再生水廠微生物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)述評(píng)
1 再生水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)概述
再生水是否可以用于某種用途取決于水的物理、化學(xué)和微生物方面的特性。排入城市污水系統(tǒng)的工業(yè)廢水會(huì)帶入一些化學(xué)成分,這些成分對(duì)污水的生物處理和其后的再生水水質(zhì)都會(huì)產(chǎn)生不利影響。
對(duì)于城市污水經(jīng)過處理后再用于非飲用的情況,人們最關(guān)心的問題是出現(xiàn)病原菌傳播導(dǎo)致傳染病的可能性。雖然目前還沒有可靠的流行病學(xué)上的證據(jù)能夠證明,再用經(jīng)過適當(dāng)處理的污水引起疾病的爆發(fā),但水的再用可能傳播傳染性疾病仍是公眾關(guān)心的問題。原污水中可能存在的主要病原菌可以分為三大類,即細(xì)菌、寄生蟲(原生動(dòng)物和蠕蟲)和病毒。
水體中微生物安全水平與使用的指示糞污染的指示生物的選取、處理工藝效果以及配水系統(tǒng)的完整性等有很大關(guān)系。目前糞大腸菌和總大腸菌是常用于評(píng)價(jià)糞污染水平和相關(guān)健康風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo),水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中常常根據(jù)用水方式的不同采用其中一種或兩種。
然而,糞大腸菌只是對(duì)細(xì)菌性病原體的指示性很好,在預(yù)測(cè)腸道原生動(dòng)物和病毒的滅活性和去除效果方面,相關(guān)關(guān)系卻很差。例如Lechevalli和Norton發(fā)現(xiàn)應(yīng)用大腸菌和溫度為參數(shù)的多階段回歸模型預(yù)測(cè)水體中賈第蟲卵囊的變化水平時(shí),只有57%的相關(guān)性,通過細(xì)菌指示生物水平來正確預(yù)測(cè)隱孢子蟲卵囊水平的模型目前還沒有。
因此在已經(jīng)滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的飲用水使用過程中,隨著致病原生動(dòng)物和病毒產(chǎn)生的水介疾病爆發(fā)事件越來越多,采用指示性細(xì)菌作為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中微生物的唯一評(píng)價(jià)指標(biāo)的局限性越來越明顯。再生水相對(duì)飲用水來說,無論在處理程度還是水質(zhì)監(jiān)測(cè)要求,都是明顯不足,雖然在使用用途上,再生水主要用于人體接觸較少的用途,而且強(qiáng)調(diào)了風(fēng)險(xiǎn)管理等措施,但應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)程序可以預(yù)測(cè)再生水對(duì)人體的風(fēng)險(xiǎn)性,為環(huán)境條例的制定提供指導(dǎo)。
對(duì)那些具有潛在致癌性或其他已知健康效應(yīng)的化學(xué)物質(zhì),已經(jīng)開發(fā)出一套風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)程序方法,并在科學(xué)界得到一定程度的認(rèn)可。飲用水的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是1974年國會(huì)制定的"安全飲用水法"中強(qiáng)制要求才開始進(jìn)行的,至此很多有關(guān)飲用水中污染物的健康風(fēng)險(xiǎn)方面的研究和報(bào)告出現(xiàn),美國環(huán)保局根據(jù)這些研究和評(píng)價(jià)結(jié)果制定了大量有機(jī)和無機(jī)化合物的最大污染物水平值(MCLs)。美國"地表水處理?xiàng)l例"根據(jù)地表水體中致病菌的假設(shè)存在水平,應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法規(guī)定了一定的處理工藝要求,以使原生動(dòng)物和病毒感染的年風(fēng)險(xiǎn)幾率小于1/10000人。
