真空排水設(shè)備的氣溶膠傳播特性與節(jié)水潛力分析

董 明 曾賢鵬 徐 暢

1.天津市第一中心醫(yī)院

2.中建三局集團(tuán)有限公司

3.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

當(dāng)今社會，各類傳染病的暴發(fā)對經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展帶來了極大困擾。氣溶膠作為呼吸道傳染病常見傳播的途徑，由于難以直接監(jiān)測，這種隱匿的傳播途徑防控難度較大［1］。研究表明感染者的糞便、尿液、嘔吐物等可能包含大量可致病微生物［2］，這些微生物可以通過排水設(shè)備沖洗行為產(chǎn)生氣溶膠傳播，加大了醫(yī)源性感染的風(fēng)險，因此對各類排水設(shè)備的疾病傳播風(fēng)險評估勢在必行。

早在20世紀(jì)50年代，Jessen［3］等人通過實驗發(fā)現(xiàn)便器沖水后產(chǎn)生了一種“飛沫核”，即目前所指的氣溶膠，且隨著沖水的能量增大氣溶膠的產(chǎn)生數(shù)量會增加。Barker等［4］在便器側(cè)壁與水中放置含有病菌的載體模擬了急性腹瀉后的污染，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)過多次沖洗便器中仍存在大量病菌，且每次沖洗導(dǎo)致部分氣溶膠的產(chǎn)生，加劇了空氣傳播的風(fēng)險。由于便器設(shè)計的多樣性，湍流、飛濺程度的差異使得氣溶膠傳播有相當(dāng)大的差異［5］。不同的便器類型也可能對氣溶膠的產(chǎn)生有所影響，相較于傳統(tǒng)直沖式便器，Bound等［6］發(fā)現(xiàn)虹吸式便器產(chǎn)生的污染顆粒濃度比直沖式要低得多。

除了傳統(tǒng)的重力式?jīng)_洗便器，真空便器也逐漸進(jìn)入人們的視野，該技術(shù)目前多用于飛機(jī)、火車等交通工具，其常見形式如圖1所示［7］。真空排水系統(tǒng)是利用真空設(shè)備使排水管道內(nèi)產(chǎn)生約-0.07~-0.05 MPa的負(fù)壓［8］，依靠壓差使空氣推動污物進(jìn)入管道進(jìn)行輸送的排水方式。這種排放方式可能會減少便器沖水過程中微生物氣溶膠的產(chǎn)生與擴(kuò)散，同時防止下水道的微生物氣溶膠返回室內(nèi)環(huán)境造成污染。此外，傳統(tǒng)便器單次沖水量約4.8～8 L，而真空便器約為1.2 L，具有可觀的節(jié)水潛力［9］。為了評估真空排水設(shè)備對微生物氣溶膠產(chǎn)生的影響，以常規(guī)沖洗式便器為對照，在便器中添加大量微生物模擬排泄過程，檢測各類便器沖洗后產(chǎn)生的生物氣溶膠水平。

圖1 真空便器示意圖

1 材料與方法

本研究針對真空排水設(shè)備(包括真空便器與真空地漏)和普通排水設(shè)備（包括重力式便器與沖洗式地漏）分別進(jìn)行測試，以對比不同類型設(shè)備的氣溶膠產(chǎn)生情況。其過程包括對目標(biāo)微生物的培養(yǎng)與測試液的制備，測試過程前對衛(wèi)生間的通風(fēng)消毒，測試過程中向各目標(biāo)設(shè)備投入等量微生物，沖水后，測試空氣中的氣溶膠濃度。此外，還監(jiān)測了由傳統(tǒng)設(shè)備改造為真空設(shè)備后的耗水量。

1.1微 生物選擇

微生物的選擇標(biāo)準(zhǔn)是基于生物安全問題和物理特性，而不是病原特性，本研究選擇大腸桿菌為目標(biāo)微生物。將大腸桿菌接種在肉湯培養(yǎng)基中，將接種好的培養(yǎng)基放入37℃的恒溫培養(yǎng)箱，170 rpm恒溫震蕩培養(yǎng)18 h，其懸浮液用于實驗，每個菌懸液約含有109~1010個大腸桿菌細(xì)胞。

