陳 茜,周雨薇,呂 陽(yáng) (大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧 大連 116024)

中國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)受多種等因素影響,大氣細(xì)顆粒物污染較為嚴(yán)重.而微生物易附著在細(xì)顆粒物形成微生物氣溶膠加劇空氣污染,并隨著呼吸作用深入人體而誘發(fā)各種疾病[1-8].附著微生物中細(xì)菌占比較高,約占總含量的90%[9].因此,在0.1～20.0μm粒徑范圍內(nèi)的細(xì)菌氣溶膠與病毒氣溶膠近年來(lái)受到廣泛重視[10-11].已有研究證實(shí)細(xì)菌氣溶膠可誘發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病[12].受到供暖季霧霾天氣的影響,細(xì)菌氣溶膠對(duì)健康的負(fù)面影響加劇[13].細(xì)菌氣溶膠在空氣中的傳播還可增加抗性基因擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)[14-15].此外,微生物氣溶膠的擴(kuò)散也有可能導(dǎo)致大規(guī)模傳染性疾病蔓延,例如軍團(tuán)菌病、SARS、肺結(jié)核以及感染性極強(qiáng)的2019-nCoV急性呼吸疾病等[16--19].細(xì)菌氣溶膠污染特性主要體現(xiàn)在來(lái)源、組分及分布規(guī)律,且易受到溫度、光照、降雨和風(fēng)速等因素的影響[20-23].細(xì)菌氣溶膠來(lái)源廣泛且難追蹤,包括人體代謝、土壤、水體及腐敗有機(jī)物等來(lái)源[24].細(xì)菌氣溶膠的運(yùn)動(dòng)軌跡和分布受到氣象因素、布朗運(yùn)動(dòng)、重力、梯度力及顆粒間作用等多種因素的影響,且粒徑越小的細(xì)菌氣溶膠而言其擴(kuò)散能力越強(qiáng),運(yùn)動(dòng)規(guī)律更為復(fù)雜[25-26].

目前,細(xì)菌氣溶膠的傳播擴(kuò)散研究為了簡(jiǎn)化處理往往忽視了細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖.為表征細(xì)菌的生理特性常用 Logistic模型、Gompertz模型、Baranyi模型和病毒感染動(dòng)力學(xué)模型等,其中Logistic模型表述為理想的“S”型生長(zhǎng)曲線;Gompertz 模型描述的是先快后慢的非對(duì)稱性S形函數(shù);Baranyi模型能體現(xiàn)微生物的遲滯期與最大生長(zhǎng)速率;病毒感染動(dòng)力學(xué)模型因能表征非穩(wěn)態(tài)污染源擴(kuò)散規(guī)律而應(yīng)用廣泛[27-33].由不同的細(xì)菌在生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中受到不同環(huán)境因素的影響,而采取不同的模擬策略.在細(xì)菌氣溶膠傳播擴(kuò)散研究中傳統(tǒng)采用實(shí)地觀測(cè)法和風(fēng)洞試驗(yàn)法,但成本較高.而近年來(lái)數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展,對(duì)建筑尺度的細(xì)菌氣溶膠擴(kuò)散研究多采用數(shù)值模擬技術(shù).如蔣德海等[34]運(yùn)用 CFD(Computational Fluid Dynamics)模擬街道峽谷的擴(kuò)散分布情況,驗(yàn)證了數(shù)值模擬技術(shù)可應(yīng)用于研究城市大氣環(huán)境.Solazzo等[35]模擬街谷尺度的污染物擴(kuò)散,其模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)相似驗(yàn)證了模擬的可行性.在建筑尺度中,有研究采用 CFD技術(shù)結(jié)合高斯煙羽擴(kuò)散模型對(duì)室內(nèi)的 SARS病毒擴(kuò)散進(jìn)行研究[36].但對(duì)于細(xì)顆粒物上附著的微生物與顆粒物作為整體且考慮微生物生長(zhǎng)繁殖的特性的擴(kuò)散模擬研究較少.