再生水中殘留致病菌的感染的健康問題是再生水用戶最為關(guān)心的方面,感染途徑可能為攝取、直接接觸、食用作物和呼吸。但有關(guān)人類致病菌的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)不似化學(xué)物質(zhì)的評(píng)價(jià)方法先進(jìn),接受程度不高。在1991年舉辦的美國和以色列再生水會(huì)議上和制定美國國家再利用準(zhǔn)則中對(duì)建立再生水標(biāo)準(zhǔn)的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法非常關(guān)注,但方法的有效性和接受程度還未得到充分認(rèn)可,目前還沒有根據(jù)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法而制定的消毒標(biāo)準(zhǔn)、再生水標(biāo)準(zhǔn)、致病微生物的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
根據(jù)假設(shè)的接觸水平以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),目前微生物的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)主要用于非飲用目的的再生水系統(tǒng),對(duì)可飲用供水的再生水系統(tǒng)還沒有公認(rèn)的可用評(píng)價(jià)方法。
2 微生物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)程序
近年來,微生物的接觸的健康風(fēng)險(xiǎn)的方法一直在研究和開發(fā)中。這些方法對(duì)NRC制定的對(duì)化學(xué)污染物的評(píng)價(jià)的四步式方法進(jìn)行改進(jìn),以更適宜微生物感染的特性。
微生物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是描述感染和致病的風(fēng)險(xiǎn)和可能性的過程,包括潛在危害的評(píng)價(jià)、對(duì)潛在危害的可能接觸路徑、一定劑量的接觸導(dǎo)致感染或致病的幾率。這些致病幾率與政策可接受風(fēng)險(xiǎn)值相比較,如果致病幾率小于可接收風(fēng)險(xiǎn)值,則認(rèn)為該水體的微生物濃度產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn)是可接受的,否則應(yīng)提高處理工藝,降低污染物濃度。不同國家有不同的可接受風(fēng)險(xiǎn)水平,如美國環(huán)保局建議的水處理水平很高,要求消耗用水的人口通過飲用水感染的風(fēng)險(xiǎn)不應(yīng)超過1/10000人/年。一般來說,可接受風(fēng)險(xiǎn)水平應(yīng)根據(jù)本地的流行病、社會(huì)文化和環(huán)境條件而異。
微生物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)程序的第一步是危害的確定,包括來自致病微生物以及食物和水體的生物產(chǎn)生的有毒物質(zhì)。不同的危害可以通過程序的幾個(gè)步驟來確定不同的臨界狀態(tài)點(diǎn),有些情況可能需要對(duì)每個(gè)確定的危害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。
風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的第二步是危害特性分析。這一步是確定致病菌和負(fù)面影響的關(guān)系,可能包括劑量-反應(yīng)評(píng)價(jià)。一些致病菌的劑量-反應(yīng)資料可以通過臨床研究和流行病學(xué)調(diào)查得到。對(duì)大多數(shù)致病菌,可能無法獲得有用的劑量-反應(yīng)資料,或者資料對(duì)易感人群無效,如兒童或免疫功能缺陷的個(gè)人。微生物致病結(jié)果可以是傳染率(沒有明顯疾病癥狀)、發(fā)病率或死亡率,感染對(duì)象可以是一般人群,也可以是高接觸的易感人群。危害鑒定一般以出現(xiàn)疾病癥狀為危害終點(diǎn),但有些微生物傳染并不一定出現(xiàn)疾病癥狀。雖然發(fā)病率也很重要,但在微生物的危害鑒定中,從安全角度出發(fā),一般考慮的是傳染率。
