凌繼紅，張銀蘋，邢金城，王 穎，范景嵩

(1. 天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2. 富士康（天津)精密工業(yè)有限公司，天津 300457）

紫外(UV)消毒是控制病原微生物通過(guò)空氣傳播的重要方法，是醫(yī)院隔離病房普遍采用的空氣消毒方法[1]．文獻(xiàn)[2]中曾經(jīng)提出，將紫外線燈泡安裝在空調(diào)系統(tǒng)的通風(fēng)管道中，可以有效地殺滅其中的微生物．研究表明，風(fēng)管內(nèi)照法紫外線殺菌(ultraviolet germicidal irradiation，UVGI)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)空氣中的微生物有很好的抑制作用[3]．紫外線殺菌包括靜態(tài)殺菌和動(dòng)態(tài)殺菌，其中紫外線動(dòng)態(tài)殺菌技術(shù)受風(fēng)速、溫度、反射材料以及微生物種類等因素的影響．研究[4-5]指出，紫外燈的輻射強(qiáng)度隨風(fēng)速升高而降低，在一定范圍內(nèi)空氣溫度和速度對(duì)紫外線燈有效輸出的相反影響可相互抵消．對(duì)于風(fēng)管內(nèi)照法紫外線殺菌系統(tǒng)，風(fēng)速對(duì)其殺菌效率的影響尤其顯著．文獻(xiàn)[6]指出紫外線流動(dòng)空氣殺菌的典型設(shè)計(jì)風(fēng)速為 2.54,m/s；文獻(xiàn)[7]研究結(jié)果顯示風(fēng)管內(nèi)紫外線殺菌系統(tǒng)風(fēng)速為2.2,m/s 時(shí)其對(duì)真菌孢子和營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌殺滅率分別為75%和87%，當(dāng)風(fēng)速為 5.1,m/s 時(shí)該裝置失效．但是目前為止國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)管內(nèi)照法關(guān)于風(fēng)速影響殺菌效率的研究大部分都是針對(duì)燈管垂直于氣流方向，而這種紫外線燈布置方式不管是單管還是多管組合，氣流與紫外線燈接觸時(shí)間都很短，并且該種布置方式紫外燈輻射強(qiáng)度在風(fēng)管內(nèi)不均勻．對(duì)于燈管平行于氣流方向的燈管布置，文獻(xiàn)[8]指出燈管的布置方式會(huì)影響 UVGI 的殺菌效果，如果幾根燈管集中布置，紫外線強(qiáng)度場(chǎng)會(huì)集中在一個(gè)區(qū)域，燈管附近紫外線強(qiáng)度高于殺菌需要的強(qiáng)度．而將燈管安裝在反射鏡上可以重新分配紫外燈強(qiáng)度場(chǎng)，使紫外線強(qiáng)度分布趨于均勻．另一方面由于不同菌種對(duì)紫外線的敏感程度不同，空氣中存在的菌種繁多，且風(fēng)管內(nèi)照法紫外線殺菌裝置對(duì)大氣菌的殺滅效率的相關(guān)研究少之又少．鑒于此，筆者研究了燈管平行于氣流方向且集中布置的帶反射鏡紫外線殺菌裝置對(duì)空氣中自然菌的殺滅效率．

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為了研究不同風(fēng)速以及不同反射材料對(duì)風(fēng)管內(nèi)照法紫外線殺菌裝置殺菌效率的影響規(guī)律，搭建了如圖1 所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，4 根紫外線殺菌燈管集中布置在風(fēng)管中心位置，燈管安裝在陽(yáng)極鋁制拋物面反射鏡上，其橫向剖面如圖 2 所示，紫外線殺菌裝置的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表 1．為了消除風(fēng)速的不均勻性對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，系統(tǒng)中設(shè)置了均流裝置以實(shí)現(xiàn)氣流的均勻性．實(shí)驗(yàn)測(cè)得紫外線殺菌段上游斷面的風(fēng)速不均勻系數(shù)為0.1，氣流均勻性較好．

圖1 紫外線殺菌效率測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Test rig for determining UV germicidal efficiency

圖2 紫外線殺菌段橫向剖面Fig.2 Transverse section of UV germicidal system

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)中共進(jìn)行了 16 個(gè)工況的測(cè)試，具體工況見(jiàn)表2．實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境條件：溫度為(20±2),℃；相對(duì)濕度為50%±5%．

