東北農(nóng)村居住建筑冬季室內(nèi)空氣污染研究

白 莉，李春輝，賀梓健，陳琬玥

吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118

0 引言

室內(nèi)空氣質(zhì)量(Indoor air quality,英文縮寫為IAQ)影響著人體健康和工作效率[1],包括含氧量、甲醛含量、二氧化碳含量、水汽含量和顆粒物含量等.美國(guó)在20世紀(jì)70年代開始關(guān)于室內(nèi)空氣污染方面的研究[2].加拿大衛(wèi)生組織有關(guān)文獻(xiàn)認(rèn)為,人類疾病中有68 %是室內(nèi)空氣污染造成的[3].近年來，我國(guó)關(guān)于室內(nèi)空氣污染的研究得到迅速發(fā)展,研究成果多以城市為主,隨著人們環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)及對(duì)空氣污染關(guān)注的不斷深入,農(nóng)村IAQ問題逐漸凸顯出來.事實(shí)上,農(nóng)村居住建筑室內(nèi)空氣污染比城市更加嚴(yán)重[4],主要是由采暖、炊事、人員密集和吸煙及農(nóng)耕、秸稈燃燒等室外空氣污染造成的[5].由于農(nóng)民生活習(xí)慣和條件的限制,一般家庭沒有空氣凈化裝置,室內(nèi)空氣污染物只能通過無組織擴(kuò)散或以自然衰減的方式降低濃度.本文通過連續(xù)監(jiān)測(cè)冬季東北農(nóng)村居住建筑室內(nèi)空氣污染物濃度,探索其污染主要影響因素和變化規(guī)律,為農(nóng)村室內(nèi)空氣質(zhì)量的改善和污染控制提供依據(jù)和建議.

1 研究對(duì)象及方法

吉林省是全國(guó)重要的商品糧基地之一,長(zhǎng)春市雙陽區(qū)(原雙陽縣)糧食種植以玉米為主,糧食總產(chǎn)量約為60萬噸/年,玉米產(chǎn)量約占83 %,水稻產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的17 %[6];吉林市永吉縣是全國(guó)水稻種植之鄉(xiāng),糧食總產(chǎn)量約為80萬噸/年,其中玉米產(chǎn)量占69 %,水稻產(chǎn)量約占31 %[7].雙陽縣和永吉縣是糧食高產(chǎn)區(qū),經(jīng)濟(jì)發(fā)展處于中等偏上水平,秸稈資源豐富,當(dāng)?shù)剞r(nóng)民炊事、采暖以秸稈為主導(dǎo)燃料.為使研究具有典型代表性,分別在長(zhǎng)春市雙陽區(qū)新安鎮(zhèn)馬場(chǎng)村和吉林市永吉縣萬昌鎮(zhèn)裴家村等2個(gè)自然村選取4位農(nóng)戶和2個(gè)小超市為測(cè)試對(duì)象進(jìn)行連續(xù)3 d的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).測(cè)試對(duì)象自然狀況見表1.

表1 測(cè)試對(duì)象自然狀況Table 1 The natural condition of the test object

每個(gè)測(cè)試農(nóng)戶建筑平面圖及測(cè)試儀器布置情況如圖1所示,其測(cè)試點(diǎn)均選取在大廳.

(a) 1#,4#農(nóng)戶(a) Peasant household 1#,4#

(b) 6#小超市(b) Small supermarket 6#

(c) 2#,5#農(nóng)戶(c) Peasant household 2#,5#

(d) 3#小超市(d) Small supermarket 3#

為降低測(cè)試數(shù)據(jù)的誤差,避免氣流擾動(dòng)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的干擾及污染物濃度的影響,在每個(gè)測(cè)試房間不同位置分別放置4臺(tái)便攜式空氣質(zhì)量檢測(cè)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)細(xì)顆粒物(PM 2.5)、甲醛(HCHO)及二氧化碳(CO2)的質(zhì)量濃度變化.為保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性,在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)同時(shí)放置1臺(tái)LD-6SR激光粉塵檢測(cè)儀和1臺(tái)英國(guó)PPM-HTV甲醛測(cè)試儀(見圖1)用于校準(zhǔn)便攜式空氣質(zhì)量檢測(cè)儀的測(cè)試數(shù)據(jù).圖2為便攜式空氣質(zhì)量檢測(cè)儀、圖3為L(zhǎng)D-6SR激光粉塵檢測(cè)儀和圖4為PPM-HTV甲醛測(cè)試儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)物照片.

