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制定废水监测采样策略

制定废水监测采样策略

使用此指导方针实施以废水为基础的疾病监测。废水相关的疾病监测是一门快速发展的科学,CDC将在获得最新资料时持续更新指导方针和相关信息。

采样策略概述

COVID-19废水监测采样策略应由各州、部落、地方和地区的公共卫生需求决定,并需要废水处理厂的大力参与。废水监测数据可以补充其他COVID-19监测指标,为公共卫生行动提供指导。任何干预措施或公共卫生行动都不应仅根据废水数据决定。采样策略应保持现有资源和检测能力与公共卫生数据需求之间的平衡,并可能需要随着科学知识和公共卫生需求的不断变化予以更新。

什么是下水道系统?

下水道系统是指废水收集系统覆盖的社区。

制定COVID-19废水监测采样策略包括三个步骤:

  1. 确定公共卫生数据需求。公共卫生数据需求取决于当地全球流行病的状况以及其他可用的卫生指标。根据当前的科学发展水平,废水监测可为以下应对目标提供支持:
    • 检测下水道系统中COVID-19的存在,可能早于已确定的病例监测。在社区内出现报告病例的数天之前,就已经在废水中检测到该病毒。在监测无已知病例患者的高风险社区时,了解废水中是否存在病毒可能是一个重要指标。但是,未在废水中检测到病毒RNA不能代表社区中不存在感染。
    • 监控下水道系统内COVID-19的趋势,包括报告病例和未报告感染。经过分析的废水数据可以提供SARS-CoV-2浓度随时间变化的趋势。研究证明,废水中病毒浓度的变化趋势会影响下水道系统内按天报告的新病例的趋势。在新增病例患者数量的趋势出现波动时或在评估社区缓解措施的可能影响时,将废水监测作为COVID-19趋势的主要指标可能有所帮助。

    废水中的SARS-CoV-2 RNA浓度目前无法用于确定社区中被感染者的总人数或被感染人口的百分比。我们还需要更多关于被感染者粪便中SARS-CoV-2浓度的数据,才能了解废水中的SARS-CoV-2 RNA浓度与下水道系统中的被感染者人数之间的关系。

  2. 评估废水采样和检测能力。在评估废水采样和检测能力时,必须有具备环境微生物学和废水系统专业知识的人员参与评估。病毒RNA是社区内病毒传播的代表因素,但目前对废水中病毒RNA的精确采样和量化方法仍在研发中。因此,美国各地的检测能力有限,其中大部分检测点位于缺乏持续监测能力的学术机构。要有效利用有限的废水检测能力,就需要平衡人口覆盖范围和及时趋势信息,这就需要更频繁地采样。供应链问题也可能限制检测能力,在选择方法之前应对供应链进行评估。
  3. 制定采样计划。您的采样计划需要解决以下问题:

采样的位置

社区废水监测

在废水进入处理厂时进行SARS-CoV-2废水采样(称为未经处理的进水)用于评估向下水道系统供水的社区内的感染趋势。根据该地区的公共卫生数据需求和资源可用情况,选择用于社区级废水疾病监测的处理厂数量。COVID-19社区传播的比率和趋势、人口分布以及下水道系统的特征也可能会影响您的选择。

可以选择废水处理厂进行社区废水监测,以便:

  • 覆盖一定比例的人口。
  • 提供COVID-19高风险社区或COVID-19重病高风险社区的数据。
  • 提供未充分利用或无法获得COVID-19临床检测的社区的数据。
  • 代表覆盖更多互联人口(如密集城区)的几个下水道系统。

在选择废水处理厂进行社区废水监测之前,应务必咨询废水工程师和公用事业经理,以便了解:

  • 公用事业服务的地区和人口
  • 废物输入类型(工业、商业、住宅)的相对贡献
  • 可能影响SARS-CoV-2检测的操作因素(例如输入废水的预处理或废水分流,以调整采样点上游的流量)
  • 处理厂可用的采样位置
  • 公用事业对采样、记录和运输的能力
  • 公共卫生解释所需的公用事业元数据的可用性(例如进水流量测量、化学/物理水质测量、服务区域shapefile文件)

针对性的废水监测

针对性的废水监测需要对废水网络上游的废水进行采样(如水泵站、拦截器、检查井)。针对性的废水监测可以更好地了解SARS-CoV-2感染在下水道内的分布情况。但是,目前几乎没有数据证明这种方法的应用效果。

在确定针对性的废水监测是否有助于公共卫生行动时,重要需要考虑以下几点:

  • SARS-CoV-2 RNA的浓度在废水处理厂上游比在处理厂进水处的波动更大,因为上游废水的混合时间较短,而且人类粪便的含量较低。
  • 要监测仅覆盖预期目标人群的污水管道可能需要对基础设施进行改造,或者无法实现。
  • 根据目标人群的数量,进行有效的针对性废水监测可能比病例监测的成本更高,后勤方面也更具挑战。

采样的频率

废水采样的频率取决于公共卫生使用这些数据的方式以及COVID-19在社区中的传播程度。如果检测频率足够高,可使用废水检测来跟踪一段时间内的趋势。单次采样或频繁极低(例如每月一次)的采样可能无法提供确定趋势所需的信息,但可用于确定社区中COVID-19的存在。

如果废水监测的目标是筛查废水中是否存在SARS-CoV-2,每周采样一次可能就足够了。如果目标是在早期发现感染趋势,则至少需要在关注趋势期内的三个采样时间点进行监测。目前几乎没有数据表明在各类全球流行病情况下废水浓度的变化速度。

确定特定位置的采样频率时,应考虑以下因素:

  • 至少需要三次采样才能检测废水随时间变化的趋势。连续废水采样之间的时间间隔决定了可以检测出趋势的最短时间。例如,如果每周采集两次样本,则确认趋势的最短时间可以是8天。
  • 实验室检测能力和供应链短缺可能会限制最高采样频率。
  • 除了表明下水道系统存在SARS-CoV-2感染,单次采样无法提供其他可操作的数据。

采样的对象

样本类型是采集代表性样本的重要考虑因素,取决于样本采集位置和废水处理厂的具体因素。与处理厂工作人员密切协商,以确定最能代表目标人群的适当样本类型。样本采集应在废水处理厂新增化学品或混合废液之前的地点完成。

废水监测样本有两种类型

  1. 未经处理的废水:未经处理的废水包括家庭或建筑用水的废物(如马桶、淋浴、水槽),其中含有人类粪便,以及非家庭来源的废物(如雨水、工业用水)。未经处理的废水可从废水处理厂进水处(初级处理前)或废水收集网络的上游采样。数据显示,从废水处理厂进水处采集的废水样本中,SARS-CoV-2 RNA浓度的变化与报告病例的趋势相关。在大多数情况下,未经处理的废水可能需要在提取RNA之前进行浓缩处理。在未浓缩处理的废水中检测病毒所需的感染数量难以确定,因为它取决于具体方法的检测限制以及粪便中的病毒数量,而这些数据很少。
  2. 一级污泥:一级污泥包括在废水处理厂第一次固体去除(“沉淀”)过程中从废水中沉淀出来的固体悬浮物。一级污泥不同于经过一级处理后的二级污泥。请勿将二次污泥作为废水监测样本。研究显示,初级污泥样本中的SARS-CoV-2 RNA浓度变化与报告病例的趋势相关。与未经处理的废水相比,初级污泥样本的优势之一是SARS-CoV-2会集中在污泥中,从而减少检测病毒所需的样本量,并且可能无需在量化之前浓缩样本。然而,污泥中SARS-CoV-2 RNA浓度的范围尚未得到证明。采集污泥样本之前可能必须要对每个废水处理厂进行评估,例如处理厂的化学品添加、干扰实验室方法的化合物浓度增加,或处理厂其他部分的回收废液添加。

选择样本类型

未经处理的废水和一级污泥都是可接受的社区废水监测样本类型。对于上游针对性废水监测,可以仅使用未经处理的废水样本。如果采用实验室方法,建议进行污泥采样来评估有少量已知病例患者的下水道系统内是否存在感染,因为病毒会更集中在污泥中。如果废水处理厂在污泥采样之前使用消毒剂、污泥检测显示试剂抑制率较高或病毒回收率较低,或一级沉降池内的固体停留时间未知时,建议使用未经处理的废水样本。

采样的方式

废水监测有两种样本采集方法

  1. 瞬时采样:瞬时样本可以快速采集,无需使用自动化设备。但是,瞬时样本对社区粪便的代表性可能低于组合样本。对于未经处理的废水和污泥,瞬时样本代表整个时间中的某个时刻,受废水流量和每日成分波动的影响较大。在废水处理厂层面,如果社区内被感染者比例足够高,则瞬时采样可得出与组合采样相似的浓度。但是,目前尚不清楚社区内被感染者的最低比例达到多少,才能使瞬时采样和组合采样得出相似的浓度。
  2. 组合采样:通过在设定的时间段内(通常为24小时)以指定频率集中进行多次瞬时采样来收集组合样本,进行废水监测。您可以人工采集未经处理的废水的组合样本,也可以使用具有制冷能力的自动采样器采集流量加权样本(例如,每200,000加仑流量采集一个子样本)。连续组合采样器(相对于流量加权采样器)可提高污水管道社区样本的代表性。组合样本对社区粪便的代表性高于瞬时样本。

选择样本量

需要采集的样本量取决于样本类型(废水或污泥)。1升(L)组合废水样本或100毫升(ml)瞬时污泥样本量应该足以用于检测。可直接提取的污泥固体的最大量通常约为2克。剩余样本量(如有)可用于重复测量或评估生物变异度。

经过浓缩和量化的样本量将决定可以检测到的SARS-CoV-2 RNA最低量。浓缩超过1升的废水可能导致回收率较低或病毒信号传导抑制。如果使用瞬时样本,则应咨询废水处理厂工作人员,以收集可以获取人类粪便负荷峰值时间的代表性样本,并了解污泥的固体停留时间。

如何安全地采集、存放和运送样本

采样安全性:迄今没有证据表明有人因接触废水而感染COVID-19。与废水处理厂运营相关的标准实践应该足以保护废水处理工人免于感染SARS-CoV-2。这些标准实践可能包括工程和管理控制措施、洗手、具体的安全工作实践,以及处理未经处理的废水时通常需要的个人防护用品。除了CDC有关如何预防COVID-19感染的建议外,不建议为废水管理工作人员(包括废水处理设施的工作人员)提供其他针对COVID-19的保护措施。

存放:切勿将样本存放在高于冷藏温度(4°C)的环境中。在采集过程中冷藏样本。如有可能,应在采集后的24小时内处理样本,因为有效的可操作废水监测依赖于快速的数据收集。剩余样本可在-70°C的环境中冷冻存档。避免多次冻融循环。初步数据显示,冷冻后可能会出现病毒信号丢失。

运送:CDC建议,将样本运送至实验室时使用冷裹法(4°C)包装样本,并使用当日或隔夜运送。根据美国运输部的《危险物质管理条例》和国际航空运输协会的《危险品规则》,包装和运送样本属于B类传染性物质(UN 3373)。