室內致病微生物氣溶膠污染與空氣消毒凈化技術*

北京科技大學 鄭雅雯 謝 慧 梁 薇

1 致病微生物與微生物氣溶膠

1.1 微生物氣溶膠特性

微生物是難以用肉眼觀察的一切微小生物的統稱[1]。在現代生物學中，將微生物劃分為病毒、細菌、真菌、放線菌、立克次氏體、支原體、衣原體、螺旋體八大類。它們通常具有相對表面積大、生物化學轉化能力高和生長繁殖快等特點[2]。

根據ISO/DIS 16814《建筑環境設計—室內空氣質量—人居環境室內空氣質量的表述方法》，微生物污染物分為活性粒子和非活性生物污染物。其中病毒、細菌和真菌是重要的活性粒子，以氣溶膠的形式存在或沉積于物體表面[3]。

微生物氣溶膠具有以下基本特性[2，4]：1) 來源多，分布廣；2) 種類多樣；3) 活力易變；4) 三維散播；5) 沉積再生。

1.2 致病微生物種類與傳播方式

致病微生物是指能夠引起人類、動物和植物感染甚至傳染病的微生物。按其結構、化學組成及生活習性等差異可以分為真核細胞型微生物、原核細胞型微生物和非細胞型微生物[5-6]。真菌中的一部分為典型的真核細胞型微生物，絕大多數不致病，且對人類有益，僅有幾百余種能引起人類疾病[7-8]。細菌是原核細胞型微生物的典型代表，細菌感染性疾病比較常見，其對抗生素敏感，急性期感染較易治愈。病毒是典型的非細胞型微生物，體積微小、結構簡單，一般來說，病毒性感染危險性高于細菌性感染。

傳染源、傳播途徑和易感人群是致病微生物在空氣中傳播必須具備的3個環節[9]。致病微生物的傳播方式有接觸傳播、飛沫傳播、氣溶膠傳播和塵埃傳播等。其中飛沫傳播和氣溶膠傳播是感染風險非常高的傳播方式。飛沫的傳播距離較短，一般不超過2 m，在飛沫傳播過程中，飛沫中的水分會迅速蒸發，造成部分致病微生物的失活或死亡。圖1為Bourouiba給出的當時間間隔為20 ms時，由打噴嚏產生的飛沫傳播過程的照片[10]。

圖1 由打噴嚏產生的飛沫的傳播過程[10]

氣溶膠是指懸浮在氣體介質中的固態或液態顆粒所組成的氣態分散系統[11-12]。微生物氣溶膠的傳播受塵粒直徑、密度等因素影響，具有以下特點：氣溶膠中病毒、細菌的濃度較霧化前母液的濃度高；可因風向、風速而飄離其原發地區進行長距離傳播[13]。

1.3 微生物控制標準

我國空氣中微生物的相關標準最早在1995年頒布，2012年增加了空調系統送風在微生物方面的濃度要求。表1～3列出了我國涉及到潔凈區的場所和公共場所集中空調衛生標準對微生物的控制指標。

表1 GB 15982—1995《醫院消毒衛生標準》潔凈區與空調系統微生物標準要求

表2 GB 50333—2013《醫院潔凈手術部建筑技術規范》潔凈區與空調系統微生物標準要求

表3 WS 394—2012《公共場所集中空調通風系統衛生規范》潔凈區與空調系統微生物標準要求

1.4 微生物氣溶膠危害

空調系統對室內空氣造成污染的途徑主要有3種[14]：1) 系統本身已經被污染物污染，反過來又污染流經機組的空氣，并將其送入室內。2) 系統把室外被污染的空氣通過新風機組傳入室內。3) 被污染的空氣經過系統的熱濕處理，往復循環。

空調系統因其溫度適宜和內部潮濕，為微生物的生長繁殖提供了良好的環境。真菌(可能含有過敏原、毒素和刺激物等)、細菌、過敏原(塵螨、動物毛發和動物皮屑等)和病毒[15]是空調環境微生物氣溶膠主要污染物，由此類污染物導致的軍團病(legionnaires disease)、病態建筑綜合征等病癥是暖通行業亟待解決的問題[16]。

