再生水的衛生安全問題探討
隨著全球淡水資源短缺日趨嚴重,再生水作為解決水資源短缺最有效的途徑已廣泛地應用于景觀環境、工業冷卻水、灌溉、城市雜用和地下水回灌等諸多方面。由于再生水中可能含有細菌、病毒、寄生蟲等病原體,再生水利用的環境與健康問題一直受到廣泛的關注。SARS疫情的發生,更使人們對再生水利用的關注點轉向衛生安全問題。
本文將對目前再生水的衛生安全問題及其評價方法進行初步探討,以加強這方面的研究與對策。
1 污水和再生水中的病原微生物
與化學污染物相比,水中病原體具有以下特征[1]：病原體在水中的分布是離散的,而不是均質的；病原體常成群結團,或吸附于水中的固體物質上,因此其水中的平均濃度不能用以預測感染劑量；病原體的致病能力取決于其侵襲性和活力,以及人的免疫力；一旦造成感染,病原體可在人體中繁殖,從而增加致病的可能；病原體的劑量～反應關系不呈累積性。一般認為,人被感染傳染病應具備三個條件[2]：①有病原體的存在；②具有一定的病原體濃度；③易感染體以被感染方式接觸病原體。研究污水與再生水中病原微生物的種類與數量,對于評價使用再生水可能對人體健康造成的影響具有非常重要的意義。
美國環保局列出了污水、污泥中可能存在的各種不同的病原菌、病毒、原生動物和寄生蟲的名單,見表1[2]。表2是美國城市污水處理過程中病原微生物的去除效果[2],表3為某國污水處理前的生物學指標,表4為我國部分城市污水處理前后生物學指標[3～5]。
2 再生水衛生學控制指標及其標準
檢測污水和再生水中所有的病原微生物是不切合實際的。實用和可行的方法是檢測既能指示糞便污染又能反映污水處理和消毒效果的微生物。常用的指示微生物是總大腸桿菌和糞大腸桿菌。因為總大腸桿菌在環境中的出現,尤其是糞大腸桿菌的出現,意味著水體受到了動物和人類糞便的污染,也意味著許多相關病原體的存在。腸道致病菌與自然界作用的方式
但國內外的研究成果表明：總大腸菌群數并不足以反映病毒、原生動物和寄生蟲的存在,許多腸道病毒對化學消毒劑的抵抗力更大。以總大腸菌群數和糞大腸菌群數作為衛生安全控制指標的科學性受到了挑戰。不少研究者開始尋找可替代的指示微生物或可直接檢測病原微生物的方法。
免疫學法和分子生物法在環境微生物學中的應用增加了在自然界中(如土壤和水)病原體微生物含量較低的時候被檢出的可能性。熒光抗體(Fluorescent Antibody, FA)法可用于個別病原體如賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲的定性和定量的測試。聚合酶鏈反應(PCR)方法學的應用有助于檢測到低含量的病原體微生物。這些靈敏度高的檢測方法雖然使得監測更加準確,但一般只有有限的實驗室能夠具備相應的人員和設備條件,分析時間需要長達4個星期。因此,現有世界各國再生水回用水質標準中,衛生學控制指標仍以總大腸桿菌和糞大腸桿菌為主。表5列舉了部分國家和地區以及世界衛生組織再生水用于非限制性灌溉時的衛生學指標要求[6]。
表1 未經處理生活污水、污泥中的病原體
| 病原體分類 | 病菌 | 疾病 |
| 細菌 | 志賀氏菌(Shigella sp) 沙門氏菌(Salmonella sp) 沙門氏菌(Salmonella typhi) 霍亂弧菌(Vibriocholerae) 埃希氏大腸桿菌 (Enteropathogenic-Escherichiacoli) 耶爾森氏菌(Yersinia sp．) Campylobacter jeju ni | 痢疾 腸胃炎 傷寒 霍亂 多種腸胃疾病 腸胃炎 Campylobacteriosis(gastroenteritis) |
| 病毒 | 肝炎病毒(Hepatitis A Virus) 諾沃克病毒(Norwalk viruses) 輪狀病毒(Rotaviruses) 脊髓灰質炎病毒(Polioviruses) 柯薩奇病毒(Coxsackie viruses) 艾柯病毒(Echovzruses) | 傳染性肝炎 急性腸胃炎 急性腸胃炎 急性骨髓灰白質炎 流感 流感 |
