2021, Vol. 41
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2. 北京市海淀区圆明园管理处, 北京 100084;
3. 北京市可持续城市排水系统构建与风险控制工程技术研究中心, 北京 100044
2. The Administrative Office of the Old Summer Palace, Haidian District, Beijing 100084;
3. Engineering Research Center of Sustainable Urban Sewage System Construction and Risk Control, Beijing 100044
当今世界, 水资源日益匮乏的问题已成为制约城市发展的瓶颈(聂靖璇等, 2017).再生水作为一种非传统的补充型水源, 因城市污水数量大且稳定, 同时不受其它自然条件的影响, 可以起到循环使用水资源、降低水价等作用, 已成为世界上大部分国家水资源的重要组成部分(Chhipi-Shrestha et al., 2017).目前, 再生水已经普遍用于许多领域, 如河流补水、景观用水、冬季融雪用水、冲厕用水和灌溉用水等(张昱等, 2017).城市景观水体对于补水的需求量较大, 并且对水质的要求相对较低, 因此, 以再生水作为缺水型城市景观水体的非常规补给水源已经成为当前国内外的普遍趋势.
再生水与天然水体不同的是其污染本底值较高, 城市污水处理厂的进水中往往含有大量溶解性有机物、溶解盐类、重金属和病原微生物(如细菌、病毒和寄生虫卵)等污染物质, 此类再生水的水质问题除了会影响水体本身外, 其包含的污染物可能会通过直接接触或空气扩散等途径对于人体健康造成一定的风险(Nichols et al., 2006).通常情况下, 按照相关水质标准进行生产的再生水厂可大幅度地削减污水原水中的污染物, 但对于微生物来说, 即使其在污水处理过程中被灭活, 在适宜的条件下仍有复活并继续增殖的可能, 对公共健康造成潜在的威胁.已有研究发现再生水经紫外消毒和人工湿地处理后, 总大肠菌群和粪大肠菌群在景观水中存在不同程度的复活和增殖现象(李萍等, 2017).因此, 探究再生水排入景观水环境后水体中微生物生长消亡的时空变化规律及其带来的健康风险是非常有必要的.
圆明园作为一个开放性的景观娱乐场所, 是北京城区内重要的湿地生态系统之一.自2007年开始, 便采用北京清河再生水厂的再生水作为其景观用水的唯一水源(于亚男等, 2015), 日进水量2×104~3×104 m3.园区接待游客数量较多, 人员流动密集, 2019年春节庙会期间接待游客数量高达29.1万人(沙璐等, 2019), 人群的微生物暴露风险较高.为考察再生水对人体的健康影响, 本文以北京圆明园为研究区域, 选取了FC(中国标准)、EC和ENT(美国、WHO、欧盟标准)3种指示微生物为研究对象, 探究了以再生水为补给水源的景观水体中指示微生物的时空变化规律, 并运用被广泛用于评估不同类型水体中微生物健康风险的QMRA模型, 量化了微生物对人体健康造成的风险, 同时探讨了人工湿地系统对再生水的处理效果及应用价值.
2 研究区域与方法(Materials and methods) 2.1 研究区域概况圆明园是一座位于北京市海淀区的大型风景园林, 主要由圆明园、长春园和绮春园3部分组成, 占地350万m2, 其中水面面积约为120万m2, 水面之间相互连通, 在园内形成完整的水系.近年来由于圆明园周边地区城市化建设进程加快, 缺水等问题逐渐凸显.圆明园在2007年年底开始使用北京市清河再生水厂的再生水作为景观水补给水源来解决用水的问题, 然而再生水中N、P浓度较高, 在夏季温度较高时极易爆发水华, 使得圆明园河湖水环境面临巨大的风险, 因此, 圆明园在园区内的部分地区实施了生态修复工程, 建立人工湿地系统来改善园区生态环境质量.圆明园可以作为典型再生水补给景观水体研究再生水对人体的健康风险, 同时也能探究人工湿地系统的作用和效果.