微生物氣溶膠傳播特點與飛沫傳播有很大區別，由于氣溶膠可進行長距離傳播，其會對室內空氣造成大范圍污染從而污染整個空調系統。因此，對于致病微生物的防護，除了要控制接觸傳播、飛沫傳播，也要控制生物氣溶膠傳播。

2 消毒凈化技術分類與原理

2.1 通風稀釋法

建筑的通風方式可分為滲透通風、自然通風和機械通風3種類型[17]。滲透通風是一種無組織的、輔助的通風方式，無法滿足室內通風的需要[18]；自然通風是傳統通風方式[19]，采用“穿堂風”等形式，可以使建筑達到10 h-1的換氣次數；機械通風依靠風機提供的風壓、風量，通過管道和送、排風口將室外新風送到建筑物內部[20-21]。

通風稀釋法是最簡單的空氣凈化方法，可有效降低室內空氣微生物濃度。有學者針對吸入病毒這一事件建立了概率模型：一次吸入病毒這一事件的概率p是空氣中含有病毒的個數和病毒存活與否的函數：p=e-BK(B為常數，一般呼吸情況下取0.01～0.015；K為稀釋倍數，是新風量與人的呼吸量之比，人的呼吸量取0.3 m3/h，K=1時p接近于1)。一段時間內接受到病毒的概率P(T)=1-(1-p)T/T0(T為呼吸時間；T0為一次呼吸時間，取0.001 h)。接收到病毒后被感染，使病毒能夠繁殖的概率為A，A值因人而異。從該模型中可以看出，去除由主觀因素影響的概率值A，應著重控制人體接受病毒的概率。

圖2為B值分別取0.010、0.012、0.014、0.015的情況下，300、800、1 500、2 000、5 000、10 000稀釋倍數下，接受到病毒的概率隨時間的變化。

按照這一估算模型可得到以下結論：1) 吸入氣體稀釋倍數很小時，接受病毒概率很高；2) 稀釋800倍左右時，接受病毒概率隨時間延長而增大；3) 稀釋倍數越大越安全，10 000倍以上認為安全。

2.2 化學方法

2.2.1氣溶膠噴霧法

氣溶膠噴霧法是指用氣溶膠噴霧器噴出的消毒液對空氣或物體表面進行消毒處理，噴霧中霧粒直徑10 μm以下者占90%以上。由于所噴霧粒小，浮于空氣中易蒸發，可兼備噴霧和熏蒸之效。噴霧時，可使用QPQ-1型噴霧器或產生直徑在10 μm以下霧粒的其他噴霧器[22]。適用消毒藥物有過氧乙酸、過氧化氫、二氧化氯等。氣溶膠噴霧法大多用于終末消毒，終止傳染狀態后消滅遺留在相關場合的致病微生物。

2.2.2光催化氧化法

光催化氧化法是氣體動力學的研究內容，最初在建筑裝修領域用于降解揮發性有機化合物VOC。相比于單分子存在的VOC氣體，微生物具有多層膜結構，由各種有機分子組成。其降解原理可以歸結為一個相似的過程：激發、結合、電子空穴捕捉，以及活性氧化物通過破壞相關化學鍵從而實現對有機物質的分解[23-24]。該凈化方法主要應用于醫院、食品加工生產線等需要對微生物嚴格控制的場合，可與建筑通風系統相結合，也可作為便攜凈化器，形式較為靈活[24]。

光催化氧化法常用降解手段有3種：1) 氧化呼吸酶抑制生物的呼吸作用；2) 氧化并破壞細胞壁、細胞質膜致使生物半滲透性喪失，使生物失活；3) 破壞生物核酸使其遺傳物質的復制和代謝機能受到抑制，以致生物完全失活[23-24]。

適用光催化氧化凈化法的化學材料有二氧化鈦、氧化鋅、硫化鎘和三氧化鎢等。

2.2.3臭氧消毒凈化法

臭氧是化學實驗室常用的強氧化劑，具有廣譜滅活微生物的作用且滅活迅速[25]。臭氧消毒法是指用臭氧發生器發生的臭氧對空氣進行消毒凈化處理。該凈化方法可有效緩解直接蒸發冷卻式空調循環冷卻水系統中菌藻滋生、腐蝕和結垢等問題[26]。

