張嵐團(tuán)隊(duì)：飲用水中病毒的健康危害及控制
原文標(biāo)題：飲用水中病毒的健康危害及控制
作者：高圣華，張曉，張嵐
2019年12月以來(lái)，湖北省武漢市陸續(xù)發(fā)現(xiàn)多例不明原因肺炎病例，已被證實(shí)為一種新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）感染的急性呼吸道傳染病。2020年1月20日起，湖北省以外地區(qū)也開(kāi)始通報(bào)確診病例，疫情呈現(xiàn)全國(guó)蔓延之勢(shì)。自2020年1月23日，各地陸續(xù)啟動(dòng)重大突發(fā)公共衛(wèi)生事件一級(jí)響應(yīng)，全力應(yīng)對(duì)不斷發(fā)展的疫情?，F(xiàn)有的資料顯示，SARS-CoV-2的感染途徑是以近距離飛沫傳播和接觸傳播等方式為主。但有新的研究發(fā)現(xiàn)，在確診患者的糞便中檢測(cè)到了SARS-CoV-2 RNA，并進(jìn)一步從重癥感染患者糞便樣本中，分離出活的冠狀病毒，病毒通過(guò)糞-口傳播的可能性引發(fā)業(yè)界關(guān)注。（凈水技術(shù) | 鐘南山團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)室在患者糞便中檢出新冠活病毒）
長(zhǎng)期實(shí)踐表明，人類和動(dòng)物糞便是飲用水微生物污染的主要途徑，病原微生物的控制是飲用水安全保障的首要問(wèn)題。本文結(jié)合飲用水中病毒等微生物的健康危害、飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)病毒等指標(biāo)的控制要求，對(duì)飲用水中病毒的去除或滅活方法和效果進(jìn)行了探討，以期為飲用水中病毒等微生物的控制和飲用水安全保障提供技術(shù)支持。
1 病毒及其健康危害
病原微生物污染飲用水可導(dǎo)致介水傳染病的發(fā)生，影響公眾健康。因此，各國(guó)把控制飲用水的生物風(fēng)險(xiǎn)作為飲用水安全保障工作的重中之重。水中病原微生物主要包括病原菌、病毒和原生動(dòng)物（原蟲(chóng)及蠕蟲(chóng)）。病原菌主要包括大腸埃希氏菌、軍團(tuán)菌、傷寒桿菌、霍亂弧菌等；病毒主要包括腸道病毒、腺病毒、甲型肝炎病毒、諾如病毒、輪狀病毒等；原生動(dòng)物主要包括隱孢子蟲(chóng)、賈第鞭毛蟲(chóng)、痢疾阿米巴蟲(chóng)、麥地那龍線蟲(chóng)、血吸蟲(chóng)等。病原微生物對(duì)環(huán)境有一定的抵抗能力，可在自然環(huán)境中存活幾天、幾個(gè)月甚至更長(zhǎng)時(shí)間。病原微生物經(jīng)水傳播進(jìn)入人體，達(dá)到致病劑量時(shí)，可導(dǎo)致胃腸炎、腹瀉、痢疾、肝炎、霍亂、傷寒等多種疾病。
病毒是一種個(gè)體微小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只含一種核酸（DNA或RNA），必須在活細(xì)胞內(nèi)寄生，并以復(fù)制方式增殖的非細(xì)胞型生物。其生物學(xué)性狀主要包括：（1）體形大小多為20~300 nm不等，形態(tài)主要有球形、桿形和蝌蚪形；（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，最簡(jiǎn)單的病毒結(jié)構(gòu)由蛋白質(zhì)外殼和內(nèi)部的遺傳物質(zhì)組成，較復(fù)雜的病毒外邊有包膜（脂質(zhì)和糖蛋白）；（3）每一種病毒只含有一種核酸，即DNA或RNA；（4）缺乏完整的酶系統(tǒng)和代謝系統(tǒng)，只能利用宿主活細(xì)胞內(nèi)現(xiàn)成的代謝系統(tǒng)合成自身復(fù)制所需的核酸和蛋白質(zhì)成分；（5）病毒進(jìn)入宿主的活細(xì)胞后，借助于宿主細(xì)胞為其提供的原料、能量和酶等必要條件，以自我復(fù)制的方式進(jìn)行增殖；（6）嚴(yán)格的活細(xì)胞內(nèi)寄生，在離體條件下，能以無(wú)生命的生物大分子狀態(tài)存在，并保持其侵染活力；（7）有些病毒的核酸還能整合到宿主的基因組中；（8）一般對(duì)抗生素不敏感，但對(duì)干擾素敏感。介水傳播的病毒能夠感染人的胃腸道，并通過(guò)被感染人群的糞便排出體外，帶來(lái)水污染風(fēng)險(xiǎn)；呼吸道病毒通常經(jīng)飛沫傳播，有些呼吸道病毒也存在于糞便中，也可能會(huì)帶來(lái)潛在的水污染風(fēng)險(xiǎn)。不同病毒的結(jié)構(gòu)、成分、核酸組成和形態(tài)不盡相同，在環(huán)境介質(zhì)中的存活能力以及對(duì)水凈化過(guò)程及消毒劑的耐受力也不盡相同。
