山東勝泰塑膠管道有限公司

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                                                特稿 |新冠病毒污水消毒工藝及參數選擇難?大師這樣說!

                                                2020-02-27 09:17:01
                                                  黃曉家

                                                1964年出生,中國中元國際工程有限公司總工程師,全國工程勘察設計大師,中國科學技術學會聘任全國工藝建筑防火及水滅火系統學科首席科學傳播專家。研究方向:城市節水、海綿城市、工業廢水再生與回用、建筑與工業給排水、消防工程、飲用水安全、污水處理、水環境、智慧水務。

                                                微信對原文有刪減。原文標題:新型冠狀病毒(COVID-19)肺炎污水處理強化二級消毒工藝研究與分析;作者:黃曉家、 郭春艷、 趙 耀;作者單位:中國中元國際工程有限公司、南華大學 土木工程學院。將刊登在《給水排水》2020年戰“疫”專欄。

                                                 

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                                                01

                                                傳統傳染病與新冠病毒傳染病

                                                建國以來我國根治了大多數流行性傳染病,現我國國家年鑒每年統計的傳染病有28種。根據國家年鑒,2018年有306.3萬人感染傳染病,年感染人數超過1萬人的傳染病有11種,其中排前三位的是病毒性肝炎、肺結核和梅毒,占比分別為41.8%、26.9%、16.2%,排第7位的艾滋病占比為2.1%;2018年傳染病死亡人數約為2.3萬人,其中前3位分別為艾滋病、肺結核和肝炎,分別占比82.5%,13.8%和2.3%。從感染人數和死亡率看,我國現傳染病醫院接收患者最多的是病毒性肝炎患者和結核病患者,因此通常講的傳染病多指病毒性肝炎和細菌性肺結核。

                                                 

                                                肝炎病毒是指引起病毒性肝炎的病原體,1972年肝炎病毒在患者的大便中發現。人類肝炎病毒有甲型(HAV)、乙型(HBV)、丙型(HCV)、丁型(HDV)和戊型(HEV)。除了甲型和戊型病毒通過腸道感染外,其他類型病毒均通過密切接觸、血液和注射方式傳播。其病毒通常由病人糞便排出體外,通過被污染的手、水、食物、食具等傳染,通常肝炎病的傳播能力不是很強,但嚴重時會引起甲型肝炎流行。如1988年1月,上海市出現了較大規模的流行性甲型肝炎,主要原因是人們食用了被甲肝病毒污染的毛蚶。乙型肝炎主要通過注射、輸血等方式傳播。

                                                 

                                                結核分枝桿菌(M.tuberculosis),俗稱結核桿菌,是引起結核病的病原菌,1882年Robert Koch 發現了結核分枝桿菌,結核桿菌分為人型、牛型和非洲型,我國95%以上的感染者為人型。結核病為全身疾病,肺結核占90%。分為原發性肺結核、血行播散型肺結核、繼發型肺結核、結核性胸膜炎、其他肺外結核等,也可按部位及臟器命名。結核病的傳染源主要是痰,傳播源為咳嗽、咳痰癥狀,通過咳嗽或打噴嚏等把含有結核菌的飛沫散播于空氣中,健康人吸入含有結核菌的飛沫可受到感染。感染程度主要受結核病人排菌量、咳嗽癥狀以及接觸的密切程度等因素的影響。健康人受到結核菌感染后,不一定發生結核病,這主要取決于感染結核菌毒力的大小和感染者抵抗力高低,結核病較難形成流行性傳染病。2000年抽樣調查結果顯示,我國結核菌感染者為4億多人,占全球20%,結核病患者500萬人,每年新發患者130萬人,占全球的25%,其中耐藥肺結核高達46%,被WHO列為特別引起警示的國家和地區,近年隨著國家的高度重視,2018年我國結核病新發人數為82萬人,結核病新發大幅下降。

                                                 

