室內(nèi)空氣中微生物時空分布特性

1 概述

根據(jù)國際標準化組織公布的《建筑環(huán)境設計—室內(nèi)空氣質(zhì)量— 人居環(huán)境室內(nèi)空氣質(zhì)量的表述方法（》Building environment design-indoor air qual-ity-methods of expressing the quality of indoor air forhuman occupancy）（ISO/DIS 16814）的定義，微生物污染物主要包括細菌、真菌、病毒、代謝毒素，與這些生物體、內(nèi)毒素相關的顆粒，以及其他動植物顆粒等，它們以氣溶膠形式存在或沉積于物體表面?？諝庵械奈⑸锊粫为毚嬖冢话愣际桥c空氣中的顆粒結(jié)合在一起，以氣溶膠的形式存在于空氣中，組成所謂的菌群?？諝馕⑸飦碓磸V泛，土壤（固體）、水（液體）、大氣（氣體）、動物、植物、人體是其6大來源。已知存在空氣中的細菌及放線菌有1200 種，真菌有40000 種。微生物氣溶膠的大小各不相同，病毒粒子徑為0.15 μm~0.45μm，細菌粒子徑為 0.3 μm~15 μm，真菌和真菌孢子的粒子徑為1μm~100μm。圖1是不同微生物氣溶膠的直徑示意圖。

2 微生物對人體的影響

科學家已經(jīng)就微生物對人體健康的影響進行了100多年的研究。有一部分微生物能引起人生病，稱為病原微生物。國內(nèi)外大量的調(diào)查研究證實，空氣微生物是引發(fā)各種中毒、感染和過敏疾病的主要原因之一。引發(fā)的疾病包括頭痛、發(fā)燒、哮喘、過敏性肺炎、過敏性皮炎以及傳染性疾病。

2.1 傳染性疾病

由于呼吸道的生理結(jié)構(gòu)特殊、表面積大，故從鼻、咽、喉、氣管、支氣管到肺泡，被阻留在任何部位的病原微生物粒子都可以在該處引起感染。以成人為例，肺泡約有3億個，總面積有70 m²（人體體表面積的 40 倍）。呼吸系統(tǒng)的這些生理結(jié)構(gòu)特征導致人體容易受到空氣傳播疾病的感染。同時，空氣的高度流動性和擴散性使病原微生物氣溶膠在空氣中四處擴散，可在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量病例。

2.2 非傳染性疾病

2.2.1 過敏性疾病

過敏性疾病與室內(nèi)空氣品質(zhì)有關，像過敏性鼻炎、過敏性哮喘、支氣管肺部曲霉菌病，它們都能夠影響到下呼吸道和肺泡。哮喘主要對病毒、塵螨、霉菌和動物皮屑敏感。

2.2.2 中毒反應

當人體暴露于微生物污染的室內(nèi)空氣中，微生物的代謝副產(chǎn)物（細菌內(nèi)毒素，真菌毒素和大量的各種揮發(fā)性有機物）能引起機體中毒。己經(jīng)分離出來的能引起機體中毒反應的微生物有曲霉菌、青霉菌、金絲菌素的芽體、紅酵母和酵母等，主要癥狀有傷風流感、咽喉疼痛、腹瀉、頭痛、疲憊、皮炎、以及身體不適等。

3 微生物氣溶膠傳播規(guī)律

氣溶膠微粒的運動除與空氣動力學特性有關外，還與顆粒物本身所受各種力場有關。氣溶膠是個非常復雜的運動著的粒子體系，在這個體系中粒子受到各種力場的作用，經(jīng)歷著復雜的物理、化學變化。粒子之間，粒子與周圍氣體之間不斷地發(fā)生著相互作用。作用于微粒上的力，可以大致歸納為質(zhì)量力、分子作用力、場力、粒子間的吸引力及氣流力5種。

3.1 單個氣溶膠微粒的運動方程

單個氣溶膠微粒的運動方程可以從牛頓第二定律直接推導出來。

其中：m 為單個氣溶膠微粒的質(zhì)量，kg；u_Pi為氣溶膠微粒在 i 方向上的速度，m/s；F_i為作用在氣溶膠微粒上 i 方向上所有外力之和，kg/m·s²。

3.2 氣溶膠顆粒擴散模型

微生物氣溶膠按三維空間規(guī)律播散到一切空氣可達到的環(huán)境中去。由于影響擴散過程的條件很多，所以該擴散過程非常復雜。微生物學家建立和發(fā)展了許多擴散模型，其中應用較多的是高斯擴散模型。

高斯擴散模型是在大量實測資料分析的基礎上，應用湍流統(tǒng)計理論得到的正態(tài)分布假設下的擴散模式。一般把氣溶膠源在地面上的投影點作為坐標原點，x 軸正向沿平均風向水平延伸；y 軸在水平面上垂直于 x 軸，x 軸左側(cè)為正；z 軸垂直于水平面，向上為正，形成右手坐標系。任一點（x,y,z）的濃度分布函數(shù)為：

