垃圾填埋场是采用卫生填埋方式的垃圾集中堆放场地, 垃圾卫生填埋因成本低、卫生程度好、管理方便等优点成为处理处置生活垃圾常用和有效的方法, 在国内被广泛应用.发达国家如美国的垃圾填埋率为61%, 法国为60%, 中国垃圾填埋率超过85%.生活垃圾的主要组分包括：以厨余为主的可生物降解有机物; 塑料、废纸等可燃有机物以及砖瓦、煤渣、玻璃等无机物.其中可生物降解的有机物占比最高, 超过50%.

生活垃圾带有大量对人和动物有害的致病菌、病毒和寄生虫, 在垃圾填埋过程中, 附着在垃圾表面的微生物进入到垃圾堆填区周围空气中形成微生物气溶胶. Breza-Boruta^[1]对波兰北部的城市垃圾处理场微生物气溶胶研究结果显示, 嗜温细菌、丝状真菌和放线菌的总数达到了高达10⁴ CFU·m^-3的值, 大肠杆菌杆的数量保持在约10² CFU·m^-3的低水平. Agarwal^[2]研究印度首都新德里垃圾填埋量为1 200 t·d^-1的Okhla垃圾填埋场的微生物气溶胶, 监测到微生物气溶胶浓度高达(3.6×10⁶±3.1×10⁶)CFU·m^-3.北京市某垃圾填埋场作业区和覆盖区的空气细菌气溶胶浓度分别为2 000~18 045 CFU·m^-3和535~4 068 CFU·m^-3, 作业区空气细菌浓度较高, 且四季变化特征较覆盖区显著^[3].微生物气溶胶是含有生物性粒子的气溶胶, 包括细菌、病毒以及致敏花粉、霉菌孢子、蕨类孢子和寄生虫卵等, 除具有一般气溶胶的特性以外, 还具有传染性和致敏性^[4~6].悬浮在空气中的微生物及其有害代谢产物逸散到周围空气中, 造成垃圾填埋场的环境污染, 危害作业工人的身体健康^[7].

本研究分析了华北地区某生活垃圾卫生填埋场空气中的细菌气溶胶的浓度、粒径分布和种群结构, 比较作业区、覆盖区以及垃圾渗滤液处理区的细菌气溶胶的逸散特征, 探讨环境温度、相对湿度、风速等气象参数对细菌气溶胶的逸散水平、粒径分布的影响及相关性, 以期为有效削减和控制生活垃圾填埋过程产生的微生物气溶胶提供科学依据.

本研究在华北地区某生活垃圾卫生填埋场进行.该生活垃圾填埋场的填埋面积约30 000 m².每日生活垃圾填埋量为150~200 t.为了防止恶臭物质扩散和便于雨水分离, 对暂时不填埋的区域覆盖黏土层, 在黏土层上再覆盖2 mm厚的强度高、防渗性能好的高密度聚乙烯膜(HDPE).垃圾渗滤液采用升流式厌氧污泥反应器+膜生物反应器的工艺处理, 处理量约为30 m³·d^-1.在垃圾填埋场的作业区、覆盖区和垃圾渗滤液处理区分别设置5个采样点(SL-1~SL-5), 在上风向办公区也设置采样点SL-0, 采样点分布如图 1所示.

图 1

Fig. 1

图 1 采样点示意 Fig. 1 Diagram of the sampling points

采样分别于春季(4月)、夏季(8月)、秋季(10月)和冬季(12月)这4个季节进行, 每个季节取样2 d, 取样时间为09:00~11:00, 每个采样点每次采集2组平行样品. 2个安德森六级撞击式空气微生物采样器(228-9530K, SKC Gulf Coast Inc., 美国)同时工作, 收集填埋场空气中的生物气溶胶颗粒.该种采样器共有6级, 每级装有不锈钢筛板, 每个筛板布设400个精密加工的射流孔, 孔的直径逐级减少, 第一级直径>7.0 μm, 第六级直径>0.65~1.1 μm(表 1)^[8].每级筛板下面放置1个直径为90 mm、带有LB培养基(分析纯, 北京奥博星生物技术有限责任公司)的玻璃培养皿.抽吸泵将流量为28.3 L·min^-1的气流泵送至各级, 空气流速逐级增大, 从而把空气中的带菌粒子按粒径的大小, 分别捕获到各级培养皿上.空气微生物采样器均安装在带有适配器的三脚架上, 距离地面1.5 m(人体呼吸高度).每次取样3 min, 当吸入的空气量达到所需值时, 逐级取出培养皿, 迅速密封, 放入样品箱以防止污染.在采集样品的同时, 使用风速仪(HD2303.0/DELTAOHM, 意大利)和温湿度计(JWSK-SC, 中国)监测并记录采样时的风速、温度和空气相对湿度.