臭氧消毒滅菌過程屬于生物化學氧化反應。凈化原理有3種：1) 氧化分解微生物內部合成葡萄糖所需的酶，使其滅活死亡；2) 破壞微生物細胞器的DNA(脫氧核糖核酸)或RNA(核糖核酸)，破壞其新陳代謝系統使微生物死亡；3) 穿透細胞膜組織，作用于外膜的脂蛋白和內部的脂多糖，使細菌發生通透性畸變而溶解死亡。

雖然臭氧可對絕大多數微生物進行滅活，但由于其強氧化性，臭氧對多種物品有損壞作用，濃度越高損害越重。除此之外，臭氧還對人體有強刺激作用，會引起肺水腫和哮喘等病癥，應慎用此種凈化手段。

2.2.4等離子體消毒凈化法

等離子體是指高度電離的氣體云，由氣體在加熱或強電磁場作用下電離而產生，主要由電子、離子、原子、分子、活性自由基及射線等組成，是固、液、氣三態以外的新的物質聚集態[27]。因其正電荷總數和負電荷總數在數值上相等，所以稱其為等離子體。

等離子體的發生方法有放電法、射線輻照法、電離法和激光法等。等離子體殺菌消毒原理為其自體包含活性氧原子、氧分子且可產生輻射，與微生物的細胞膜、DNA及蛋白質產生物理-化學反應使其發生變性或被高速粒子擊穿而失活[28]。

等離子體消毒凈化法并不是單純的化學反應，由于等離子體發生方法不同，消毒凈化類型也不同，是一種綜合性強且普適性強的空氣凈化方法。該凈化技術能在有人的場合持續消毒滅菌，可在手術過程中有效地控制細菌總數[29]。

2.3 物理方法

2.3.1過濾除菌法

過濾除菌法利用物理阻留的方法將空氣中的微生物粒子和其他各種塵埃粒子除去，以達到無菌目的。過濾除菌法是世界衛生組織比較推薦的、較為有效的凈化方法，組合式空調機組通常設有專門的過濾段對顆粒物進行阻隔。

過濾除菌原理[30]有3種：1) 慣性撞擊截留。含有微生物氣溶膠的空氣通過濾層時，空氣流僅能從濾料纖維的間隙通過，由于纖維作用，迫使氣流連續不斷地改變運動方向與速度。由于微生物顆粒的慣性大于空氣，因而當空氣流遇阻而繞道前進時，微生物顆粒不能及時變向，撞擊并被截留。2) 布朗擴散截留。當空氣通過過濾層時，直徑很小的氣溶膠微粒在緩慢流動的氣流中會有明顯的布朗運動，促使微粒和濾料纖維接觸并且被捕集。3) 重力沉降捕集。空氣中較大的懸浮顆粒由于重力作用可沉積在濾料纖維表面而被除去。

2.3.2高壓靜電吸附法

高壓靜電吸附法通過高壓靜電裝置產生的靜電對空氣中的微生物載體顆粒進行擊沉滑落后再利用某些有吸附能力的物質對微生物載體顆粒進行吸附，以達到除菌消毒的目的。該凈化方法是靜電凈化法與吸附凈化法的結合，多用于組合式空調機組粗效過濾段后，可同時消除氣態污染物和顆粒污染物[31]。

高壓靜電裝置產生的靜電場在低于電位幾千至幾萬V的情況下，放電極金屬絲發生電暈放電，產生大量的供氣溶膠粒子荷電用的氣體粒子，然后致使微塵細菌荷電、飄塵遷移、極板沉積，達到除塵除菌的目的。

2.3.3紫外線照射法

紫外線殺菌消毒利用適當波長的紫外線破壞微生物機體細胞中的DNA或RNA的分子結構，造成生長性細胞死亡和(或)再生性細胞死亡，從而達到殺菌消毒的效果[32-33]。由于紫外線易對人體產生負面影響，該方法在暖通空調領域應用并不多，一般選擇在空氣處理機組或風管內設置紫外線除菌裝置來達到消毒效果[34]。