本研究為探究中國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)住宅建筑室內(nèi)外細(xì)菌氣溶膠的污染特征與傳播規(guī)律,對(duì)黑龍江省室內(nèi)外細(xì)菌氣溶膠開(kāi)展了實(shí)測(cè)研究,通過(guò)構(gòu)建微生物生長(zhǎng)衰亡模型與計(jì)算流體力學(xué)(CFD)相耦合探究細(xì)菌氣溶膠的時(shí)空演化特征,以實(shí)現(xiàn)基于 CFD的細(xì)菌氣溶膠繁殖擴(kuò)散數(shù)值仿真,旨在探究細(xì)菌氣溶膠在建筑尺度的擴(kuò)散規(guī)律,為保障室內(nèi)空氣品質(zhì)提供參考.

1 材料與方法

1.1 室內(nèi)外細(xì)菌氣溶膠實(shí)測(cè)方法

以東北地區(qū)黑龍江省哈爾濱市作為研究地區(qū).哈爾濱市是中國(guó)傳統(tǒng)的重工業(yè)基地,工業(yè)水平高.且由于其緯度偏高,供暖季時(shí)間較長(zhǎng),霧霾天氣頻發(fā)室外空氣污染較為嚴(yán)重.實(shí)測(cè)的建筑住宅是20世紀(jì)90年代的建筑,其外墻裝有保溫苯板,外窗采用了 3層中空玻璃塑鋼窗,建筑氣密性較好.本次實(shí)測(cè)符合《民用建筑環(huán)境空氣顆粒物(PM2.5)滲透系數(shù)調(diào)查技術(shù)規(guī)范》(HJ949—2018)[36]的規(guī)定.

實(shí)測(cè)時(shí)間是2017年12月～2018年3月的供暖季期間,在每1個(gè)測(cè)點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測(cè)7d.對(duì)于室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)采用OT50顆粒物檢測(cè)儀(晴天朗日,北京)進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)參數(shù)包括溫度、相對(duì)濕度、CO2濃度及PM2.5質(zhì)量濃度等參數(shù).實(shí)測(cè)期間該儀器的采樣間隔時(shí)間設(shè)定為15min.細(xì)菌氣溶膠成分的采集采用膜采樣法.采樣儀器為 Omni5000IS流量空氣采樣泵,加裝了PM2.5的切割頭.流量設(shè)置為4000mL/ min,采樣時(shí)間設(shè)置為24h.采集使用的特氟龍材質(zhì)濾膜直徑37mm,孔徑 2.0μm(Whattman,England).記錄采樣前后的濾膜重量,實(shí)測(cè)后的濾膜置于冰箱中進(jìn)行保存.

采用十六烷基三甲基溴化銨法(CTAB法,Cetyltrimethylammonium Ammonium Bromide)對(duì)采集后的樣本上的細(xì)菌基因進(jìn)行提取.提取后的成分采用瓊脂糖凝膠電泳技術(shù)來(lái)檢驗(yàn)其純度與濃度.基因測(cè)序時(shí)采用Ion Plus Fragment Library Kit 48rxns建庫(kù)試劑盒(Thermofisher)構(gòu)建文庫(kù),對(duì)文庫(kù)進(jìn)行檢測(cè).文庫(kù)合格后再采用 Ion S5TMXL(Thermofisher)上機(jī)測(cè)序.得到的測(cè)序結(jié)果通過(guò) Cutadapt(V1.9.1)進(jìn)一步處理,去除低質(zhì)量部分.截去 Barcode和引物序列,以獲得原始數(shù)據(jù)[37-38].為對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理,采用UCHIME Algorithm與數(shù)據(jù)庫(kù)Gold database交叉去除嵌合體序列,得到有效數(shù)據(jù).采用Uparse軟件對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)分析,采用 Mothur方法與SILVA的SSUrRNA數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行物種注釋分析[39-41].

