室内空气中微生物(wù)时空分(fēn)布特性

1 概述

根据國(guó)际标准化组织公布的《建筑环境设计—室内空气质量— 人居环境室内空气质量的表述方法（》Building environment design-indoor air qual-ity-methods of expressing the quality of indoor air forhuman occupancy）（ISO/DIS 16814）的定义，微生物(wù)污染物(wù)主要包括细菌、真菌、病毒、代謝(xiè)毒素，与这些生物(wù)體(tǐ)、内毒素相关的颗粒，以及其他(tā)动植物(wù)颗粒等，它们以气溶胶形式存在或沉积于物(wù)體(tǐ)表面。空气中的微生物(wù)不会单独存在，一般都是与空气中的颗粒结合在一起，以气溶胶的形式存在于空气中，组成所谓的菌群。空气微生物(wù)来源广泛，土壤（固體(tǐ)）、水（液體(tǐ)）、大气（气體(tǐ)）、动物(wù)、植物(wù)、人體(tǐ)是其6大来源。已知存在空气中的细菌及放線(xiàn)菌有(yǒu)1200 种，真菌有(yǒu)40000 种。微生物(wù)气溶胶的大小(xiǎo)各不相同，病毒粒子径為(wèi)0.15 μm~0.45μm，细菌粒子径為(wèi) 0.3 μm~15 μm，真菌和真菌孢子的粒子径為(wèi)1μm~100μm。图1是不同微生物(wù)气溶胶的直径示意图。

2 微生物(wù)对人體(tǐ)的影响

科(kē)學(xué)家已经就微生物(wù)对人體(tǐ)健康的影响进行了100多(duō)年的研究。有(yǒu)一部分(fēn)微生物(wù)能(néng)引起人生病，称為(wèi)病原微生物(wù)。國(guó)内外大量的调查研究证实，空气微生物(wù)是引发各种中毒、感染和过敏疾病的主要原因之一。引发的疾病包括头痛、发烧、哮喘、过敏性肺炎、过敏性皮炎以及传染性疾病。

2.1 传染性疾病

由于呼吸道的生理(lǐ)结构特殊、表面积大，故从鼻、咽、喉、气管、支气管到肺泡，被阻留在任何部位的病原微生物(wù)粒子都可(kě)以在该处引起感染。以成人為(wèi)例，肺泡约有(yǒu)3亿个，总面积有(yǒu)70 m²（人體(tǐ)體(tǐ)表面积的 40 倍）。呼吸系统的这些生理(lǐ)结构特征导致人體(tǐ)容易受到空气传播疾病的感染。同时，空气的高度流动性和扩散性使病原微生物(wù)气溶胶在空气中四处扩散，可(kě)在短时间内产生大量病例。

2.2 非传染性疾病

2.2.1 过敏性疾病

过敏性疾病与室内空气品质有(yǒu)关，像过敏性鼻炎、过敏性哮喘、支气管肺部曲霉菌病，它们都能(néng)够影响到下呼吸道和肺泡。哮喘主要对病毒、尘螨、霉菌和动物(wù)皮屑敏感。

2.2.2 中毒反应

当人體(tǐ)暴露于微生物(wù)污染的室内空气中，微生物(wù)的代謝(xiè)副产物(wù)（细菌内毒素，真菌毒素和大量的各种挥发性有(yǒu)机物(wù)）能(néng)引起机體(tǐ)中毒。己经分(fēn)离出来的能(néng)引起机體(tǐ)中毒反应的微生物(wù)有(yǒu)曲霉菌、青霉菌、金丝菌素的芽體(tǐ)、红酵母和酵母等，主要症状有(yǒu)伤风流感、咽喉疼痛、腹泻、头痛、疲惫、皮炎、以及身體(tǐ)不适等。

3 微生物(wù)气溶胶传播规律

气溶胶微粒的运动除与空气动力學(xué)特性有(yǒu)关外，还与颗粒物(wù)本身所受各种力场有(yǒu)关。气溶胶是个非常复杂的运动着的粒子體(tǐ)系，在这个體(tǐ)系中粒子受到各种力场的作用(yòng)，经历着复杂的物(wù)理(lǐ)、化學(xué)变化。粒子之间，粒子与周围气體(tǐ)之间不断地发生着相互作用(yòng)。作用(yòng)于微粒上的力，可(kě)以大致归纳為(wèi)质量力、分(fēn)子作用(yòng)力、场力、粒子间的吸引力及气流力5种。

3.1 单个气溶胶微粒的运动方程

单个气溶胶微粒的运动方程可(kě)以从牛顿第二定律直接推导出来。

其中：m 為(wèi)单个气溶胶微粒的质量，kg；u_Pi為(wèi)气溶胶微粒在 i 方向上的速度，m/s；F_i為(wèi)作用(yòng)在气溶胶微粒上 i 方向上所有(yǒu)外力之和，kg/m·s²。

3.2 气溶胶颗粒扩散模型

微生物(wù)气溶胶按三维空间规律播散到一切空气可(kě)达到的环境中去。由于影响扩散过程的条件很(hěn)多(duō)，所以该扩散过程非常复杂。微生物(wù)學(xué)家建立和发展了许多(duō)扩散模型，其中应用(yòng)较多(duō)的是高斯扩散模型。