式中：C 為空間點（x,y,z）的氣溶膠濃度；Q 為連續(xù)點源濃度；u 為平均風速；為水平面上氣溶膠的標準差；為垂直面上氣溶膠的標準差。

3.3 空調(diào)系統(tǒng)風管內(nèi)氣溶膠微粒的沉降

隨著建筑物的密閉程度越來越高，室內(nèi)的通風換氣主要依靠通風空調(diào)系統(tǒng)。通風空調(diào)系統(tǒng)由于長期運行、設計管理不當?shù)仍?，系統(tǒng)風管污染嚴重，其主要的污染物是懸浮顆粒和微生物。顆粒粒徑、紊流強度以及沉降面的粗糙程度和朝向（水平或垂直）決定著氣溶膠微粒的沉降速度。

由于缺乏物理意義上滿意的氣溶膠微粒沉降模型，經(jīng)驗公式被認為是預測氣溶膠微粒沉降的較好方法。這些公式是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)調(diào)整而來，因此通常能很好地反映實驗數(shù)據(jù)；但當流場條件不同時，這些公式不能幫助我們了解氣溶膠微粒的行為或預測氣溶膠微粒的沉降。對于3種不同的沉降情況下垂直表面的沉降最常見的經(jīng)驗公式表示如下（Papavergos & Hedley，1984）：

擴散區(qū)（t^＋< ~ 0.1）：v_d⁺=k₁Sc^-2/3

擴散－碰撞區(qū)（~0.1<t^＋< ~10）：v_d+=k₂t＋2

慣性緩沖區(qū)（~10<t^＋）：v_d+= k₃

其中 k₁，k₂，k₃是經(jīng)驗常數(shù)，Sc 是氣溶膠微粒斯密特數(shù)。

4 微生物分布規(guī)律

4.1 室內(nèi)空氣微生物分布規(guī)律

a）粒徑特征

微生物氣溶膠在空氣中的行為與其粒徑、密度和形態(tài)密切相關，而空氣微生物的中值直徑是衡量其粒徑大小的重要標準。特定的空氣微生物具有特定的動力學粒徑：風媒傳粉的植物花粉為 17μm~58 μm，真菌孢子為 1μm~30μm，細菌為0.25μm~8μm，病毒則小于0.3μm。空氣細菌的粒徑主要在0.3 μm~15.0 μm 間變化，室內(nèi) 84%或更多的微生物氣溶膠的粒徑≥2.1 μm，并且其中值直徑接近于3.6 μm。Bovallius研究表明，瑞典各種室內(nèi)約 50% 空氣微生物的粒徑大于>8.0μm 。

b）類型特征

空氣中的自然微生物主要是非病原性腐生菌。據(jù) Wright報道各種球菌占66%，芽孢菌占 25%，還有霉菌、放線菌、病毒、蕨類孢子、花粉、微球藻類、原蟲及少量厭氧芽孢菌。Mancinelli和Shel-ton等在研究空氣微生物的群落結(jié)構(gòu)和物種組成上得到有意義的結(jié)論：空氣中的優(yōu)勢細菌屬為芽孢桿菌屬、微球菌屬、葡萄球菌屬、假單胞菌屬等；優(yōu)勢真菌屬為枝孢菌屬、鏈格孢屬、無孢菌、青霉屬和曲霉屬等。在病人集中的醫(yī)院，空氣中除了自然的微生物外，還有各種病原菌，細菌有結(jié)核桿菌、肺炎雙球菌和綠膿桿菌等約 160 種，真菌有球孢子菌、組織胞槳菌、隱球酵母、青霉和曲霉等約600多種，病毒有鼻病毒、腺病毒等約幾百種，此外還有支原體、衣原體等。

c）時空分布特征

Shaffer 等研究表明，一年中冬季空氣微生物濃度最低，一天中空氣微生物濃度在8：00―10：00 出現(xiàn)高峰，在 2：00 ― 4：00 或者 12：00―14：00 出現(xiàn)低峰；在鄉(xiāng)村地區(qū)室內(nèi)空氣微生物濃度在日出時增加，正午時開始降低，之后持續(xù)增加到日落，在 21：00 和 5：00 空氣微生物濃度最低。

