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    真空排水设备的气溶胶传播特性与节水潜力分析

    时间：2023-03-26 08:05:04来源：百花范文网本文已影响人

    董 明 曾贤鹏 徐 畅

    1.天津市第一中心医院

    2.中建三局集团有限公司

    3.天津大学环境科学与工程学院

    当今社会，各类传染病的暴发对经济与社会发展带来了极大困扰。气溶胶作为呼吸道传染病常见传播的途径，由于难以直接监测，这种隐匿的传播途径防控难度较大［1］。研究表明感染者的粪便、尿液、呕吐物等可能包含大量可致病微生物［2］，这些微生物可以通过排水设备冲洗行为产生气溶胶传播，加大了医源性感染的风险，因此对各类排水设备的疾病传播风险评估势在必行。

    早在20世纪50年代，Jessen［3］等人通过实验发现便器冲水后产生了一种“飞沫核”，即目前所指的气溶胶，且随着冲水的能量增大气溶胶的产生数量会增加。Barker等［4］在便器侧壁与水中放置含有病菌的载体模拟了急性腹泻后的污染，结果发现经过多次冲洗便器中仍存在大量病菌，且每次冲洗导致部分气溶胶的产生，加剧了空气传播的风险。由于便器设计的多样性，湍流、飞溅程度的差异使得气溶胶传播有相当大的差异［5］。不同的便器类型也可能对气溶胶的产生有所影响，相较于传统直冲式便器，Bound等［6］发现虹吸式便器产生的污染颗粒浓度比直冲式要低得多。

    除了传统的重力式冲洗便器，真空便器也逐渐进入人们的视野，该技术目前多用于飞机、火车等交通工具，其常见形式如图1所示［7］。真空排水系统是利用真空设备使排水管道内产生约-0.07~-0.05 MPa的负压［8］，依靠压差使空气推动污物进入管道进行输送的排水方式。这种排放方式可能会减少便器冲水过程中微生物气溶胶的产生与扩散，同时防止下水道的微生物气溶胶返回室内环境造成污染。此外，传统便器单次冲水量约4.8～8 L，而真空便器约为1.2 L，具有可观的节水潜力［9］。为了评估真空排水设备对微生物气溶胶产生的影响，以常规冲洗式便器为对照，在便器中添加大量微生物模拟排泄过程，检测各类便器冲洗后产生的生物气溶胶水平。

    图1 真空便器示意图

    本研究针对真空排水设备(包括真空便器与真空地漏)和普通排水设备（包括重力式便器与冲洗式地漏）分别进行测试，以对比不同类型设备的气溶胶产生情况。其过程包括对目标微生物的培养与测试液的制备，测试过程前对卫生间的通风消毒，测试过程中向各目标设备投入等量微生物，冲水后，测试空气中的气溶胶浓度。此外，还监测了由传统设备改造为真空设备后的耗水量。

    1.1微 生物选择

    微生物的选择标准是基于生物安全问题和物理特性，而不是病原特性，本研究选择大肠杆菌为目标微生物。将大肠杆菌接种在肉汤培养基中，将接种好的培养基放入37℃的恒温培养箱，170 rpm恒温震荡培养18 h，其悬浮液用于实验，每个菌悬液约含有109~1010个大肠杆菌细胞。

    1.2卫 生间环境测量

    通风量（渗透风量）的测试以CO2作为示踪气体，根据GB/T 18204.18-2000进行测试。测试前将房间门窗关闭，用CO2气罐释放示踪气体，并用风扇使其在房间中分布均匀，等到房间中CO2质量分数达到0.25%时，使其自然衰减，开始采样测试，采样时间的间隔为1 min，30 min后结束测试。利用质量守恒公式计算房间的渗透换气次数，其公式见式（1）

    式中，N——渗透通风量，h-1；

    ce——室外CO2质量分数，%；

    c——测试空间中CO2质量分数，%；

    τ——时间，h。

    1.3微 生物气溶胶测试方法的制定

    1.3.1 微生物气溶胶测试方法

    在每次测试前，对卫生间的空气和目标便器/地漏进行全面消毒。用100 ml漂白剂对便器/地漏进行冲洗，再用12 ml5%硫代硫酸钠中和漂白剂残留物，最后用大量清水进行冲洗。对目标卫生间进行全面通风后，关闭所有门窗，用254 nm紫外线灯照射30 min。

    在对每种便器/地漏测试前，均先测试背景浓度，即在目标排水设备冲洗后用安德森六级微生物采样器进行空气采样。测试开始后，将1份微生物菌悬液倒入目标排水设备中（图2），在其侧上方进行再次采样，流速设为28.3 L/min。便器的测试高度为0.7 m，地漏的测试高度为0.1 m。将采样后的平板（图3）取下，进行密封，回到实验室后，将平板倒置于37℃的生化培养箱中培养24-48 h，记录细菌菌落数。

    图2 向便器倒入菌悬液

    图3 用于测试的培养基

    1.3.2 预实验

    为了确定消毒情况、大肠杆菌的投放量及测试时长，在一间装有普通坐便器的卫生间进行了预实验，采样时间设定为5 min，同时进行了一组空白对照实验，以确定在培养过程中培养皿是否受污染。