根據產生生物效應不同，紫外線劃分為A、B、C 3個波段，C波段(UV-C)被稱為消毒紫外線，其波長范圍為100～290 nm，微生物細胞中的核酸、嘌呤、嘧啶及蛋白質等物質對波長253.7 nm紫外線吸收能力很強。經過紫外線的照射，空氣中微生物細胞體內相鄰2個胸腺嘧啶分子間容易形成二聚體，破壞體內DNA復制和蛋白質合成，干擾微生物的繁殖，使其失活[35-36]。

2.3.4激光照射法

原子中的電子吸收能量后從低能級躍遷到高能級，再從高能級回落到低能級的時候，以光子的形式放出的能量成為激光[37]。激光照射消毒裝置可裝于空調系統風管中，對空氣進行凈化[38]。

激光能量高度集中，殺菌指向性強，對細菌、病毒等微生物組織破壞的機理有3種：1) 光致熱作用。光熱催化導致細胞組織分裂，光化學效應導致生物體發生分解反應等使細菌死亡。2) 化學作用。引起細胞分子化學鍵的斷裂、催化作用或生成游離基團，使微生物死亡。3) 沖擊效應。將微生物壓縮變形以至破裂。

2.3.5微波輻射法

微波是一種電磁波，消毒中常用的頻率為(915±25)MHz及(2 450±50)MHz。目前對微波消毒的主要觀點包括微波的熱效應(由分子熱運動產生的效應)和非熱效應(沒有明顯溫度變化或者溫度處于亞致死溫度時，細胞發生的生理、生化和功能上的變化)[39-40]。該凈化方法可通過在風管中增設微波磁控管，對空調系統風管中送回風進行消毒[41]。

現有研究發現，單純熱效應或非熱效應都不能解釋微波的消毒特性，微波快速廣譜的消毒作用是由復雜的綜合因素作用的結果。微波輻射殺菌消毒的綜合效應機理有3種：1) 微波的快速穿透作用和直接使分子內部摩擦產熱，分子內部持續高溫干擾其生存環境而滅活；2) 微波的場效應，生物體處于微波場中，微生物受到沖擊和震蕩，破壞細胞外層結構，細胞通透性增加，破壞細胞內外物質平衡，出現細胞質崩解融合致使微生物死亡；3) 量子效應，微波場中量子效應主要是激發水分子產生過氧化氫和其他自由基，形成細胞毒作用，這種作用可使細胞內各種蛋白酶、核酸等遭到破壞[40]。

2.3.6抑菌涂層法

空調的蒸發器、接水盤濾網都是容易滋生細菌霉菌的部位，為了抑制細菌霉菌的滋生可在這些部件上加涂抑菌材料，抑菌涂層是常用的抑菌手段。

常見抑菌涂層材料為Ag+，其抑菌機理是其接觸微生物后，導致微生物的蛋白質遭到破壞，干擾遺傳物質的合成從而造成微生物死亡。其接觸原理基于電吸附，微生物細胞含有負電荷，抑菌材料帶有正電荷。除此之外，Ag+具有較強的氧化性，微生物被滅活后會從其體內游離釋放出，繼續與其他微生物體產生氧化反應再度除菌消毒，周而復始地產生凈化作用[42-44]。

3 典型消毒凈化技術微生物滅活效果比較

在實際消毒凈化環境中，微生物的滅活效果使用消亡率來評估，消亡率是微生物自然衰亡和消毒凈化處理中滅活綜合效果的體現。根據《消毒技術規范》(2002年版)第2.1.3.5項：消亡率等于消毒前樣本平均菌數與消毒后樣本平均菌數的差值除以消毒前樣本平均菌數。