d）微生物群落特征

空氣微生物群落結(jié)構(gòu)和物種組成及其濃度很不穩(wěn)定，隨著各種環(huán)境因素及污染因子的變化，空氣微生物的種類和數(shù)量均有很大的變化。空氣微生物不僅受到溫度、濕度、風速風向、光照、霧滴等各種氣象因素的影響，還受到一氧化氮、二氧化氮、一氧化碳、碳水化合物、二氧化硫等各種污染因子的影響。Di Giorgi 等證實空氣細菌濃度隨著溫度的增加而增加。Tong 等研究發(fā)現(xiàn)，光照對室內(nèi)空氣細菌有明顯的致死作用，其致死程度與光照劑量線性相關；夏天正午由于光輻射很強，空氣細菌的濃度最低；在有遮蓋物取樣的條件下，空氣細菌比無遮蓋物條件下生長更多的群落。Fuzzi等研究表明，霧滴可作為空氣微生物氣溶膠的天然培養(yǎng)基，空氣細菌濃度在有霧的條件下比潔凈空氣更高，并且空氣細菌的濃度受到霧滴溫度、化學組成和酸堿度的影響，不產(chǎn)孢細菌的濃度與霧滴的溫度（r=0.93）和 pH（r=0.86）呈正相關。Lighthart在實驗室研究了一氧化碳和二氧化硫?qū)Σ煌諝馕⑸锏挠绊懀Y(jié)果表明，它們能夠減少空氣細菌的濃度。

4.2 室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)微生物分布規(guī)律

為了了解集中空調(diào)通風系統(tǒng)的衛(wèi)生狀況，國內(nèi)不少單位對各地區(qū)公共場所集中空調(diào)通風系統(tǒng)進行了檢測。筆者結(jié)合前人的實測數(shù)據(jù)，對其分布規(guī)律進行總結(jié)。所有分析依據(jù)衛(wèi)生部頒布的《公共場所集中空調(diào)通風系統(tǒng)衛(wèi)生規(guī)范》等規(guī)范進行。

4.2.1 微生物污染部件

在集中通風空調(diào)系統(tǒng)中，管道、過濾器、換熱器、冷卻盤管、以及冷卻塔、凝結(jié)水盤等是容易產(chǎn)生微生物污染的設備。

4.2.2 分布規(guī)律

a）總體污染狀況

通過文獻中數(shù)據(jù)得到國內(nèi)部分省市公共場所集中通風空調(diào)管道系統(tǒng)的污染程度，如圖2所示。

通風管道的污染與室外大氣環(huán)境、氣象條件、通風管道的室內(nèi)使用情況、系統(tǒng)運行年限、維護管理等多個因素有關，不同建筑空調(diào)通風系統(tǒng)污染狀況差異較大。從整體上分析，污染的程度呈現(xiàn)一定的地域特征。相對濕度較高的地區(qū)，微生物污染較嚴重，如上海、遼寧（樣本大部分地處大連市）和浙江。單位面積風管內(nèi)表面積塵量、細菌總數(shù)、真菌總數(shù)隨系統(tǒng)使用年限的增加而增加。從整體上看，我國公共場所空調(diào)通風系統(tǒng)的污染相當嚴重，其中32.9% 為嚴重污染，49.3% 為中等污染，17.8% 為輕度污染。

b）菌譜分析

風管內(nèi)表面菌類主要包括枝孢霉菌、青霉菌、曲霉菌、鏈格霉菌、無孢菌、細菌（分為革蘭氏陽性菌 G+，革蘭氏陰性菌 G- 兩種）。其中，枝孢霉菌、青霉菌在每個系統(tǒng)中普遍存在，是主要的成分；革蘭氏陽性、陰性菌在風道中均存在。各種主要菌種檢測結(jié)果見表1。

c）空調(diào)系統(tǒng)設備污染情況

目前，國內(nèi)對空調(diào)通風系統(tǒng)的污染調(diào)查多為對風管污染的測試，對過濾器、表冷器等部件的污染狀況進行調(diào)查和研究的甚少。對上海2棟建筑進行調(diào)查得到的結(jié)果（見表2）結(jié)果（見表2）顯示，這些部位的微生物污染狀況比風管內(nèi)表面更加嚴重。

5 結(jié)論

空氣中的微生物大多附著在灰塵顆粒上，以氣溶膠的形式存在于空氣中。本文介紹了室內(nèi)空氣中微生物的時空分布規(guī)律，包括其微生物氣溶膠傳播規(guī)律和分布規(guī)律?？諝庵袘腋∥⑸锏拇嬖谂c室內(nèi)的環(huán)境狀況緊密相關，影響其分布的因素主要包括溫度、濕度、風速及氣象條件等方面。

通風空調(diào)系統(tǒng)是容易滋生微生物的場所，微生物的生長與建筑本身和空調(diào)系統(tǒng)有極大的關系。不同地區(qū)、不同建筑、不同通風系統(tǒng)的微生物特性差異較大，對室內(nèi)微生物污染進行分析和控制應根據(jù)建筑的特點和微生物特性綜合考慮。通風空調(diào)系統(tǒng)中的顆粒物在各種力的作用下懸浮釋放,微生物附著在顆粒上以氣溶膠的形式進入空氣中，并通過多次的沉降和懸浮被送入室內(nèi)環(huán)境中，加重了室內(nèi)微生物污染?？照{(diào)通風系統(tǒng)對室內(nèi)的污染程度與空調(diào)通風的各個過程有密切的關系，需要進一步的研究。