1.2 結(jié)合微生物生長(zhǎng)衰亡模型的擴(kuò)散模型及幾何模型構(gòu)建

1.2.1 結(jié)合微生物生長(zhǎng)衰亡模型的擴(kuò)散模型構(gòu)建 基于環(huán)境氣象數(shù)據(jù)、模擬環(huán)境的邊界條件、污染源類(lèi)型和排放強(qiáng)度、風(fēng)速風(fēng)向和建筑高度等因素,將微生物生長(zhǎng)衰亡模型與空氣動(dòng)力學(xué)模型相耦合.采用 Lagrangian方法數(shù)值模擬研究細(xì)菌氣溶膠在住宅建筑群的室內(nèi)外的繁殖擴(kuò)散過(guò)程.微生物生長(zhǎng)衰亡模型種類(lèi)較多,Malthus 模型是目前主要的微生物生長(zhǎng)衰亡模型模型,有學(xué)者基于假設(shè)對(duì)Malthus模型進(jìn)行修正得到了經(jīng)典Logistic模型[42].經(jīng)典 Logistic方程模型考慮了微生物種群繁殖與環(huán)境資源之間關(guān)系,是一種較為接近真實(shí)微生物種群生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)模型.且相比于 Gompertz模型、Baranyi模型,Logistic模型擬合更加精確.經(jīng)典Logistic模型已用于建立多種細(xì)菌類(lèi)型的生長(zhǎng)衰亡預(yù)測(cè)模型[42-46].公式如下所示:

式中:B0,B1,B2…Bn為常數(shù);n為≥0的自然數(shù);C(t)為 t時(shí)刻的污染物濃度,個(gè)/L.

本研究中假設(shè)當(dāng)C(t)等于0或C(t)趨近于飽和水平時(shí),有 dC(t)/dt=0.可以得到 B0=0.可得到公式如下所示:

式中:A為細(xì)菌種群凈相對(duì)增長(zhǎng)率;Cmax為最大細(xì)菌數(shù)量容納量,個(gè)/L.

采用哈爾濱市在供暖季的某實(shí)際住宅建筑群的室內(nèi)外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),繪制相應(yīng)細(xì)菌Logistic生長(zhǎng)衰亡模型.先對(duì)Logistic模型進(jìn)行檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)t趨近于正無(wú)窮時(shí),細(xì)菌數(shù)量 C(t)都會(huì)無(wú)限趨近于最大細(xì)菌數(shù)量容納量Cmax,因而Logistic模型具有良好的穩(wěn)定性.為建立與中國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)氣候相適宜的建筑室內(nèi)外的細(xì)菌生長(zhǎng)衰亡模型,采用三點(diǎn)法求解細(xì)菌Logistic模型.將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)帶入式(3)、式(4)中計(jì)算.其中假定在實(shí)測(cè)過(guò)程中監(jiān)測(cè)設(shè)備捕捉到 22%的細(xì)顆粒物上均帶有且僅有一個(gè)細(xì)菌粒子[47].計(jì)算結(jié)果表明A室內(nèi)=0.00702,Cmax室內(nèi)=3278個(gè)/L,A室外= 0.00734,Cmax室外=5393個(gè)/L,得到細(xì)菌生長(zhǎng)衰亡模型公式如式(5)、式(6)所示,經(jīng)檢驗(yàn)誤差率維持在10%以內(nèi).

式中:C(t)內(nèi)為室內(nèi)細(xì)菌濃度,個(gè)/L;C(t)外為室外細(xì)菌濃度,個(gè)/L.

在微生物擴(kuò)散模型的構(gòu)建中,本研究對(duì)細(xì)菌氣溶膠采用Lagrangian方法,使用RNG k-ε湍流模型.該模型的湍動(dòng)粘度更加貼合實(shí)際,相較于標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,能夠更好的處理流體旋轉(zhuǎn)及旋流流動(dòng).

