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研究中心，天津 300074）

　　摘 要：文章介紹了再生水廠在運行過程中的健康風險評價程序，提出了在不同的接觸途徑和方式下的一次感染風險和年風險水平，以及在可接受風險水平下再生水的最低接觸量，對我國的再生水廠的運行管理具有重要借鑒意義。
　　關鍵詞：再生水；風險評價；年風險

1 再生水風險評價概述

　　再生水是否可以用于某種用途取決于水的物理、化學和微生物方面的特性。排入城市污水系統的工業廢水會帶入一些化學成分，這些成分對污水的生物處理和其后的再生水水質都會產生不利影響。
　　對于城市污水經過處理后再用于非飲用的情況，人們最關心的問題是出現病原菌傳播導致傳染病的可能性。雖然目前還沒有可靠的流行病學上的證據能夠證明，再用經過適當處理的污水引起疾病的爆發，但水的再用可能傳播傳染性疾病仍是公眾關心的問題。原污水中可能存在的主要病原菌可以分為三大類，即細菌、寄生蟲（原生動物和蠕蟲）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的完整性等有很大關系。目前糞大腸菌和總大腸菌是常用于評價糞污染水平和相關健康風險的評價指標，水質標準中常常根據用水方式的不同采用其中一種或兩種。
　　然而，糞大腸菌只是對細菌性病原體的指示性很好，在預測腸道原生動物和病毒的滅活性和去除效果方面，相關關系卻很差。例如Lechevalli和Norton^[1]發現應用大腸菌和溫度為參數的多階段回歸模型預測水體中賈第蟲卵囊的變化水平時，只有57％的相關性，通過細菌指示生物水平來正確預測隱孢子蟲卵囊水平的模型目前還沒有。
　　因此在已經滿足水質標準的飲用水使用過程中，隨著致病原生動物和病毒產生的水介疾病爆發事件越來越多，采用指示性細菌作為水質標準中微生物的唯一評價指標的局限性越來越明顯。再生水相對飲用水來說，無論在處理程度還是水質監測要求，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，而且強調了風險管理等措施，但應用風險評價程序可以預測再生水對人體的風險性，為環境條例的制定提供指導。
　　對那些具有潛在致癌性或其他已知健康效應的化學物質，已經開發出一套風險評價程序方法，并在科學界得到一定程度的認可。飲用水的健康風險評價是1974年國會制定的“安全飲用水法”中強制要求才開始進行的，至此很多有關飲用水中污染物的健康風險方面的研究和報告出現，美國環保局根據這些研究和評價結果制定了大量有機和無機化合物的最大污染物水平值(MCLs)。美國“地表水處理條例”根據地表水體中致病菌的假設存在水平，應用風險評價方法規定了一定的處理工藝要求，以使原生動物和病毒感染的年風險幾率小于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。但有關人類致病菌的健康風險評價不似化學物質的評價方法先進，接受程度不高。在1991年舉辦的美國和以色列再生水會議上和制定美國國家再利用準則中對建立再生水標準的定量風險評價方法非常關注，但方法的有效性和接受程度還未得到充分認可，目前還沒有根據定量風險評價方法而制定的消毒標準、再生水標準、致病微生物的水質標準^{[3, 4]}。
　　根據假設的接觸水平以及監測數據，目前微生物的風險評價主要用于非飲用目的的再生水系統，對可飲用供水的再生水系統還沒有公認的可用評價方法。