2.2 样品采集本研究于2018年7、8、10、11月和2019年3、5、6、7、9、11月对圆明园内景观水体多个节点进行取样.圆明园内水系目前全部依靠清河再生水厂的再生水进行补充, 园内地势西北高、东南低, 水体大体上自西北进水口向东南末端流, 根据园内水流路线, 在进水口、主要水面、连通处和末端均匀布设点位, 一共设置17个采样点.其中S4为福海采样点, 包含F1~F8共8个采样点, S3、F7、F8为福海、后海与周边水系连通处的采样点, S5~S10为末端采样点.所有采样点中, S1、S3、S6、S7、S8、S9、S10为进行人工湿地修复过的点位, 其余点为未修复过的点位.
| 表 1 各采样点的经纬度分布 Table 1 The latitude and longitude distribution of each sampling point |
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进行风险评价时根据区域特性将圆明园17个采样点依照水流方向与地理位置合并为5个部分(图 1), 上游A区为S1(进水口), 上游B区为S2和S3, 中游C区为S4(福海), 下游D区为S5~S7(东部末端水体), 下游E区为S8~S10(南部末端水体).本研究采样点和分区如图 1所示.
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| 图 1 圆明园采样点示意图(a)及福海中各采样点分布情况(b) Fig. 1 Map of sampling points in the Old Summer Palace(a) and the distribution of each sampling point in Fu Hai(b) |
每个采样点均在表层水0.5 m深处采集1.5 L水样, 进行水质检测后保存于车载冰箱中.采样结束后水样于实验室冰箱内4 ℃冷藏保存, 用于后续的指示微生物的检测.所有指示微生物均于1~3 d内分析完成.
2.3 样品测定本研究选取指示微生物FC、EC和ENT作为检测指标, 参照我国行业标准HJ-T347—2007滤膜法、USEPA标准EPA Method1603和EPA Method1600分别对FC、EC和ENT进行检测.
2.4 定量微生物风险评估(QMRA)本研究中建立的QMRA模型由危害识别、剂量-A反应评价、暴露评价、风险表征4部分组成(Michael, 1983).
2.4.1 危害识别水体中病原微生物种类繁多, 但由于数量通常较少, 在分离、培养和量化上比较困难, 在实践中一般都是通过检测指示微生物指示病原微生物的数量, 国内外常用的指示微生物指标包括总大肠菌(Total Coliforms, TC)、粪大肠菌(Fecal Coliforms, FC)、大肠埃希氏菌(Escherichia coli, EC)和肠球菌(Enterococci, ENT)等(孙傅等, 2012).FC来源于人和温血动物的粪便中, 通常被用来指示水体是否受粪便污染, 适用于各种水体, 也是我国评价地表水环境是否受病原微生物污染的常用标准；EC和ENT是目前EPA、欧盟和WHO等常用的娱乐用水等地表水体指示微生物, 适用于在淡水中病原微生物的指示, 并且其本身在浓度超过限值时也会引起人体的各种疾病, 如EC能够引起人的尿道感染, ENT则不仅会引起尿路感染和皮肤软组织感染, 还可引起危及生命的腹腔感染、败血症、心骨膜炎和脑膜炎等, 并且由于其固有耐药性, 所致感染治疗困难.因此, 本研究选取FC、EC、ENT 3种常用的指示微生物来探究景观水体中病原微生物的健康风险.
2.4.2 剂量-A反应评价剂量-A反应评价是将人体接触或摄入的病原微生物的数量与人体感染概率的关系用数学方程来表示的评价方法.进行剂量-A反应评价时要考虑的因素包括微生物种类、暴露途径、暴露水平、暴露频率等, 表 2汇总了文献中使用淡水中EC、ENT、FC 3种指示菌的剂量-A反应方程, 这些方程均适用于本研究涉及的水体, 每种指示微生物均有对应的剂量-A反应方程, 其中EC对应两个方程, 原因是EC与FC和ENT不同, 大多数的EC对人类没有致病性, 然而一部分类型的EC可以导致腹泻、败血症等疾病, 具有致病性, DR3便是用于表示致病性EC的感染风险.DR3中的d为微生物单次暴露剂量, DR1、DR2、DR4中的M为每100 mL水中的微生物浓度, 其变量要求为游泳时人体的微生物摄入剂量, 因此在进行非游泳途径的剂量-A反应评价时, 需要对方程中的变量M进行修正(Donovan et al., 2008), 修正方法见式(1).
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(1) |
| 表 2 指示微生物风险评价的剂量-反应方程 Table 2 Dose-response equations for indicating microbial risk assessment |
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式中, M′和M分别为修正后水体中的微生物浓度和水体中实际的微生物浓度, Vswim和Vnon-swim分别为游泳和其它非游泳暴露途径的摄入水量.
2.4.3 暴露评价病原微生物通过景观水体进入人体的主要方式有皮肤接触、呼吸吸入和饮水等, 本研究在实地调查中发现, 圆明园中指示微生物主要的暴露途径有以下4种.