(a) 空氣質(zhì)量檢測(cè)儀(a) Air quality detector

(b) 監(jiān)測(cè)界面(b) Monitoring interface

圖3 LD-6SR激光粉塵檢測(cè)儀實(shí)物照片F(xiàn)ig.3 Real photo of LD-6SR laser dust detector

圖4 PPM-HTV甲醛測(cè)試儀實(shí)物照片F(xiàn)ig.4 Real photo of PPM-HTV formaldehyde tester

2 空氣污染物及其危害

2.1 PM 2.5

PM 2.5是指大氣中直徑小于或等于2.5 μm的細(xì)顆粒物,亦稱可入肺顆粒物.PM 2.5嚴(yán)重影響著人體健康,能進(jìn)入鼻腔,使人易患心腦血管疾病和呼吸系統(tǒng)疾病[8],當(dāng)PM 2.5濃度每上升10 μg/m3,這兩種疾病的死亡率分別增加9.3 %和13.5 %[9].目前PM 2.5已成為大氣環(huán)境中的首要污染物,引起了世界各國(guó)的關(guān)注[10].我國(guó)《環(huán)境空氣質(zhì)量檢測(cè)》(GB 3095-2012)[11]規(guī)定,室內(nèi)PM 2.5在24 h內(nèi)日平均濃度限值為75 μg/m3.

2.2 二氧化碳

二氧化碳(CO2)是自然界中一種常見的氣體.美國(guó)ASHRAE的相關(guān)研究表明,當(dāng)室內(nèi)CO2濃度達(dá)700 ppm時(shí)，室內(nèi)空氣污濁會(huì)引起人的不舒適感;當(dāng)CO2濃度達(dá)到1 000 ppm以上時(shí),會(huì)使人產(chǎn)生困頓感，如果人處于5 000 ppm CO2高濃度環(huán)境連續(xù)超過8 h,則將會(huì)嚴(yán)重?fù)p害人的生命健康[12].據(jù)我國(guó)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道,當(dāng)CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.1 %時(shí),人會(huì)產(chǎn)生疲勞感,較多的人感到不適;當(dāng)CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到2 %時(shí),空氣質(zhì)量差,室內(nèi)細(xì)菌總數(shù)多;當(dāng)CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到3 %時(shí),無意識(shí)地呼吸次數(shù)增加;當(dāng)CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到4 %～5 %時(shí),出現(xiàn)局部刺激癥狀和呼吸量增加;當(dāng)CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到8 %～10 %時(shí),會(huì)產(chǎn)生呼吸困難、全身無力和意識(shí)不清等明顯癥狀;當(dāng)CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到20 %時(shí),會(huì)引起死亡[13-16].CO2來源很多,主要有人的呼吸(人口的密集)、烹飪、燃料燃燒等.我國(guó)《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 18883-2002)[17]規(guī)定,CO2質(zhì)量濃度限值為1 000 μg/m3.

2.3 甲醛

甲醛(HCHO)是一種無色、能與水(乙醇、丙酮)等有機(jī)溶劑按任意比例混溶、具有刺激性氣味的有害氣體,室內(nèi)空氣中的HCHO主要來源于室內(nèi)裝修使用各種含甲醛的粘合劑.據(jù)有關(guān)資料報(bào)道,裝修后甲醛的超標(biāo)率高達(dá)83 %[18].另外,日常生活中的各類生活用品、各類燃料燃燒產(chǎn)物中也含有甲醛[19].當(dāng)室內(nèi)甲醛超標(biāo)時(shí),會(huì)引起疲勞、惡心、眼鼻喉刺激和皮膚干燥瘙癢等顯著癥狀;當(dāng)吸入高濃度甲醛時(shí),會(huì)引起急性中毒[20].長(zhǎng)時(shí)間接觸甲醛,會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞中的蛋白質(zhì)發(fā)生不可逆凝固反應(yīng)從而大大地提升了致癌幾率[21].我國(guó)《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 18883-2002)[17]中規(guī)定,甲醛的質(zhì)量濃度限值為0.08 mg/m3.