冠狀病毒是具有外套膜的單股正鏈RNA病毒，直徑約80~120 nm，在自然界中廣泛存在，可以感染人、豬、貓、犬、鼠、狼、雞、牛、蝙蝠與禽類脊椎動(dòng)物。近些年發(fā)現(xiàn)的致病性較高的人冠狀病毒包括嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒（SARS-CoV）、中東呼吸綜合征冠狀病毒（MERS-CoV）以及2019年的新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）。冠狀病毒通過(guò)呼吸道分泌物等方式排出體外，主要通過(guò)飛沫傳播和接觸傳播，該病毒引起的感染主要發(fā)生在冬春季。在確診重癥患者糞便中分離出活的冠狀病毒，提示應(yīng)嚴(yán)控與患者相關(guān)的糞便、污水的消毒處理，嚴(yán)防該病毒介水傳播。
表1 部分病毒對(duì)人體的健康影響及與供水相關(guān)的特性
注：a. 健康影響與疾病的發(fā)病率和嚴(yán)重程度相關(guān)，包括與疾病暴發(fā)事件的聯(lián)系；
b. 在20 ℃水中，傳染期的檢測(cè)時(shí)段（短期為少于一周；中等為一周至一月；長(zhǎng)期為一月以上）；
c. 對(duì)氯的耐受能力受凈水工藝和操作條件等因素的影響；這里假設(shè)按常規(guī)的劑量和接觸時(shí)間進(jìn)行處理，溫度為20 ℃，pH值為7~8時(shí)，病原體處于傳染期并游離分布于水中；對(duì)氯的耐受能力，低為在小于１min內(nèi)99%滅活，中等為99%滅活所需時(shí)間為1~30 min，高為99%滅活所需時(shí)間大于30 min
2 飲用水標(biāo)準(zhǔn)中病毒指標(biāo)的控制要求
2.1 我國(guó)飲用水標(biāo)準(zhǔn)
我國(guó)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2006）為全文強(qiáng)制的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)特別重視對(duì)微生物指標(biāo)的控制要求。標(biāo)準(zhǔn)條文中明確指出“生活飲用水中不得含有病原微生物?！铒嬘盟畱?yīng)經(jīng)消毒處理”；同時(shí)，對(duì)6項(xiàng)微生物指標(biāo)提出了限值要求，包括總大腸菌群（不得檢出）、大腸埃希氏菌（不得檢出）、耐熱大腸菌群（不得檢出）、菌落總數(shù)≤100 CFU/mL、賈第鞭毛蟲(chóng)<1 個(gè)/（10 L）和隱孢子蟲(chóng)<1 個(gè)/（10 L）；此外，還規(guī)定渾濁度限值為1 NTU（水源與凈水技術(shù)條件受限時(shí)為3 NTU）。但該標(biāo)準(zhǔn)中未列入病毒指標(biāo)。
2.2 WHO飲用水水質(zhì)準(zhǔn)則
2011年WHO出版了《飲用水水質(zhì)準(zhǔn)則》第4版，于2017年出版了增補(bǔ)版。準(zhǔn)則中列出了可能的水源性病毒病原體，如表1中前9項(xiàng)，并提及了SARS冠狀病毒，指出雖然部分證據(jù)認(rèn)為SARS冠狀病毒可通過(guò)吸入水滴傳播，但該病毒不屬于介水傳播病原微生物，不可能存在于飲用水中。對(duì)于包括病毒在內(nèi)的各項(xiàng)微生物指標(biāo)，準(zhǔn)則并未給出明確的指導(dǎo)值，只是從健康影響、感染源、暴露途徑等方面進(jìn)行了闡述；同時(shí)，要求做好水源防護(hù)，整合全面的水處理方法和檢測(cè)方法，建立多重屏障，防范病毒等微生物污染。
2.3 美國(guó)飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)