第三步是暴露評(píng)價(jià)。暴露評(píng)價(jià)階段要確定風(fēng)險(xiǎn)因子對(duì)再生水的暴露量及暴露途徑的影響。暴露途徑主要有食物、飲水、呼吸和皮膚吸收等。對(duì)于非直接飲用再利用,人體對(duì)再生水的暴露量和再利用用途有關(guān),暴露評(píng)價(jià)中應(yīng)考慮的因素:接觸介質(zhì)、接觸途徑、接觸數(shù)量、接觸持續(xù)時(shí)間、暴露人群大小、暴露人群的地方流行病史、暴露的時(shí)間和地點(diǎn),包括是一次接觸還是多次反復(fù)接觸、接觸人群的生活習(xí)慣、再污染。暴露人群也有多種情況,是考慮一般人群還是易感人群,年齡、免疫狀態(tài)、并發(fā)疾病、遺傳病史、懷孕、營養(yǎng)狀態(tài)、接觸人群的分布、社會(huì)/行為習(xí)慣。暴露評(píng)價(jià)首先是確定通過水、食物、氣溶膠、皮膚接觸等直接接觸途徑的攝入量,第二個(gè)考慮的問題是每個(gè)接觸途徑的病菌攝入數(shù)量,應(yīng)注意由于在到達(dá)終端用戶之前的貯存和配水過程中,微生物濃度可能出現(xiàn)的變化。
最后一步是根據(jù)劑量-反應(yīng)評(píng)定和暴露評(píng)價(jià)的結(jié)果,計(jì)算人群可能出現(xiàn)預(yù)期反應(yīng)概率,即年風(fēng)險(xiǎn)值。
3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)內(nèi)容
由于水體中原生動(dòng)物和病毒的監(jiān)測(cè)程序復(fù)雜,即使在美國也只是在亞利桑那州的再生水標(biāo)準(zhǔn)中有專門對(duì)病毒濃度的規(guī)定,目前的普遍認(rèn)為的觀點(diǎn)是在達(dá)到一定處理要求的前提下,是可以保證再生水的原生動(dòng)物和病毒濃度在安全范圍以內(nèi)的。
下面以彼得斯堡(St. Petersburg)再生水廠的微生物檢測(cè)濃度為例分析再生水對(duì)人體產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn)。
彼得斯堡再生水系統(tǒng)位于佛羅里達(dá)州的第四大城市彼得斯堡市,不僅是美國建設(shè)的第一個(gè)再生水系統(tǒng),而且也是全世界最大的一個(gè)再生水系統(tǒng)。
彼得斯堡再生水系統(tǒng)始建于20世紀(jì)七十年代末,當(dāng)時(shí)只局限于高爾夫球場(chǎng)、公園、學(xué)校和大商業(yè)區(qū)的用戶。經(jīng)過從七十年代末到八十年代初的大量生物學(xué)研究調(diào)查,佛羅里達(dá)環(huán)保局和美國環(huán)保局同意擴(kuò)建再生水系統(tǒng)。1986年,投資達(dá)1000萬美元的再生水系統(tǒng)完工,包括用戶也僅為有限的居民區(qū)和商業(yè)地點(diǎn)。此后,再生水系統(tǒng)一直在擴(kuò)建中。目前的再生水系統(tǒng)規(guī)模為16×104m3/d,服務(wù)人口達(dá)10483,擁有四個(gè)再生水廠,470km的再生水管網(wǎng)。再生水系統(tǒng)已經(jīng)成為整個(gè)城市節(jié)水工作的重要部分。
彼得斯堡污水處理廠和再生水廠至今已運(yùn)行20多年,再生水規(guī)模為6×104m3/d。深度處理工藝采用雙介質(zhì)的快速砂濾池,在線同時(shí)投加聚鋁混凝劑。消毒工藝采用加氯消毒,工藝要求非常嚴(yán)格,要求4mg/L氯,接觸時(shí)間45分鐘。消毒出水進(jìn)入貯水池,容積3×104m3,水池中總氯平均濃度一般為2.5mg/L,停留時(shí)間16~24h,出水主要用于高爾夫球場(chǎng)和居民區(qū)的景觀灌溉。
3.1 一次感染風(fēng)險(xiǎn)
在分析水樣的腸道病毒時(shí),由于一些因素和限制如培養(yǎng)基、分析設(shè)備、試驗(yàn)?zāi)芰统杀镜膯栴},一般不可能去鑒定存在的病毒個(gè)體。因此在使用該模型評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)時(shí),必須首先假定存在的病毒類型。很多調(diào)查人員的假定偏保守,即所有存在的病毒均為高度傳染性的輪狀病毒。如果假定存在的病毒平均分布在高度傳染性病毒、中度傳染性病毒、低傳染性病毒之間,則總風(fēng)險(xiǎn)可能只接近按高度傳染病毒假定的1/3。
3.2 年風(fēng)險(xiǎn)
假設(shè)Pi為人體攝入一定劑量再生水一次受感染風(fēng)險(xiǎn),Pa為受感染年風(fēng)險(xiǎn),n為一年當(dāng)中暴露次數(shù),則年風(fēng)險(xiǎn)表示為:Pa=1-(1-Pi)n