表1 紫外線殺菌裝置技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of UVGI device

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

用 75%的酒精對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行消毒后，開啟風(fēng)機(jī)和紫外燈照射 30,min．實(shí)驗(yàn)儀器及系統(tǒng)消毒和自凈后，利用安德森6 級(jí)微生物采樣器對(duì)紫外線殺菌段上下游空氣同時(shí)進(jìn)行采樣．微生物采樣流量為 28.3,L/min，每個(gè)工況測(cè)試 3 次，每次采樣時(shí)間為 30,min．采樣結(jié)束后將培養(yǎng)基置于 37,℃條件下培養(yǎng)48,h，觀察記錄菌落數(shù)．

上下游的空氣含菌量的計(jì)算式為

式中：c 為空氣含菌量，個(gè)/m3；N 為 6 級(jí)采樣平板上的總菌落數(shù)，個(gè)；t 為采樣時(shí)間，min．

UVGI 裝置的殺菌效率計(jì)算式為

式中：η為 UVGI 裝置對(duì)空氣中細(xì)菌的殺滅效率，%；cdown為下游空氣含菌量，個(gè)/m3；cup為上游空氣含菌量，個(gè)/m3．

表2 測(cè)試工況Tab.2 Test cases

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 風(fēng)速對(duì)殺菌效率的影響

實(shí)驗(yàn)測(cè)得風(fēng)管內(nèi)襯材料為拋光鋁板時(shí)，UVGI 裝置的殺菌效率隨風(fēng)速的變化如圖3 所示，內(nèi)襯不同材料的 UVGI 裝置在 2.0～3.0,m/s 風(fēng)速范圍內(nèi)殺菌效率如圖4 所示．

圖3 不同風(fēng)速下UVGI裝置的殺菌效率Fig.3 Germicidal efficiencies of UVGI device at different velocities

圖4 不同內(nèi)襯材料UVGI裝置殺菌效率的對(duì)比Fig.4 Comparison of germicidal efficiencies of UVGI devices with different reflective materials

紫外線照射殺菌效果與微生物接受的紫外線照射劑量成正比，已有研究[9]表明在其他因素不變的條件下，風(fēng)速降低則微生物受到的輻射劑量因殺菌時(shí)間延長(zhǎng)而升高，使殺菌效率升高．由圖 3 可以看出，在其他因素不變的條件下，隨著風(fēng)速的下降UVGI 裝置的殺菌效率逐漸升高，但當(dāng)風(fēng)速下降至 3.0,m/s 以下時(shí)，殺菌效率隨風(fēng)速降低的變化率減?。畯膱D 4 可以看出，采用 4 種不同反射材料的UVGI 裝置，風(fēng)速為2.0,m/s、2.5,m/s、3.0,m/s 時(shí)，系統(tǒng)殺菌效率均無(wú)顯著變化．該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，風(fēng)管內(nèi)照法紫外線殺菌裝置的適宜風(fēng)速為2.0～3.0,m/s．

根據(jù)文獻(xiàn)[10-11]對(duì)普通病房、注射室等空氣中細(xì)菌含量的監(jiān)測(cè)，普通病房等室內(nèi)空氣細(xì)菌含量范圍為 500～2,500,個(gè)/m3．在這類環(huán)境中運(yùn)用風(fēng)管內(nèi)照法紫外線殺菌消毒，可將室內(nèi)細(xì)菌含量維持在標(biāo)準(zhǔn)[12]規(guī)定的 500,個(gè)/m3以下，以控制病房空氣中的微生物污染．

2.2 反射材料對(duì)紫外線消毒效果的影響

紫外線的殺菌能力與輻射強(qiáng)度成正比關(guān)系，在風(fēng)管內(nèi)采用高反射率的反射材料，由于反射的疊加作用，能夠大幅度提高紫外線的照射強(qiáng)度，提高紫外線殺菌效果．由圖 4 可以看出：在其他因素不變的條件下，內(nèi)襯4 種不同材質(zhì)的UVGI 裝置殺菌效率高低排序?yàn)閽伖怃X板＞鋁塑板＞鍍鋅鐵皮＞黑布．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，4 種材料中拋光鋁板對(duì)紫外線的反射率最高，而相同風(fēng)速條件下以拋光鋁板和鋁塑板為襯的紫外線殺菌裝置消毒效果差別不大，因此可以用造價(jià)低廉的鋁塑板替代拋光鋁板作為紫外線殺菌裝置的反射材料．

2.3 微生物粒徑與殺菌效果的關(guān)系

本實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象為大氣中的細(xì)菌、真菌、病毒等具有活性的微生物粒子．對(duì)紫外線殺菌段上、下游不同粒徑的微生物粒子占微生物粒子總數(shù)的百分?jǐn)?shù)進(jìn)行了分析，分析結(jié)果如圖5 所示．

圖5 上下游不同粒徑微生物粒子百分?jǐn)?shù)Fig.5 Percentage of microbial particles in different sizes at upstream and downstream sections

