陳露安,楊傳鈞,谷雨倩,劉學虎,楊自力*

超聲波加濕室內微生物氣溶膠濃度與優(yōu)化方法

陳露安1,楊傳鈞1,谷雨倩1,劉學虎2,楊自力1*

(1.東華大學環(huán)境科學與工程學院,上海 201620；2.中國輕工業(yè)廣州工程有限公司,廣東 廣州 511440)

為明確超聲波加濕對冬季供暖室內微生物氣溶膠粒徑與濃度分布的影響,以及降低暴露風險的有效方法,針對典型辦公室環(huán)境,基于模擬實驗法與正交試驗法,探究不同相對濕度(RH=40%、55%、70%)、加濕器水質(蒸餾水、自來水、涼白開)和窗戶開度(0、1/6、1/3)下,超聲波加濕前后室內細菌、真菌氣溶膠按粒徑分級的濃度變化,并結合極差分析與層次分析法(AHP)對上述因素的影響權重排序.結果表明,超聲波加濕后,細菌、真菌氣溶膠的濃度增長率分別高達294%和798%,且分布(0.6～4.7μm)集中在人員可吸入范圍.影響加濕室內微生物暴露量的因素權重排序為:水質(45%)>目標濕度(44%)>窗戶開度(11%).為最大限度降低暴露風險,建議用戶使用超聲波加濕器時,優(yōu)先選用蒸餾水,調節(jié)目標濕度至中等水平.

超聲波加濕；生物氣溶膠；室內空氣；正交試驗；使用優(yōu)化

超聲波加濕具有霧化能力強、加濕速度快、低耗低噪等優(yōu)點,廣泛用于緩解冬季供暖室內空氣干燥的問題.然而,現(xiàn)有研究表明,若使用不當,超聲波加濕會增大室內細菌、真菌氣溶膠(統(tǒng)稱為微生物氣溶膠)濃度并誘發(fā)人員呼吸疾病[1-6];連續(xù)使用加濕器后室內微生物氣溶膠的群落結構也會惡化,空氣中可吸入性致病微生物的占比增加[7],進一步加劇了人員在加濕室內的微生物氣溶膠暴露風險.

影響暴露風險大小的主要因素有:加濕器水質、目標相對濕度(RH)與通風情況.加濕器水里的雜質是加濕空氣中氣溶膠顆粒的主要來源.當加濕器用水不易孳生微生物時,將緩解微生物氣溶膠散發(fā)[10-11].而降低加濕的目標相對濕度(RH)也可顯著降低室內微生物氣溶膠暴露風險,已有研究表明[8-9]:當目標RH=80%時,空氣中的細菌濃度高達46000CFU/m3[9],而當目標RH=46%～75%時,可降至23000CFU/m3[8].此外,開窗通風也有助于稀釋空氣污染物,避免細菌、真菌等污染物堆積,減小室內微生物氣溶膠吸入風險[12-13].

然而,現(xiàn)有研究未能明確降低加濕室內微生物氣溶膠暴露風險的有效方法.在實際中,用戶由于工藝要求或條件限制,往往難以同時實現(xiàn)降低目標加濕量、改善加濕水質、持續(xù)開窗通風等條件,這是因為過低的相對濕度或將影響室內人員舒適性或工藝生產,這與其使用加濕器的目的相悖;用戶在使用過程中,通常由于蒸餾水等優(yōu)質水質獲取不便,往往貪圖方便而更多地使用簡單易取的自來水或涼白開等作為加濕器填充水;開窗通風雖可稀釋污染物,但在供暖季節(jié),持續(xù)通風顯然會增加室內供暖能耗.

為此,本文通過模擬實驗法與正交試驗法,在不同相對濕度(RH=40%、55%、70%)、水質(自來水-TW、蒸餾水-DW、涼白開-CW)及窗戶開度(0,1/6, 1/3)等典型工況下,研究超聲加濕前后室內微生物氣溶膠的分級濃度變化,分析3種因素對降低室內微生物氣溶膠濃度的影響作用大小,明確減小加濕房間內微生物暴露風險的最有效組合方式.結果可為保障超聲波加濕室內人員呼吸健康提供借鑒.