表 1 (Table 1)

表 1 安德森六级撞击式微生物采样器各级特性 Table 1 Level characteristics of the Anderson six-stage viable cascade impactor sampler 级数 捕获范围 /μm 孔径/mm 空气流速 /m·s-1 第1级 >7.0 1.18 1.08 第2级 4.7~7.0 0.91 1.79 第3级 3.3~4.7 0.71 2.97 第4级 2.1~3.3 0.53 5.28 第5级 1.1~2.1 0.34 12.77 第6级 0.65~1.1 0.25 23.29

表 1 安德森六级撞击式微生物采样器各级特性 Table 1 Level characteristics of the Anderson six-stage viable cascade impactor sampler

捕获微生物粒子的培养皿均放置在37℃恒温箱中培养48 h; 分别计数捕获的菌落数(CFU), 按式1计算空气微生物浓度(CFU·m^-3).采用Positive hole method方法对菌落数进行相应校正^[9].

(1)

式中, c：空气微生物浓度(CFU·m^-3); N_n:采样器第n级捕获的菌落数; Q：空气流量(L·min^-1); t：采样时间(min).

收集培养皿上生长的菌落, 使用PowerSoil^® DNA分离试剂盒(MoBIo, USA)提取空气微生物DNA, 并用1%琼脂糖凝胶电泳(120 V, 15 min)检测DNA提取质量.利用引物515F和907R对细菌16S rRNA的V3-V4区进行PCR扩增, 每份样品扩增3份. PCR产物经提取、纯化、混合, 然后利用高通量测序(Illumina, MiSeq PE300, USA)将纯化后的扩增片段构建PE 2×300的文库, PCR的条件和操作步骤与以往研究的描述相同^[10].原始测序序列去杂后, 利用QIIME(version 1.9.1)软件计算空气微生物群落丰度^[11].

利用RDA线性模型(Canoco5.0)分析细菌气溶胶浓度与环境参数(如温度、相对湿度和风速)的典型相关性(Monte Carlo permutation test).相关性用P值表示.当P值小于0.05时, 表明在95%的置信区间内具有统计学意义上的显著差异.

各采样点空气中细菌气溶胶的浓度如图 2所示.各个采样点均有生物气溶胶检出, 浓度(513±79)~(13 888±1 756)CFU·m^-3.其中, 垃圾填埋作业区的浓度达到(3 179±299)~(8 051±919) CFU·m^-3, 明显高于覆盖区(931±124)~(3 835±385) CFU·m^-3, 平均值大约是对照点[位于上风向的办公区(513±79)~(720±109) CFU·m^-3]的9倍, 大约是覆盖区的2倍.

图 2

Fig. 2

图 2 细菌气溶胶浓度 Fig. 2 Concentrations of airborne bacteria at each individual sampling point

以往的研究显示, 北京某垃圾填埋场作业区的空气细菌浓度最高可以达到18 045 CFU·m^-3[3].这项研究是在一年中的四个季节中进行的, 作业区四季空气细菌浓度均高于覆盖区.研究和比较台湾南部即将封场和已经封场的生活垃圾填埋场空气中的生物气溶胶逸散特征时, 也发现了类似的现象, 覆盖区与未覆盖区空气中生物气溶胶含量差异显著, 未覆盖区生物气溶胶含量较高, 平均3 769 CFU·m^-3, 是覆盖区的2~3倍^[12].本研究的生活垃圾填埋场采用卫生填埋的方式, 即倾倒一层生活垃圾(大约0.5 m厚), 将其推平压实, 再在其上覆盖0.2 m厚的黏土.在垃圾填埋场的作业区, 倾倒在场内的大量新鲜生活垃圾暴露于空气中; 推平压实过程中, 填埋作业机械对垃圾的搅动和翻动使其中大量微生物随细小颗粒物、灰尘、气体等逸散到周围空气中, 形成生物气溶胶.与其他环境逸散的微生物气溶胶相比^{[13, 14]}, 垃圾填埋场的释放量高, 是微生物气溶胶的重要排放源之一.

