再生水厂微生物风险评价述评

廖飞凤，郑兴灿，鞠宇平，尚巍，孙永利
（国家城市给水排水工程技术研究中心，天津 300074）

　　摘 要：文章介绍了再生水厂在运行过程中的健康风险评价程序，提出了在不同的接触途径和方式下的一次感染风险和年风险水平，以及在可接受风险水平下再生水的最低接触量，对我国的再生水厂的运行管理具有重要借鉴意义。
　　关键词：再生水；风险评价；年风险

1 再生水风险评价概述

　　再生水是否可以用于某种用途取决于水的物理、化学和微生物方面的特性。排入城市污水系统的工业废水会带入一些化学成分，这些成分对污水的生物处理和其后的再生水水质都会产生不利影响。
　　对于城市污水经过处理后再用于非饮用的情况，人们最关心的问题是出现病原菌传播导致传染病的可能性。虽然目前还没有可靠的流行病学上的证据能够证明，再用经过适当处理的污水引起疾病的爆发，但水的再用可能传播传染性疾病仍是公众关心的问题。原污水中可能存在的主要病原菌可以分为三大类，即细菌、寄生虫（原生动物和蠕虫）和病毒。
　　水体中微生物安全水平与使用的指示粪污染的指示生物的选取、处理工艺效果以及配水系统的完整性等有很大关系。目前粪大肠菌和总大肠菌是常用于评价粪污染水平和相关健康风险的评价指标，水质标准中常常根据用水方式的不同采用其中一种或两种。
　　然而，粪大肠菌只是对细菌性病原体的指示性很好，在预测肠道原生动物和病毒的灭活性和去除效果方面，相关关系却很差。例如Lechevalli和Norton^[1]发现应用大肠菌和温度为参数的多阶段回归模型预测水体中贾第虫卵囊的变化水平时，只有57％的相关性，通过细菌指示生物水平来正确预测隐孢子虫卵囊水平的模型目前还没有。
　　因此在已经满足水质标准的饮用水使用过程中，随着致病原生动物和病毒产生的水介疾病爆发事件越来越多，采用指示性细菌作为水质标准中微生物的唯一评价指标的局限性越来越明显。再生水相对饮用水来说，无论在处理程度还是水质监测要求，都是明显不足，虽然在使用用途上，再生水主要用于人体接触较少的用途，而且强调了风险管理等措施，但应用风险评价程序可以预测再生水对人体的风险性，为环境条例的制定提供指导。
　　对那些具有潜在致癌性或其他已知健康效应的化学物质，已经开发出一套风险评价程序方法，并在科学界得到一定程度的认可。饮用水的健康风险评价是1974年国会制定的“安全饮用水法”中强制要求才开始进行的，至此很多有关饮用水中污染物的健康风险方面的研究和报告出现，美国环保局根据这些研究和评价结果制定了大量有机和无机化合物的最大污染物水平值(MCLs)。美国“地表水处理条例”根据地表水体中致病菌的假设存在水平，应用风险评价方法规定了一定的处理工艺要求，以使原生动物和病毒感染的年风险几率小于1/10 000人^[2]。
　　再生水中残留致病菌的感染的健康问题是再生水用户最为关心的方面，感染途径可能为摄取、直接接触、食用作物和呼吸。但有关人类致病菌的健康风险评价不似化学物质的评价方法先进，接受程度不高。在1991年举办的美国和以色列再生水会议上和制定美国国家再利用准则中对建立再生水标准的定量风险评价方法非常关注，但方法的有效性和接受程度还未得到充分认可，目前还没有根据定量风险评价方法而制定的消毒标准、再生水标准、致病微生物的水质标准^{[3, 4]}。
　　根据假设的接触水平以及监测数据，目前微生物的风险评价主要用于非饮用目的的再生水系统，对可饮用供水的再生水系统还没有公认的可用评价方法。