高斯扩散模型是在大量实测资料分(fēn)析的基础上，应用(yòng)湍流统计理(lǐ)论得到的正态分(fēn)布假设下的扩散模式。一般把气溶胶源在地面上的投影点作為(wèi)坐(zuò)标原点，x 轴正向沿平均风向水平延伸；y 轴在水平面上垂直于 x 轴，x 轴左侧為(wèi)正；z 轴垂直于水平面，向上為(wèi)正，形成右手坐(zuò)标系。任一点（x,y,z）的浓度分(fēn)布函数為(wèi)：

式中：C 為(wèi)空间点（x,y,z）的气溶胶浓度；Q 為(wèi)连续点源浓度；u 為(wèi)平均风速；為(wèi)水平面上气溶胶的标准差；為(wèi)垂直面上气溶胶的标准差。

3.3 空调系统风管内气溶胶微粒的沉降

随着建筑物(wù)的密闭程度越来越高，室内的通风换气主要依靠通风空调系统。通风空调系统由于長(cháng)期运行、设计管理(lǐ)不当等原因，系统风管污染严重，其主要的污染物(wù)是悬浮颗粒和微生物(wù)。颗粒粒径、紊流强度以及沉降面的粗糙程度和朝向（水平或垂直）决定着气溶胶微粒的沉降速度。

由于缺乏物(wù)理(lǐ)意义上满意的气溶胶微粒沉降模型，经验公式被认為(wèi)是预测气溶胶微粒沉降的较好方法。这些公式是根据实验数据调整而来，因此通常能(néng)很(hěn)好地反映实验数据；但当流场条件不同时，这些公式不能(néng)帮助我们了解气溶胶微粒的行為(wèi)或预测气溶胶微粒的沉降。对于3种不同的沉降情况下垂直表面的沉降最常见的经验公式表示如下（Papavergos & Hedley，1984）：

扩散區(qū)（t^＋< ~ 0.1）：v_d⁺=k₁Sc^-2/3

扩散－碰撞區(qū)（~0.1<t^＋< ~10）：v_d+=k₂t＋2

惯性缓冲區(qū)（~10<t^＋）：v_d+= k₃

其中 k₁，k₂，k₃是经验常数，Sc 是气溶胶微粒斯密特数。

4 微生物(wù)分(fēn)布规律

4.1 室内空气微生物(wù)分(fēn)布规律

a）粒径特征

微生物(wù)气溶胶在空气中的行為(wèi)与其粒径、密度和形态密切相关，而空气微生物(wù)的中值直径是衡量其粒径大小(xiǎo)的重要标准。特定的空气微生物(wù)具有(yǒu)特定的动力學(xué)粒径：风媒传粉的植物(wù)花(huā)粉為(wèi) 17μm~58 μm，真菌孢子為(wèi) 1μm~30μm，细菌為(wèi)0.25μm~8μm，病毒则小(xiǎo)于0.3μm。空气细菌的粒径主要在0.3 μm~15.0 μm 间变化，室内 84%或更多(duō)的微生物(wù)气溶胶的粒径≥2.1 μm，并且其中值直径接近于3.6 μm。Bovallius研究表明，瑞典各种室内约 50% 空气微生物(wù)的粒径大于>8.0μm 。

b）类型特征

空气中的自然微生物(wù)主要是非病原性腐生菌。据 Wright报道各种球菌占66%，芽孢菌占 25%，还有(yǒu)霉菌、放線(xiàn)菌、病毒、蕨类孢子、花(huā)粉、微球藻类、原虫及少量厌氧芽孢菌。Mancinelli和Shel-ton等在研究空气微生物(wù)的群落结构和物(wù)种组成上得到有(yǒu)意义的结论：空气中的优势细菌属為(wèi)芽孢杆菌属、微球菌属、葡萄球菌属、假单胞菌属等；优势真菌属為(wèi)枝孢菌属、链格孢属、无孢菌、青霉属和曲霉属等。在病人集中的医院，空气中除了自然的微生物(wù)外，还有(yǒu)各种病原菌，细菌有(yǒu)结核杆菌、肺炎双球菌和绿脓杆菌等约 160 种，真菌有(yǒu)球孢子菌、组织胞桨菌、隐球酵母、青霉和曲霉等约600多(duō)种，病毒有(yǒu)鼻病毒、腺病毒等约几百种，此外还有(yǒu)支原體(tǐ)、衣原體(tǐ)等。

c）时空分(fēn)布特征

Shaffer 等研究表明，一年中冬季空气微生物(wù)浓度最低，一天中空气微生物(wù)浓度在8：00―10：00 出现高峰，在 2：00 ― 4：00 或者 12：00―14：00 出现低峰；在乡村地區(qū)室内空气微生物(wù)浓度在日出时增加，正午时开始降低，之后持续增加到日落，在 21：00 和 5：00 空气微生物(wù)浓度最低。