美國(guó)飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)由美國(guó)環(huán)保局（USEPA）負(fù)責(zé)制定，分為一級(jí)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)和二級(jí)推薦性標(biāo)準(zhǔn)。其中，一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了病毒（腸道病毒）的最大污染物濃度目標(biāo)值（MCLG）要求為0，最大污染物濃度（MCL）要求為病毒的去除/滅活率不低于99.99%（4 lg）。USEPA把渾濁度也列入到微生物指標(biāo)中，限值要求為95％的水樣要達(dá)到0.3 NTU，最大限值為1 NTU。
2.4 其他國(guó)家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)
歐盟和日本的飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中未列入病毒指標(biāo)。加拿大飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中列入了腸道病毒指標(biāo)，其控制要求和美國(guó)一致，即病毒去除/滅活率不低于99.99%。澳大利亞飲用水準(zhǔn)則中將大腸桿菌噬菌體作為飲用水是否受到糞便和（或）病毒污染的指示微生物指標(biāo)，規(guī)定100 mL飲用水中不應(yīng)檢出大腸桿菌噬菌體；同時(shí)，準(zhǔn)則中還列出腺病毒、腸道病毒、肝炎病毒、諾如病毒以及輪狀病毒作為參考指標(biāo)，但沒(méi)有給出限值。
3 飲用水中病毒的控制
3.1 水凈化過(guò)程及化學(xué)消毒對(duì)病毒的去除/殺滅效果
飲用水安全保障措施主要包括水源防護(hù)、集中凈化和消毒處理、管網(wǎng)輸送等。顯然，良好的水源是飲用水安全的基礎(chǔ)，水質(zhì)凈化處理是關(guān)鍵過(guò)程，尤其是消毒環(huán)節(jié)，是保障飲用水生物安全的重要屏障。
表2 混凝、沉淀、過(guò)濾等水處理過(guò)程對(duì)病毒的去除效果
由表2可知，混凝、沉淀、過(guò)濾等水處理過(guò)程對(duì)病毒的去除效果受到多種因素的影響，實(shí)踐中可通過(guò)控制渾濁度來(lái)評(píng)估水處理的效果。構(gòu)成渾濁度的物質(zhì)（如細(xì)菌、真菌、蛋白質(zhì)、腐殖質(zhì)、藻土等）對(duì)水中的病毒具有一定的吸附作用，同時(shí)對(duì)病毒也有保護(hù)作用，病毒在高濁度水中的存活時(shí)間更長(zhǎng)。因此，低渾濁度對(duì)去除病原體、保證飲用水安全，具有積極而重要的意義，在提高消毒劑消毒效率的同時(shí)可降低水中的細(xì)菌、病毒和原蟲(chóng)等微生物。據(jù)資料顯示，常規(guī)處理工藝對(duì)渾濁度的平均去除率約為98.83%。為滿足我國(guó)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2006）中規(guī)定的末梢水渾濁度不超過(guò)1 NTU的控制要求，水廠一般將出廠水的渾濁度控制在0.5 NTU或更低。資料表明，當(dāng)濾后水的渾濁度低于0.3 NTU時(shí)，病毒的對(duì)數(shù)去除率可達(dá)到2 lg。
消毒是殺滅微生物的重要環(huán)節(jié)。在消毒過(guò)程中，水廠通過(guò)控制CT值（消毒劑剩余濃度和接觸時(shí)間的乘積）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)微生物的滅活。我國(guó)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2006）要求，飲用水必須經(jīng)過(guò)消毒處理，并規(guī)定了氯及游離氯制劑、氯胺、臭氧、二氧化氯等常用化學(xué)消毒方式的使用要求，包括消毒劑的余量控制要求和與水的接觸時(shí)間，如表3所示。
表3 《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》消毒劑余量和接觸時(shí)間相關(guān)要求及CT值
病毒對(duì)消毒劑的抵抗力受到許多因素的影響，如水溫、pH、消毒劑類型等，即CT值的確定與上述因素密切相關(guān)。WHO《飲用水水質(zhì)準(zhǔn)則》等文獻(xiàn)給出了常用消毒劑在不同環(huán)境條件下滅活2 lg的病毒所需CT值，如表4所示。由表4可知，除氯胺外，其他消毒劑對(duì)病毒均具有較好的殺滅效果。但文獻(xiàn)中除氯胺消毒明確了試驗(yàn)對(duì)象是輪狀病毒外，其他消毒劑的數(shù)據(jù)均未明確試驗(yàn)對(duì)象。