在覆盖区, 覆盖层由黏土层和HDPE膜组成, HDPE膜为高密度聚乙烯膜, 气密性较强, 膜内空间与外界空气交换受到阻碍, 黏土层及土层之下的垃圾产生的微生物、气体、灰尘等难以扩散到空气中, 因此, 对于已封场和暂时不填埋的区域, 在覆土层之上, 再覆盖HDPE膜, 避免垃圾暴露, 有效减少垃圾渗滤液和控制垃圾填埋气体污染的同时, 还能防止生活垃圾产生的生物源性污染物如生物气溶胶的排放.

与其它采样点相比, 垃圾渗滤液处理区生物气溶胶的浓度最高, 平均为9 460 CFU·m^-3.垃圾渗滤液污水处理采用曝气生化处理工艺.曝气生化处理工艺段是污水处理生物气溶胶的主要逸散源之一^[15]. Fathi等^[16]在生化池附近检测到大量的细菌气溶胶(741~2 817 CFU·m^-3).在A²/O工艺污水处理厂的空气中, 监测到有257~4 878 CFU·m^-3细菌生物气溶胶的排放^[11].垃圾渗滤处理过程中, 生化反应池设置曝气装置, 为渗滤液中有机物的生物转化提供充足的氧.充氧产生的细小气泡到达水面后会破裂成小碎片或小液滴, 渗滤液中的细菌、真菌、病毒、原生动物等活性微生物随小碎片或小液滴逸散到大气中, 气溶胶化后形成生物气溶胶.与生活污水相比, 垃圾渗滤液的有机质含量高, COD超过20 000 mg·L^-1, 产生的细菌气溶胶的量高于生活污水处理过程的产生量.另外, 垃圾渗滤液的处理设施均建在处理间内, 空间相对密闭, 通风性较差, 构筑物的外墙和房顶阻碍或减缓生物气溶胶的扩散, 造成大量生物气溶胶在处理间内的积累.垃圾渗滤液处理区空气中的细菌气溶胶的浓度远远超过国家室内空气质量标准(GB/T 18883-2002)的限定值2 500CFU·m^-3.因此, 渗滤液处理区在处理垃圾渗滤液的同时, 还应重视细菌气溶胶的削减和控制, 以防空气细菌引起的各类呼吸道疾病的发生.

垃圾填埋场不同区域空气生物气溶胶的粒径分布有明显差异(图 3).从作业区SL-1和SL-2采集的空气细菌, 其粒径主要分布在第3级和第4级, 粒径范围为2.1~4.7 μm, 在总细菌中所占比例分别为47.15%和53.98%.覆盖区空气中的细菌气溶胶粒子尺寸较小, 大约50%的细菌气溶胶(SL-3为49.93%; SL-4为51.51%)的粒径处于0.65~2.1 μm的范围, 分布在第5级和第6级.办公区空气中的细菌气溶胶粒径分布与覆盖区的类似, 具有0.65~2.1 μm粒径的细菌粒子比例较高, 占总数的42.77%.

图 3

Fig. 3

图 3 不同区域细菌气溶胶粒径分布 Fig. 3 Particle size distributions of airborne bacteria

相比之下, 在渗滤液处理区空气动力学直径大于4.7 μm的细菌气溶胶比例较高, 为52.38%.垃圾渗滤液处理过程中, 渗滤液中的微生物飞溅到空气中, 水中的颗粒物如无机悬浮固体和微小的污泥颗粒, 可以作为细菌细胞的附着介质, 一同逸散到空气中.另外, 不同于从土壤或非水表面(如垃圾等固体废弃物)排放的细菌气溶胶, 液相产生的生物气溶胶表面通常有一层薄薄的水膜^{[17, 18]}.因此, 废液处理过程检测到的微生物气溶胶的粒径通常大于从其他环境中检测到的微生物气溶胶.

已经发现暴露于生物气溶胶的风险不仅与其浓度相关, 而且与其粒径也有关.空气中微生物的空气动力学直径决定了它们将沉积在人类呼吸道中的位置^[19].小颗粒(< 1~3 μm)容易进入肺部, 而大颗粒(>8 μm)由于其惯性可沉积在上呼吸道(鼻道和小支气管).一般而言, 呼吸道各处均可吸收细菌气溶胶, 但能够进人肺深部的小粒子吸收更快, 致病力更强.大粒子气溶胶含有微生物较多, 其作用也不可忽视^[20].

