解躍峰、馬軍：飲用水廠病毒去除與控制效能分析

小編說：

開年以來，新型冠狀病毒疫情牽動著所有人的心。近日小編查閱相關(guān)資料，想了解病毒在水中的存活時間，發(fā)現(xiàn)病毒的生命力比想象中更加頑強(qiáng)。比如之前引發(fā)SARS的冠狀病毒，在人體排泄物中可以存活4天，零攝氏度下甚至可以“無限期存活”。針對本次新型冠狀病毒，1月31日發(fā)表于《The new england journal of medicine》“First Case of 2019 Novel Coronavirus in the United States”的美國研究結(jié)果表明，在患者糞便中發(fā)現(xiàn)了新型冠狀病毒。我國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》并未對病毒濃度作出規(guī)定，那么，在特殊時期，飲用水廠應(yīng)該如何防控病毒呢?《給水排水》特約解躍峰教授和馬軍院士聯(lián)合撰寫相關(guān)文章，以供參考借鑒，本文將刊登于《給水排水》2020年第3期。

飲用水廠腸道病毒去除與控制

賓州州立大學(xué) 解躍峰教授

哈爾濱工業(yè)大學(xué)/中國工程院 馬軍院士

病毒是水中一類重要的病原微生物。根據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)《Guidelines for Drinking-Water Quality》第四版，飲用水中健康風(fēng)險高的病毒包括腸道病毒、甲肝病毒、戊肝病毒、輪狀病毒、諾如病毒和札幌病毒等，健康風(fēng)險適中的病毒包括腺病毒和星狀病毒。而關(guān)于冠狀病毒在飲用水中的特性和行為報導(dǎo)不多，世界衛(wèi)生組織WHO認(rèn)為其在飲用水中的健康風(fēng)險還不確定或尚缺乏證據(jù)(evidence is inconclusive or lacking)。近年來，飲用水廠病毒控制引起人們的關(guān)注，本文通過簡要綜述與分析飲用水中腸道病毒的去除與控制效能，為控制飲用水中的微生物風(fēng)險提供參考和借鑒。

美國環(huán)保局(USEPA)飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對菌落總數(shù)、總大腸菌群 (包括糞大腸菌群和大腸埃希氏菌)、軍團(tuán)菌、病毒、隱孢子蟲、賈第鞭毛蟲微生物指標(biāo)進(jìn)行了限定，其中病毒指腸道病毒，要求病毒的削減率不低于4 log(即99.99%)。水中微生物的削減一般通過處理工藝的去除和后續(xù)消毒工藝的滅活來實(shí)現(xiàn)。處理工藝之后殘留的病毒需通過控制消毒工藝CT值來實(shí)現(xiàn)滅活。CT值為消毒劑有效濃度(即消毒劑余量)(C值，單位：mg/L)與有效接觸時間(T值，單位：min)的乘積，與微生物種類、消毒劑類型和有效濃度、水溫和pH值等密切相關(guān)， 如表1所示。針對現(xiàn)行的“混合+絮凝+沉淀+過濾”的常規(guī)處理工藝，當(dāng)濾后水濁度低于0.3 NTU時，USEPA認(rèn)可病毒的去除率為2 log(即99%)。如果自由氯消毒的CT值為5.8 mg/(L?min)(比如，0.5 mg/L自由氯余量和11.6分鐘的有效接觸時間)，病毒的消毒滅活率為2 log(即99%)。病毒通過去除和滅活的總削減率為4 log (即99.99%)，達(dá)到USEPA去除標(biāo)準(zhǔn)。

表1. 不同消毒劑病毒滅活的CT值和劑量

(針對腸道病毒，水溫為1 oC，紫外的為腺病毒)

根據(jù)美國環(huán)保局(USEPA)《Long Term 2 Enhanced Surface Water Treatment Rule: Toolbox Guidance Manual》整理得出