| 原生動物 | 內阿類已屬histolyiica(Entamoebahistolytica) 蘭氏賈第鞭毛蟲(Giardia Lamblia) 隱孢子蟲(Cryptosporidium sp．) Balantidium coli | 阿米巴病 腸胃炎 腸胃炎 腸胃炎 |
| 寄生蟲 | 蛔蟲(Ascaris sp．) 絳蟲(Taenia sp．) 線蟲屬(Necatoramerwanus) 鞭蟲屬(Trichuristrichuria) | 蛔蟲病 絳蟲病 鉤口線蟲病 鞭蟲病 |
表2 美國城市污水處理過程中微生物的去除效果
| 微生物 | 每100毫升污水中的個數 | |||
| 未處理水 | 一級處理水 | 二級處理水 | 三級處理水* | |
| 糞大腸菌MPN | 109 | 107 | 106 | <2 |
| 沙門氏菌MPN | 8000 | 800 | 8 | <2 |
| 志賀氏菌MPN | 1000 | 100 | 1 | <2 |
| 腸道病毒PFU | 50000 | 15000 | 1500 | 0.002 |
| 寄生蟲卵 | 800 | 80 | 0.08 | <0.08 |
| 賈第鞭毛蟲 | 10000 | 5000 | 2500 | 3 |
注：* 包括混凝、沉淀、過濾和消毒。
表3 某國典型城市污水處理前生物學指標
| 微生物 | 每毫升污水中的個數 |
| 總大腸菌 | 105-109 |
| 糞大腸菌 | 104-105 |
| 沙門氏菌 | 1-100 |
| 賈第鞭毛蟲 | 0.1-100 |
| 隱性孢子蟲 | 0.1-1 |
| 寄生蟲卵 | 0.01-10 |
| 腸道病毒 | 10-100 |
表4 我國部分城市污水生物學指標
| 采樣點 | 菌落總數 (CFU/ml) | 總大腸菌群(個/l) | 糞大腸菌群(個/l) | 沙門氏菌(個/l) | 病毒 | |
| 北京某污水處理廠 | 進水 出水 | 240 x 1O5-240 x 108 240 x 1O3-160 x 104 | 240 x 1O5-240 x 108 240 x 1O3-540 x 103 | |||
| 北京某污水處理廠 | 進水 出水 | 240 x 1O5-240 x 108 240 x 1O3-160 x 104 | 240 x 1O5-240 x 108 240 x 1O3-540 x 103 | |||
| 天津某河道污水 | 104-108，均值107 | 10～>2000，均值500 | ||||
| 天津某二級污水處理廠出水 | 103-106，均值106 | 10～>2000，均值100 | ||||
| 天津某氧化溝出水 | 103～106，均值lO5 | 未檢出～500，均值10 |
| |||
| 無錫某污水處理廠 | 進水 | 均值1411047 | >16000 | >16000 | 未檢出 | 檢出柯薩奇、艾柯、脊髓灰質炎病毒，陽性率58．33％。 |
| 出水 | 均值119236 | >16000 | >16000 | 未檢出 | 檢出柯薩奇、艾柯、脊髓灰質炎病毒，陽性率16．67％。 |
3 再生水衛生安全評價方法
目前評價再生水中病原體微生物對人體健康的影響主要有兩種方法[7]。
(1)現實風險評價方法。也稱低技術／低費用／控制風險方法,以流行病學研究為基礎,結合現有污水處理技術對病原體的處理效果,分析再生水回用的健康風險。世界各國現有的再生水回用水質標準多采用此法制定,如WHO污水回用于農業的安全指南、美國的回用水指南等。即現有再生水水質標準是依據再生水回用的經驗和對現有污水處理技術可有效地去除病原體的認可為前提制定的。
