室內空氣中微生物時空分布特性

欧洲杯外围塞淨化 2021-06-01 10:45 閱讀

室內空氣中微生物時空分布特性室內空氣中微生物時空分布特性

1 概述

根据国际标准化组织公布的《建筑环境设计—室内空气质量— 人居环境室内空气质量的表述方法(》Building environment design-indoor air qual-ity-methods of expressing the quality of indoor air forhuman occupancy)(ISO/DIS 16814)的定义,微生物污染物主要包括细菌、真菌、病毒、代谢毒素,与这些生物体、内毒素相关的颗粒,以及其他动植物颗粒等,它们以气溶胶形式存在或沉积于物体表面。空气中的微生物不会单独存在,一般都是与空气中的颗粒结合在一起,以气溶胶的形式存在于空气中,组成所谓的菌群。空气微生物来源广泛,土壤(固体)、水(液体)、大气(气体)、动物、植物、人体是其6大来源。已知存在空气中的细菌及放线菌有1200 种,真菌有40000 种。微生物气溶胶的大小各不相同,病毒粒子径为0.15 μm~0.45μm,细菌粒子径为 0.3 μm~15 μm,真菌和真菌孢子的粒子径为1μm~100μm。图1是不同微生物气溶胶的直径示意图。

2 微生物對人體的影響

科學家已經就微生物對人體健康的影響進行了100多年的研究。有一部分微生物能引起人生病,稱爲病原微生物。國內外大量的調查研究證實,空氣微生物是引發各種中毒、感染和過敏疾病的主要原因之一。引發的疾病包括頭痛、發燒、哮喘、過敏性肺炎、過敏性皮炎以及傳染性疾病。

2.1 傳染性疾病

由于呼吸道的生理结构特殊、表面积大,故从鼻、咽、喉、气管、支气管到肺泡,被阻留在任何部位的病原微生物粒子都可以在该处引起感染。以成人为例,肺泡约有3亿个,总面积有70 m2(人体体表面积的 40 倍)。呼吸系统的这些生理结构特征导致人体容易受到空气传播疾病的感染。同时,空气的高度流动性和扩散性使病原微生物气溶胶在空气中四处扩散,可在短时间内产生大量病例。

2.2 非傳染性疾病

2.2.1 過敏性疾病

過敏性疾病與室內空氣品質有關,像過敏性鼻炎、過敏性哮喘、支氣管肺部曲黴菌病,它們都能夠影響到下呼吸道和肺泡。哮喘主要對病毒、塵螨、黴菌和動物皮屑敏感。

2.2.2 中毒反應

當人體暴露于微生物汙染的室內空氣中,微生物的代謝副産物(細菌內毒素,真菌毒素和大量的各種揮發性有機物)能引起機體中毒。己經分離出來的能引起機體中毒反應的微生物有曲黴菌、青黴菌、金絲菌素的芽體、紅酵母和酵母等,主要症狀有傷風流感、咽喉疼痛、腹瀉、頭痛、疲憊、皮炎、以及身體不適等。

3 微生物氣溶膠傳播規律

氣溶膠微粒的運動除與空氣動力學特性有關外,還與顆粒物本身所受各種力場有關。氣溶膠是個非常複雜的運動著的粒子體系,在這個體系中粒子受到各種力場的作用,經曆著複雜的物理、化學變化。粒子之間,粒子與周圍氣體之間不斷地發生著相互作用。作用于微粒上的力,可以大致歸納爲質量力、分子作用力、場力、粒子間的吸引力及氣流力5種。

3.1 單個氣溶膠微粒的運動方程

單個氣溶膠微粒的運動方程可以從牛頓第二定律直接推導出來。

其中:m 爲單個氣溶膠微粒的質量,kg;uPi爲氣溶膠微粒在 i 方向上的速度,m/s;Fi爲作用在氣溶膠微粒上 i 方向上所有外力之和,kg/m?s2。

3.2 氣溶膠顆粒擴散模型

微生物氣溶膠按三維空間規律播散到一切空氣可達到的環境中去。由于影響擴散過程的條件很多,所以該擴散過程非常複雜。微生物學家建立和發展了許多擴散模型,其中應用較多的是高斯擴散模型。

