平行氣流真菌孢子釋放強度試驗研究

盧 振, 張吉禮, 孫德興, 端木琳

(1.大連理工大學建設工程學部,遼寧大連 116024;2.哈爾濱工業大學市政環境工程學院,黑龍江哈爾濱 150090)

0 引 言

真菌是室內環境中普遍存在的污染物,可對人體產生很多影響,甚至引發疾病[1～6];只要有足夠的濕度,在通風空調系統、天花板、石膏板、墻紙等很多地方,都會滋生真菌[7～9].調查結果表明,潮濕和霉菌是居住建筑中引起真菌污染的主要因素[10～12].當前,對室內環境微生物水平的評價方法主要為空氣采樣和對建筑材料的測試分析[13～16].空氣微生物采樣基本上可以代表人體吸入的空氣中微生物濃度[17],但只能代表采樣期間一小的時間段,對于人們長時間空氣微生物的暴露,卻不能夠準確衡量[18].室內空氣中微生物氣溶膠的形成與各種因素有關,如室內溫濕度、氣流速度、材料表面的纖維結構及受到的振動情況等.Zoberi最早研究了真菌孢子在瓊脂表面的釋放,并認為其釋放強度是氣流速度的函數[19].Pasanen等[20]和Foarde等[21]研究發現不同真菌孢子氣溶膠化的強度與真菌種類有關;Gorny等采用Andersen采樣器的孔口射流方法,使真菌孢子氣溶膠化,研究真菌孢子從瓊脂表面和天花板磁磚表面的釋放強度,認為真菌孢子在這兩種材料表面的釋放強度具有統計意義上的不同[22].Kildes 等開發了P-FLEC裝置,一根鋼管上鉆10個0.8mm的小孔,產生 45°射流,使真菌孢子氣溶膠化,發現在石膏板表面不同種類的真菌孢子釋放強度不同[23];Sivasubramani等也采用平板的孔口射流方法開發了FSSST真菌氣溶膠化強度測試裝置[9、18].

雖然對材料表面真菌孢子釋放特性的研究已經進行了大量的工作,但這些結果如應用在通風空調系統中卻存在著明顯不足,主要表現在以下方面.

文獻[9、18、22、23]中對真菌孢子釋放均采用射流方法.氣流經過孔口或噴嘴后,速度增大形成射流,對材料表面生長的真菌孢子形成強烈的沖擊作用,真菌孢子在這種強烈的氣流作用下,被最大可能地釋放出來.所以射流作用可得到真菌孢子在一定氣流速度下,釋放出的最大數量,得到的數據可用于預測空氣中形成的真菌孢子最大濃度.由文獻[18]給出的結果也可看出,采用射流方法得到的數據進行空氣中孢子濃度的預測遠大于實測結果.

在空調系統中生長的真菌孢子,大多是受到表面平行掠過的氣流作用釋放出來,而不是空氣射流的作用.如空調系統中管道內表面、表冷器的狹縫斷面和空氣過濾器表面等,這些設備表面經常存在真菌的生長.真菌孢子在平行掠過的氣流作用下釋放出來,進入到空氣中形成氣溶膠.這種情況與文獻[9、18、22、23]的研究有著本質的不同.在平行氣流作用下,孢子處在氣流形成的材料表面的層流邊界層中,這時孢子受到的主要是氣流的黏附力作用,其比空氣射流作用時的慣性力要小得多,所以此時可釋放的孢子并沒有全部釋放出來,只釋放出一部分.

因此研究平行氣流作用下真菌孢子釋放強度的測試和評價方法十分重要.本文采用自行開發的平行氣流真菌孢子釋放強度測定裝置(parallel air-flow fungal spore source strength tester,PAFST),對真菌孢子在平行氣流作用下的釋放強度進行試驗研究.

1 平行氣流真菌孢子釋放強度試驗裝置

1.1 PAFST測試系統

平行氣流對真菌孢子的釋放原理如圖1所示,平行氣流的產生采用變截面狹縫斷面結構形式[24].圖2是真菌孢子氣溶膠化測試裝置所應遵循的氣流流程圖.為消除環境中孢子的影響,激發真菌孢子氣流應首先經過高效過濾器過濾形成超凈氣流,然后激發真菌孢子釋放;在對激發的真菌孢子采樣測試之后不能將氣流直接排出,也要經高效過濾后排出,以防污染室內空氣.