微生物种群分析表明, 垃圾填埋场的作业区、覆盖区以及渗滤液处理区空气中的细菌种群与办公区有显著差异(图 4).在办公区, Kocuria(12.90%)、Cyanobacteria_norank(7.26%)、Paracocccus(6.96%)及Deinococcus(4.85%)这4种细菌在总细菌中的占比超过30%.垃圾填埋场作业区细菌气溶胶以Peptostreptococcaceae和Moraxellaceae为主, 分别占60.82%和30.50%.在覆盖区, 这些细菌的百分比明显下降, 其他细菌, 如Arcobacter、Bacteroides和Macellibacteroides的百分比增加, 是覆盖区空气微生物的主要种群.垃圾渗滤液处理区空气中Peptostreptococcaceae、Mycobacterium和Sphingobacteriaceae为优势菌, 百分比分别为13.79%、4.75%和4.47%.

图 4

Fig. 4

图 4 垃圾填埋场细菌气溶胶的主要种群 Fig. 4 Populations of main airborne bacteria at the landfill site

在检测到的细菌中, 有一些属于潜在致病菌或机会致病菌. Moraxellaceae、Bacillus aerius、Arcobacter以及Aeromonas存在于填埋场空气中, Mycobacterium、Moraxellaceae和Burkholderia在垃圾渗滤液处理区被检出.其中, Burkholderia、Moraxellaceae和Aeromonas在上风向办公区未检出或占比较低, 说明这些菌很有可能是在垃圾填埋或垃圾渗滤液处理过程中产生的.这些细菌分别隶属于Proteobacteria(Moraxellaceae、Aeromonadaceae、Pseudomonadaceae、Xanthomonadaceae、Enterobacteriaceae)、Firmicute (Bacillaceae、Staphylococcaceae)和Actinobacteria (Micrococcaceae).这些病原体包括常见呼吸系统致病菌, 例如Staphylococcus sp.、Burkholderia sp.^[21]、Moraxella sp.^[22]、Escherichia-Shigella^[23]以及具有抗生素耐受性的致病细菌, 如Aeromonas sp.^[24].由于空气的传播, 垃圾填埋场的生物性污染, 会引起过敏反应, 诱发鼻炎、气喘等病症.国内外研究结果显示, 垃圾填埋场作业工人慢性咽炎患病率、肺功能轻度下降比例高于行政管理等对照人员.垃圾填埋场附近人群癌症发病率较非暴露地区明显升高^[25].

垃圾填埋场周围空气中的细菌气溶胶的浓度呈现季节性变化.夏季空气细菌总数最高, 作业区和覆盖区分别为6 313.5 CFU·m^-3和3 580.5 CFU·m^-3.春季和秋季空气细菌总数次之, 也呈现较高的浓度水平.冬季空气中细菌的最低浓度为3 426 CFU·m^-3(作业区)和1 122.5 CFU·m^-3(覆盖区), 见图 2.垃圾渗滤液处理区空气中细菌浓度也呈现类似的季节变化.

冗余分析(redundancy analysis, RDA)研究气象参数, 如温度、相对湿度和风速, 对细菌气溶胶逸散的影响.结果显示, 空气中细菌气溶胶的浓度与温度(P=0.02)、相对湿度(P=0.004)呈正相关, 与风速(P=0.002)呈负相关(图 5).垃圾填埋场的环境温度、相对湿度以及风速随季节发生明显的变化(表 2).夏季的空气温度和相对湿度平均为31.7℃和63.54%, 明显高于其他季节.有研究发现生物气溶胶存活的适宜温度为20~37℃^[26], 相对湿度为40%~60%.细菌适于在水中或潮湿的环境中生长.其生长温度在5~35℃之间, 最适温度一般为35℃.当相对湿度在20%~95%范围内时, 空气中的细菌从大气中吸收水分以保持其活性^[27].适宜的温度和较高的相对湿度有利于微生物在空气中生存.垃圾中含有大量可被微生物利用的有机物, 在高温、高湿的环境中, 微生物利用有机物大量生长繁殖, 导致更多的微生物逸散到周围空气中.因此, 细菌气溶胶在夏季的逸散浓度最高.

