超聲波加濕室內(nèi)微生物氣溶膠濃度與優(yōu)化方法

陳露安,楊傳鈞,谷雨倩,劉學(xué)虎,楊自力*

超聲波加濕室內(nèi)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(xué)虎2,楊自力1*

(1.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201620；2.中國(guó)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(duì)冬季供暖室內(nèi)微生物氣溶膠粒徑與濃度分布的影響,以及降低暴露風(fēng)險(xiǎn)的有效方法,針對(duì)典型辦公室環(huán)境,基于模擬實(shí)驗(yàn)法與正交試驗(yàn)法,探究不同相對(duì)濕度(RH=40%、55%、70%)、加濕器水質(zhì)(蒸餾水、自來(lái)水、涼白開(kāi))和窗戶(hù)開(kāi)度(0、1/6、1/3)下,超聲波加濕前后室內(nèi)細(xì)菌、真菌氣溶膠按粒徑分級(jí)的濃度變化,并結(jié)合極差分析與層次分析法(AHP)對(duì)上述因素的影響權(quán)重排序.結(jié)果表明,超聲波加濕后,細(xì)菌、真菌氣溶膠的濃度增長(zhǎng)率分別高達(dá)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(nèi)微生物暴露量的因素權(quán)重排序?yàn)?水質(zhì)(45%)>目標(biāo)濕度(44%)>窗戶(hù)開(kāi)度(11%).為最大限度降低暴露風(fēng)險(xiǎn),建議用戶(hù)使用超聲波加濕器時(shí),優(yōu)先選用蒸餾水,調(diào)節(jié)目標(biāo)濕度至中等水平.

超聲波加濕；生物氣溶膠；室內(nèi)空氣；正交試驗(yàn)；使用優(yōu)化

超聲波加濕具有霧化能力強(qiáng)、加濕速度快、低耗低噪等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于緩解冬季供暖室內(nèi)空氣干燥的問(wèn)題.然而,現(xiàn)有研究表明,若使用不當(dāng),超聲波加濕會(huì)增大室內(nèi)細(xì)菌、真菌氣溶膠(統(tǒng)稱(chēng)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(nèi)微生物氣溶膠的群落結(jié)構(gòu)也會(huì)惡化,空氣中可吸入性致病微生物的占比增加[7],進(jìn)一步加劇了人員在加濕室內(nèi)的微生物氣溶膠暴露風(fēng)險(xiǎn).

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

然而,現(xiàn)有研究未能明確降低加濕室內(nèi)微生物氣溶膠暴露風(fēng)險(xiǎn)的有效方法.在實(shí)際中,用戶(hù)由于工藝要求或條件限制,往往難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)降低目標(biāo)加濕量、改善加濕水質(zhì)、持續(xù)開(kāi)窗通風(fēng)等條件,這是因?yàn)檫^(guò)低的相對(duì)濕度或?qū)⒂绊懯覂?nèi)人員舒適性或工藝生產(chǎn),這與其使用加濕器的目的相悖;用戶(hù)在使用過(guò)程中,通常由于蒸餾水等優(yōu)質(zhì)水質(zhì)獲取不便,往往貪圖方便而更多地使用簡(jiǎn)單易取的自來(lái)水或涼白開(kāi)等作為加濕器填充水;開(kāi)窗通風(fēng)雖可稀釋污染物,但在供暖季節(jié),持續(xù)通風(fēng)顯然會(huì)增加室內(nèi)供暖能耗.

為此,本文通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)法與正交試驗(yàn)法,在不同相對(duì)濕度(RH=40%、55%、70%)、水質(zhì)(自來(lái)水-TW、蒸餾水-DW、涼白開(kāi)-CW)及窗戶(hù)開(kāi)度(0,1/6, 1/3)等典型工況下,研究超聲加濕前后室內(nèi)微生物氣溶膠的分級(jí)濃度變化,分析3種因素對(duì)降低室內(nèi)微生物氣溶膠濃度的影響作用大小,明確減小加濕房間內(nèi)微生物暴露風(fēng)險(xiǎn)的最有效組合方式.結(jié)果可為保障超聲波加濕室內(nèi)人員呼吸健康提供借鑒.