圖1 平行氣流對孢子的釋放Fig.1 The spore released by paralle l air-flow

圖3是平行氣流真菌孢子釋放強度測試裝置的系統圖.激光粒子計數器為Lighthouse公司生產,用于測量氣流的潔凈度.它可同時測5種粒徑粒子數,可測最小粒徑是0.3μm.系統壓力采用傾斜式微壓計測定.系統流量由Andersen采樣器自帶的轉子流量計測定,并用調壓器調節流量.

圖2 氣溶膠化測試裝置流程圖Fig.2 The flow chart of the aerosolization setup

圖3 PAFST試驗裝置圖Fig.3 PAFST experimental setup

系統出口全部氣流都經微生物采樣器進行采樣測試,所以只在進口設置了高效過濾器;系統密封很好,沒有空氣逸出,所以流量只在系統出口微生物采樣器處進行校正.

1.2 氣流狹縫斷面流道與待測試件

氣流狹縫斷面流道與待測試件的安裝示意圖見圖4.氣流狹縫斷面流道前后用法蘭連接,這樣可通過改變斷面面積來實現不同氣流流速.當待測試件表面培養好真菌后,裝在圖4中卡件的位置.狹縫斷面氣流通道的側壁開有一圓孔用于放置待測試件,其裝好后應卡緊并使表面與氣流通道內壁平行,氣流正好可以平行掠過真菌孢子表面.圓盤卡件與氣流通道之間用O形圈密封,防止氣流逸出影響系統流量.

圖4 狹縫斷面流道和圓盤卡件安裝示意圖Fig.4 The setup schematic diagram of slot and circle p late

圖5是試驗裝置PAFST的實物照片,PAFST被放置在100級超凈工作臺上,連接了Andersen微生物采樣器.

圖5 PAFST照片Fig.5 Photo of PAFST

圖6是圓盤卡件的實物圖片,并帶有真菌孢子的待測材料.圖(a)是長有柑桔青霉的超細玻璃纖維材料;圖(b)是長有枝孢屬的超細玻璃纖維材料.

圖6 待測真菌試件照片Fig.6 Photos ofmaterial for testw ith fungi

2 平行氣流真菌孢子釋放強度測定方法

采用PAFST測定真菌孢子釋放強度時,首先應進行環境控制以消除環境中真菌孢子的影響.具體方法是試驗室保持清潔,室內表面不得有灰塵,不能有發霉的物品.試驗過程中不應開啟門窗,防止室外氣流的干擾.測試時室內溫度在20～25℃,相對濕度在20%～30%,這樣比較利于真菌孢子的釋放[20、21].每天試驗前0.5 h應對試驗室噴撒84消毒液消毒,然后進行試驗.測試時應將試驗裝置放在超凈工作臺上.真菌孢子的釋放不是連續的,是隨著生長過程不斷成熟、釋放的.測試時只考慮孢子的一次釋放過程,約 10 min[22],所以測量時間定為15 min.

測試前應對系統及設備進行調試.先啟動系統風機和真空泵,調節轉子流量計使系統流量為28.3 L/m in;通過調壓器改變風機壓頭,使采樣器入口處與外界大氣壓的壓差為0,即風機壓頭用來克服采樣器入口前氣流流道的阻力,而采樣器入口處于正常采樣狀態,由真空泵將氣流吸入采樣器內進行采樣測試.粒子計數器測量送風氣流的潔凈度,粒徑大于0.3μm的粒子數為0時,即認為氣流為超凈氣流,可以進行測試.真菌孢子在接種到材料表面之前,先要將菌種在真菌培養基上進行7 d純培養,然后接種到固體培養基或液體培養基中進行增殖培養,最后將菌種再接種到材料表面.

根據系統流量和氣流速度的調節方法,菌落表面的風速可通過下式計算:

其中v為菌落表面風速;A為狹縫的面積.

每次測試前用脫脂棉簽蘸70%的酒精對氣流通道和微生物采樣器進行清潔消毒,并檢查采樣器的氣流孔是否暢通.試驗完成后,對微生物采樣器和氣流通道應進行一次徹底消毒.

3 試驗工況及結果

試驗測試了 0.3、0.9 、2.4 、4.7、9.4 m/s 5 種風速下,4種真菌孢子的釋放強度.釋放強度用N(個/cm2)表示.柑桔青霉、黑曲霉、枝孢屬、擴張青霉的菌落尺寸(mm)分別為 15～20、15～20、10～15、20～30.試驗的環境條件:溫度20～25 ℃,相對濕度20%～30%.5種風速代表了室內和空調管道及設備表面的典型風速.每種真菌每種風速條件下重復測10次(每次15 min,分成3段測量),結果取平均值.