1.2.2 室內(nèi)幾何模型的構(gòu)建 參考哈爾濱市的某處實(shí)際的住宅建筑(學(xué)生公寓),采用該建筑內(nèi)部主要功能房間的幾何尺寸作為模擬構(gòu)建的依據(jù).構(gòu)建的室內(nèi)三維模型如圖 1所示.本模型房間主要為居住空間,其進(jìn)深為9.0m,開(kāi)間為4.5m,房間高度為3.6m,在冬季采用集中供暖由散熱器維持室內(nèi)溫度,夏季采用自然通風(fēng)來(lái)降低室內(nèi)溫度.房間內(nèi)的主要家具為4張上下床.其中室內(nèi)模型中包括1扇門(mén)(寬×高為1.5m×2.5m),4張由上下兩張床板構(gòu)成的床,和1扇窗(寬×高為 2.5m×2.1m).模型的計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)(Z)×寬(X)×高(Y)分別為9.0m×4.5m×3.6m.使用Fluent(15.0)軟件進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)選取RNG k-ε湍流模型,并假定入流邊界(Velocity-Inlet)為門(mén),入流速度為 3m/s(2級(jí)風(fēng)),窗戶作為壓力出口邊界,壁面屬性均設(shè)定為無(wú)滑移.假定細(xì)菌氣溶膠顆粒(直徑為 2.5μm)為惰性球體(Inert)且顆粒物擴(kuò)散受到重力場(chǎng)影響.細(xì)菌氣溶膠顆粒濃度變化規(guī)律通過(guò) UDF窗口作為非穩(wěn)態(tài)污染點(diǎn)源實(shí)現(xiàn),其中非穩(wěn)態(tài)污染點(diǎn)源的釋放位置(x,y,z)為(2,1.5, 0).細(xì)菌氣溶膠顆粒在釋放初始時(shí)刻具有Z軸負(fù)方向上的速度,大小為 1.8m/s,即成年人一次呼吸呼出空氣所具有的速度.

圖1 供暖季哈爾濱市住宅室內(nèi)外細(xì)菌氣溶膠樣本中前10豐度的細(xì)菌門(mén)類(lèi)相對(duì)百分比Fig.1 Relative percentage of bacteria in the top 10abundance of indoor and outdoor bacterial aerosol samples in Harbin residential houses in heating season

2 結(jié)果與討論

2.1 細(xì)菌氣溶膠在室內(nèi)的污染特性

由圖 1可見(jiàn),在供暖季哈爾濱住宅建筑室內(nèi)外細(xì)顆粒物上的前 10種優(yōu)勢(shì)菌群為變形菌門(mén)(Proteobacteria)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)、厚壁菌門(mén)(Firmicutes)、放線菌門(mén)(Actinobacteria),生氧光細(xì)菌(Oxyphotobacteria)、梭桿菌門(mén)(Fusobacteria)、酸桿菌門(mén)(Acidobacteria)、芽單胞菌門(mén)(Gemmatimonadetes)、棲熱菌門(mén)(Deinococcus-Thermus)和綠彎菌門(mén)(Chloroflexi).在優(yōu)勢(shì)菌群中,擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)、厚壁菌門(mén)(Firmicutes)、變形菌門(mén)(Proteobacteria)在細(xì)菌總組分中占比較高.在厚壁菌門(mén)中,由于芽孢結(jié)構(gòu)可使其生活在極端環(huán)境中因而能夠適宜供暖季嚴(yán)寒地區(qū)的低溫氣候.而變形菌門(mén)細(xì)菌對(duì)紫外線有一定的抵抗力而廣泛存在.擬桿菌門(mén)多生活于生物體的腸道環(huán)境中,且易成為病原微生物.放線菌門(mén)中大部分營(yíng)腐生生活,廣布于土壤中,其中部分致病菌也可導(dǎo)致結(jié)核病和麻風(fēng)病.