① 水面作业：包括河道保洁、藻类清理、水生植物修剪等, 暴露对象主要为园内职业人群.
② 游船驾驶, 暴露对象为职业人群.
③ 划船, 主要对象是非职业人群.
④ 观景, 主要针对非职业人群.
考虑到圆明园在冬季冰冻期会暂停水面作业和所有型号游船的运营, 研究将职业人群水面作业和游船驾驶的频率确定为180 d·a-1.
由于空气中的病原微生物浓度很低, 难以取样后直接测定, 因此本研究讨论水体意外摄入暴露途径下的健康风险, 因此用剂量-A反应方程DR1、DR2、DR4计算微生物单次暴露浓度风险时, 要对方程中微生物浓度M进行修正, 修正方法参照胡洪营等(2013), 见式(2).
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(2) |
式中, M″为特定途径某一病原体的单次暴露剂量(个·100 mL-1)；M为在水中检测到的病原体的原始浓度(个·100 mL-1)；Vnon-swim为暴露人群单次活动意外摄入水体的体积(L·d-1)；0.63为人体吸收率(USEPA).
研究中选取的相关暴露参数直接或近似地参照Dorevitch(2011)的结果, 如表 3所示.对于非游泳途径暴露人群水体体积摄入值(Vnon-swim)主要参照孙傅(2013)的研究结果, 其中水面作业暴露人群需要用手部等多次接触水体, 造成水花飞溅, 因此认为其摄入体积与文献中涉水/溅水的摄入体积相当；游船驾驶、划船和观景的摄入体积参照文献中驾驶摩托艇和行走的摄入体积.本研究中划船和观景的暴露频率参考文献中划船和赏玩喷泉的调查结果；且由于南北差异不同, 考虑到圆明园冬季的冰冻期及北京当地工作时间, 因此本研究将水面作业和游船驾驶的暴露频率确定为180 d(除去冬季和双休日).本研究默认为各类暴露人群一天只进行一次暴露活动.
| 表 3 指示微生物健康风险相关的暴露参数 Table 3 Indicates exposure parameters associated with microbial health risks |
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对于研究水体进行暴露评价后得到的数据是微生物在某种暴露途径下单次暴露的健康风险Ps.设年暴露次数为N, 则暴露人群的年健康风险Py计算公式如式(3)所示.
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(3) |
本研究利用风险评估软件@RISK7.5进行Monte Carlo模拟方法, 迭代次数设为10000次.拟合得到各微生物最适宜的浓度分布模型, 用概率密度方法模拟复杂模型迭代中相互耦合的参数不确定性.
3 结果与分析(Results and discussion) 3.1 指示微生物分布特征2018—2019年ENT、EC和FC 3种指示微生物各区域的年平均浓度如图 2所示.从图 2a和2b可以看到, A区入水口处ENT、EC和FC 3种指示微生物的年平均浓度均远低于其他区域, 其中FC的年平均浓度低于200 CFU·L-1, 达到了《地表水环境质量标准》中规定的Ⅰ类水质.图 2a是水流方向1上3种指示微生物的年平均浓度变化, 指示微生物的年平均浓度在A区之后都有明显的上升, 其中ENT浓度不断上升, 在D区末尾达到了1836 CFU·L-1, 已经超过USEPA淡水娱乐用水中细菌浓度环境标准(《Ambient Water Quality Criteria for Bacteria—1986》)的限值1510 CFU·L-1, 容易对人体造成健康危害.FC和EC浓度有较大波动, 基本呈现中间高两端低的趋势, FC浓度最高时超过2000 CFU·L-1, 已经属于Ⅲ类水质, 而EC浓度远低于USEPA规定的限值5760 CFU·L-1, 可以认为EC及其指示的病原微生物污染问题不明显.图 2b为指示微生物年平均浓度在水流方向2上的变化情况, 可以看出指示微生物的年平均浓度呈现更为明显的中间高两端低趋势, S8处ENT和FC浓度均达到最大值, FC的年平均浓度甚至超过了6000 CFU·L-1, 而在S8之后3种指示微生物的浓度逐渐下降, 在末端的S10时浓度仅高于入水时的浓度, 水体受微生物污染程度较轻, E区对指示微生物浓度的削减较为明显.