2 微生物風險評價程序

　　近年來，微生物的接觸的健康風險的方法一直在研究和開發中。這些方法對NRC制定的對化學污染物的評價的四步式方法進行改進，以更適宜微生物感染的特性。
　　微生物風險評價是描述感染和致病的風險和可能性的過程，包括潛在危害的評價、對潛在危害的可能接觸路徑、一定劑量的接觸導致感染或致病的幾率。這些致病幾率與政策可接受風險值相比較，如果致病幾率小于可接收風險值，則認為該水體的微生物濃度產生的健康風險是可接受的，否則應提高處理工藝，降低污染物濃度。不同國家有不同的可接受風險水平，如美國環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險不應超過1/10000人/年。一般來說，可接受風險水平應根據本地的流行病、社會文化和環境條件而異。
　　微生物風險評價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生的有毒物質。不同的危害可以通過程序的幾個步驟來確定不同的臨界狀態點，有些情況可能需要對每個確定的危害進行風險評價。
　　風險評價的第二步是危害特性分析。這一步是確定致病菌和負面影響的關系，可能包括劑量－反應評價。一些致病菌的劑量－反應資料可以通過臨床研究和流行病學調查得到。對大多數致病菌，可能無法獲得有用的劑量－反應資料，或者資料對易感人群無效，如兒童或免疫功能缺陷的個人。微生物致病結果可以是傳染率（沒有明顯疾病癥狀）、發病率或死亡率，感染對象可以是一般人群，也可以是高接觸的易感人群。危害鑒定一般以出現疾病癥狀為危害終點，但有些微生物傳染并不一定出現疾病癥狀。雖然發病率也很重要，但在微生物的危害鑒定中，從安全角度出發，一般考慮的是傳染率。
　　第三步是暴露評價。暴露評價階段要確定風險因子對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。對于非直接飲用再利用，人體對再生水的暴露量和再利用用途有關，暴露評價中應考慮的因素：接觸介質、接觸途徑、接觸數量、接觸持續時間、暴露人群大小、暴露人群的地方流行病史、暴露的時間和地點，包括是一次接觸還是多次反復接觸、接觸人群的生活習慣、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、并發疾病、遺傳病史、懷孕、營養狀態、接觸人群的分布、社會/行為習慣。暴露評價首先是確定通過水、食物、氣溶膠、皮膚接觸等直接接觸途徑的攝入量，第二個考慮的問題是每個接觸途徑的病菌攝入數量，應注意由于在到達終端用戶之前的貯存和配水過程中，微生物濃度可能出現的變化。
　　最后一步是根據劑量-反應評定和暴露評價的結果，計算人群可能出現預期反應概率，即年風險值。

3 風險評價內容

　　由于水體中原生動物和病毒的監測程序復雜，即使在美國也只是在亞利桑那州的再生水標準中有專門對病毒濃度的規定，目前的普遍認為的觀點是在達到一定處理要求的前提下，是可以保證再生水的原生動物和病毒濃度在安全范圍以內的。
　　下面以彼得斯堡（St. Petersburg）再生水廠的微生物檢測濃度為例分析再生水對人體產生的健康風險。
　　彼得斯堡再生水系統位于佛羅里達州的第四大城市彼得斯堡市，不僅是美國建設的第一個再生水系統，而且也是全世界最大的一個再生水系統。
　　彼得斯堡再生水系統始建于20世紀七十年代末，當時只局限于高爾夫球場、公園、學校和大商業區的用戶。經過從七十年代末到八十年代初的大量生物學研究調查，佛羅里達環保局和美國環保局同意擴建再生水系統。1986年，投資達1000萬美元的再生水系統完工，包括用戶也僅為有限的居民區和商業地點。此后，再生水系統一直在擴建中。目前的再生水系統規模為16×10⁴m³/d，服務人口達10483，擁有四個再生水廠，470km的再生水管網。再生水系統已經成為整個城市節水工作的重要部分。
　　彼得斯堡污水處理廠和再生水廠至今已運行20多年，再生水規模為6×10⁴m³/d。深度處理工藝采用雙介質的快速砂濾池，在線同時投加聚鋁混凝劑。消毒工藝采用加氯消毒，工藝要求非常嚴格，要求4mg/L氯，接觸時間45分鐘。消毒出水進入貯水池，容積3×10⁴m³，水池中總氯平均濃度一般為2.5mg/L，停留時間16～24h，出水主要用于高爾夫球場和居民區的景觀灌溉。
3.1 一次感染風險
　　在分析水樣的腸道病毒時，由于一些因素和限制如培養基、分析設備、試驗能力和成本的問題，一般不可能去鑒定存在的病毒個體。因此在使用該模型評價風險時，必須首先假定存在的病毒類型。很多調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，則總風險可能只接近按高度傳染病毒假定的1/3。
　　采用的劑量－反應風險模型^{[5, 6]}見表1。不同病毒表現出的感染性不同，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攝取量為100mL。風險評價結果見表2。從表中可看出中度感染性病毒的感染風險數量級遠低于攝取相同數量的高度感染性病毒風險。