1.2衛(wèi) 生間環(huán)境測量

通風(fēng)量（滲透風(fēng)量）的測試以CO2作為示蹤氣體，根據(jù)GB/T 18204.18-2000進(jìn)行測試。測試前將房間門窗關(guān)閉，用CO2氣罐釋放示蹤氣體，并用風(fēng)扇使其在房間中分布均勻，等到房間中CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.25%時，使其自然衰減，開始采樣測試，采樣時間的間隔為1 min，30 min后結(jié)束測試。利用質(zhì)量守恒公式計算房間的滲透換氣次數(shù)，其公式見式（1）

式中，N——滲透通風(fēng)量，h-1；

ce——室外CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

c——測試空間中CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

τ——時間，h。

1.3微 生物氣溶膠測試方法的制定

1.3.1 微生物氣溶膠測試方法

在每次測試前，對衛(wèi)生間的空氣和目標(biāo)便器/地漏進(jìn)行全面消毒。用100 ml漂白劑對便器/地漏進(jìn)行沖洗，再用12 ml5%硫代硫酸鈉中和漂白劑殘留物，最后用大量清水進(jìn)行沖洗。對目標(biāo)衛(wèi)生間進(jìn)行全面通風(fēng)后，關(guān)閉所有門窗，用254 nm紫外線燈照射30 min。

在對每種便器/地漏測試前，均先測試背景濃度，即在目標(biāo)排水設(shè)備沖洗后用安德森六級微生物采樣器進(jìn)行空氣采樣。測試開始后，將1份微生物菌懸液倒入目標(biāo)排水設(shè)備中（圖2），在其側(cè)上方進(jìn)行再次采樣，流速設(shè)為28.3 L/min。便器的測試高度為0.7 m，地漏的測試高度為0.1 m。將采樣后的平板（圖3）取下，進(jìn)行密封，回到實驗室后，將平板倒置于37℃的生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24-48 h，記錄細(xì)菌菌落數(shù)。

圖2 向便器倒入菌懸液

圖3 用于測試的培養(yǎng)基

1.3.2 預(yù)實驗

為了確定消毒情況、大腸桿菌的投放量及測試時長，在一間裝有普通坐便器的衛(wèi)生間進(jìn)行了預(yù)實驗，采樣時間設(shè)定為5 min，同時進(jìn)行了一組空白對照實驗，以確定在培養(yǎng)過程中培養(yǎng)皿是否受污染。

消毒情況測試。對便器和衛(wèi)生間空氣進(jìn)行消毒后，進(jìn)行沖水測試；并測試未消毒沖水工況。測試結(jié)果見表1。結(jié)果表明，對便器和衛(wèi)生間空氣進(jìn)行消毒后，菌落數(shù)量明顯少于未消毒工況，僅是未消毒工況的24%~28%。

表1 對便器和衛(wèi)生間空氣消毒的測試效果對比

大腸桿菌投放量實驗。對便器和衛(wèi)生間空氣進(jìn)行消毒后，分別向便器倒入1份、2份大腸桿菌菌懸液，進(jìn)行沖水測試。測試結(jié)果見表2。結(jié)果表明，投放1份和2份大腸桿菌菌懸液所測得的菌落數(shù)量相差較小（14個），可能是由于每份菌懸液中大腸桿菌數(shù)量巨大（109~1010個），菌懸液份數(shù)的增加并未對大腸桿菌數(shù)量造成顯著變化。

表2 投放不同量大腸桿菌菌懸液的測試效果對比

空白對照實驗。用于空白對照實驗的平板培養(yǎng)基上未長菌，結(jié)果表明實驗過程操作合理，測試結(jié)果可靠。

預(yù)實驗結(jié)果表明：消毒后，菌落數(shù)量明顯少于未消毒工況，對便器和衛(wèi)生間空氣進(jìn)行消毒具有必要性，從而能夠削減空氣背景中菌落數(shù)對于便器實驗的影響。投放大腸桿菌菌懸液的份量對測量的菌落數(shù)影響較小，在實際測試時可采用投放1份大腸桿菌菌懸液。

2 結(jié)果與討論

本研究測試了三組共6種排水設(shè)備沖洗后產(chǎn)生的氣溶膠情況，測試場景基本信息見表3。

表3 排水設(shè)備測試場所

2.1氣 溶膠產(chǎn)生情況

兩類設(shè)備測試結(jié)果分別匯總于表4和表5，圖4為不同類型設(shè)備測試結(jié)果匯總。

圖4 不同類型設(shè)備測試結(jié)果匯總

表4 普通設(shè)備沖洗后空氣中的菌落數(shù)