由圖 2可知,供暖季嚴(yán)寒地區(qū)哈爾濱市住宅室內(nèi)外細(xì)菌的主要來(lái)源為糞便來(lái)源(38.60%),其次為土壤(17.18%)、極端環(huán)境(16.66%)、植物(12.17%)、水源(8.83%)和腐敗有機(jī)物(0.60%)等來(lái)源.其中細(xì)菌來(lái)源中糞便來(lái)源的比重較大,這可能與冬季人員室內(nèi)活動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)有關(guān).而水源來(lái)源所占比重較小.這可能與供暖季嚴(yán)寒地區(qū)的平均氣溫低于零下,水源中細(xì)菌活動(dòng)減弱有關(guān).總體來(lái)說(shuō),室內(nèi)細(xì)菌來(lái)源較為多樣,其各種來(lái)源占比受到氣候、地理位置、室內(nèi)人員活動(dòng)情況等各種因素的影響.

圖2 供暖季哈爾濱市住宅室內(nèi)外細(xì)菌氣溶膠樣本中來(lái)源預(yù)測(cè)相對(duì)百分比Fig.2 Relative percentage of predicted bacterial sources in bacterial aerosol samples in Harbin residential houses during heating season

2.2 細(xì)菌氣溶膠在室內(nèi)傳播規(guī)律

本研究利用 FLUENT(15.0)和 Tecplot 360EX 2017R1軟件對(duì)連續(xù)相空氣流場(chǎng)進(jìn)行模擬和計(jì)算結(jié)果的后期處理.如圖 3所示.室內(nèi)空氣湍流流場(chǎng)分析結(jié)果表明,當(dāng)空氣以 3.0m/s的速度流入室內(nèi)流場(chǎng)時(shí),以2.4m/s左右的速度流出該計(jì)算域.

圖3 連續(xù)相流場(chǎng)等值曲線Fig.3 Contour graph of continuous phase flow field

圖3(a)表明,在房間高度Y=1.5m的截面處,窗戶對(duì)面過(guò)道處流速較房間上下兩側(cè)大.其中家具之間空隙形成了大小不等的渦流,由于距離門(mén)的位置較近,下側(cè)兩張床較上側(cè)兩張床床板之間的渦流更加密集且流動(dòng)更加紊亂.圖 3(b)顯示,在房間高度 Y=2.5m 截面處的空氣流動(dòng),較圖 3(a)更加平穩(wěn)且等值曲線之間的速度梯度較小,且門(mén)對(duì)面的過(guò)道處連續(xù)相速度較上下兩側(cè)大.由此可見(jiàn)室內(nèi) Y值越低,連續(xù)相的流動(dòng)就越相對(duì)復(fù)雜,速度梯度就越大,更容易導(dǎo)細(xì)菌氣溶膠在房間內(nèi)逗留.

由圖4可知,模型中近90%的細(xì)菌氣溶膠顆粒在50s內(nèi)就會(huì)逃逸出該流場(chǎng).但全部污染物顆粒離開(kāi)該計(jì)算域最大耗時(shí)約為 125s.這是與房間內(nèi)存在的背風(fēng)側(cè)小渦流和房間上空的大渦流有關(guān),且可能導(dǎo)致污染物在固定空間內(nèi)的聚集.此外,細(xì)菌氣溶膠顆粒在房間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡與房間連續(xù)相左側(cè)湍流流動(dòng)相似,右側(cè)的流動(dòng)不相似.這可能主要與污染源的位置和通風(fēng)的隔斷作用有關(guān).離散相由于運(yùn)動(dòng)初始位置位于房間的左側(cè)導(dǎo)致不易擴(kuò)散至房間右側(cè).并且一部分顆粒物會(huì)隨著連續(xù)相氣流的湍流流動(dòng)逐漸擴(kuò)散至房間上空的渦流而不易流出計(jì)算域.