3.1 瓊脂表面

圖7是不同風速下真菌孢子在瓊脂表面的釋放強度.在平行氣流作用下,4種真菌孢子在表面風速為0.3m/s時均沒有孢子釋放出來;當風速達到0.9m/s時,柑桔青霉開始有孢子釋放出,在15m in的釋放強度為(7±9)個/cm2;當風速達到2.4m/s時,黑曲霉和擴張青霉開始有孢子釋放出,釋放強度分別為(1±1)個/cm2和(90±22)個/cm2;當風速達到4.7 m/s時,枝孢屬才有孢子釋放出,釋放強度為(50±35)個/cm2.

圖7 瓊脂表面真菌孢子釋放強度Fig.7 Fungal spore release strength on agar surface

由圖7可見,孢子釋放強度與氣流速度并沒有明顯的關系,并且在最大風速9.4 m/s時孢子的釋放數量反而下降,這是錯誤的趨勢.對于這個問題,在重新做過分析后發現是由于PAFST狹縫結構過于狹小,擠壓了真菌的菌落,影響了其釋放數量.在下面兩種材料的試驗中,將最大風速的截面修改,然后進行測定.

3.2 無紡布表面

圖8是真菌孢子在袋式過濾器材料無紡布表面不同風速下的釋放強度.在無紡布表面,風速在0.3m/s時柑桔青霉和擴張青霉均有釋放,其強度分別為(2±6)個/cm2和(3±3)個/cm2;風速為2.4 m/s時黑曲霉開始有孢子放出,強度為(1±1)個/cm2;而枝孢屬在風速達到9.4m/s時才有孢子放出,強度為(71±40)個/cm2.

圖8 無紡布表面真菌孢子釋放強度Fig.8 Fungal spore release strength on non-woven surface

PAFST結構經過修改后,從結果可以看出當表面風速增加,真菌孢子釋放強度也明顯增大,柑桔青霉和黑曲霉都表現出了很明顯的增大趨勢;擴張青霉在風速為0.9 m/s時,釋放強度突然增大,偏離了原有的趨勢,但總體上孢子釋放強度仍然隨風速逐漸增大.枝孢屬只在最大風速9.4 m/s時有孢子放出,看不出變化的趨勢.

由圖8可見最容易釋放孢子的是柑桔青霉,且其釋放強度也最大,在風速為9.4 m/s時,釋放強度達到(3304±1697)個/cm2;其次是擴張青霉,其在風速9.4 m/s時孢子最大釋放強度為(150±150)個/cm2;黑曲霉的最大釋放強度為(371±79)個/cm2.

3.3 超細玻璃纖維表面

圖9是真菌孢子在超細玻璃纖維表面不同風速下的釋放強度.風速為0.3m/s時,柑桔青霉和擴張青霉均有孢子釋放,其強度分別為(1±1)個/cm2和(4±3)個/cm2;黑曲霉仍然是在2.4 m/s時有孢子釋放,其強度為(1±1)個/cm2;枝孢屬在4.7 m/s時有孢子釋放,強度為(6±9)個/cm2;柑桔青霉在風速9.4 m/s時,孢子數量可達到(1408±305)個/cm2.

圖9 超細玻璃纖維表面真菌孢子釋放強度Fig.9 Fungalspore release strength on fiberglass surface

4 結 論

(1)開發的PAFST可有效測量真菌孢子在平行氣流作用下的釋放強度,氣流的作用形式是影響孢子釋放強度的主要因素.在瓊脂表面,風速0.3m/s時,測試真菌均沒有孢子放出;風速0.9 m/s時,只有柑桔青霉有孢子放出,強度為(7±9)個/cm2;枝孢屬在氣流速度達到4.7 m/s時才有孢子放出,強度為(50±35)個/cm2.

(2)真菌孢子的釋放強度隨氣流速度增加而增大,氣流速度存在一個上下限的作用區間,即氣流速度必須大于速度下限才能夠使孢子釋放出來,在無紡布表面柑桔青霉和擴張青霉的最小釋放氣流速度是0.3 m/s,黑曲霉是2.4m/s,枝孢屬則要達到9.4 m/s才有孢子放出;孢子的釋放數量不能隨氣流速度無限增大,當達到孢子釋放最大強度時,速度增加釋放強度將不再增大.

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