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| 图 2 2018—2019年3种指示微生物各采样点年平均浓度(a.水流方向1；b.水流方向2) Fig. 2 Average annual concentrations of the three indicator microorganisms in each sampling point in 2018—2019(a.water flow direction 1; b.water flow direction 2) |
对比前文图 1a中采样点与生态修复区域的分布情况, 采样点中S1、S3、S6、S8、S9和S10属于已经经过人工湿地生态修复的区域, 其余采样点位则没有, 而恰好只有在这些点上指示微生物的年平均浓度才处于较低的水平或呈现降低趋势.有研究表明某些水生植物(如芦苇、香蒲等)的分泌物有抗菌性(Ottova et al., 1997), 富集在水生植物富氧的根际的微生物(如假单胞菌属)对大肠菌群也有抑菌性(Decamp et al., 1999).水流方向2上的E区整体都经过生态修复, 指示微生物的年平均浓度在E区内也有明显的下降趋势, 对比同为水流末端的D区, 只有S6附近的区域经过生态修复, 指示微生物的年平均浓度在S6时稍有下降, 在S7时则回升, 说明人工湿地生态修复对指示微生物有明显的削减作用, 能够在一定程度上抑制指示微生物的生长并减少其浓度, 降低其带来的健康风险.
3.2 定量风险评价 3.2.1 暴露浓度圆明园景观水体受自然因素和人为因素影响, 水体性质差异大, 因此水中的微生物浓度分布不连续, 为尽量减少单次浓度模型输入的不确定性, 本研究使用风险评估软件@RISK7.5对微生物浓度检测结果进行Monte Carlo拟合, 获得的5个区域的3种指示微生物年平均浓度列于表 4中.其中, 暴露浓度指“第50百分位”下的微生物浓度, 范围指95%置信区间下的浓度范围.拟合结果显示, 指示微生物浓度主要符合几何分布.A区由于其身为进水口的特殊性, 仅包括一个采样点, 样本量不足以做概率分布, 因此采用平均值作为暴露浓度, 范围为最小值到最大值.
| 表 4 各区域指示微生物风险的暴露浓度 Table 4 Each area indicates the exposure concentration of the microbial risk |
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由表 4中数据可知, 再生水进水口的微生物浓度处于整个景观水系的最低值, 暴露浓度可以比其他区域低1个数量级, 然而沿着水流方向暴露浓度均有一定幅度的上升, 末端区域D和E区的指示微生物浓度及其暴露浓度较高.3种指示微生物中, EC的暴露浓度较低, 整体浓度范围也在USEPA环境标准限值内, 而ENT和FC暴露浓度则普遍偏高, 在一些区域内的年平均浓度也超过了限值, 值得引起注意.
3.2.2 微生物单次暴露浓度风险图 3给出了根据表 2中剂量-A反应方程DR1~DR4计算得到的A~E 5个区域的水体的单次微生物暴露的健康风险, 箱式图表示不同暴露途径下微生物风险的概率分布, 其中箱体上下两边分别对应第75和第25百分位数, 箱体内的横线表示中位数, 纵向须线分别延伸至最小值和最大值.现有对于景观水体的研究常选取1.7×10-2作为景观娱乐水体单次微生物暴露的健康风险限值(孙傅等, 2013；陈晨等, 2017), 意味着单次暴露于微生物后患病的人数每100人中不能超过1.7人, 在图 3中以横向虚线表示.
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| 图 3 各区域单次微生物暴露的健康风险(a.区域A；b.区域B；c.区域C；d.区域D；e.区域E) Fig. 3 Health risks of single microbial exposure in each region |
从图 3中可以看到, 区域A~E的微生物单次暴露的健康风险普遍是可以接受的, 箱体普遍处于风险线之下.剂量-A反应方程DR2结果为负值是因为水体本身EC的浓度普遍较低, 作为单次微生物暴露的健康风险时可以忽略不计.
各区域中职业人群和非职业人群在4种不同暴露途径下的单次暴露风险相似, 非职业人群观景途径略低于其他3项.其中区域A的风险最大值为5.10×10-3；区域B结果中的风险最大值为1.14×10-2；区域C的风险最大值约为1.12×10-2；区域D的单次暴露风险最大值为1.37×10-2；区域E的风险最大值为1.25×10-2.5个区域中以位于末端的D区和E区的单次暴露风险最大, 与D区和E区指示微生物的浓度普遍较高的现象一致, 末端水域微生物污染的问题比较突出.
3.2.3 微生物年健康风险图 4展示了研究对象不同区域内的DR1-DR4 4种剂量-A反应方程的年健康风险值计算结果.由于5个区域指示微生物EC的剂量-A反应方程DR2计算出的单次暴露健康风险值都为负, 所以由公式(3)计算出的DR2年健康风险值为更低的负值, 说明对于研究对象来说, 以DR2计算的EC指示微生物的年健康风险是均可以忽略的, 因此在下面的讨论中不再赘述.