從文獻[11，45-48]中總結數據并進行處理，不同凈化技術滅活效果評估如圖3所示。

注：折線由各技術平均滅活率散點組成。圖3 典型空氣凈化技術滅活效果評估

平均消亡率越高代表此種空氣凈化手段越有效；消亡率越集中，代表手段越穩定。從圖3可看出：氣溶膠噴霧法、臭氧消毒凈化法、等離子體消毒凈化法和過濾除菌法消亡率較高；激光照射法工作效果最穩定。選擇空氣凈化方法時應結合實際情況重點考慮手段的有效性，同時輔以參考各種技術的穩定性。

4 空氣凈化設備在空調系統中的應用

目前對通風空調機組及其系統微生物有3種控制方法：第一種方法稱為“做減法”，通過控制或消除空調機組及其系統的積塵與積水，從而在源頭上控制微生物污染物；第二種方法稱為“做加法”，通過在通風空調機組及其系統內增加空氣過濾裝置或動態消毒殺菌裝置，對系統內的微生物載體進行過濾或使微生物滅活；第三種方法是常規的清洗消毒[49]。其中第一、二種方法需要使用專業的空氣凈化設備。

4.1 過濾、吸附類設備

4.1.1過濾設備

過濾類凈化裝置屬于被動凈化裝置，是空調系統中應用最廣泛的凈化裝置，需用風機將空氣抽入設備，通過內置的濾料過濾空氣。濾料主要分為顆粒物濾料和有機物濾料。顆粒物濾料又分為粗效濾料、中效濾料和高效濾料。高效微粒空氣過濾器(HEPA)是針對過濾粉塵等顆粒物最常用的過濾器；活性炭濾料是去除氣態污染物最有效的過濾器。過濾器一般安裝在新風口、回風口處[47，50]。

研究表明，在空調系統中，有80%以上的微生物、顆粒物來自回風[51]，應采用過濾設備，控制通過回風口和新風口進入空調內部的塵菌數。根據計算[52]，當新、回風口處的過濾器對微生物的計數阻留率達到90%以上、對顆粒物的計重阻留率達到95%以上時，才能有效控制整個系統的清潔度，才能從空調角度最大程度地控制室內致病微生物氣溶膠的污染。當這種高阻留率過濾器用于回風口時，必須具有不大于20 Pa的初阻力，才不會影響風機盤管的正常工作。為滿足阻留率要求且保證空調系統各設備的正常運行，選擇過濾設備時既要考慮過濾效率，也要兼顧設備阻力[53]。

4.1.2電子吸附設備

電子空氣凈化設備屬于吸附類凈化裝置，是一種主動式凈化裝置，設備內沒有濾料，擺脫了風機與濾料的限制，此類設備一般與等離子發生器配合安裝在回風口或風管中[50-51]。目前有研究人員研制出改良的電子空氣凈化設備，將脈沖寬度調制(PWM)技術引入該設備中，用于室內致病微生物氣溶膠的控制[54]。

電子空氣凈化器以高壓靜電吸附為主要技術手段，融合其他空氣凈化技術，吸附和分解催化微生物氣溶膠[54]。該設備的核心部件是集塵器，設備的設計為圖4a所示的兩段式，電離發生器為一組平行且等距的板式接地電極，電極之間布有由特定直徑的鉬絲制成的離化線。當離化線加上直流正電壓后即可在鉬絲附近形成強電場，空氣中的自由電子從電場中獲得足夠的能量與氣體分子激烈碰撞形成碰撞電離，電子移向離化絲導線并在導線上中和，同時帶正電荷的離子在電場的作用下做有規則的運動，遇到中性微粒便附著其上使微粒帶正電。帶正電荷的離子通過帶有負電荷的集塵板時，在異性電荷相吸的作用下被吸附在集塵板上，微粒運動軌跡參見圖4b。細菌、病毒等微生物附著在顆粒物表面，通過高壓靜電擊穿細胞壁、破壞細胞質等原理滅活。

4.1.3設備比較

普通過濾設備的優點是安全穩定，缺點是風阻高，影響空調制熱與制冷效果；低阻過濾設備在此基礎上解決了阻力影響空調效果的缺點。普通吸附設備的優點是能在不影響系統風量的前提下高效地去除空氣中的氣溶膠，有效去除細菌、病毒生存的載體且對環境沒有副作用，缺點是工作不穩定；引入PWM技術的電子吸附設備改善了普通吸附設備的缺點，也是比較可靠的空氣凈化設備。