高斯擴散模型是在大量實測資料分析的基礎上,應用湍流統計理論得到的正態分布假設下的擴散模式。一般把氣溶膠源在地面上的投影點作爲坐標原點,x 軸正向沿平均風向水平延伸;y 軸在水平面上垂直于 x 軸,x 軸左側爲正;z 軸垂直于水平面,向上爲正,形成右手坐標系。任一點(x,y,z)的濃度分布函數爲:

式中:C 爲空間點(x,y,z)的氣溶膠濃度;Q 爲連續點源濃度;u 爲平均風速;爲水平面上氣溶膠的標准差;爲垂直面上氣溶膠的標准差。

3.3 空調系統風管內氣溶膠微粒的沈降

隨著建築物的密閉程度越來越高,室內的通風換氣主要依靠通風空調系統。通風空調系統由于長期運行、設計管理不當等原因,系統風管汙染嚴重,其主要的汙染物是懸浮顆粒和微生物。顆粒粒徑、紊流強度以及沈降面的粗糙程度和朝向(水平或垂直)決定著氣溶膠微粒的沈降速度。(www..com)

由于缺乏物理意义上满意的气溶胶微粒沉降模型,经验公式被认为是预测气溶胶微粒沉降的较好方法。这些公式是根据实验数据调整而来,因此通常能很好地反映实验数据;但当流场条件不同时,这些公式不能帮助我们了解气溶胶微粒的行为或预测气溶胶微粒的沉降。对于3种不同的沉降情况下垂直表面的沉降最常见的经验公式表示如下(Papavergos & Hedley,1984):

扩散区(t+< ~ 0.1):vd+=k1Sc-2/3

扩散-碰撞区(~0.1<t+< ~10):vd+=k2t+2

惯性缓冲区(~10<t+):vd+= k3

其中 k1,k2,k3是經驗常數,Sc 是氣溶膠微粒斯密特數。

4 微生物分布規律

4.1 室內空氣微生物分布規律

a)粒徑特征

微生物氣溶膠在空氣中的行爲與其粒徑、密度和形態密切相關,而空氣微生物的中值直徑是衡量其粒徑大小的重要標准。特定的空氣微生物具有特定的動力學粒徑:風媒傳粉的植物花粉爲 17μm~58 μm,真菌孢子爲 1μm~30μm,細菌爲0.25μm~8μm,病毒則小于0.3μm。空氣細菌的粒徑主要在0.3 μm~15.0 μm 間變化,室內 84%或更多的微生物氣溶膠的粒徑≥2.1 μm,並且其中值直徑接近于3.6 μm。Bovallius研究表明,瑞典各種室內約 50% 空氣微生物的粒徑大于>8.0μm 。

b)類型特征

空氣中的自然微生物主要是非病原性腐生菌。據 Wright報道各種球菌占66%,芽孢菌占 25%,還有黴菌、放線菌、病毒、蕨類孢子、花粉、微球藻類、原蟲及少量厭氧芽孢菌。Mancinelli和Shel-ton等在研究空氣微生物的群落結構和物種組成上得到有意義的結論:空氣中的優勢細菌屬爲芽孢杆菌屬、微球菌屬、葡萄球菌屬、假單胞菌屬等;優勢真菌屬爲枝孢菌屬、鏈格孢屬、無孢菌、青黴屬和曲黴屬等。在病人集中的醫院,空氣中除了自然的微生物外,還有各種病原菌,細菌有結核杆菌、肺炎雙球菌和綠膿杆菌等約 160種,真菌有球孢子菌、組織胞槳菌、隱球酵母、青黴和曲黴等約600多種,病毒有鼻病毒、腺病毒等約幾百種,此外還有支原體、衣原體等。

c)時空分布特征

Shaffer 等研究表明,一年中冬季空氣微生物濃度最低,一天中空氣微生物濃度在8:00?10:00 出現高峰,在 2:00 ? 4:00或者 12:00?14:00 出現低峰;在鄉村地區室內空氣微生物濃度在日出時增加,正午時開始降低,之後持續增加到日落,在 21:00和 5:00 空氣微生物濃度最低。