1 實驗材料與研究方法

1.1 實驗裝置

圖1 實驗艙設置

為確保實驗初始微生物氣溶膠濃度等條件的一致性與可控性,本研究采用模擬實驗法,以實際辦公房間為原型,按1:5等比縮放并依照GB50176- 2016《民用建筑熱工設計規(guī)范》[14]搭建3個模擬實驗艙(長×寬×高:1030mm×825mm×825mm,如圖1).在實驗過程中,實驗艙門常閉,窗戶(300mm×300mm)依據(jù)實驗工況開啟或關閉.3個實驗艙平行排列在溫濕度可控的人工氣候實驗室中(如圖2),以保證實驗艙外的溫濕度、本底微生物氣溶膠濃度等條件一致且穩(wěn)定(16～19?C,RH=(35%±5%)).

圖2 實驗艙在人工氣候室內布局

經預實驗驗證,實驗艙之間以及對背景實驗室中氣溶膠的影響微弱,因此實驗艙(1)與(2)分別開展不同工況實驗(如表1);各實驗艙內平鋪有電熱膜(表面溫度<30℃),加熱艙內空氣并恒溫23℃,對照艙內僅供暖不加濕.加濕實驗艙內,于對角線頂點處設有1臺市面常見的便攜式超聲波加濕器(1.7MHz)進行加濕.基于雷諾相似準則,調整加濕器噴嘴處流速為0.8m/s,以保證模擬實驗艙內加濕器噴霧氣流流動狀態(tài)與實際原型房間內保持一致.

1.2 正交試驗設計

表1 實驗工況

采用3因素3水平正交試驗研究相對濕度(40%,55%,70%),加濕器水質(蒸餾水,自來水,涼白開),窗戶開度(0,1/6,1/3)的影響,實驗用水來源:自來水接自上海市政管網,在水龍頭開啟30s后取水;涼白開由相同來源的自來水加熱沸騰3min后在密閉容器中冷卻至室溫獲得;實驗所用蒸餾水為商用滅菌蒸餾水(屈臣氏,密封瓶裝),每次實驗使用新開封的蒸餾水,以避免污染.正交試驗工況設置及實驗方法見表1、圖3.

圖3 單次實驗工況營造及采樣流程

1.3 實驗步驟

1.3.1 實驗主要流程 為保證各工況初始條件一致,每次實驗開始前都對各實驗艙與背景實驗室充分通風,將加濕器加水(1L)后放入實驗艙,關閉實驗艙艙門,依據(jù)工況表1調整窗戶開度.加濕器運行前采集各實驗艙與背景實驗室的初始樣本,采樣過程如下:使用裝有胰蛋白酶大豆瓊脂培養(yǎng)基(TSA)的安德森6級空氣微生物采樣器,在流量28.3L/min下同步采樣實驗組、對照組及背景實驗室中的細菌氣溶膠初始樣本2min,隨后使用裝有沙氏葡萄糖瓊脂(含氯霉素)培養(yǎng)基(SDA)的空氣采樣器再次同步采樣實驗組、對照組與背景實驗室中真菌氣溶膠初始樣本2min,采樣得到的細菌與真菌用于后續(xù)培養(yǎng)(通風后,背景實驗室、各實驗艙與對照艙內細菌、真菌氣溶膠初始濃度均較低,約80～260CFU/m3).

初始樣本采集完畢后啟動加熱裝置與加濕器對實驗艙供暖加濕,因目標相對濕度不同,實驗時各實驗艙溫濕度達到目標水平所需時長不等,實際需1～1.5h,此后在繼電器(設定有目標溫、濕度)的控制下,加濕器與電熱膜間歇啟停以保證室內溫濕度條件穩(wěn)定.為確保各實驗組在采樣時系統(tǒng)運行時長一致、溫濕度充分穩(wěn)定,在開始加濕后2.5h(此時各實驗組的溫濕度已穩(wěn)定至少1h),采樣各實驗艙內的細菌氣溶膠,待艙內空氣溫濕度重新穩(wěn)定1h后再采樣真菌氣溶膠樣品;隨后停止加熱加濕,并采集實驗后加濕器水樣.