                                                2003年SARS來臨后,我國有了流行性的空氣感染傳染病,理論上空氣傳播的病毒主要在人的呼吸系統中,其排出物主要是飛沫或痰,而在人體消化系統中存在的幾率較低。后來有實驗人員在糞便中也檢測到SARS冠狀病毒,病毒可通過洗手、糞便等途徑進入污水,然而目前尚未在文獻中查到在糞便或污水中病毒濃度的相關數據。

                                                 

                                                2019新型冠狀病毒(COVID-19),自2019年12月以來,我國從湖北開始流行新型冠狀病毒肺炎而被發現,最早定義為新型冠狀病毒感染的肺炎,后改為新型冠狀病毒肺炎,簡稱新冠肺炎,其病毒2020年2月11日被世界衛生組織命名,其中“Co”代表“冠狀病毒”,“Vi”為“病毒”,“D”為“疾病”,早期定義為2019-nCoV,2019 Novel Coronavirus。這種新型冠狀病毒(COVID-19)與2003的SARS冠狀病毒(SARS-CoV))相似度在85%左右,根據目前測試,該病毒主要通過呼吸系統傳播,在糞便和尿中也已經檢測到。

                                                 

                                                關于傳染病醫院的污水處理消毒,我國過去多以滅活肝炎病毒和結核桿菌為主,然而SARS冠狀病毒和新型冠狀病毒的病原學特征與其有明顯不同,污水處理消毒應根據不同病毒的特性來確定。

                                                 

                                                02

                                                新冠病毒與其他傳染病病毒或細菌生物特性研究

                                                2.1 肝炎病毒

                                                肝炎病毒直徑為27nm,有空心和實心兩種。甲型肝炎病毒呈球形,無包膜,核酸為單鏈RNA;乙型肝炎病毒呈球形,具有雙層外殼結構,外層相當于一般病毒的包膜,核酸為雙鏈DNA;對丙型肝炎病毒、丁型肝炎病毒和戊型肝炎病毒目前尚在研究之中。

                                                 

                                                甲型肝炎病毒100℃、5min或紫外線1h殺死,當采用消毒劑消毒時,1mg/L的Cl2可以殺死;乙型肝炎病毒100℃、20min殺死,一般濃度的消毒劑不能殺死。

                                                 

                                                肝炎病毒在污水中的存活時間為70d。

                                                 

                                                2.2 結核分枝桿菌

                                                結核分枝桿菌為細長略帶彎曲的桿菌,大小1~4×0.4μm。菌無芽孢、無鞭毛,在細胞壁外尚有一層莢膜,對結核分枝桿菌有一定的保護作用。

                                                 

                                                結核分枝桿菌細胞壁中含有脂質,故對乙醇敏感,在70%乙醇中2min死亡。此外,脂質可防止菌體水分丟失,故對干燥的抵抗力特別強。粘附在塵埃上保持傳染性8~10d,在干燥痰內可存活6~8個月。結核分枝桿菌對濕熱和紫外線敏感,在液體中加熱62~63℃,15min或煮沸即被殺死,直接日光照射數小時可被殺死,可用于結核患者衣服、書籍等的消毒。

                                                 

                                                結核桿菌在污水中的存活時間為330~420d。

                                                 

                                                2.3 大腸桿菌

                                                由于污水中往往存在多種致病菌或病毒,因此,在研究消毒劑殺滅污水中致病微生物時常采用某些非致病的微生物作為指示微生物,大腸桿菌是最常用的指示微生物。目前我國醫院污水消毒常用的次氯酸鈉、氯氣、二氧化氯、臭氧等常規水處理消毒劑,均能有效殺滅污水中的糞大腸菌群,滅活能力方面,臭氧、二氧化氯和次氯酸鈉依次降低。如試驗樣品中大腸桿菌的濃度為4.2×106 CFU/mL,次氯酸鈉消毒劑投加10mg/L,消毒時間20min,二氧化氯投加8mg/L,消毒時間20min,大腸桿菌全滅活率100%。城市污水處理廠的運行實踐中也證明大腸菌群的滅活率在98.94%~100%之間。