表1 風險模型

生物名稱

公式

參數

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 =攝取的生物體數量

表2 St. Petersburg再生水廠研究中風險估計

生物名稱

濃度#/100L (a)

接觸量#/100mL

單位

估計風險水平(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濃度
　　　(b) 對接觸的個人估計的傳染風險.
　　　(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 年風險
　　假設P_i為人體攝入一定劑量再生水一次受感染風險，P_a為受感染年風險，n為一年當中暴露次數，則年風險表示為：P_a=1－（1－P_i）ⁿ
　　表2對彼得斯堡再生水的風險分析結果僅考慮了再生水的單一來源攝取量100mL的一次感染風險，但在進行經濟效益分析和決策時依據的通常是長期接觸的風險，因此可以應用簡單的概率計算用于估計更長期接觸再生水的風險，如年風險值。表3分別為4個不同類別的接觸形式的計算結果。第1列為個體通過氣溶膠接觸的一般情形，接觸量（攝取量）估計為0.1mL/d，共365天。第2列為高爾夫運動者和公園參觀人員，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，保守估計為1mL/天，365天/年。所有案例中，均采用平均濃度。

表3 年風險

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風險水平下的致病菌濃度
　　大多數采用人類致病菌定量風險模型來制定水質標準時，將可接受風險限值定為1×10^-4。美國環保局在考慮飲用水時可接受的年風險限值為1×10^-4。
　　但微生物風險的特性使1×10^-4風險限值的有效性一直存在疑問。Haas提出了一些觀點^[5]，認為定量風險評價的結果使美國的水生疾病可能高達每年百萬例，這對應年疾病率為百分之一(1×10^-2)，他建議目前的限值(1×10^-4)可能太嚴格。
　　原生動物病原體采用1×10^-4限值的定量風險評價在建立飲用水和地下水消毒標準時也有一定困難。美國EPA的Dr. Bruce Macler^[8]認為地表水處理和地表水強化處理條例中感染比例1/10000人/年是不可行的，還認為該風險限值將導致病原體標準等級低于檢測水平，而最終導致必須對所有地下水進行消毒處理才能滿足要求。
　　Rose和Farrah^[9]報告指出在娛樂水體有關的風險評價中通常采用1×10^-3。其他人在評價娛樂水體時也有采用1×10^-4。
　　一般來說，可接受風險水平應根據本地的流行病、社會文化和環境條件而異。
　　表4說明的是當達到1×10^-4風險水平時對應的再生水中致病菌濃度。據單一時間，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風險水平時的病原體濃度

生物名稱

單位

達到1×10^-4風險水平所需濃度 (#/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風險時的攝取量
　　可以應用風險模型計算導致1×10^-4風險的再生水消耗量。表5列舉了導致1×10^-4感染風險的再生水攝取量。計算結果是根據St. Petersburg研究中檢測的致病菌平均濃度。從表中可看出對所有生物體，再生水攝取量都可能超過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為是安全的。

表5 達到1×10^-4風險水平所需攝取量

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 結論
　　在再生水的應用過程中，最首要關心的是再生水對人體的健康風險，尤其是病原菌的危害，因此在水廠的運行過程中跟蹤評價對人體可能的風險值是很必要的，而且對制定再生水的水質指標也有重要意義。
　　在我國再生水的應用還處于起步階段，很多未知因素考慮可能不是很完善，所以應有一定的評價程序預測使用過程的危害，該風險實例對我國的再生水實踐具有很好的借鑒意義。

參考文獻

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