1.3.2 采樣培養(yǎng)與濃度增量計算 所采用的安德森6級采樣器的各級分級粒徑為:第一級>7.0μm,第二級4.7～7.0μm,第三級3.3～4.7μm,第四級2.1～3.3μm,第五級1.1～2.1μm,第六級0.6～1.1μm[15].采集在TSA上的細菌,經37oC培養(yǎng)48h后計數(shù).采集在SDA上的真菌,經28°C培養(yǎng)5d后計數(shù),計數(shù)時引入空白培養(yǎng)皿作為平行對照并重復計數(shù),以多次計數(shù)所得平均值作為結果.細菌或真菌氣溶膠濃度增量Δ(CFU/m3).

由式(1)計算:

ΔC=C-0(1)

式中:C為加濕后的細菌或真菌氣溶膠濃度,CFU/m3;0為該實驗艙的初始濃度,CFU/m3.

每次實驗前、后,加濕器水樣分別重復采集3組.水中細菌采用平板培養(yǎng)法計算濃度:取1mL水樣,在培養(yǎng)皿中與15mL無菌液態(tài)營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基(NA)均勻混合;待冷卻凝固后,經37℃培養(yǎng)48h計數(shù).水中真菌同樣采用液態(tài)SDA平板培養(yǎng)法,經28℃培養(yǎng)5d后計數(shù).

1.4 分析方法

采用單因素方差分析加濕實驗組與對照組間微生物濃度差異的顯著性.當<0.05時,認為存在顯著差異.對正交試驗所得結果進行極差分析,并基于層次分析法(AHP)[16]得出優(yōu)勢影響因子及其權重并排序.

2 結果與討論

2.1 超聲波加濕對細菌、真菌分級濃度的影響

超聲波加濕前后艙內細菌、真菌氣溶膠分級濃度變化分別如圖4所示.相比于對照艙中空氣微生物由于沉降等產生的濃度降低趨勢,超聲波加濕組中細菌、真菌濃度顯著增大(表2,<0.01,單因素方差分析).其中,細菌在短時(2.5h)加濕后濃度增量最高達366CFU/m3(實驗組2),相比于對照組增幅達294%;而真菌在加濕后增量最大,可達599CFU/ m3(實驗組8),相比對照組增幅達798%.

表2 空氣細菌、真菌濃度增量的方差分析

注:*<0.05 **<0.01.

(a) 細菌

(b) 真菌

圖4 微生物氣溶膠分級濃度變化

Fig.4 Comparison of bioaerosol concentrations and size-distributions before and after humidification

實驗組與對照組細菌、真菌氣溶膠的分級濃度增量方差分析結果如表3所示.加濕后,0.6～1.1μm粒徑范圍的細菌濃度大多顯著增大(圖4(a)中白色部分);而增加的空氣真菌中,粒徑范圍為3.3～4.7μm與1.1～2.1μm的小粒徑顆粒占據(jù)主導(圖4(b)).已有研究指出[17],粒徑小于4.7μm的顆粒物可到達人的氣管,而粒徑為0.6～1.1μm的細微顆粒甚至可進入人體肺泡.Hung等[18]研究表明,超聲波加濕器散發(fā)的水霧粒徑范圍為0.2～1.25μm,Sain等[10]對超聲波加濕器散發(fā)顆粒物的研究也證明加濕器散發(fā)的顆粒物粒徑集中在亞微米級.Yang等[7]實驗結果同樣表明,超聲波加濕器散發(fā)的細菌集中在小粒徑范圍(0.6～1.1μm).Kooij等[19]研究指出,這與超聲波的頻率等特性有關.由于常見真菌孢子粒徑為1～10μm[20],而超聲波霧化特性所釋放的主要為亞微米顆粒,因此在超聲波加濕下室內空氣中0.6～1.1μm粒徑段的細菌濃度顯著增大,而真菌增量較少,表現(xiàn)了與細菌不同的規(guī)律.

表3 加濕促進細菌、真菌濃度的增長及其粒徑范圍

注:*<0.05 **<0.01(增長不顯著部分未顯示).

而實驗4(蒸餾水、RH55%、窗戶開度1/6)中0.6～1.1μm粒徑段細菌減少的可能原因是:一方面, 蒸餾水所含養(yǎng)分極少(表4)、菌體不易增殖,且在室內RH=55%的中等空氣相對濕度下微生物不宜存活[21],此時實驗艙內微生物氣溶膠增量最少;另一方面,超聲波加濕器通過水霧促進氣溶膠凝并沉降,對空氣顆粒具備一定的凈化效應[22],且對小粒徑顆粒的沉降作用更為顯著[23].