1 實(shí)驗(yàn)材料與研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 實(shí)驗(yàn)艙設(shè)置

為確保實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)法,以實(shí)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(shè)計(jì)規(guī)范》[14]搭建3個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)艙(長(zhǎng)×寬×高:1030mm×825mm×825mm,如圖1).在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,實(shí)驗(yàn)艙門(mén)常閉,窗戶(hù)(300mm×300mm)依據(jù)實(shí)驗(yàn)工況開(kāi)啟或關(guān)閉.3個(gè)實(shí)驗(yàn)艙平行排列在溫濕度可控的人工氣候?qū)嶒?yàn)室中(如圖2),以保證實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)艙在人工氣候室內(nèi)布局

經(jīng)預(yù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)艙之間以及對(duì)背景實(shí)驗(yàn)室中氣溶膠的影響微弱,因此實(shí)驗(yàn)艙(1)與(2)分別開(kāi)展不同工況實(shí)驗(yàn)(如表1);各實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)平鋪有電熱膜(表面溫度<30℃),加熱艙內(nèi)空氣并恒溫23℃,對(duì)照艙內(nèi)僅供暖不加濕.加濕實(shí)驗(yàn)艙內(nèi),于對(duì)角線頂點(diǎn)處設(shè)有1臺(tái)市面常見(jiàn)的便攜式超聲波加濕器(1.7MHz)進(jìn)行加濕.基于雷諾相似準(zhǔn)則,調(diào)整加濕器噴嘴處流速為0.8m/s,以保證模擬實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)加濕器噴霧氣流流動(dòng)狀態(tài)與實(shí)際原型房間內(nèi)保持一致.

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表1 實(shí)驗(yàn)工況

采用3因素3水平正交試驗(yàn)研究相對(duì)濕度(40%,55%,70%),加濕器水質(zhì)(蒸餾水,自來(lái)水,涼白開(kāi)),窗戶(hù)開(kāi)度(0,1/6,1/3)的影響,實(shí)驗(yàn)用水來(lái)源:自來(lái)水接自上海市政管網(wǎng),在水龍頭開(kāi)啟30s后取水;涼白開(kāi)由相同來(lái)源的自來(lái)水加熱沸騰3min后在密閉容器中冷卻至室溫獲得;實(shí)驗(yàn)所用蒸餾水為商用滅菌蒸餾水(屈臣氏,密封瓶裝),每次實(shí)驗(yàn)使用新開(kāi)封的蒸餾水,以避免污染.正交試驗(yàn)工況設(shè)置及實(shí)驗(yàn)方法見(jiàn)表1、圖3.

圖3 單次實(shí)驗(yàn)工況營(yíng)造及采樣流程

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1.3.1 實(shí)驗(yàn)主要流程 為保證各工況初始條件一致,每次實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前都對(duì)各實(shí)驗(yàn)艙與背景實(shí)驗(yàn)室充分通風(fēng),將加濕器加水(1L)后放入實(shí)驗(yàn)艙,關(guān)閉實(shí)驗(yàn)艙艙門(mén),依據(jù)工況表1調(diào)整窗戶(hù)開(kāi)度.加濕器運(yùn)行前采集各實(shí)驗(yàn)艙與背景實(shí)驗(yàn)室的初始樣本,采樣過(guò)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(jí)空氣微生物采樣器,在流量28.3L/min下同步采樣實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組及背景實(shí)驗(yàn)室中的細(xì)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(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組與背景實(shí)驗(yàn)室中真菌氣溶膠初始樣本2min,采樣得到的細(xì)菌與真菌用于后續(xù)培養(yǎng)(通風(fēng)后,背景實(shí)驗(yàn)室、各實(shí)驗(yàn)艙與對(duì)照艙內(nèi)細(xì)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(dòng)加熱裝置與加濕器對(duì)實(shí)驗(yàn)艙供暖加濕,因目標(biāo)相對(duì)濕度不同,實(shí)驗(yàn)時(shí)各實(shí)驗(yàn)艙溫濕度達(dá)到目標(biāo)水平所需時(shí)長(zhǎng)不等,實(shí)際需1～1.5h,此后在繼電器(設(shè)定有目標(biāo)溫、濕度)的控制下,加濕器與電熱膜間歇啟停以保證室內(nèi)溫濕度條件穩(wěn)定.為確保各實(shí)驗(yàn)組在采樣時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)一致、溫濕度充分穩(wěn)定,在開(kāi)始加濕后2.5h(此時(shí)各實(shí)驗(yàn)組的溫濕度已穩(wěn)定至少1h),采樣各實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的細(xì)菌氣溶膠,待艙內(nèi)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(shí)驗(yàn)后加濕器水樣.