图 5

Fig. 5

图 5 气象参数和细菌气溶胶浓度RDA分析 Fig. 5 RDA of meteorological parameters and airborne bacteria concentrations

表 2 (Table 2)

表 2 垃圾填埋场各个季节气象参数 Table 2 Meteorological parameters of landfill during different seasons 月份 季节 采样点 采样点环境条件(平均值) 温度/℃ 相对湿度/% 风速/m·s-1 SL-0 18.5 21.87 2.7 SL-1 20.4 29.07 4.3 4 春季 SL-2 19.5 29.12 3.2 SL-3 22.7 26.82 3.1 SL-4 21.3 23.99 3.6 SL-5 20.5 35.62 0 SL-0 30.7 59.73 0.2 SL-1 33.3 67.37 1.7 8 夏季 SL-2 32.1 68.01 2.0 SL-3 31.6 60.80 0.8 SL-4 30.6 61.78 1.1 SL-5 35.2 76.62 0 SL-0 18.2 21.84 2.1 SL-1 17.4 25.72 1.9 10 秋季 SL-2 17.6 27.24 2.5 SL-3 18.5 23.93 2.9 SL-4 18.3 21.81 2.3 SL-5 26.1 42.15 0 SL-0 3.5 21.50 3.9 SL-1 3.8 23.78 5.1 12 冬季 SL-2 3.3 23.36 4.5 SL-3 3.6 20.20 5.7 SL-4 3.0 19.31 5.3 SL-5 10.1 58.67 0

表 2 垃圾填埋场各个季节气象参数 Table 2 Meteorological parameters of landfill during different seasons

对于位于室外的位点(作业区和覆盖区), 除了温度和湿度, 风速也是影响垃圾填埋场周围空气中细菌气溶胶浓度的重要因素之一^[28].逸散到空气中的微生物粒子会发生从高浓度区域向低浓度区域转移的自然扩散现象.风可以携带质轻的小颗粒, 加速扩散, 降低空气中的微生物气溶胶的浓度.风速越大, 扩散越快.与其他季节相比, 冬季风速最高, 平均4.9 m·s^-1.并且北方的冬季室外温度较低, 平均3.4℃(表 2).温度低, 不利于空气中的微生物的生存.因此, 低温和风的稀释作用导致填埋场作业区和覆盖区冬季细菌气溶胶浓度较低.

垃圾填埋场春季与秋季的环境温度、相对湿度以及风速等气象条件相近, 但是, 无论是作业区还是覆盖区, 秋季空气微生物的浓度均高于春季的浓度(图 2), 大约是春季的1.5倍.在检测期间, 该垃圾填埋场一直在运行. 4~10月期间, 填埋场消纳的垃圾总量增加了30 000 t.填埋龄和填埋量不同, 垃圾中的有机质含量和组成差异明显, 垃圾中的生物量相应发生变化.这可能是导致填埋场秋季细菌气溶胶浓度较高的原因.

(1) 生活垃圾填埋场的作业区、覆盖区以及垃圾渗滤液处理区的空气中有大量的细菌气溶胶, 垃圾渗滤液处理区和作业区为主要逸散源.潜在或机会致病菌Moraxellaceae、Arcobacter以及Aeromonas存在于填埋场空气中, Mycobacterium、Moraxellaceae和Burkholderia在垃圾渗滤液处理区有检出, 可能诱发多种疾病风险.

(2) 细菌气溶胶的逸散受到温度、相对湿度、风速等气象条件的显著影响.因适宜的温度、较高的湿度以及较低的风速, 夏季填埋场空气细菌气溶胶逸散水平明显高于其他季节.

(3) 垃圾填埋场的作业区、覆盖区和垃圾渗滤液处理区的细菌气溶胶主要分布在2.1~4.7 μm、0.65~2.1 μm和>4.7 μm的范围内.空气中大量传播的可呼吸细菌(空气动力学直径 < 3.3 μm)可能给填埋场作业人员造成潜在的健康风险.

(4) 垃圾填埋场应采取有效措施减少作业区和渗滤液处理区空气中的细菌气溶胶数量.场区内的填埋机械和渗滤液处理设施的操作人员应注意个人防护, 减少微生物气溶胶的暴露, 预防疾病的发生.