上述結果表明:超聲波加濕不僅會增大室內細菌、真菌氣溶膠濃度暴露風險,而且主要集中在0.6～4.7μm粒徑范圍,加劇了室內人員的吸入風險.

2.2 加濕條件的影響敏感性

正交實驗極差分析結果(圖5)顯示,目標相對濕度及水質對加濕室內細菌、真菌氣溶膠暴露量的影響較大,窗戶開度的影響相對較小.本文中,3種因素的最優(yōu)組合為“RH=55%,蒸餾水,窗戶開度1/3”.

由圖5可知,微生物氣溶膠增量在RH=55%時達到最低,此結果與Sterling等[24]所得結論一致:在室溫、中等濕度(RH=40%～60%)條件下,微生物氣溶膠的暴露風險最低.這是因為,微生物多依附于液滴等漂浮;而Dunklin等[21]指出,在中等相對濕度下,空氣中的載菌液滴易部分蒸發(fā),使液滴中的溶質濃度不斷增大而對菌體產生毒性,加劇其衰亡.處于低濕狀態(tài)的液滴雖容易更快蒸發(fā),但所載細菌自身將因此脫水進入干燥休眠狀態(tài),并對外部不利因素(如載菌液滴濃縮后的毒性)產生抵御[25];而在適宜生長的基體(如培養(yǎng)基)上,休眠的細菌將復蘇,并表現(xiàn)出更強的增殖力.

圖5 3種因素影響的極差分析

DW-蒸餾水;TW-自來水;CW-涼白開

水質對微生物氣溶膠濃度的影響較大,為此,對實驗所用3種水質的化學需氧量(COD)、總氮(TN)、總磷(TP)及游離氯含量進行了檢測,結果如表4所示.

表4 水中COD、TN、TP及游離氯含量

由表4可見,3種水的養(yǎng)分含量均較低,不利于微生物繁殖.但多項究表明低強(<2W/cm2)[26]高頻超聲波(>580kHz)[27]可有效促進液體中微生物繁殖.其中,高頻聲波因聲學振蕩周期更短,形成空化氣泡的耗時短、氣泡小、氣泡空化破裂時能量也更低,僅能夠“打散”水中菌體微團,增大了與液體的有效接觸及繁殖空間,反而促進微生物繁殖[27-28].本實驗使用的是常見超聲波加濕器,配備1.7MHz的高頻低強超聲霧化片,產生的超聲波應以對微生物活性的促進作用為主;Yang等[7]也發(fā)現(xiàn)經超聲波作用后,加濕器水中細菌濃度迅速增大.而3種水中,由于蒸餾水純凈無菌,且所含氮、磷等元素最少,即便超聲波作用,細菌與真菌依然不易在蒸餾水中繁殖,因此使用蒸餾水加濕時微生物氣溶膠濃度增量最少(圖5);自來水通常含有少量余氯,雖然氯能抑制水中細菌與真菌的繁殖[29],但經超聲波振蕩后將快速揮發(fā)而不再具備抑制作用,此時細菌與真菌在超聲波作用下憑借水中的氮、磷等養(yǎng)分快速繁殖[30],因此,使用自來水加濕時室內細菌與真菌增量最大;涼白開的增量僅次于自來水,這是因為涼白開所含養(yǎng)分與自來水類似,雖經高溫煮沸后其初始含菌量較少,但使用時環(huán)境菌體落入(如背景空氣)難以避免,也在超聲波作用下憑借少量養(yǎng)分快速繁殖,最終向室內釋放較高濃度的微生物氣溶膠.

而與相對濕度、水質的影響相比,不同窗戶開度下的微生物濃度變化最小,不開窗與開窗1/3的差異不明顯(>0.05,單因素方差分析).而在實際的冬季供暖房間內,用戶由于節(jié)能、舒適性等因素,往往很少或較小地開窗(特別是在長江三角洲等冬季具有”陰冷感”的地區(qū)),且開啟時間短,對室內空氣中微生物的稀釋作用弱.