                                                 

                                                2.4 噬菌體

                                                由于水中的一些動物性病毒(主要是腸道病毒)比大腸桿菌具有更強的穩定性,僅以大腸桿菌作為水質安全性指標不能很好地評價水的病毒學安全性,于是開始尋找更合適的病毒指示微生物。噬菌體作為細菌病毒,在污水中普遍存在,其數量高于腸道病毒,具有病毒的共同特性,有嚴格的宿主特異性,對人類和動物不具有感染性,可保證試驗的安全性,而且噬菌體的滅活試驗和人類致病性病毒的滅活試驗相比,大部分的試驗原理是一樣的。美國EPA已提出采用大腸桿菌噬菌體作為病毒指示生物。目前,噬菌體作為模式病毒,已被用于評價水和污水的處理效率、闡明病毒滅活機理以及改進病毒監測方法等領域的研究。

                                                 

                                                大腸桿菌f2噬菌體屬于無包膜單鏈RNA病毒,其生物學特性與甲型肝炎病毒、脊髓灰質炎病毒相似,對消毒劑的抵抗力與致病性腸道病毒相似。研究表明大腸桿菌f2噬菌體經56℃、20min或70℃、10min,滅活對數值為5,即滅活效率為0.99999。有效氯250mg/L,作用時間20min,滅活對數值為4.18,而脊髓灰質炎病毒的滅活對數值大于5;當有效氯500mg/L,作用時間5min,f2噬菌體和脊髓灰質炎病毒滅活對數值均大于5。

                                                 

                                                2.5 SARS冠狀病毒

                                                2003年5月3日,世界衛生組織發表了中國香港特別行政區政府病毒實驗室、香港大學Queen Mary醫院、日本國家傳染病研究所、德國 Marburg大學實驗室的研究結果:塑料表面的SARS病毒在室溫下至少能夠生存2d,在有腹瀉病人的糞便中至少能夠生存4d,SARS病毒的一個顯著特點是怕熱不怕冷,-80℃和4℃至少生存4d,甚至21d,在37℃條件下,SARS病毒存活不到4d,在56℃時,病毒的生存時間不超過30min。這些結果表明SARS病毒的生存能力比人們想象的要頑強得多。

                                                 

                                                2004年,軍事醫學科學院王新為等通過實驗研究了氯和二氧化氯滅活SARS冠狀病毒的效果。采用 SARS冠狀病毒加標方法觀察病毒在糞便、尿液及不同水體中的存活情況,采用次氯酸鈉和二氧化氯消毒污水中的SARS冠狀病毒,觀察滅活病毒效果。結果表明,加標的SARS冠狀病毒在體外環境中的存活情況隨溫度而異,20℃避光條件下在醫院污水、生活污水和脫氯自來水中只能存活2d,在糞便中可以存活3d,在生理鹽水中可以存活14d,在尿液中可以存活17d;4℃情況下,SARS冠狀病毒在上述各種水體中均可以存活14d以上,在糞尿中可以存活17d以上。SARS冠狀病毒在污水中對消毒劑的抵抗力比大腸桿菌及f2噬菌體都低,在相同加氯量或余氯量情況下,氯制劑對SARS冠狀病毒的滅活效果優于二氧化氯。當污水中游離余氯量保持在0.5mg/L(氯制劑)或2.19mg/L(二氧化氯)以上時可以保證完全滅活污水中的SARS冠狀病毒,但對大腸桿菌和f2噬菌體則不能完全滅活。從而得出結論SARS 冠狀病毒在體外環境中存活時間短,對氯和二氧化氯敏感。

                                                 