3 數(shù)據(jù)整理

3.1 典型時(shí)段的選取

按當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的自然生活習(xí)慣,一般每天采暖和烹飪各兩次,烹飪的同時(shí)伴隨著采暖,上午7∶00～12∶00和下午14∶00～19∶00等兩個(gè)時(shí)段測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)研究更有典型代表意義.因此，本文主要針對(duì)這兩個(gè)時(shí)段的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理.

3.2 農(nóng)戶空氣PM 2.5濃度變化曲線

根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分別繪制出1# ～ 6#等6個(gè)測(cè)試對(duì)象在7∶00～12∶00和14∶00～19∶00等2個(gè)時(shí)段內(nèi)的PM 2.5濃度變化曲線,如圖5～圖6所示.

圖5 7∶00～12∶00時(shí)PM 2.5濃度變化曲線Fig.5 Variation of PM 2.5 concentration from 7∶00 to 12∶00

圖6 14∶00～19∶00時(shí)PM 2.5濃度變化曲線Fig.6 Variation of PM 2.5 concentration from 14∶00 to 19∶00

3.3 農(nóng)戶空氣CO2濃度變化曲線

根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分別繪制出1#～6#等6個(gè)測(cè)試對(duì)象在7∶00～12∶00和14∶00～19∶00等2個(gè)時(shí)段內(nèi)的CO2濃度變化曲線,如圖7～圖8所示.

圖7 7∶00～12∶00時(shí)CO2濃度變化曲線Fig.7 Variation of CO2 concentration from 7∶00 to 12∶00

圖8 14∶00～19∶00時(shí)CO2濃度變化曲線Fig.8 Variation of CO2 concentration from 14∶00 to 19∶00

3.4 農(nóng)戶空氣HCHO濃度變化曲線

根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分別繪制出1# ～ 6#等6個(gè)測(cè)試對(duì)象在7∶00～12∶00和14∶00～19∶00等2個(gè)時(shí)段內(nèi)的HCHO濃度變化曲線,如圖9～圖10所示.

圖9 7∶00～12∶00時(shí)HCHO濃度變化曲線Fig.9 Variation of HCHO concentration from 7∶00 to 12∶00

圖10 14∶00～19∶00時(shí)HCHO濃度變化曲線Fig.10 Variation of HCHO concentration from 14∶00 to 19∶00

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 PM 2.5的變化規(guī)律及影響因素

對(duì)比分析圖5和圖6曲線,并結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù),可以看出,火炕(燒秸稈)的農(nóng)戶PM 2.5最大值為1 334 μg/m3、最小值為138 μg/m3、平均值為762.42 μg/m3;小鍋爐(燒煤)的農(nóng)戶PM 2.5最大值為73 μg/m3、最小值為56 μg/m3、平均值為50.57 μg/m3; 火炕(燒秸稈)的小超市PM 2.5最大值為1 387 μg/m3、最小值為210 μg/m3、平均值為888.76 μg/m3; 小鍋爐(燒煤)的超市PM 2.5最大值833 μg/m3、最小值為113 μg/m3、平均值為761.50 μg/m3.

火炕(燒秸稈)的農(nóng)戶PM 2.5平均濃度約為小鍋爐(燒煤)PM 2.5平均濃度的15.08倍; 火炕(燒秸稈)的超市PM 2.5平均濃度約為小鍋爐(燒煤)PM 2.5平均濃度的1.18倍.

農(nóng)戶產(chǎn)生較高的PM 2.5濃度主要是由燃燒燃料炊事和采暖造成的,以秸稈為燃料的農(nóng)戶PM 2.5濃度始終超標(biāo).秸稈燃燒一般是在灶臺(tái)的灶坑內(nèi)進(jìn)行的,所產(chǎn)生的煙氣大部分隨煙道排出,但會(huì)有一部分殘留于室內(nèi),伴隨人員活動(dòng)和氣流的擾動(dòng),室內(nèi)污染物的濃度迅速增加，同時(shí)秸稈易碎多塵,在搬運(yùn)過程中,也會(huì)產(chǎn)生大量的飛塵.而對(duì)燒煤炊事、采暖的農(nóng)戶,燒煤的小鍋爐一般設(shè)在單獨(dú)房間內(nèi),煙氣并不直接與室內(nèi)相通,所以給室內(nèi)空氣帶來污染量明顯減少.