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

由式(1)計(jì)算:

ΔC=C-0(1)

式中:C為加濕后的細(xì)菌或真菌氣溶膠濃度,CFU/m3;0為該實(shí)驗(yàn)艙的初始濃度,CFU/m3.

每次實(shí)驗(yàn)前、后,加濕器水樣分別重復(fù)采集3組.水中細(xì)菌采用平板培養(yǎng)法計(jì)算濃度:取1mL水樣,在培養(yǎng)皿中與15mL無(wú)菌液態(tài)營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基(NA)均勻混合;待冷卻凝固后,經(jīng)37℃培養(yǎng)48h計(jì)數(shù).水中真菌同樣采用液態(tài)SDA平板培養(yǎng)法,經(jīng)28℃培養(yǎng)5d后計(jì)數(shù).

1.4 分析方法

采用單因素方差分析加濕實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組間微生物濃度差異的顯著性.當(dāng)<0.05時(shí),認(rèn)為存在顯著差異.對(duì)正交試驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行極差分析,并基于層次分析法(AHP)[16]得出優(yōu)勢(shì)影響因子及其權(quán)重并排序.

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲波加濕對(duì)細(xì)菌、真菌分級(jí)濃度的影響

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

表2 空氣細(xì)菌、真菌濃度增量的方差分析

注:*<0.05 **<0.01.

(a) 細(xì)菌

(b) 真菌

圖4 微生物氣溶膠分級(jí)濃度變化

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

實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組細(xì)菌、真菌氣溶膠的分級(jí)濃度增量方差分析結(jié)果如表3所示.加濕后,0.6～1.1μm粒徑范圍的細(xì)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(dǎo)(圖4(b)).已有研究指出[17],粒徑小于4.7μm的顆粒物可到達(dá)人的氣管,而粒徑為0.6～1.1μm的細(xì)微顆粒甚至可進(jìn)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(duì)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(jí).Yang等[7]實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣表明,超聲波加濕器散發(fā)的細(xì)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(guān).由于常見(jiàn)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(nèi)空氣中0.6～1.1μm粒徑段的細(xì)菌濃度顯著增大,而真菌增量較少,表現(xiàn)了與細(xì)菌不同的規(guī)律.

表3 加濕促進(jìn)細(xì)菌、真菌濃度的增長(zhǎng)及其粒徑范圍

注:*<0.05 **<0.01(增長(zhǎng)不顯著部分未顯示).

而實(shí)驗(yàn)4(蒸餾水、RH55%、窗戶(hù)開(kāi)度1/6)中0.6～1.1μm粒徑段細(xì)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(nèi)RH=55%的中等空氣相對(duì)濕度下微生物不宜存活[21],此時(shí)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)微生物氣溶膠增量最少;另一方面,超聲波加濕器通過(guò)水霧促進(jìn)氣溶膠凝并沉降,對(duì)空氣顆粒具備一定的凈化效應(yīng)[22],且對(duì)小粒徑顆粒的沉降作用更為顯著[23].

上述結(jié)果表明:超聲波加濕不僅會(huì)增大室內(nèi)細(xì)菌、真菌氣溶膠濃度暴露風(fēng)險(xiǎn),而且主要集中在0.6～4.7μm粒徑范圍,加劇了室內(nèi)人員的吸入風(fēng)險(xiǎn).

2.2 加濕條件的影響敏感性

正交實(shí)驗(yàn)極差分析結(jié)果(圖5)顯示,目標(biāo)相對(duì)濕度及水質(zhì)對(duì)加濕室內(nèi)細(xì)菌、真菌氣溶膠暴露量的影響較大,窗戶(hù)開(kāi)度的影響相對(duì)較小.本文中,3種因素的最優(yōu)組合為“RH=55%,蒸餾水,窗戶(hù)開(kāi)度1/3”.

由圖5可知,微生物氣溶膠增量在RH=55%時(shí)達(dá)到最低,此結(jié)果與Sterling等[24]所得結(jié)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(fēng)險(xiǎn)最低.這是因?yàn)?微生物多依附于液滴等漂浮;而Dunklin等[21]指出,在中等相對(duì)濕度下,空氣中的載菌液滴易部分蒸發(fā),使液滴中的溶質(zhì)濃度不斷增大而對(duì)菌體產(chǎn)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(xì)菌自身將因此脫水進(jìn)入干燥休眠狀態(tài),并對(duì)外部不利因素(如載菌液滴濃縮后的毒性)產(chǎn)生抵御[25];而在適宜生長(zhǎng)的基體(如培養(yǎng)基)上,休眠的細(xì)菌將復(fù)蘇,并表現(xiàn)出更強(qiáng)的增殖力.