表4 不同消毒劑對(duì)病毒滅活的CT值
USEPA針對(duì)甲型肝炎病毒也給出了不同病毒對(duì)數(shù)滅活率和環(huán)境條件下CT值的數(shù)據(jù)，如表5所示。
表5 不同消毒劑對(duì)甲型肝炎病毒滅活的CT值
由表5可知，水溫越高，達(dá)到同樣殺滅效果所需的CT值越小，即溫度是控制病毒殺滅的有利條件。氯胺在甲型肝炎病毒的殺滅效果上不盡如人意，這與WHO提供的信息一致。此外，針對(duì)同樣的殺滅效果，USEPA給出的CT值范圍比WHO給出的數(shù)值范圍要窄，總體數(shù)據(jù)偏低（臭氧除外），分析可能與試驗(yàn)對(duì)象不同有關(guān)。USEPA提供的原始文獻(xiàn)資料中明確試驗(yàn)對(duì)象是甲型肝炎病毒，推測(cè)WHO文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)來(lái)源于對(duì)多種病毒的試驗(yàn)結(jié)果，由于不同的病毒對(duì)消毒劑的敏感性會(huì)有一定差異，則WHO給出的范圍比較寬泛。Hoff給出的脊髓灰質(zhì)炎病毒和輪狀病毒在達(dá)到2 lg對(duì)數(shù)滅活率情況下各種消毒劑的CT值數(shù)據(jù)說(shuō)明了同樣的問(wèn)題，如表6所示。
表6 脊髓灰質(zhì)炎病毒和輪狀病毒2 lg滅活所對(duì)應(yīng)的CT值（5 ℃，pH值為 6~7）
除溫度之外，pH也是消毒效果的重要影響因素。White提供了游離氯制劑在不同溫度和pH條件下對(duì)柯薩奇病毒A2型滅活的CT值，如表7所示。由表7可知，在pH值為7.0~9.0時(shí)，pH值越低，CT值越小。表7的數(shù)據(jù)同樣表明，水溫是消毒的有利因素，水溫越高，所需的CT值越小。
表7 不同水溫和pH條件下柯薩奇病毒A2型2 lg滅活所對(duì)應(yīng)的CT值
冠狀病毒屬于有包膜的親脂類病毒，按照目前人類認(rèn)知的微生物對(duì)消毒處理的抗力大小，有包膜的病毒相對(duì)容易被消毒劑殺滅。目前，未見(jiàn)針對(duì)新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）的消毒劑抵抗力研究。王新為等采用病毒加標(biāo)的方法開(kāi)展了污水中SARS冠狀病毒的滅活試驗(yàn)。結(jié)果顯示，SARS冠狀病毒在污水中對(duì)消毒劑的抵抗力比大腸桿菌8099和大腸桿菌f2噬菌體都低，污水中游離氯余量在0.4 mg/L以上（水溫為20 ℃，消毒時(shí)間為30 min）時(shí)，SARS冠狀病毒可被完全滅活。
3.2 物理消毒對(duì)病毒的殺滅效果
將水煮沸和紫外線照射是常見(jiàn)的物理消毒方式。WHO資料表明，將水煮沸對(duì)病毒可以達(dá)到6 lg以上的殺滅效果；USEPA給出的紫外線對(duì)腺病毒的殺滅數(shù)據(jù)表明，水廠、二次供水設(shè)施和凈水器常用的的劑量（40 mJ/cm2）對(duì)腺病毒僅能達(dá)到0.5 lg的滅活效果，如表8所示。
表8 紫外線照射對(duì)腺病毒的對(duì)數(shù)滅活率與照射劑量的關(guān)系
3.3 膜過(guò)濾技術(shù)對(duì)病毒的去除效果
近年來(lái)，特別是《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2006）頒布實(shí)施以來(lái)，我國(guó)規(guī)?；畯S的水處理工藝得到普遍提升，臭氧活性炭等深度處理工藝逐漸增多，膜處理工藝也開(kāi)始得到應(yīng)用。膜處理技術(shù)是以壓力為推動(dòng)力的一種膜分離技術(shù)，通過(guò)不同孔徑尺寸的膜，將水中微生物、顆粒物甚至是溶解鹽從水中分離出去，基本不需要使用化學(xué)藥劑，產(chǎn)水水質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，受進(jìn)水波動(dòng)影響較小。膜過(guò)濾技術(shù)去除微生物的機(jī)理主要有兩種：（1）機(jī)械篩分，通過(guò)膜截留比自身孔徑大或與其孔徑相當(dāng)?shù)奈⑸镱w粒；（2）吸附截留，當(dāng)微生物穿過(guò)膜表面進(jìn)入膜內(nèi)部時(shí)，由于膜自身物理化學(xué)性質(zhì)和靜電引力的影響使它們沉積在膜孔側(cè)壁或膜內(nèi)部基質(zhì)上。被截留的微生物的尺寸原則上應(yīng)大于膜孔徑。根據(jù)孔徑的不同，膜可細(xì)分為反滲透（RO）膜、納濾（NF）膜、超濾（UF）膜和微濾（MF）膜等，其中，微濾膜孔徑最大，反滲透膜孔徑最小，4種膜與相應(yīng)可截留物質(zhì)的關(guān)系如圖1所示。