小超市室內(nèi)空氣PM 2.5濃度超高主要是由于人們吸煙和燒秸稈導(dǎo)致的.按東北農(nóng)村生活習(xí)慣,小超市也是農(nóng)民勞動(dòng)之余文化交流和娛樂的場(chǎng)所,人員密集度較高,大部分農(nóng)民又都持續(xù)吸煙,吸煙成了室內(nèi)空氣污染的主導(dǎo)因素.盡管小鍋爐燒煤炊事、采暖產(chǎn)生的空氣污染遠(yuǎn)小于火炕燒秸稈,但燒煤小超市的空氣污染仍十分嚴(yán)重.

4.2 CO2變化規(guī)律及影響因素

圖7為7∶00～12∶00 CO2的變化曲線,圖8為14∶00～19∶00 CO2的變化曲線.由圖7和圖8數(shù)據(jù)對(duì)比可知,火炕(燒秸稈)的農(nóng)戶CO2濃度最大值為2 249 μg/m3、最小值為384 μg/m3、平均值為1 449.52 μg/m3;小鍋爐(燒煤)的農(nóng)戶CO2濃度最大值為931 μg/m3、最小值為324 μg/m3、平均值為675.92 μg/m3; 火炕(燒秸稈)的小超市CO2濃度最大值為2 572 μg/m3、最小值為586 μg/m3、平均值為1 671.71 μg/m3;小鍋爐(燒煤)的小超市CO2濃度最大值1 754 μg/m3、最小值為276 μg/m3、平均值為978.39 μg/m3.火炕(燒秸稈)的農(nóng)戶CO2平均濃度約為小鍋爐(燒煤)CO2平均濃度的2.15倍;火炕(燒秸稈)的超市CO2平均濃度約為小鍋爐(燒煤)CO2平均濃度的1.71倍.

人員密集是CO2濃度升高的最重要影響因素.人員密集直接導(dǎo)致室內(nèi)CO2濃度迅速升高,并且人員越多,CO2濃度上升越快.小超市作為農(nóng)民文化交流和娛樂的場(chǎng)所,伴隨著人員的持續(xù)進(jìn)出,導(dǎo)致室內(nèi)空氣污染物濃度升高.

4.3 HCHO變化規(guī)律及影響因素

圖9為7∶00～12∶00 HCHO變化曲線,圖10為14∶00～19∶00HCHO變化曲線.由圖9和圖10可知,農(nóng)戶和小超市的HCHO濃度均變化不大,平均值均在標(biāo)準(zhǔn)濃度0.08 mg/m3之下,室內(nèi)HCHO濃度基本達(dá)標(biāo).

5 結(jié)論與建議

(1) 小鍋爐(燒煤)采暖和炊事相對(duì)于火炕(燒秸稈),室內(nèi)空氣污染物濃度降低十幾倍,同時(shí)小鍋爐要設(shè)在單獨(dú)房間內(nèi),衛(wèi)生條件提高,建議東北農(nóng)村逐漸減少大灶燒秸稈采暖及炊事的用能方式,大力推廣清潔能源利用;對(duì)秸稈產(chǎn)量大、并仍以秸稈為主要燃料的地區(qū),應(yīng)將秸稈打捆、壓縮成塊,避免搬運(yùn)過程中產(chǎn)生大量的飛塵.

(2) PM 2.5隨燒秸稈和吸煙的程度而變化,應(yīng)適當(dāng)通風(fēng)或在室內(nèi)添置空氣凈化器,以達(dá)到改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的目的.

(3) 農(nóng)村居民的生活習(xí)慣需要改變,在室內(nèi)要少吸煙且要養(yǎng)成經(jīng)常通風(fēng)換氣的良好習(xí)慣,以減少室內(nèi)污染,降低患病風(fēng)險(xiǎn).