圖5 3種因素影響的極差分析

DW-蒸餾水;TW-自來(lái)水;CW-涼白開(kāi)

水質(zhì)對(duì)微生物氣溶膠濃度的影響較大,為此,對(duì)實(shí)驗(yàn)所用3種水質(zhì)的化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)、總磷(TP)及游離氯含量進(jìn)行了檢測(cè),結(jié)果如表4所示.

表4 水中COD、TN、TP及游離氯含量

由表4可見(jiàn),3種水的養(yǎng)分含量均較低,不利于微生物繁殖.但多項(xiàng)究表明低強(qiáng)(<2W/cm2)[26]高頻超聲波(>580kHz)[27]可有效促進(jìn)液體中微生物繁殖.其中,高頻聲波因聲學(xué)振蕩周期更短,形成空化氣泡的耗時(shí)短、氣泡小、氣泡空化破裂時(shí)能量也更低,僅能夠“打散”水中菌體微團(tuán),增大了與液體的有效接觸及繁殖空間,反而促進(jìn)微生物繁殖[27-28].本實(shí)驗(yàn)使用的是常見(jiàn)超聲波加濕器,配備1.7MHz的高頻低強(qiáng)超聲霧化片,產(chǎn)生的超聲波應(yīng)以對(duì)微生物活性的促進(jìn)作用為主;Yang等[7]也發(fā)現(xiàn)經(jīng)超聲波作用后,加濕器水中細(xì)菌濃度迅速增大.而3種水中,由于蒸餾水純凈無(wú)菌,且所含氮、磷等元素最少,即便超聲波作用,細(xì)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(shí)微生物氣溶膠濃度增量最少(圖5);自來(lái)水通常含有少量余氯,雖然氯能抑制水中細(xì)菌與真菌的繁殖[29],但經(jīng)超聲波振蕩后將快速揮發(fā)而不再具備抑制作用,此時(shí)細(xì)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(lái)水加濕時(shí)室內(nèi)細(xì)菌與真菌增量最大;涼白開(kāi)的增量?jī)H次于自來(lái)水,這是因?yàn)闆霭组_(kāi)所含養(yǎng)分與自來(lái)水類(lèi)似,雖經(jīng)高溫煮沸后其初始含菌量較少,但使用時(shí)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(nèi)釋放較高濃度的微生物氣溶膠.

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

進(jìn)一步使用層次分析法(AHP)定量評(píng)價(jià)相對(duì)濕度、水質(zhì)、窗戶(hù)開(kāi)度等3種因素對(duì)空氣中細(xì)菌、真菌增量的影響大小,比較矩陣如表5所示.重要性標(biāo)度由對(duì)應(yīng)因素的極差值兩兩比較得出.

表5 AHP評(píng)價(jià)3種因素的比較矩陣

層次分析結(jié)果顯示(表6),本文中目標(biāo)相對(duì)濕度對(duì)室內(nèi)細(xì)菌、真菌暴露風(fēng)險(xiǎn)的影響權(quán)重為43.63%,加濕水質(zhì)的權(quán)重為45.30%,窗戶(hù)開(kāi)度權(quán)重僅為11.07%.因此,所研究的3種因素對(duì)減小加濕室內(nèi)細(xì)菌、真菌暴露量的影響大小排序?yàn)?水質(zhì)>目標(biāo)相對(duì)濕度>窗戶(hù)度.這一結(jié)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(zhì)的最有效方法.當(dāng)難以獲取蒸餾水時(shí),加濕目標(biāo)設(shè)為中等相對(duì)濕度也能降低微生物氣溶膠濃度;而開(kāi)窗的改善作用則相對(duì)最弱.

表6 各因素影響大小權(quán)重

注:一致性比率CR=CI/RI=0.00<0.1(查得:隨機(jī)一致性指標(biāo)RI=0.52),滿(mǎn)足一致性檢驗(yàn).

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

3 結(jié)論

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

3.2 改善加濕室內(nèi)細(xì)菌、真菌暴露量因素的影響大小按其權(quán)重排序?yàn)?水質(zhì)(45%)>目標(biāo)相對(duì)濕度(44%)>窗戶(hù)度(11%).

3.3 為最大程度地降低供暖加濕室內(nèi)細(xì)菌、真菌暴露風(fēng)險(xiǎn),超聲波加濕器的最佳使用工況為:優(yōu)先使用蒸餾水、設(shè)置中等加濕濕度(如RH=55%),開(kāi)窗的改善效果相對(duì)較弱.