表5 再生水用于非限制性灌溉的水質標準
| 制定機構或地區 | 類型 | 根據公眾健康提出的水質要求 |
| 美國環保局(EPA, 1992) | 指南 | 所有樣品中，糞大腸菌數不能超過14MPN／100mL，這一數值意味著實際當中將檢測不出糞大腸菌，二級處理后應進行混凝、沉淀、過濾和消毒處理 |
| 亞利桑那 | 法規 | 總大腸菌數不能超過2．2 MPN／100mL(中間值)和25 MPN／100mL(單個樣品) |
| 加利福尼亞 (CA／T-22，1978) | 法規 | 糞大腸菌數不超過2．2 MPN／100mL(每月不得少于一份樣品中的大腸菌有機物不可超過23 MPN／100mL)；二級處理后要有過濾和消毒處理 |
| 科羅拉多 | 指南 | 總大腸菌數不能超過2．2MPN／100mL(中間值)；出水需經氧化、混凝、沉淀、過濾和消毒處理 |
| 佛羅里達 | 法規 | 以30d為期，在75％的樣品中糞大腸菌數不能超過25 MPN／100 mL，二級處理加過濾和深度消毒；COD 20mg/l(年平均值)，TSS 5mg／L(單樣品) |
| 佐治亞 | 指南 | 糞大腸菌數不能超過30 MPN／100mL；要求經過生化處理(BOD 30mg/l，TSS 30mg/l) |
| 愛達荷 | 法規 | 總大腸菌數不能超過2．2MPN／100mL(中間值)；二級出水要求混凝、沉淀、過濾和消毒處理 |
| 印第安納 | 法規 | 糞大腸菌數不能超過100 MPN／100mL(中間值)，2 000MPN／100mL(單個樣品) |
| 北卡羅來 | 法規 | 糞大腸菌數不能超過1MPN／100mL，要求經過三級處理(TSS月平均值為5rng／L，日最大值10mg／L) |
| 新墨西哥 | 指南 | 糞大腸菌數不能超過1 000 MPN／100mL |
| 俄勒岡 | 法規 | 總大腸菌數不能超過2．2MPN／100mL(中間值)和23 MPN／100mL(單個樣品)；要求二級處理后，應進行混凝、沉淀、過濾和消毒處理 |
| 得克薩斯 | 法規 | 糞大腸菌數不能超過75MPN／100mL；經過氧化塘系統處理后最低應達到BOD20mg/l，采用其它工藝BOD應達到10 mg/l |
| 猶他 | 法規 | 總大腸菌數和糞大腸菌數分別不能超過2 000 MPN／100mL，200MPN／100 mL(千均30d)；要求經過二級處理后BOD 25 mg／L和TSS 25 mg/l(平均30 d) |
| 華盛頓 | 指南 | 總大腸菌數不能超過2．2MPN／100mL(平均值)和24 MPN／100 mL(單個樣品)；最低要求經過包括過濾的二級處理 |
| 懷俄明 | 法規 | 糞大腸菌數不能超過200 MPN／100mL，出水BOD不超過10mg／l…(日均值) |
| 加拿大(阿爾伯達) | 法規 | (在大于20％的樣品中)總大腸菌數不能超過1 000 MPN／100mL(幾何平均數)，糞大腸菌數不能超過200MPN／100mL；灌溉蔬菜的回用水的總大腸菌數不能超過2 400 MPN／100mL(在任何一天) |
| 塞浦路斯(1997) | 標準 | 糞大腸菌數在每月80％的樣品中不超過50MPN／100mL，最大允許值100MPN／100mL；腸道線蟲不超過1個/l；三級處理后接消毒處理 |
| 以色列(1978) | 規定 | 總大腸菌數在50％的樣品中 不超過2，2MPN／100mL，在80％的樣品不能超過12MPN／100mL；二級處理或相當于二級處理(例如：長期貯存過程)接消毒處理 |
| 約旦 | 法規 | 糞大腸菌數低于200 MPN／100mL |
| 科威特 | 標準 | 總大腸菌數低于100 MPN／mL；經過深度處理之后BOD和TSS均低于10mg/l |