2 微生物风险评价程序

　　近年来，微生物的接触的健康风险的方法一直在研究和开发中。这些方法对NRC制定的对化学污染物的评价的四步式方法进行改进，以更适宜微生物感染的特性。
　　微生物风险评价是描述感染和致病的风险和可能性的过程，包括潜在危害的评价、对潜在危害的可能接触路径、一定剂量的接触导致感染或致病的几率。这些致病几率与政策可接受风险值相比较，如果致病几率小于可接收风险值，则认为该水体的微生物浓度产生的健康风险是可接受的，否则应提高处理工艺，降低污染物浓度。不同国家有不同的可接受风险水平，如美国环保局建议的水处理水平很高，要求消耗用水的人口通过饮用水感染的风险不应超过1/10000人/年。一般来说，可接受风险水平应根据本地的流行病、社会文化和环境条件而异。
　　微生物风险评价程序的第一步是危害的确定，包括来自致病微生物以及食物和水体的生物产生的有毒物质。不同的危害可以通过程序的几个步骤来确定不同的临界状态点，有些情况可能需要对每个确定的危害进行风险评价。
　　风险评价的第二步是危害特性分析。这一步是确定致病菌和负面影响的关系，可能包括剂量－反应评价。一些致病菌的剂量－反应资料可以通过临床研究和流行病学调查得到。对大多数致病菌，可能无法获得有用的剂量－反应资料，或者资料对易感人群无效，如儿童或免疫功能缺陷的个人。微生物致病结果可以是传染率（没有明显疾病症状）、发病率或死亡率，感染对象可以是一般人群，也可以是高接触的易感人群。危害鉴定一般以出现疾病症状为危害终点，但有些微生物传染并不一定出现疾病症状。虽然发病率也很重要，但在微生物的危害鉴定中，从安全角度出发，一般考虑的是传染率。
　　第三步是暴露评价。暴露评价阶段要确定风险因子对再生水的暴露量及暴露途径的影响。暴露途径主要有食物、饮水、呼吸和皮肤吸收等。对于非直接饮用再利用，人体对再生水的暴露量和再利用用途有关，暴露评价中应考虑的因素：接触介质、接触途径、接触数量、接触持续时间、暴露人群大小、暴露人群的地方流行病史、暴露的时间和地点，包括是一次接触还是多次反复接触、接触人群的生活习惯、再污染。暴露人群也有多种情况，是考虑一般人群还是易感人群，年龄、免疫状态、并发疾病、遗传病史、怀孕、营养状态、接触人群的分布、社会/行为习惯。暴露评价首先是确定通过水、食物、气溶胶、皮肤接触等直接接触途径的摄入量，第二个考虑的问题是每个接触途径的病菌摄入数量，应注意由于在到达终端用户之前的贮存和配水过程中，微生物浓度可能出现的变化。
　　最后一步是根据剂量-反应评定和暴露评价的结果，计算人群可能出现预期反应概率，即年风险值。

3 风险评价内容

　　由于水体中原生动物和病毒的监测程序复杂，即使在美国也只是在亚利桑那州的再生水标准中有专门对病毒浓度的规定，目前的普遍认为的观点是在达到一定处理要求的前提下，是可以保证再生水的原生动物和病毒浓度在安全范围以内的。
　　下面以彼得斯堡（St. Petersburg）再生水厂的微生物检测浓度为例分析再生水对人体产生的健康风险。
　　彼得斯堡再生水系统位于佛罗里达州的第四大城市彼得斯堡市，不仅是美国建设的第一个再生水系统，而且也是全世界最大的一个再生水系统。
　　彼得斯堡再生水系统始建于20世纪七十年代末，当时只局限于高尔夫球场、公园、学校和大商业区的用户。经过从七十年代末到八十年代初的大量生物学研究调查，佛罗里达环保局和美国环保局同意扩建再生水系统。1986年，投资达1000万美元的再生水系统完工，包括用户也仅为有限的居民区和商业地点。此后，再生水系统一直在扩建中。目前的再生水系统规模为16×10⁴m³/d，服务人口达10483，拥有四个再生水厂，470km的再生水管网。再生水系统已经成为整个城市节水工作的重要部分。
　　彼得斯堡污水处理厂和再生水厂至今已运行20多年，再生水规模为6×10⁴m³/d。深度处理工艺采用双介质的快速砂滤池，在线同时投加聚铝混凝剂。消毒工艺采用加氯消毒，工艺要求非常严格，要求4mg/L氯，接触时间45分钟。消毒出水进入贮水池，容积3×10⁴m³，水池中总氯平均浓度一般为2.5mg/L，停留时间16～24h，出水主要用于高尔夫球场和居民区的景观灌溉。
3.1 一次感染风险
　　在分析水样的肠道病毒时，由于一些因素和限制如培养基、分析设备、试验能力和成本的问题，一般不可能去鉴定存在的病毒个体。因此在使用该模型评价风险时，必须首先假定存在的病毒类型。很多调查人员的假定偏保守，即所有存在的病毒均为高度传染性的轮状病毒。如果假定存在的病毒平均分布在高度传染性病毒、中度传染性病毒、低传染性病毒之间，则总风险可能只接近按高度传染病毒假定的1/3。
　　采用的剂量－反应风险模型^{[5, 6]}见表1。不同病毒表现出的感染性不同，表1只列举了高度感染性的轮状病毒和中度感染性的艾科病毒。分析中采用的再生水摄取量为100mL。风险评价结果见表2。从表中可看出中度感染性病毒的感染风险数量级远低于摄取相同数量的高度感染性病毒风险。