    消毒情况测试。对便器和卫生间空气进行消毒后，进行冲水测试；
    并测试未消毒冲水工况。测试结果见表1。结果表明，对便器和卫生间空气进行消毒后，菌落数量明显少于未消毒工况，仅是未消毒工况的24%~28%。

    表1 对便器和卫生间空气消毒的测试效果对比

    大肠杆菌投放量实验。对便器和卫生间空气进行消毒后，分别向便器倒入1份、2份大肠杆菌菌悬液，进行冲水测试。测试结果见表2。结果表明，投放1份和2份大肠杆菌菌悬液所测得的菌落数量相差较小（14个），可能是由于每份菌悬液中大肠杆菌数量巨大（109~1010个），菌悬液份数的增加并未对大肠杆菌数量造成显著变化。

    表2 投放不同量大肠杆菌菌悬液的测试效果对比

    空白对照实验。用于空白对照实验的平板培养基上未长菌，结果表明实验过程操作合理，测试结果可靠。

    预实验结果表明：消毒后，菌落数量明显少于未消毒工况，对便器和卫生间空气进行消毒具有必要性，从而能够削减空气背景中菌落数对于便器实验的影响。投放大肠杆菌菌悬液的份量对测量的菌落数影响较小，在实际测试时可采用投放1份大肠杆菌菌悬液。

    本研究测试了三组共6种排水设备冲洗后产生的气溶胶情况，测试场景基本信息见表3。

    表3 排水设备测试场所

    2.1气 溶胶产生情况

    两类设备测试结果分别汇总于表4和表5，图4为不同类型设备测试结果汇总。

    图4 不同类型设备测试结果汇总

    表4 普通设备冲洗后空气中的菌落数

    表5 真空设备冲洗后空气中的菌落数

    结果的综合对比。普通蹲便器冲水后测得的空气中的细菌数最多，这是由于安装普通蹲便器的卫生间已投入使用，空气中细菌和卫生间的使用频率与通风强度有关，这表明常规蹲便器使用场景存在疾病传播隐患，且结果更加验证了背景浓度测试和测试前消毒的重要性。

    倒入大肠杆菌菌悬液后，普通蹲、坐便器冲水后菌落数明显增多(48~66个)，而真空蹲、坐便器冲水后菌落数附近空气菌落数则出现了一定程度的降低(-19~-8个)，这说明真空排水设备有利于防止微生物气溶胶的产生与扩散。真空便器冲水后的真空抽吸，吸走污物的同时也吸走排水点附近约60 L空气，使冲洗产生的气溶胶不易随气流扩散；
    而普通便器的水流冲击过程产生了大量的气溶胶并随气流以便器为中心向四周扩散，因此测得的细菌菌落数显著多于真空便器。此外结果显示，普通排水设备冲洗后菌落数集中底层，意味着气溶胶粒径较小(<1.1μm)；
    而真空设备冲洗后气溶胶粒径集中在较大与较小两端(<1.1μm与>7μm)。

    真空地漏在减少微生物气溶胶方面的优势不明显。可能由于地漏的排水过程中水流冲击小，不会产生大量气溶胶，通过地漏导致的气态污染物传播主要是由于水封破坏。2003年我国香港淘大花园小区暴发的大规模严重急性呼吸综合症（SARS）事件，其中最直接的原因之一是排水系统的卫生器具（主要是地漏）的水封干涸。本研究所测试的地漏均正常运行，并未涉及水封破坏的情况，因此未发现真空地漏和普通地漏在产生/减少微生物气溶胶方面的差异。

    真空排水设备有利于削弱冲洗过程气溶胶的扩散，这一特性使其十分适用于人流量较大且易发生病原体传播的医院公共卫生间，而地漏是否设计为真空未表现明显差异，这与其冲洗特性不易产生气溶胶有关，因此卫生间设计时出于成本考虑可能不需要采用真空地漏。

    2.2节 水潜力分析

    天津市第一中心医院曾将门诊楼的普通排水系统于2016年底改造为真空排水系统，本文根据改造前后相关数据简要分析了节水效果［9］。图5中红色代表改造前，绿色代表改造后的月耗水量。普通排水系统7-11月平均耗水量为3 195 t，而真空排水设备耗水量显著降低，平均仅为改造前的20.7%，改造后年节约水量约30 000 t。但改造后加设真空泵站也需要每天额外消耗电能约100 kWh，按电费0.60元/kWh、水费5.55元/t估算，综合每年仍可为医院减少支出约14.7万元。

    图5 医院改造前后耗水量情况

    1）真空排水设备相比普通排水设备显著抑制了冲洗过程中微生物气溶胶的产生与传播，降低了疾病传播的风险，特别适用于医院等人流量大且易发生医源性感染的场所。

    2）真空排水设备因较低的单次冲洗耗水量，使得改造后医院耗水量下降约80%，年可节约支出14.7万元，节水潜力与经济效益较为可观。

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