| 澳大利亞(新南威爾士) | 指南 | 耐高溫大腸菌數低于10MPN／100mL(中間值)；最低處理要求二級處理和過濾，出水濁度不超過2NTU |
| 沙特阿拉伯 | 法規 | 總大腸菌數低于2．2 MPN／100mL，BOD和TSS均低于10mg／L |
| 突尼斯(1975) | 法規／法律 | 腸道線蟲小于等于1個/l，最低處理要求穩定塘或相當工藝 |
| 世界衛生組織(1989) | 指南 | 為降低健康風險，糞大腸菌數(灌溉用水)<200MPN／100mL，腸道線蟲≤1個/l；要有一級、二級處理過程，適當增加過濾和消毒過程 |
(2)定量風險評價方法。也稱高技術／高費用／低風險方法。它定量地評價
大多數病原體的劑量～反應資料很難通過臨床研究和流行病學調查得到,所以該方法的應用很受限制。Hass(1983年)[8]最早對飲用水微生物的危險度進行了定量研究。他根據已有數據,研究并發現β-泊松模型能很好地表達傳染的概率,見式(1)。
Pi = 1 - (1 + N/β)-α (1)
式中 Pi--傳染概率；
α, β--曲線界定參數；
N--暴露量。
用該模型還可估測臨床疾病的危險度,飲用水輪狀病毒疾病的死亡率及霍亂病的危險度。后來又提出了指數模型來評價沙門氏菌、隱孢子蟲、賈第鞭毛蟲等,見式(2)。
Pi=1 - e-γN (2)
式中Pi--傳染概率；
γ--曲線界定參數；
N--暴露量。
隨著再生水應用的日益普及,這些模型已被應用于再生水的病原體風險評價。常用模型及相應參數見表6[8,9]。
利用以上模型對圣彼得斯堡(St.Petersburg)再生水廠出水用于高爾夫球場、公園、學校和大商業區景觀灌溉時對人體健康的風險評價結果見表7。
表6 不同微生物的最佳擬合劑量～反應模型與參數
| 微生物 | 最佳模型 | 模型參數 |
| 沙門氏桿菌 隱 孢子蟲 賈第鞭毛蟲 霍亂弧菌 輪狀病毒 艾柯病毒12 | 指數式 指數式 指數式 β-泊松 β-泊松 β-泊松 | γ=0．00752 γ=0．00467 γ=0．0198 α=0．49，β=1073．2 α=0．24，β=0．42 α=0．374，β=186．7 |
表7 圣彼得斯堡再生水廠出水用于景觀灌溉年風險概率
| 微生物 | 接觸類型 | |||
| I | II | III | IV | |
| 輪狀病毒(a) | 2.3x10-6 | 3.7x10-6 | 9.3x10-6 | 2.3x10-5 |
| 艾柯病毒(b) | 7.3x10-9 | 1.2x10-8 | 3x10-8 | 7.3x10-8 |
| 隱孢子蟲 | 1. 3x10-6 | 2.1x10-6 | 5.3x10-6 | 1.3x10-5 |
| 賈第鞭毛蟲 | 3.5x10-6 | 5.8x10-6 | 1.5x10-5 | 3.5x10-5 |
注: I 通過氣溶膠接觸的個體,0.1 mL／d,365 d／a； II 高爾夫運動者和公園參觀人員,1ml／d, 60d／a； III 居民用戶,1 mL／d, 150d／a； IV 一般用戶,1 mL／d, 365d／a
一般在進行病原微生物風險評價時,認為可接受的年風險概率應小于1 x 10-4。從以上評價結果看,經過高級處理和消毒的再生水用于綠化、灌溉和景觀娛樂時可基本保證衛生安全。
4 結語
(1)再生水衛生安全問題已受到廣泛的關注,只用大腸菌群或糞大腸菌群作為再生水的生物學指標,尚不能反映再生水中所有病原微生物存在情況。隨著檢測技術的發展,病毒和病原蟲正在成為關注的生物學指標。
(2)再生水經過有效的處理工藝處理和消毒后,可以使水質和病原微生物降低至安全使用水平。
(3)我國再生水利用仍處于起步階段,應繼續加強對再生水安全性的基礎研究和跟蹤研究,提出再生水的生物學指標、標準和檢測方法。
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