廖飛鳳，鄭興燦，鞠宇平，尚巍，孫永利
（國家城市給水排水工程技術(shù)研究中心，天津 300074）

　　摘 要：文章介紹了再生水廠在運(yùn)行過程中的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)程序，提出了在不同的接觸途徑和方式下的一次感染風(fēng)險(xiǎn)和年風(fēng)險(xiǎn)水平，以及在可接受風(fēng)險(xiǎn)水平下再生水的最低接觸量，對(duì)我國的再生水廠的運(yùn)行管理具有重要借鑒意義。
　　關(guān)鍵詞：再生水；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；年風(fēng)險(xiǎn)

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^[1]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1/10 000人^[2]。
　　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)^{[3, 4]}。
　　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。
　　采用的劑量－反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)模型^{[5, 6]}見表1。不同病毒表現(xiàn)出的感染性不同，表1只列舉了高度感染性的輪狀病毒和中度感染性的艾科病毒。分析中采用的再生水?dāng)z取量為100mL。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。從表中可看出中度感染性病毒的感染風(fēng)險(xiǎn)數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)低于攝取相同數(shù)量的高度感染性病毒風(fēng)險(xiǎn)。

表1 風(fēng)險(xiǎn)模型

生物名稱

公式

參數(shù)

艾柯病毒12（中度感染）

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

I=0.374 J=186.7

輪狀病毒（高度感染）

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

I=0.26 J=0.42

隱孢子蟲

P_i=1-e^-rN

r=0.00467

賈第蟲

P_i=1-e^-rN

r=0.0198

　　　　　　注釋：P_i =疾病傳染率；N =攝取的生物體數(shù)量

表2 St. Petersburg再生水廠研究中風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)

生物名稱

濃度#/100L (a)

接觸量#/100mL

單位

估計(jì)風(fēng)險(xiǎn)水平(b)

備注

輪狀病毒

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)

輪狀病毒

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)

隱孢子蟲

0.75

7.5×10^-4

卵囊

3.5×10^-6

(d)(g)

隱孢子蟲

5.35

5.35×10^-3

卵囊

2.5×10^-5

(f)(g)

賈第蟲

0.49

4.9×10^-4

包囊

9.8×10^-6

(d)(g)

賈第蟲

3.3

3.3×10^-3

包囊

6.6×10^-5

(f)(g)

注釋: (a) St. Petersburg 再生水廠的再生水檢測(cè)濃度
　　　(b) 對(duì)接觸的個(gè)人估計(jì)的傳染風(fēng)險(xiǎn).
　　　(c) 假定所有病毒均為高傳染性的輪狀病毒.
　　　(d) 再生水中檢測(cè)的平均濃度.
　　　(e) 假定所有病毒均為中度傳染性的艾科病毒 12.
　　　(f) 再生水中檢測(cè)的最大濃度.
　　　(g) 假定所有包囊和卵囊均可繁殖
　　　(h) 單位PFU蝕斑形成單位

3.2 年風(fēng)險(xiǎn)
　　假設(shè)P_i為人體攝入一定劑量再生水一次受感染風(fēng)險(xiǎn)，P_a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：P_a=1－（1－P_i）ⁿ
　　表2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(jiǎn)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。表3分別為4個(gè)不同類別的接觸形式的計(jì)算結(jié)果。第1列為個(gè)體通過氣溶膠接觸的一般情形，接觸量（攝取量）估計(jì)為0.1mL/d，共365天。第2列為高爾夫運(yùn)動(dòng)者和公園參觀人員，接觸量為1年平均60天，1mL/d。第3列為居民住戶接觸量，150天/年，1mL/d。第4列為一般住戶的再生水接觸量，保守估計(jì)為1mL/天，365天/年。所有案例中，均采用平均濃度。

表3 年風(fēng)險(xiǎn)

生物名稱

假定的接觸量

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

輪狀病毒 (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

隱孢子蟲

1.3×10^-6

2.1×10^-6

5.3×10^-6

1.3×10^-5

賈第蟲

3.5×10^-6

5.8×10^-6

1.5×10^-5

3.5×10^-5

　　注釋: (a) 假定所有病毒均為高度傳染性的輪狀病毒.
　　　　　(b) 假定所有病毒均為中度傳染性的艾科病毒
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)^[5]，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^[8]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^[9]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。
　　表4說明的是當(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。

表4 1×10^-4風(fēng)險(xiǎn)水平時(shí)的病原體濃度

生物名稱

單位

達(dá)到1×10^-4風(fēng)險(xiǎn)水平所需濃度 (#/100L)

0.1mL

1mL

10mL

100mL

輪狀病毒 (a)

PFU

165

16.5

1.65

0.165

艾科病毒 (b)

PFU

50,000

5,000

500

50

隱孢子蟲

卵囊

22,000

2,200

220

22

賈第蟲

包囊

5,000

500

50

5

　　注釋: (a) 假定所有病毒均為高度傳染性的輪狀病毒.
　　　　　(b) 假定所有病毒均為中度傳染性的艾科病毒.
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。表5列舉了導(dǎo)致1×10^-4感染風(fēng)險(xiǎn)的再生水?dāng)z取量。計(jì)算結(jié)果是根據(jù)St. Petersburg研究中檢測(cè)的致病菌平均濃度。從表中可看出對(duì)所有生物體，再生水?dāng)z取量都可能超過1.0L。
　　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。

表5 達(dá)到1×10^-4風(fēng)險(xiǎn)水平所需攝取量

生物名稱

體積 (L)

輪狀病毒 (高度感染性)

1.65

艾科病毒 (中度感染性)

500

隱孢子蟲

2.9

賈第蟲

1.0

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。

參考文獻(xiàn)

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