進一步使用層次分析法(AHP)定量評價相對濕度、水質、窗戶開度等3種因素對空氣中細菌、真菌增量的影響大小,比較矩陣如表5所示.重要性標度由對應因素的極差值兩兩比較得出.

表5 AHP評價3種因素的比較矩陣

層次分析結果顯示(表6),本文中目標相對濕度對室內細菌、真菌暴露風險的影響權重為43.63%,加濕水質的權重為45.30%,窗戶開度權重僅為11.07%.因此,所研究的3種因素對減小加濕室內細菌、真菌暴露量的影響大小排序為:水質>目標相對濕度>窗戶度.這一結果表明,使用蒸餾水等純凈水源作為加濕器用水是改善加濕空氣品質的最有效方法.當難以獲取蒸餾水時,加濕目標設為中等相對濕度也能降低微生物氣溶膠濃度;而開窗的改善作用則相對最弱.

表6 各因素影響大小權重

注:一致性比率CR=CI/RI=0.00<0.1(查得:隨機一致性指標RI=0.52),滿足一致性檢驗.

本文研究成果對在加濕房間感到不適的用戶具有積極借鑒,建議首先改善加濕水質,選用潔凈且不易孳生微生物的水,如蒸餾水;或調節(jié)目標相對濕度至中等水平,例如55%左右,以同時保證室內人員的舒適與健康;而僅調節(jié)窗戶開度對加濕空氣中微生物污染的改善作用相對較小,且會引起熱量耗散而增加供熱能耗.

3 結論

3.1 使用超聲波加濕器后,室內微生物氣溶膠濃度顯著增大,且集中在可吸入(細菌:0.6～1.1μm;真菌: 1.1～2.1μm、3.3～4.7μm)粒徑范圍內.本文研究中,加濕后細菌最大增幅達294%,真菌最大增幅為798%.

3.2 改善加濕室內細菌、真菌暴露量因素的影響大小按其權重排序為:水質(45%)>目標相對濕度(44%)>窗戶度(11%).

3.3 為最大程度地降低供暖加濕室內細菌、真菌暴露風險,超聲波加濕器的最佳使用工況為:優(yōu)先使用蒸餾水、設置中等加濕濕度(如RH=55%),開窗的改善效果相對較弱.

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Impacts of ultrasonic humification on size-distribution and concentration variations of indoor bioaerosol and its optimization strategy.

CHEN Lu-an1, YANG Chuan-jun1, GU Yu-qian1, LIU Xue-hu2, YANG Zi-li1*

(1.College of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China；2.China GDE Engineering CO., LTD., Guangzhou 511440, China)., 2022,42(4)：1594～1600

This work experimentally investigated the size-distribution and concentration changes of indoor bioaerosol before and after ultrasonic humidification via the orthogonal experiment methods in three heated experimental chambers (23°C) to clarify the exposure risk of indoor airborne bacteria and fungi during ultrasonic humidification. Effectiveness of three well-recognized influencing factors, i.e., target relative humidity (RH=40%, 55%, 70%), humidifier water type (distilled water, tap water, cooled boiled water), and window opening degree (0, 1/6, 1/3) on mitigating the exposure risks was also rated according to Range Analysis and Analytical Hierarchy Process (AHP). The results showed a substantial increase of indoor bacterial and fungal aerosol concentrations, by 294% and 798%, respectively, after ultrasonic humidification; the surged microbes were concentrated in the inhalable ranges. The three factors varied in their effectiveness in mitigating the bioaerosol exposure during humidification, which was ranked by AHP as: humidifier water quality (45%)> target relative humidity (44%)>window opening (11%). To minimize the exposure risks, distilled water and a medium humidification level (such as RH=55%) should be prioritized for ultrasonic humidification, while the effect of window opening degrees is relatively insensitive.

ultrasonic humidification；bioaerosol；indoor air；orthogonal experiment；optimization

X513,X172

A

1000-6923(2022)04-1594-07

陳露安(1996-),女,浙江臺州人,東華大學碩士研究生,主要從事室內空氣品質研究.發(fā)表論文2篇.

2021-09-22

國家自然科學基金資助項目(52008078);上海市科技英才揚帆計劃項目(19YF1401800)

*責任作者, 副教授, ziliy@dhu.edu.cn