由圖5 可以看出，粒徑小于1.10,μm 的微生物粒子占空氣中微生物粒子總數(shù)的比例最大，約 30%左右；而粒徑＞7.00,μm 的微生物粒子比例最小，僅占總數(shù)的 5%左右．為了進(jìn)一步研究粒徑對(duì)紫外線殺菌效率的影響，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件 SPSS 對(duì)風(fēng)速和粒徑對(duì)殺菌效率的影響進(jìn)行了偏相關(guān)分析，結(jié)果顯示風(fēng)速和粒徑大小對(duì)殺菌效率的偏相關(guān)分析對(duì)應(yīng)的顯著性檢驗(yàn)水平分別為 0 和 0.001，低于顯著性水平 0.05，即二者對(duì)殺菌效率的影響均顯著．鑒于此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)速和粒徑與殺菌效率的定量關(guān)系進(jìn)行了多元線性回歸分析．各變量的描述統(tǒng)計(jì)如表 3 所示，分析結(jié)果如表4～表6 所示．

表3 數(shù)據(jù)分析樣本Tab.3 Data analysis samples%

表4 模型擬合程度匯總Tab.4 Summary of model fitting degree

由表 4 可知，該模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R和決定相關(guān)系數(shù)R2分別為 0.754 和0.569．對(duì)該模型進(jìn)一步進(jìn)行方差分析(見(jiàn)表 5)，得出統(tǒng)計(jì)量F值為 25.748，顯著性檢驗(yàn)水平值為 0，小于顯著性水平值 0.05，所以該模型是有統(tǒng)計(jì)意義的，即風(fēng)速及粒徑與殺菌效率之間的線性關(guān)系是顯著的．

表5 方差分析匯總Tab.5 Summary of variance analysis

表6 回歸系數(shù)Tab.6 Regression coefficients

由表6 數(shù)據(jù)可以得到該模型的回歸方程．在粒徑d≥0.65,μm，風(fēng)速v≥2.0,m/s 建立的回歸方程為

由式(3)中粒徑與風(fēng)速的回歸系數(shù)可以看出風(fēng)速對(duì)紫外線殺菌裝置殺菌效率的影響大于粒徑的影響．一方面，其他因素不變的條件下殺菌效率隨風(fēng)速的增大逐漸降低，該結(jié)論與第 2.1 節(jié)風(fēng)速對(duì)殺菌效率影響的分析結(jié)果一致．另一方面，在其他因素不變的條件下，殺菌效率隨微生物粒子的粒徑增大而降低．這是由于空氣中浮游的細(xì)菌(包括病毒)大多數(shù)都粘附在灰塵載體上，很少單獨(dú)存在；紫外線穿透力很差，空氣塵埃還會(huì)阻擋和吸收紫外線而降低殺菌率；空氣中氣溶膠粒子會(huì)對(duì)紫外線產(chǎn)生散射作用，影響紫外線消毒效果．

3 結(jié) 論

(1) 在其他條件不變時(shí)，隨著風(fēng)速的下降，UVGI 裝置殺菌效率逐漸升高，當(dāng)風(fēng)速降到 3.0,m/s以下時(shí)，風(fēng)速變化對(duì)殺菌效率的影響不再顯著；紫外線燈集中布置時(shí)風(fēng)管內(nèi)UVGI 裝置適宜風(fēng)速為2.0～3.0,m/s．

(2) 在其他條件不變時(shí)，內(nèi)襯4 種材料的 UVGI裝置殺菌效率高低排序?yàn)閽伖怃X板＞鋁塑板＞鍍鋅鐵皮＞黑布，以鋁塑板為襯和以拋光鋁板為襯的UVGI 裝置的殺菌效率相差甚微，UVGI 裝置的反射材料可以用造價(jià)低廉的鋁塑板替換拋光鋁板．

(3) 在其他因素不變的條件下，殺菌效率隨微生物粒子的粒徑增大而降低，因此懸浮在空氣中的微生物粒子粒徑越小，其對(duì)紫外線殺菌越敏感．

(4) 在粒徑d≥0.65,μm，風(fēng)速v≥2.0,m/s 時(shí)，殺菌效率η(%)隨風(fēng)速及粒徑變化的關(guān)系式為

(5)UVGI 裝置比較適合用于人員流動(dòng)比較大的場(chǎng)所，如普通病房、注射室等場(chǎng)合的空調(diào)系統(tǒng)中．而對(duì)空氣衛(wèi)生要求很高的醫(yī)院手術(shù)部、無(wú)菌病房等，需要采用 UVGI 裝置和過(guò)濾器等其他消毒技術(shù)手段相結(jié)合的形式．

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