[1] Edwards J H. Microbial and immunological investigations and remedial action after an outbreak of humidifier fever [J]. Occupational and Environmental Medicine, 1980,37(1):55-62.

[2] 人民網(wǎng).同寢室4名大學(xué)生一起出現(xiàn)發(fā)熱不當(dāng)使用加濕器得了肺炎[EB/OL].(2021-03-24)[2021-04-01]. http://health.people.com.cn/ n1/2021/0324/c14739-32059080.html.

People's Daily Online. 4college students in the same dormitory developed fever simultaneously, improper use of humidifier lead to pneumonia [EB/OL].(2021-03-24)[2021-04-01]. http://health.people. com.cn/n1/2021/0324/c14739-3205908 0.html.

[3] 央廣網(wǎng).女子緊閉門(mén)窗患上真菌性肺炎加濕器是“元兇”[EB/OL]. (2018-12-05)[2021-04-01]. http://health.cnr.cn/jkgd xw/20181205/ t20181205_524439975.shtml.

Central Broadcasting Network. The humidifier is the "culprit" of the woman suffering from fungal pneumonia with closed doors and windows [EB/OL]. (2018-12-05)[2021-04-01]. http://health.cnr.cn/ jkgdxw/20181205/t20181205_524439975.shtml.

[4] 秦 宏,王昌松.某電子組裝車(chē)間加濕器熱事件調(diào)查[J]. 環(huán)境與職業(yè)醫(yī)學(xué), 2017,34(2):165-168.

Qing H, Wang C S, Investigation of an occupational humidifier fever event in an electronic assembly workshop [J]. Journal of Environmental & Occupational Medicine, 2017,34(2):165-168.

[5] 洪 鐳,馬 濤.一起車(chē)間內(nèi)疑似軍團(tuán)菌病暴發(fā)的調(diào)查報(bào)告[J]. 職業(yè)與健康, 2013,29(23):3142-3143,3146.

Hong L, Ma T. An investigation report of suspected outbreak of legionnaires’ disease [J]. Occupation and Health, 2013,29(23):3142- 3143,3146.

[6] 李 博,王 欣,楊躍峰.一起加濕器傳播病原微生物引起室內(nèi)空氣污染事件調(diào)查[J]. 現(xiàn)代預(yù)防醫(yī)學(xué), 2014,41(9):1719-1721,1725.

Li B, Wang X, Yang Y F. Investigation on an indoor air pollution incident caused by pathogenic microorganism dispersed in the water fog [J]. Modern Preventive Medicine, 2014,41(9):1719-1721,1725.

[7] Yang Z L, Chen L A, Yang C J, et al. Portable ultrasonic humidifier exacerbates indoor bioaerosol risks by raising bacterial concentrations and fueling pathogenic genera [J]. Indoor Air, 2022,32:e12964.doi:10. 1111/ina.12964.

[8] Sain A E, Zook J, Davy B M, et al. Size and mineral composition of airborne particles generated by an ultrasonic humidifier [J]. Indoor air, 2018,28(1):80-88.

[9] Sain A E, Dietrich A M. Emission of inhalable dissolved drinking water constituents by ultrasonic humidifiers [J]. Environ. Eng. Sci., 2015,32(12):1027–1035.

[10] Tyndall R L, Lehman E S, Bowman E K, et al. Home humidifiers as a potential source of exposure to microbial pathogens, endotoxins, and allergens [J]. Indoor Air, 1995,5(3):171–178.

[11] Lee J H, Ahn K H, Yu I J. Outbreak of bioaerosols with continuous use of humidifier in apartment room [J]. Toxicological Research, 2012, 28:103–106.

[12] 朱曉明.基于連續(xù)在線監(jiān)測(cè)的西安市住宅室內(nèi)空氣品質(zhì)及居民開(kāi)關(guān)窗行為研究[D]. 西安:西安建筑科技大學(xué), 2018.

Zhu X M. The research of the indoor air quality and the behavior of residents’ switching window in residential building in Xi’an based on continuous on online monitoring [D]. Xi’an: Xi’an University of Architecture and Technology, 2018.

[13] 張雷明.西安市居住建筑室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)及通風(fēng)控制策略研究[D]. 西安:西安建筑科技大學(xué), 2020.