                                                研究表明SARS冠狀病毒不論對環境因素還是消毒劑都很敏感,在環境中SARS冠狀病毒很容易失去感染性。在進行醫院污水SARS冠狀病毒濃集加標試驗時發現,加入的f2噬菌體可以平均回收127.1%,而加入的SARS冠狀病毒卻只能回收1.05%。此前該團隊已證實采用病毒濃集方法對多種腸道病毒均具有較好的回收效果:f2噬菌體的平均回收率為97.3%,脊髓灰質炎病毒回收率88.7%,甲型肝炎病毒為98.2%,??刹《緸?2.1%,柯薩奇病毒為94.9%。試驗認為該結果可能是由于SARS冠狀病毒的抵抗力低,對環境因素敏感,在濃集過程中由于病毒表面受到損傷而使其失去了感染性。這說明與肝炎病毒、大腸桿菌、f2噬菌體相比,SARS冠狀病毒對環境和常用消毒劑的抵抗能力更低。

                                                 

                                                2.6 新冠病毒

                                                2019新型冠狀病毒(COVID-19),因2019年武漢新型冠狀病毒肺炎病例而被發現。國家衛健委《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案(試行第五版)》(2020年2月5日發布)中指出,新型冠狀病毒屬于β屬的新型冠狀病毒,有包膜,顆粒呈圓形或橢圓形,常為多形性,直徑60~140nm。根據最新研究顯示,2019新型冠狀病毒與SARS病毒的7個基因片段的同源性高于90%,根據這一標準,新型冠狀病毒與SARS病毒屬于同一個"種"。

                                                 

                                                目前對COVID-19理化特性的認識多來自對SARS-CoV和MERS-CoV的研究。COVID-19病毒物理特性與SARS病毒類似,對紫外線和熱敏感,56℃30min、乙醚、75%乙醇、含氯消毒劑、過氧乙酸和氯仿等脂溶劑均可有效滅活病毒,氯己定不能有效滅活病毒。

                                                 

                                                2.7 對比結果分析

                                                通過以上文獻研究分析認為,鑒于新冠病毒與SARS冠狀病毒理化特性的相似性,新冠病毒對消毒劑的抵抗力遠低于我國目前常見傳染病肝炎病毒、結核菌、大腸桿菌和f2噬菌體指示微生物,采用消毒工藝處理醫院污水,其所含的新冠病毒完全能夠得到有效的滅活。

                                                 

                                                03

                                                新冠病毒感染的肺炎污水處理工藝研究

                                                3.1 工藝選擇

                                                根據世界衛生組織WHO的要求,我國現行國家規范《綜合醫院建筑設計規范》(GB51039-2014)對污水處理做出如下規定:當醫療污水排入有城市污水處理廠的城市排水管道時,應采用消毒處理工藝;當醫療污水直接或間接排入自然水體時,應采用二級生化污水處理工藝。其出水水質應符合現行國家標準《醫療機構污水排放要求》GB18466的有關規定。

                                                 

                                                2017年我國城市污水處理總量為465.5億m³,污水處理率94.54%,基本已經完成了城市全覆蓋,綜合經濟、環保、安全等多方面因素考慮,當醫院污水有條件排入城市污水處理廠時,無需進行二級生化污水處理工藝,可根據《綜合醫院建筑設計規范》(GB51039-2014)的規定,采用消毒處理工藝。

                                                 

                                                我國現行國家標準《傳染病醫院建筑設計規范》(GB 50849-2014)規定的傳染病污水處理要求采用二級生化處理工藝,這是繼承了《醫院污水處理設計規范》(CECS07-88)我國傳統的傳染病病毒性肝炎和肺結核病而言。但對于應急醫院,其建設周期短,若考慮生化處理工藝,調試運行周期過長,通常至少是1個月左右,盡管現代微生物技術大幅提高,可以接種自城市污水處理廠,但效果很難保證,因此,考慮到實際應用與二級生化污水處理的初期運行特性,以及消毒完全可以控制SARS病毒和新型冠狀病毒對水體的影響,綜合考慮應急醫院的高效運行,推薦采用消毒工藝處理新型冠狀病毒應急醫療設施生活污水。

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