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| 图 4 各区域微生物暴露的年健康风险(a.区域A；b.区域B；c.区域C；d.区域D；e.区域E) Fig. 4 Annual health risks of microbial exposure in each regions |
从图 4中可以看到职业人群和非职业人群的年健康风险产生了较大的差别, 职业人群的风险值普遍高于非职业人群, 一个很重要的原因是职业人群由于工作需要, 暴露频次比较高, 健康风险值也随之上升.职业人群中负责水面作业和游船驾驶的职业人群年风险值相差不大.在非职业人群中, 划船带来的健康风险比较小, 而观景所带来的健康风险相对较高, 可能是由于在暴露参数的设定中观景的发生频次比划船高的原因, 使得观景健康风险较高于划船.
各人群在各区域指示微生物的年健康风险指数汇总如表 5所示, 从表 5中可以更加明显地看到职业人群的年健康风险远超过非职业人群, 其中区域B~E的职业人群DR4年健康风险评价结果最大值均高于0.8、DR1最大值均高于0.7, D区域DR4的结果最大值更是达到了0.9以上, 意味着进行水面作业和游船驾驶的职业人群出现ENT引起的疾病的概率接近1次, 而DR2和DR3普遍不超过10-3, 说明研究区域主要健康风险来源于FC和ENT.USEPA在地表水处理规范(SWTR)中规定的生活饮用水的可接受年健康风险为10-4 a-1, 也即每年每10000人中受到肠道疾病感染的人数小于或等于1人, 但对于景观娱乐水体的微生物风险来说以饮用水的标准来衡量偏于严格, 有研究者认为即使是使用10-3 a-1作为可接受的年健康风险也是较为安全的, 而在本研究中所有区域内FC和大部分区域内ENT的年健康风险中值(第50百分位数)都在10-2以上, 远高于10-3, 需要特别注意.从整体上来看, 年健康风险值的变化趋势与指示微生物年平均浓度变化趋势一致, 均在A区最低, 然后沿着水流方向逐渐升高, 在末端的D和E区风险值最高, 其中经过生态修复的E区总体年健康风险值稍低于只有部分区域进行过生态修复的D区.由前文分析知, E区对于指示微生物浓度的削减效果明显, 而E区年健康风险值仅稍低于D区的原因可能是由于S8处FC浓度较高导致总体年健康风险值偏高, 但是也仍旧说明生态修复的人工湿地工程能在一定程度上降低健康风险.另外, C区是圆明园中最大的景观湖——福海, 水面面积达28.5 hm2, 也是未进行生态修复的区域之一, 指示微生物的浓度经过已生态修复点位S3的削减后在这一区域开始回升, 尤其是FC的浓度比S3多了两倍有余, 年健康风险同样升高.因此, 园区需要对其他区域同样添加生态修复的人工湿地工程, 将人工湿地覆盖水流方向上的所有区域, 削减指示微生物浓度的同时降低健康风险, 同时需要为职业人员作出针对性的防范措施, 尽量降低职业人员较高的健康风险.
| 表 5 各人群在各区域指示微生物的年健康风险评价汇总 Table 5 Summary of annual health risk assessment of indicated microorganisms in each population area |
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1) 以ENT、EC和FC 3种指示微生物表征的圆明园再生水补给景观水的微生物污染情况中ENT和FC的年平均浓度较高, ENT最高值达到了1836 CFU·L-1, 超过了USEPA规定的限值；FC最高值达到6324 CFU·L-1, 只达到Ⅲ类地表水标准.而EC浓度较低, 污染问题比较不明显, 需要更多的关注ENT和FC污染的问题.
2) 以不同剂量-A反应方程表征的微生物单次暴露的健康风险最大值仅有1.37×10-2, 普遍低于限值1.7×10-2, 处在可接受的范围内, 职业与非职业人群的单次暴露健康风险无明显差异.
3) 从年健康风险来看, 在以再生水补给的景观水体周边进行活动的职业人群的健康风险最大值接近1, 远超非职业人群, 需要采取针对性的预防措施以降低健康风险.非职业人群年健康风险较低, 最大值接近0.5, 暴露途径为观景的人群健康风险比划船稍高.
4) 经过人工湿地生态修复的区域对指示微生物的浓度有明显的削减效果, 能够在一定程度上减少健康风险, 需要扩大生态修复区域, 覆盖整个水系, 进一步降低病原微生物带来的健康风险.
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