表1 风险模型

生物名称

公式

参数

艾柯病毒12（中度感染）

P_i=1-(1+N/J)^-I

I=0.374 J=186.7

轮状病毒（高度感染）

P_i=1-(1+N/J)^-I

I=0.26 J=0.42

隐孢子虫

P_i=1-e^-rN

r=0.00467

贾第虫

P_i=1-e^-rN

r=0.0198

　　　　　　注释：P_i =疾病传染率；N =摄取的生物体数量

表2 St. Petersburg再生水厂研究中风险估计

生物名称

浓度#/100L (a)

接触量#/100mL

单位

估计风险水平(b)

备注

轮状病毒

0.01

1.0×10^-5

PFU (h)

6.2×10^-6

(c)(d)

艾科病毒

0.01

1.0×10^-5

PFU

2.0×10^-8

(d)(e)

轮状病毒

0.13

1.3×10^-4

PFU

8.0×10^-5

(c)(f)

艾科病毒

0.13

1.3×10^-4

PFU

2.7×10^-7

(e)(f)

隐孢子虫

0.75

7.5×10^-4

卵囊

3.5×10^-6

(d)(g)

隐孢子虫

5.35

5.35×10^-3

卵囊

2.5×10^-5

(f)(g)

贾第虫

0.49

4.9×10^-4

包囊

9.8×10^-6

(d)(g)

贾第虫

3.3

3.3×10^-3

包囊

6.6×10^-5

(f)(g)

注释: (a) St. Petersburg 再生水厂的再生水检测浓度
　　　(b) 对接触的个人估计的传染风险.
　　　(c) 假定所有病毒均为高传染性的轮状病毒.
　　　(d) 再生水中检测的平均浓度.
　　　(e) 假定所有病毒均为中度传染性的艾科病毒 12.
　　　(f) 再生水中检测的最大浓度.
　　　(g) 假定所有包囊和卵囊均可繁殖
　　　(h) 单位PFU蚀斑形成单位

3.2 年风险
　　假设P_i为人体摄入一定剂量再生水一次受感染风险，P_a为受感染年风险，n为一年当中暴露次数，则年风险表示为：P_a=1－（1－P_i）ⁿ
　　表2对彼得斯堡再生水的风险分析结果仅考虑了再生水的单一来源摄取量100mL的一次感染风险，但在进行经济效益分析和决策时依据的通常是长期接触的风险，因此可以应用简单的概率计算用于估计更长期接触再生水的风险，如年风险值。表3分别为4个不同类别的接触形式的计算结果。第1列为个体通过气溶胶接触的一般情形，接触量（摄取量）估计为0.1mL/d，共365天。第2列为高尔夫运动者和公园参观人员，接触量为1年平均60天，1mL/d。第3列为居民住户接触量，150天/年，1mL/d。第4列为一般住户的再生水接触量，保守估计为1mL/天，365天/年。所有案例中，均采用平均浓度。