表5 真空設(shè)備沖洗后空氣中的菌落數(shù)

結(jié)果的綜合對比。普通蹲便器沖水后測得的空氣中的細(xì)菌數(shù)最多，這是由于安裝普通蹲便器的衛(wèi)生間已投入使用，空氣中細(xì)菌和衛(wèi)生間的使用頻率與通風(fēng)強(qiáng)度有關(guān)，這表明常規(guī)蹲便器使用場景存在疾病傳播隱患，且結(jié)果更加驗證了背景濃度測試和測試前消毒的重要性。

倒入大腸桿菌菌懸液后，普通蹲、坐便器沖水后菌落數(shù)明顯增多(48~66個)，而真空蹲、坐便器沖水后菌落數(shù)附近空氣菌落數(shù)則出現(xiàn)了一定程度的降低(-19~-8個)，這說明真空排水設(shè)備有利于防止微生物氣溶膠的產(chǎn)生與擴(kuò)散。真空便器沖水后的真空抽吸，吸走污物的同時也吸走排水點附近約60 L空氣，使沖洗產(chǎn)生的氣溶膠不易隨氣流擴(kuò)散；而普通便器的水流沖擊過程產(chǎn)生了大量的氣溶膠并隨氣流以便器為中心向四周擴(kuò)散，因此測得的細(xì)菌菌落數(shù)顯著多于真空便器。此外結(jié)果顯示，普通排水設(shè)備沖洗后菌落數(shù)集中底層，意味著氣溶膠粒徑較小(<1.1μm)；而真空設(shè)備沖洗后氣溶膠粒徑集中在較大與較小兩端(<1.1μm與>7μm)。

真空地漏在減少微生物氣溶膠方面的優(yōu)勢不明顯。可能由于地漏的排水過程中水流沖擊小，不會產(chǎn)生大量氣溶膠，通過地漏導(dǎo)致的氣態(tài)污染物傳播主要是由于水封破壞。2003年我國香港淘大花園小區(qū)暴發(fā)的大規(guī)模嚴(yán)重急性呼吸綜合癥（SARS）事件，其中最直接的原因之一是排水系統(tǒng)的衛(wèi)生器具（主要是地漏）的水封干涸。本研究所測試的地漏均正常運(yùn)行，并未涉及水封破壞的情況，因此未發(fā)現(xiàn)真空地漏和普通地漏在產(chǎn)生/減少微生物氣溶膠方面的差異。

真空排水設(shè)備有利于削弱沖洗過程氣溶膠的擴(kuò)散，這一特性使其十分適用于人流量較大且易發(fā)生病原體傳播的醫(yī)院公共衛(wèi)生間，而地漏是否設(shè)計為真空未表現(xiàn)明顯差異，這與其沖洗特性不易產(chǎn)生氣溶膠有關(guān)，因此衛(wèi)生間設(shè)計時出于成本考慮可能不需要采用真空地漏。

2.2節(jié) 水潛力分析

天津市第一中心醫(yī)院曾將門診樓的普通排水系統(tǒng)于2016年底改造為真空排水系統(tǒng)，本文根據(jù)改造前后相關(guān)數(shù)據(jù)簡要分析了節(jié)水效果［9］。圖5中紅色代表改造前，綠色代表改造后的月耗水量。普通排水系統(tǒng)7-11月平均耗水量為3 195 t，而真空排水設(shè)備耗水量顯著降低，平均僅為改造前的20.7%，改造后年節(jié)約水量約30 000 t。但改造后加設(shè)真空泵站也需要每天額外消耗電能約100 kWh，按電費0.60元/kWh、水費5.55元/t估算，綜合每年仍可為醫(yī)院減少支出約14.7萬元。

圖5 醫(yī)院改造前后耗水量情況

3 結(jié)語

1）真空排水設(shè)備相比普通排水設(shè)備顯著抑制了沖洗過程中微生物氣溶膠的產(chǎn)生與傳播，降低了疾病傳播的風(fēng)險，特別適用于醫(yī)院等人流量大且易發(fā)生醫(yī)源性感染的場所。

2）真空排水設(shè)備因較低的單次沖洗耗水量，使得改造后醫(yī)院耗水量下降約80%，年可節(jié)約支出14.7萬元，節(jié)水潛力與經(jīng)濟(jì)效益較為可觀。