圖1 不同膜過(guò)濾技術(shù)可截留的物質(zhì)
病毒顆粒直徑很小，大多介于0.02~0.30 μm。從孔徑上看，微濾膜不足以去除病毒，但實(shí)際上微濾膜對(duì)病毒有一定的去除作用，這通常認(rèn)為是由于膜表面形成的濾餅層的作用，但濾餅層是不穩(wěn)定的，并容易通過(guò)反沖洗過(guò)程去掉，因此，實(shí)際上微濾并不適用于飲用水中病毒的去除。對(duì)于超濾技術(shù)目前仍存在爭(zhēng)議，美國(guó)的29個(gè)州中只有6個(gè)州認(rèn)可超濾對(duì)病毒的對(duì)數(shù)去除率可以達(dá)到1 lg及以上，更多的州更傾向于采用混凝、沉淀、過(guò)濾、消毒等組合工藝對(duì)病毒進(jìn)行控制；也有觀點(diǎn)認(rèn)為，超濾膜對(duì)病毒的截留遠(yuǎn)高于基于篩分原理的理論截留率，膜對(duì)病毒的分離過(guò)程不是簡(jiǎn)單的篩分過(guò)程，膜對(duì)病毒的吸附在膜的截留中具有重要地位，因此，超濾膜也有被應(yīng)用于病毒的去除或純化。納濾技術(shù)和反滲透技術(shù)能夠有效去除病毒，但因運(yùn)行成本較高等原因，目前在水廠應(yīng)用有限。需要注意的是，膜過(guò)濾過(guò)程對(duì)病毒沒(méi)有持續(xù)控制能力，為確保飲用水輸配過(guò)程安全有效，水處理過(guò)程需要配合消毒工藝的使用。另外，膜污染問(wèn)題也需要注意。4 小結(jié)
?。?）病原微生物污染飲用水可導(dǎo)致介水傳染病的發(fā)生，糞便污染是飲用水微生物污染的主要途徑。
（2）傳統(tǒng)的混凝、沉淀、過(guò)濾等水凈化過(guò)程對(duì)病毒有一定的去除效果，可通過(guò)控制渾濁度來(lái)評(píng)估水處理的效果，當(dāng)濾后水的渾濁度低于0.3 NTU時(shí)，病毒的對(duì)數(shù)去除率可達(dá)到2 lg。
?。?）化學(xué)消毒是殺滅微生物的重要措施，可通過(guò)控制CT值來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)微生物的有效滅活。水溫、pH、消毒劑類型、病毒種類等是影響消毒效果的重要因素。
?。?）物理消毒方法中，煮沸對(duì)病毒有很好的殺滅效果；紫外線劑量為40 mJ/cm2時(shí)，對(duì)腺病毒僅能達(dá)到0.5 lg的滅活。
?。?）微濾不適用于飲用水中病毒的去除，超濾對(duì)病毒的去除效果仍有爭(zhēng)議。膜處理過(guò)程需要配合消毒工藝以確保飲用水輸配過(guò)程的安全。
?。?）美國(guó)、加拿大等少數(shù)國(guó)家的飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了病毒的控制要求。我國(guó)飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中雖然沒(méi)有病毒指標(biāo)，但提出了生活飲用水應(yīng)經(jīng)消毒處理及對(duì)消毒的具體控制要求，同時(shí)規(guī)定了渾濁度的限值。水廠應(yīng)首先做好水源防護(hù)，并根據(jù)水源污染特征、環(huán)境條件及水處理工藝等情況，強(qiáng)化對(duì)渾濁度的控制，確保消毒措施有效運(yùn)行，加強(qiáng)消毒劑余量和微生物指標(biāo)監(jiān)測(cè)以及安全巡查，確保飲用水生物安全。
?。?）水廠應(yīng)加強(qiáng)衛(wèi)生管理和傳染病防控，供、管水人員應(yīng)身體健康，禁止患有礙飲用水衛(wèi)生疾病的人員和病原攜帶者直接從事供、管水工作，必要時(shí)供、管水人員也應(yīng)做好自身的健康防護(hù)。
本文即將發(fā)表于《凈水技術(shù)》2020年第3期“水務(wù)戰(zhàn)疫”專刊的“新冠肺炎疫情防控技術(shù)”專欄。
來(lái)源：凈水技術(shù)