表3 年风险

生物名称

假定的接触量

例1
0.1mL/d
365天/年

例2
1mL/d
60天/年

例3
1mL/d
150天/年

例4
1mL/d
365天/年

轮状病毒 (a)

2.3×10^-6

3.7×10^-6

9.3×10^-6

2.3×10^-5

艾科病毒 (b)

7.3×10^-9

1.2×10^-8

3.0×10^-8

7.3×10^-8

隐孢子虫

1.3×10^-6

2.1×10^-6

5.3×10^-6

1.3×10^-5

贾第虫

3.5×10^-6

5.8×10^-6

1.5×10^-5

3.5×10^-5

　　注释: (a) 假定所有病毒均为高度传染性的轮状病毒.
　　　　　(b) 假定所有病毒均为中度传染性的艾科病毒
3.3 1×10^-4风险水平下的致病菌浓度
　　大多数采用人类致病菌定量风险模型来制定水质标准时，将可接受风险限值定为1×10^-4。美国环保局在考虑饮用水时可接受的年风险限值为1×10^-4。
　　但微生物风险的特性使1×10^-4风险限值的有效性一直存在疑问。Haas提出了一些观点^[5]，认为定量风险评价的结果使美国的水生疾病可能高达每年百万例，这对应年疾病率为百分之一(1×10^-2)，他建议目前的限值(1×10^-4)可能太严格。
　　原生动物病原体采用1×10^-4限值的定量风险评价在建立饮用水和地下水消毒标准时也有一定困难。美国EPA的Dr. Bruce Macler^[8]认为地表水处理和地表水强化处理条例中感染比例1/10000人/年是不可行的，还认为该风险限值将导致病原体标准等级低于检测水平，而最终导致必须对所有地下水进行消毒处理才能满足要求。
　　Rose和Farrah^[9]报告指出在娱乐水体有关的风险评价中通常采用1×10^-3。其他人在评价娱乐水体时也有采用1×10^-4。
　　一般来说，可接受风险水平应根据本地的流行病、社会文化和环境条件而异。
　　表4说明的是当达到1×10^-4风险水平时对应的再生水中致病菌浓度。据单一时间，不同摄取途径考虑，摄取量为娱乐（游泳）用水100mL、居民采用软管灌溉为100mL、其他公共道路灌溉1mL、气溶胶接触量0.1mL。

表4 1×10^-4风险水平时的病原体浓度

生物名称

单位

达到1×10^-4风险水平所需浓度 (#/100L)

0.1mL

1mL

10mL

100mL

轮状病毒 (a)

PFU

165

16.5

1.65

0.165

艾科病毒 (b)

PFU

50,000

5,000

500

50

隐孢子虫

卵囊

22,000

2,200

220

22

贾第虫

包囊

5,000

500

50

5

　　注释: (a) 假定所有病毒均为高度传染性的轮状病毒.
　　　　　(b) 假定所有病毒均为中度传染性的艾科病毒.
3.4 1×10^-4风险时的摄取量
　　可以应用风险模型计算导致1×10^-4风险的再生水消耗量。表5列举了导致1×10^-4感染风险的再生水摄取量。计算结果是根据St. Petersburg研究中检测的致病菌平均浓度。从表中可看出对所有生物体，再生水摄取量都可能超过1.0L。
　　目前再生水的使用用途还主要局限在一些水质要求不高、公众接触较少的使用用途上，从接触摄取量来考虑，采用这种形式的处理工艺制取的再生水在理论上来讲是可以认为是安全的。

表5 达到1×10^-4风险水平所需摄取量

生物名称

体积 (L)

轮状病毒 (高度感染性)

1.65

艾科病毒 (中度感染性)

500

隐孢子虫

2.9

贾第虫

1.0

4 结论
　　在再生水的应用过程中，最首要关心的是再生水对人体的健康风险，尤其是病原菌的危害，因此在水厂的运行过程中跟踪评价对人体可能的风险值是很必要的，而且对制定再生水的水质指标也有重要意义。
　　在我国再生水的应用还处于起步阶段，很多未知因素考虑可能不是很完善，所以应有一定的评价程序预测使用过程的危害，该风险实例对我国的再生水实践具有很好的借鉴意义。

参考文献

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