對(duì)彼得斯堡再生水的風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果僅考慮了再生水的單一來源攝取量100mL的一次感染風(fēng)險(xiǎn),但在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析和決策時(shí)依據(jù)的通常是長期接觸的風(fēng)險(xiǎn),因此可以應(yīng)用簡單的概率計(jì)算用于估計(jì)更長期接觸再生水的風(fēng)險(xiǎn),如年風(fēng)險(xiǎn)值。
3.3 1×10-4風(fēng)險(xiǎn)水平下的致病菌濃度
大多數(shù)采用人類致病菌定量風(fēng)險(xiǎn)模型來制定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí),將可接受風(fēng)險(xiǎn)限值定為1×10-4。美國環(huán)保局在考慮飲用水時(shí)可接受的年風(fēng)險(xiǎn)限值為1×10-4。
但微生物風(fēng)險(xiǎn)的特性使1×10-4風(fēng)險(xiǎn)限值的有效性一直存在疑問。Haas提出了一些觀點(diǎn),認(rèn)為定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的結(jié)果使美國的水生疾病可能高達(dá)每年百萬例,這對(duì)應(yīng)年疾病率為百分之一(1×10-2),他建議目前的限值(1×10-4)可能太嚴(yán)格。
原生動(dòng)物病原體采用1×10-4限值的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)在建立飲用水和地下水消毒標(biāo)準(zhǔn)時(shí)也有一定困難。美國EPA的Dr. Bruce Macler認(rèn)為地表水處理和地表水強(qiáng)化處理?xiàng)l例中感染比例1/10000人/年是不可行的,還認(rèn)為該風(fēng)險(xiǎn)限值將導(dǎo)致病原體標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)低于檢測(cè)水平,而最終導(dǎo)致必須對(duì)所有地下水進(jìn)行消毒處理才能滿足要求。
Rose和Farrah報(bào)告指出在娛樂水體有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中通常采用1×10-3。其他人在評(píng)價(jià)娛樂水體時(shí)也有采用1×10-4。
一般來說,可接受風(fēng)險(xiǎn)水平應(yīng)根據(jù)本地的流行病、社會(huì)文化和環(huán)境條件而異。
當(dāng)達(dá)到1×10-4風(fēng)險(xiǎn)水平時(shí)對(duì)應(yīng)的再生水中致病菌濃度。據(jù)單一時(shí)間,不同攝取途徑考慮,攝取量為娛樂(游泳)用水100mL、居民采用軟管灌溉為100mL、其他公共道路灌溉1mL、氣溶膠接觸量0.1mL。
3.4 1×10-4風(fēng)險(xiǎn)時(shí)的攝取量
可以應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)模型計(jì)算導(dǎo)致1×10-4風(fēng)險(xiǎn)的再生水消耗量。Petersburg研究中檢測(cè)的致病菌平均濃度。
目前再生水的使用用途還主要局限在一些水質(zhì)要求不高、公眾接觸較少的使用用途上,從接觸攝取量來考慮,采用這種形式的處理工藝制取的再生水在理論上來講是可以認(rèn)為是安全的。
4 結(jié)論
在再生水的應(yīng)用過程中,最首要關(guān)心的是再生水對(duì)人體的健康風(fēng)險(xiǎn),尤其是病原菌的危害,因此在水廠的運(yùn)行過程中跟蹤評(píng)價(jià)對(duì)人體可能的風(fēng)險(xiǎn)值是很必要的,而且對(duì)制定再生水的水質(zhì)指標(biāo)也有重要意義。
在我國再生水的應(yīng)用還處于起步階段,很多未知因素考慮可能不是很完善,所以應(yīng)有一定的評(píng)價(jià)程序預(yù)測(cè)使用過程的危害,該風(fēng)險(xiǎn)實(shí)例對(duì)我國的再生水實(shí)踐具有很好的借鑒意義。
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