雖然我國現(xiàn)行《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB5749-2006)》尚未對病毒的最高允許濃度進(jìn)行限定，但《標(biāo)準(zhǔn)》中對濁度和消毒的要求也間接地保證了飲用水處理工藝對病毒的削減，即去除和滅活。我國《標(biāo)準(zhǔn)》要求龍頭水濁度低于1 NTU。為了達(dá)到此濁度標(biāo)準(zhǔn)，水廠一般要求更低的濾后水濁度。如果水廠濾后水濁度為0.3 NTU以下，病毒的去除率可達(dá)到2 log。我國《標(biāo)準(zhǔn)》同時要求，出廠水中游離氯余量不得小于0.3 mg/L，接觸時間不得小于30 min，計算得到CT值為9.0 mg/(L?min)，滿足病毒滅活率大于3 log的要求。病毒通過去除和滅活的總削減率為5 log (即99.999%)。如果水廠濾后水濁度為0.5-1.0 NTU，病毒的去除率也應(yīng)大于1 log(即90%)。我國《標(biāo)準(zhǔn)》自由氯消毒標(biāo)準(zhǔn)的CT值為9.0 mg/(L?min)，對應(yīng)病毒滅活率大于3 log。病毒通過去除和滅活的總削減率為1 + 3 = 4 log (即99.99%)，也達(dá)到USEPA病毒去除標(biāo)準(zhǔn)。我國《標(biāo)準(zhǔn)》同時規(guī)定供水管網(wǎng)中總余氯最低值為0.05 mg/L。管網(wǎng)中余氯或余二氧化氯也可以滅活致病菌，有效控制由于管網(wǎng)二次污染造成的微生物風(fēng)險。

我國《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定臭氧消毒時臭氧余量不得小于0.3 mg/L，接觸時間不得小于12 min。由于臭氧接觸反應(yīng)方式多樣，同時臭氧濃度在接觸池中變化較大，需根據(jù)實(shí)際設(shè)計參數(shù)與操作條件來計算其CT值。一般臭氧的病毒滅活率為2—4 log。在我國使用臭氧作為主消毒劑的水廠很少，但有相當(dāng)一部分水廠采用臭氧與生物活性炭聯(lián)用(O3-BAC)深度處理工藝，處理能力占全國地表水總處理量的10—20%。因此，采用臭氧消毒或O3-BAC深度處理工藝的水廠，對病毒的去除能力較強(qiáng)。對于有條件的水廠，采用臭氧和游離氯聯(lián)合消毒病毒滅活率更高，更為安全可靠。

按《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的最低消毒劑余量和接觸時間，氯胺和二氧化氯消毒可能難以達(dá)到2 log(99%)的病毒滅活率。對于含有氨氮的水質(zhì)，即使是投加氯(或次氯酸鈉)，當(dāng)氯與氨的比值小于7.6比1時(質(zhì)量比)，水中的氯實(shí)質(zhì)上主要以氯胺形式起消毒作用。盡管紫外線消毒對賈第蟲和隱孢子蟲“兩蟲”的滅活效果很好，但其病毒滅活的CT值(基于腺病毒)很高。紫外線照射強(qiáng)度(I值，單位：mW/cm2)與有效接觸時間(T值，單位：s)的乘積為IT值(即紫外線照射劑量)。滅活病毒2 log所需紫外線劑量值為100 mJ/cm2，遠(yuǎn)高于目前水廠常用的40 mJ/cm2劑量?，F(xiàn)有的紫外消毒設(shè)施可通過投加氯(次氯酸鈉)或臭氧有效地強(qiáng)化病毒的滅活。我國超濾工藝應(yīng)用越來越廣泛，一般將膜孔徑在0.05 μm以下的低壓膜定義為超濾膜。超濾單元對賈第蟲和隱孢子蟲等致病微生物有很好的去除效果，對細(xì)菌也有非常顯著的去除作用。而病毒尺寸小，超濾不能使之徹底去除，且去除率隨著膜工藝運(yùn)行條件和破損情況而變化。USEPA沒有明確定義超濾膜對病毒的去除率，美國絕大多數(shù)州不認(rèn)可超濾膜過濾對病毒的去除，要求消毒工藝具有4 log(即99.99%)病毒滅活率。

編輯：王媛媛