Zhang L M, Indoor air quality monitoring and ventilation control strategies for residential buildings in Xi’an city [D]. Xi’an: Xi’an University of Architecture and Technology, 2020.

[14] GB 50176-2016 民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

GB 50176-2016 Thermal design code for civil building [S].

[15] 張松樂(lè),童詠儀,姜 黎,等.國(guó)產(chǎn)六級(jí)安德森空氣微生物采樣器的簡(jiǎn)化使用效果觀察[J].中國(guó)公共衛(wèi)生, 1994,10(10):454-455.

Zhang S L, Tong Y Y, Jiang L, et al. Observation of simplified use effect of domestic six-stage Anderson air microbiological sampler [J]. Chinese Journal of Public Health, 1994,10(10):454-455.

[16] 雙同科,田佳林,劉 學(xué),等.一種基于改進(jìn)AHP的指標(biāo)權(quán)重確定方法[J]. 中國(guó)西部科技, 2011,10(32):37-38.

Shuang T K, Tian J L, Liu X, et al. A method for determining indicator weights based on improved AHP [J]. Science and Technology of West China, 2011,10(32):37-38.

[17] Russell L, Use of six-stage Andersen sampler in investigating bioaerosol inhalation risks in different environments [C]. Asian Aerosol Conference. 2011.

[18] Hung D V, Tong S, Nakano Y, et al. Measurements of particle size distributions produced by humidifiers operating in high humidity storage environments [J]. Biosystems Engineering, 2010,107(1):54- 60.

[19] Kooij S, Astefanei A, Corthals G L, et al. Size distributions of droplets produced by ultrasonic nebulizers [J]. Sci. Rep., 2019,9(1):6128.

[20] Yamamoto N, Bibby K, Qian J, et al. Particle-size distributions and seasonal diversity of allergenic and pathogenic fungi in outdoor air [J]. ISME J, 2012,6(10):1801-1811.

[21] Dunklin E W, Puck T T. The lethal effect of relative humidity on air-borne bacteria [J]. The Journal of Experimental Medicine, 1948,87(2):87-101.

[22] Feng Z, Zhou X, Xu S, et al. Impacts of humidification process on indoor thermal comfort and air quality using portable ultrasonic humidifier [J]. Building and Environment, 2018,133:62-72.

[23] Wang Y, Chen L, Chen R, et al. Effect of relative humidity on the deposition and coagulation of aerosolized SiO2nanoparticles [J]. Atmospheric Research, 2017,194:100-108.

[24] Sterling E M, Arundel A, Sterling T D. Criteria for human exposure to humidity in occupied buildings [J]. ASHRAE Transactions, 1985, 91(1):611-622.

[25] Arundel A V, Sterling E M, Biggin J H, et al. Indirect health effects of relative humidity in indoor environments [J]. Environ. Health Perspect, 1986,65:351-361.

[26] Pitt W G, Ross S A. Ultrasound increases the rate of bacterial cell growth [J]. Biotechnol. Prog., 2003,19(3):1038-1044.

[27] Joyce E, Al-Hashimi A, Mason T J. Assessing the effect of different ultrasonic frequencies on bacterial viability using flow cytometry [J]. J. Appl. Microbiol., 2011,110(4):862-870.

[28] 姚楚水,楊 燕,丁蘭英,等.超聲波加濕器內(nèi)水中自然菌生長(zhǎng)情況及其對(duì)空氣污染的研究 [J]. 中國(guó)消毒學(xué)雜志, 2005,(4):442-444.

Yao C S, Yang Y, Ding L Y, et al. Study on growth of natural bacteria in water in ultrasonic humidifier and contamination of air [J]. Chinese Journal of Disinfection, 2005,(4):442-444.

[29] 徐向前.地下水中絲狀真菌生長(zhǎng)繁殖特性及二氧化氯滅活機(jī)制[D]. 西安:西安建筑科技大學(xué), 2018.

Xu X Q. The growth and outbreak of filamentous fungi in groundwater and its inactivation using chlorine dioxide [D]. Xi’an: Xi’an University of Architecture and Technology, 2018.

[30] Redfield A C. The biological control of chemical factors in the environment.[J]. American Scientist, 1958,46:205-221.

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(tái)州人,東華大學(xué)碩士研究生,主要從事室內(nèi)空氣品質(zhì)研究.發(fā)表論文2篇.

2021-09-22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(52008078);上海市科技英才揚(yáng)帆計(jì)劃項(xiàng)目(19YF1401800)

*責(zé)任作者, 副教授, ziliy@dhu.edu.cn