d）微生物(wù)群落特征

空气微生物(wù)群落结构和物(wù)种组成及其浓度很(hěn)不稳定，随着各种环境因素及污染因子的变化，空气微生物(wù)的种类和数量均有(yǒu)很(hěn)大的变化。空气微生物(wù)不仅受到温度、湿度、风速风向、光照、雾滴等各种气象因素的影响，还受到一氧化氮、二氧化氮、一氧化碳、碳水化合物(wù)、二氧化硫等各种污染因子的影响。Di Giorgi 等证实空气细菌浓度随着温度的增加而增加。Tong 等研究发现，光照对室内空气细菌有(yǒu)明显的致死作用(yòng)，其致死程度与光照剂量線(xiàn)性相关；夏天正午由于光辐射很(hěn)强，空气细菌的浓度最低；在有(yǒu)遮盖物(wù)取样的条件下，空气细菌比无遮盖物(wù)条件下生長(cháng)更多(duō)的群落。Fuzzi等研究表明，雾滴可(kě)作為(wèi)空气微生物(wù)气溶胶的天然培养基，空气细菌浓度在有(yǒu)雾的条件下比洁净空气更高，并且空气细菌的浓度受到雾滴温度、化學(xué)组成和酸碱度的影响，不产孢细菌的浓度与雾滴的温度（r=0.93）和 pH（r=0.86）呈正相关。Lighthart在实验室研究了一氧化碳和二氧化硫对不同空气微生物(wù)的影响，结果表明，它们能(néng)够减少空气细菌的浓度。

4.2 室内空调系统微生物(wù)分(fēn)布规律

為(wèi)了了解集中空调通风系统的卫生状况，國(guó)内不少单位对各地區(qū)公共场所集中空调通风系统进行了检测。筆(bǐ)者结合前人的实测数据，对其分(fēn)布规律进行总结。所有(yǒu)分(fēn)析依据卫生部颁布的《公共场所集中空调通风系统卫生规范》等规范进行。

4.2.1 微生物(wù)污染部件

在集中通风空调系统中，管道、过滤器、换热器、冷却盘管、以及冷却塔、凝结水盘等是容易产生微生物(wù)污染的设备。

4.2.2 分(fēn)布规律

a）总體(tǐ)污染状况

通过文(wén)献中数据得到國(guó)内部分(fēn)省市公共场所集中通风空调管道系统的污染程度，如图2所示。

通风管道的污染与室外大气环境、气象条件、通风管道的室内使用(yòng)情况、系统运行年限、维护管理(lǐ)等多(duō)个因素有(yǒu)关，不同建筑空调通风系统污染状况差异较大。从整體(tǐ)上分(fēn)析，污染的程度呈现一定的地域特征。相对湿度较高的地區(qū)，微生物(wù)污染较严重，如上海、辽宁（样本大部分(fēn)地处大连市）和浙江。单位面积风管内表面积尘量、细菌总数、真菌总数随系统使用(yòng)年限的增加而增加。从整體(tǐ)上看，我國(guó)公共场所空调通风系统的污染相当严重，其中32.9% 為(wèi)严重污染，49.3% 為(wèi)中等污染，17.8% 為(wèi)轻度污染。

b）菌谱分(fēn)析

风管内表面菌类主要包括枝孢霉菌、青霉菌、曲霉菌、链格霉菌、无孢菌、细菌（分(fēn)為(wèi)革兰氏阳性菌 G+，革兰氏阴性菌 G- 两种）。其中，枝孢霉菌、青霉菌在每个系统中普遍存在，是主要的成分(fēn)；革兰氏阳性、阴性菌在风道中均存在。各种主要菌种检测结果见表1。

c）空调系统设备污染情况

目前，國(guó)内对空调通风系统的污染调查多(duō)為(wèi)对风管污染的测试，对过滤器、表冷器等部件的污染状况进行调查和研究的甚少。对上海2栋建筑进行调查得到的结果（见表2）结果（见表2）显示，这些部位的微生物(wù)污染状况比风管内表面更加严重。

5 结论

空气中的微生物(wù)大多(duō)附着在灰尘颗粒上，以气溶胶的形式存在于空气中。本文(wén)介绍了室内空气中微生物(wù)的时空分(fēn)布规律，包括其微生物(wù)气溶胶传播规律和分(fēn)布规律。空气中悬浮微生物(wù)的存在与室内的环境状况紧密相关，影响其分(fēn)布的因素主要包括温度、湿度、风速及气象条件等方面。

通风空调系统是容易滋生微生物(wù)的场所，微生物(wù)的生長(cháng)与建筑本身和空调系统有(yǒu)极大的关系。不同地區(qū)、不同建筑、不同通风系统的微生物(wù)特性差异较大，对室内微生物(wù)污染进行分(fēn)析和控制应根据建筑的特点和微生物(wù)特性综合考虑。通风空调系统中的颗粒物(wù)在各种力的作用(yòng)下悬浮释放,微生物(wù)附着在颗粒上以气溶胶的形式进入空气中，并通过多(duō)次的沉降和悬浮被送入室内环境中，加重了室内微生物(wù)污染。空调通风系统对室内的污染程度与空调通风的各个过程有(yǒu)密切的关系，需要进一步的研究。