d)微生物群落特征

空气微生物群落结构和物种组成及其浓度很不稳定,随着各种环境因素及污染因子的变化,空气微生物的种类和数量均有很大的变化。空气微生物不仅受到温度、湿度、风速风向、光照、雾滴等各种气象因素的影响,还受到一氧化氮、二氧化氮、一氧化碳、碳水化合物、二氧化硫等各种污染因子的影响。Di Giorgi 等证实空气细菌浓度随着温度的增加而增加。Tong 等研究发现,光照对室内空气细菌有明显的致死作用,其致死程度与光照剂量线性相关;夏天正午由于光辐射很强,空气细菌的浓度最低;在有遮盖物取样的条件下,空气细菌比无遮盖物条件下生长更多的群落。Fuzzi等研究表明,雾滴可作为空气微生物气溶胶的天然培养基,空气细菌浓度在有雾的条件下比洁净空气更高,并且空气细菌的浓度受到雾滴温度、化学组成和酸碱度的影响,不产孢细菌的浓度与雾滴的温度(r=0.93)和 pH(r=0.86)呈正相关。Lighthart在实验室研究了一氧化碳和二氧化硫对不同空气微生物的影响,结果表明,它们能够减少空气细菌的浓度。

4.2 室內空調系統微生物分布規律

爲了了解集中空調通風系統的衛生狀況,國內不少單位對各地區公共場所集中空調通風系統進行了檢測。筆者結合前人的實測數據,對其分布規律進行總結。所有分析依據衛生部頒布的《公共場所集中空調通風系統衛生規範》等規範進行。

4.2.1 微生物汙染部件

在集中通風空調系統中,管道、過濾器、換熱器、冷卻盤管、以及冷卻塔、凝結水盤等是容易産生微生物汙染的設備。

4.2.2 分布規律

a)總體汙染狀況

通過文獻中數據得到國內部分省市公共場所集中通風空調管道系統的汙染程度,如圖2所示。

通風管道的汙染與室外大氣環境、氣象條件、通風管道的室內使用情況、系統運行年限、維護管理等多個因素有關,不同建築空調通風系統汙染狀況差異較大。從整體上分析,汙染的程度呈現一定的地域特征。相對濕度較高的地區,微生物汙染較嚴重,如上海、遼甯(樣本大部分地處大連市)和浙江。單位面積風管內表面積塵量、細菌總數、真菌總數隨系統使用年限的增加而增加。從整體上看,我國公共場所空調通風系統的汙染相當嚴重,其中32.9% 爲嚴重汙染,49.3% 爲中等汙染,17.8% 爲輕度汙染。

b)菌譜分析

風管內表面菌類主要包括枝孢黴菌、青黴菌、曲黴菌、鏈格黴菌、無孢菌、細菌(分爲革蘭氏陽性菌 G+,革蘭氏陰性菌 G- 兩種)。其中,枝孢黴菌、青黴菌在每個系統中普遍存在,是主要的成分;革蘭氏陽性、陰性菌在風道中均存在。各種主要菌種檢測結果見表1。

c)空調系統設備汙染情況

目前,國內對空調通風系統的汙染調查多爲對風管汙染的測試,對過濾器、表冷器等部件的汙染狀況進行調查和研究的甚少。對上海2棟建築進行調查得到的結果(見表2)結果(見表2)顯示,這些部位的微生物汙染狀況比風管內表面更加嚴重。

5 結論

空氣中的微生物大多附著在灰塵顆粒上,以氣溶膠的形式存在于空氣中。本文介紹了室內空氣中微生物的時空分布規律,包括其微生物氣溶膠傳播規律和分布規律。空氣中懸浮微生物的存在與室內的環境狀況緊密相關,影響其分布的因素主要包括溫度、濕度、風速及氣象條件等方面。

通風空調系統是容易滋生微生物的場所,微生物的生長與建築本身和空調系統有極大的關系。不同地區、不同建築、不同通風系統的微生物特性差異較大,對室內微生物汙染進行分析和控制應根據建築的特點和微生物特性綜合考慮。通風空調系統中的顆粒物在各種力的作用下懸浮釋放,微生物附著在顆粒上以氣溶膠的形式進入空氣中,並通過多次的沈降和懸浮被送入室內環境中,加重了室內微生物汙染。空調通風系統對室內的汙染程度與空調通風的各個過程有密切的關系,需要進一步的研究。

    x
    手機
    電話
    微信
    QQ