由圖5可知,隨著房間高度(Y值)的降低,細(xì)菌氣溶膠顆粒物的室內(nèi)濃度逐漸降低且濃度變幅度逐漸變小,影響范圍也更加廣泛.同時(shí)由于在床板的細(xì)菌氣溶膠的低速流動(dòng),導(dǎo)致其更易積聚沉降從而危害人體健康.房間高度(Y值)的降低并沒(méi)有對(duì)細(xì)菌氣溶膠的濃度變化規(guī)律造成顯著影響.污染物易于在床板之間、門(mén)上側(cè)和床后背風(fēng)側(cè)等家具遮擋處積聚,但對(duì)主要空氣流通路徑的影響不大,細(xì)菌氣溶膠沉降積聚概率較小.這主要與更短的通風(fēng)路徑導(dǎo)致污染物更易飛出窗外有關(guān),通風(fēng)路徑較短,細(xì)菌氣溶膠還未來(lái)得及在大范圍內(nèi)擴(kuò)散,便通過(guò)主要通風(fēng)路徑稀釋到室外環(huán)境中.因此通風(fēng)可以在一定程度上阻礙細(xì)菌氣溶膠在室內(nèi)主要通風(fēng)路徑上的大范圍聚集.比較同一高度下不同時(shí)間內(nèi),通風(fēng)將污染迅速帶離室內(nèi)環(huán)境的效果會(huì)隨著時(shí)間的推移而減弱.室內(nèi)流場(chǎng)的污染物濃度在700s后才趨于峰值,主要原因是污染源的非穩(wěn)態(tài)變化對(duì)流場(chǎng)中離散相的影響具有滯后性.同時(shí)距離污染源越近,對(duì)人類(lèi)健康威脅就越大,以污染源位置為原點(diǎn)向四周濃度逐漸變小,但污染源下方的污染物濃度分布較上方更加廣泛,主要與房間的結(jié)構(gòu)、湍流形式和粒子重力場(chǎng)有關(guān).

圖5 單一風(fēng)速下室內(nèi)細(xì)菌氣溶膠濃度時(shí)空演化Fig.5 Indoor time-space evolution of bacterial aerosols concentration under single air velocity

3 結(jié)論

3.1 細(xì)菌組分分析表明,在供暖季哈爾濱住宅建筑室內(nèi)外細(xì)菌氣溶膠樣本中變形菌門(mén)(Proteobacteria)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)、厚壁菌門(mén)(Firmicutes)在細(xì)菌總組分中占比較高.

3.2 細(xì)菌來(lái)源預(yù)測(cè)表明,供暖季嚴(yán)寒地區(qū)哈爾濱市住宅室內(nèi)外細(xì)菌的主要來(lái)源為糞便來(lái)源,其次為土壤、極端環(huán)境、植物、水源和腐敗有機(jī)物等來(lái)源.其各種來(lái)源占比受到氣候、地理位置、室內(nèi)人員活動(dòng)情況等各種因素的影響.

3.3 在細(xì)菌氣溶膠的室內(nèi)繁殖擴(kuò)散模擬分析中發(fā)現(xiàn),通風(fēng)可以在一定程度上阻礙細(xì)菌氣溶膠在室內(nèi)主要通風(fēng)路徑上的積聚.但通風(fēng)將細(xì)菌氣溶膠快速帶離室內(nèi)環(huán)境的作用會(huì)隨時(shí)間而衰減.

3.4 在室內(nèi)細(xì)菌氣溶膠的濃度擴(kuò)散規(guī)律上發(fā)現(xiàn),細(xì)菌氣溶膠以污染源位置為原點(diǎn)向四周濃度逐漸變小.污染源下方向的污染物濃度分布較上方向的更加廣泛,主要與房間的結(jié)構(gòu)、湍流形式和粒子重力場(chǎng)有關(guān).