設備的工作阻力是衡量過濾、吸附類設備性能的重要參數。阻力的差異由各設備過濾機理和結構不同而導致，其變化將直接影響氣體流通是否通暢進而影響設備的凈化效果。從之前的研究者做過的實驗來看：普通過濾設備的阻力在相同風量和容塵量的條件下遠高于低阻過濾設備和電子吸附凈化設備；隨著風速的增大，普通過濾設備的阻力增加幅度很大，低阻過濾設備和電子吸附凈化設備的阻力變化相對緩慢。

除降低工作阻力外，設備還需要有良好的穩定性。針對普通吸附設備，引入了PWM技術，該技術通過對脈沖寬度的調節，保持了電源工作電壓穩定和恒流，不受外界條件和內部環境變化的影響。與普通吸附設備相比，改良的凈化設備保證了工作穩定性，提高了空氣凈化效率。

4.2 輻射、照射類設備

4.2.1設備特點

輻射、照射類設備屬于主動式凈化設備，有效、主動沿各種角度輸出不同頻率的電磁波，對室內各處進行凈化。目前此類設備在空調系統中的應用與過濾、吸附類凈化設備相比并不廣泛。

紫外線除菌設備、微波輻射設備、激光照射設備都是已經在現有空調系統中試驗過的凈化設備[55]。輻射、照射類設備的優點是一定時間內除菌均勻徹底，缺點是除菌效果持續時間有限，可能會產生二次污染，對人體產生傷害[56-58]。

4.2.2典型照射類設備

紫外線除菌裝置[35]是典型的照射類殺菌裝置。對紫外線除菌裝置來說，雖然近年來對其研究取得了比較大的進展，但是仍然沒有統一的紫外線消毒設計規范。在通風空調系統中，通常將紫外線除菌裝置設置在空氣處理機組或風道內，對系統表面和流經的空氣進行消毒。紫外線除菌在理論上可行，但對其設計依賴于紫外線燈制造商給出的工作性能參數和設計者的經驗，與此同時還需考慮紫外線消毒的適宜溫度和濕度。有資料顯示，紫外線僅在20～40 ℃、相對濕度低于80%、空氣含塵濃度較低的工況下才有較明顯的消毒效果，在整個空調系統中難以保證其高效殺菌條件，再加上紫外線除菌裝置難以避免對其他設備和人體產生負面影響，大規模投入使用還需要很長一段時間。

4.2.3典型輻射類裝置

微波輻射除菌裝置是典型的輻射類殺菌裝置[42]。微波輻射設備需將微波滅活裝置與過濾裝置結合起來，通過在風管中增設微波磁控管而形成微波消毒腔。微波消毒腔結構如圖5所示。微波磁控管在腔體側面發射出的微波直接輻射到濾料表面，將濾料表面過濾下來的微生物滅活。微波輻射設備會對人體產生較大負面作用，因此在設計和使用過程中應該將微波防泄漏作為重點注意的問題。

1.微波磁控管；2.金屬通風網；3.無紡布濾料；4.腔體鋼板。圖5 微波消毒腔結構[47]

5 結語

氣溶膠傳播是感染致病微生物風險非常高的傳播方式。由于微生物氣溶膠具有存活時間長、可隨空氣流動進行長距離傳播等特點，其會通過空調系統對室內空氣造成污染從而加重疫情。對于致病微生物的防護，既要對飛沫傳播進行控制，也要對氣溶膠傳播進行控制。

我國對微生物氣溶膠控制的相關標準主要針對細菌，未涉及真菌、病毒等其他種類，今后可將制定更完善、更全面的控制標準作為研討任務之一。

空氣凈化消毒技術不同，滅活效果也不同；空氣消毒凈化設備不同，設備特點與適用場合也不同。在選擇凈化技術或凈化設備時，要結合實際問題具體分析，合理選擇凈化設備，有效采取凈化措施，對室內微生物氣溶膠進行控制。