氣溶膠的暴露風險較大，秋季和冬季微生物氣溶膠對工作人員的健康影響也較大，污水處理廠操作人員在一年四季上崗前佩戴口罩應(yīng)成為基本配置。

氣溶膠中病原體的存在對污水處理廠工人的健康帶來直接威脅，有必要建立健全污水處理設(shè)施的微生物風險管理體系，尤其是病毒風險管理體系。我國目前已經(jīng)對部分揮發(fā)性有機物和部分微生物有對應(yīng)風險評估方法及結(jié)論，但微生物氣溶膠的暴露因子等方面的研究有待進一步開展，尤其是污水處理設(shè)施中病毒氣溶膠的暴露風險評估。

05  總結(jié)與討論

（1）微生物氣溶膠中微生物主要來源于待處理污水。微生物從液相向氣相的轉(zhuǎn)移發(fā)生在污水處理工藝的各個環(huán)節(jié)，包括格柵間、初沉池、曝氣池、污泥濃縮池、污泥脫水間等單元，微生物的最高排放量通常發(fā)生在生物反應(yīng)器單元以及污泥脫水單元。

（2）距離污水界面垂直距離越遠，氣溶膠中微生物濃度越低；隨水平距離的增加，氣溶膠中病毒濃度衰減速率高于細菌。

（3）污水處理廠氣溶膠中的微生物濃度和種類受到環(huán)境溫度、濕度、風速、光照以及污水處理工藝及其運行方式等多種因素的影響。夏、春季節(jié)的氣溶膠中微生物濃度通常高于冬、秋季節(jié)。

（4）污水處理廠的微生物氣溶膠攜帶病原微生物，會通過吸入、接觸等方式威脅人體健康。兒童與成年男性、女性相比風險更高。

污水處理設(shè)施中的微生物氣溶膠研究還有待進一步深入：

（1）需要對氣溶膠中微生物的致病性組分進行進一步的識別。致病性微生物組分與人群健康密切相關(guān)，對其的識別有助于加深對職工職業(yè)疾病產(chǎn)生機理的認識。

（2）盡快建立污水處理設(shè)施微生物氣溶膠風險評估方法及體系。目前，國內(nèi)外在細菌、真菌及放線菌方面已有相應(yīng)的風險評估方法，但對病毒的風險評估方法的研究極為缺乏，氣溶膠中病毒與人類健康的具體效應(yīng)關(guān)系也有待開展。

（3）制定污水處理設(shè)施微生物氣溶膠控制標準。嚴格規(guī)定污水處理設(shè)施中氣溶膠中微生物的排放量，從源頭抑制氣相中微生物對人群的健康威脅。

（4）加強對微生物氣溶膠控制技術(shù)及策略的研究，從而抑制微生物氣溶膠的產(chǎn)生與傳播。