中國嚴寒地區住宅建筑室內細菌氣溶膠污染特征及傳播規律

陳 茜,周雨薇,呂 陽 (大連理工大學土木工程學院,遼寧 大連 116024)

中國嚴寒地區受多種等因素影響,大氣細顆粒物污染較為嚴重.而微生物易附著在細顆粒物形成微生物氣溶膠加劇空氣污染,并隨著呼吸作用深入人體而誘發各種疾病[1-8].附著微生物中細菌占比較高,約占總含量的90%[9].因此,在0.1～20.0μm粒徑范圍內的細菌氣溶膠與病毒氣溶膠近年來受到廣泛重視[10-11].已有研究證實細菌氣溶膠可誘發呼吸系統疾病[12].受到供暖季霧霾天氣的影響,細菌氣溶膠對健康的負面影響加劇[13].細菌氣溶膠在空氣中的傳播還可增加抗性基因擴散的風險[14-15].此外,微生物氣溶膠的擴散也有可能導致大規模傳染性疾病蔓延,例如軍團菌病、SARS、肺結核以及感染性極強的2019-nCoV急性呼吸疾病等[16--19].細菌氣溶膠污染特性主要體現在來源、組分及分布規律,且易受到溫度、光照、降雨和風速等因素的影響[20-23].細菌氣溶膠來源廣泛且難追蹤,包括人體代謝、土壤、水體及腐敗有機物等來源[24].細菌氣溶膠的運動軌跡和分布受到氣象因素、布朗運動、重力、梯度力及顆粒間作用等多種因素的影響,且粒徑越小的細菌氣溶膠而言其擴散能力越強,運動規律更為復雜[25-26].

目前,細菌氣溶膠的傳播擴散研究為了簡化處理往往忽視了細菌的生長繁殖.為表征細菌的生理特性常用 Logistic模型、Gompertz模型、Baranyi模型和病毒感染動力學模型等,其中Logistic模型表述為理想的“S”型生長曲線;Gompertz 模型描述的是先快后慢的非對稱性S形函數;Baranyi模型能體現微生物的遲滯期與最大生長速率;病毒感染動力學模型因能表征非穩態污染源擴散規律而應用廣泛[27-33].由不同的細菌在生長繁殖過程中受到不同環境因素的影響,而采取不同的模擬策略.在細菌氣溶膠傳播擴散研究中傳統采用實地觀測法和風洞試驗法,但成本較高.而近年來數值模擬技術發展,對建筑尺度的細菌氣溶膠擴散研究多采用數值模擬技術.如蔣德海等[34]運用 CFD(Computational Fluid Dynamics)模擬街道峽谷的擴散分布情況,驗證了數值模擬技術可應用于研究城市大氣環境.Solazzo等[35]模擬街谷尺度的污染物擴散,其模擬結果與風洞試驗相似驗證了模擬的可行性.在建筑尺度中,有研究采用 CFD技術結合高斯煙羽擴散模型對室內的 SARS病毒擴散進行研究[36].但對于細顆粒物上附著的微生物與顆粒物作為整體且考慮微生物生長繁殖的特性的擴散模擬研究較少.

本研究為探究中國嚴寒地區住宅建筑室內外細菌氣溶膠的污染特征與傳播規律,對黑龍江省室內外細菌氣溶膠開展了實測研究,通過構建微生物生長衰亡模型與計算流體力學(CFD)相耦合探究細菌氣溶膠的時空演化特征,以實現基于 CFD的細菌氣溶膠繁殖擴散數值仿真,旨在探究細菌氣溶膠在建筑尺度的擴散規律,為保障室內空氣品質提供參考.

1 材料與方法

1.1 室內外細菌氣溶膠實測方法

以東北地區黑龍江省哈爾濱市作為研究地區.哈爾濱市是中國傳統的重工業基地,工業水平高.且由于其緯度偏高,供暖季時間較長,霧霾天氣頻發室外空氣污染較為嚴重.實測的建筑住宅是20世紀90年代的建筑,其外墻裝有保溫苯板,外窗采用了 3層中空玻璃塑鋼窗,建筑氣密性較好.本次實測符合《民用建筑環境空氣顆粒物(PM2.5)滲透系數調查技術規范》(HJ949—2018)[36]的規定.

實測時間是2017年12月～2018年3月的供暖季期間,在每1個測點連續監測7d.對于室內的環境參數監測采用OT50顆粒物檢測儀(晴天朗日,北京)進行檢測,檢測參數包括溫度、相對濕度、CO2濃度及PM2.5質量濃度等參數.實測期間該儀器的采樣間隔時間設定為15min.細菌氣溶膠成分的采集采用膜采樣法.采樣儀器為 Omni5000IS流量空氣采樣泵,加裝了PM2.5的切割頭.流量設置為4000mL/ min,采樣時間設置為24h.采集使用的特氟龍材質濾膜直徑37mm,孔徑 2.0μm(Whattman,England).記錄采樣前后的濾膜重量,實測后的濾膜置于冰箱中進行保存.

采用十六烷基三甲基溴化銨法(CTAB法,Cetyltrimethylammonium Ammonium Bromide)對采集后的樣本上的細菌基因進行提取.提取后的成分采用瓊脂糖凝膠電泳技術來檢驗其純度與濃度.基因測序時采用Ion Plus Fragment Library Kit 48rxns建庫試劑盒(Thermofisher)構建文庫,對文庫進行檢測.文庫合格后再采用 Ion S5TMXL(Thermofisher)上機測序.得到的測序結果通過 Cutadapt(V1.9.1)進一步處理,去除低質量部分.截去 Barcode和引物序列,以獲得原始數據[37-38].為對原始數據進一步處理,采用UCHIME Algorithm與數據庫Gold database交叉去除嵌合體序列,得到有效數據.采用Uparse軟件對有效數據進行聚類分析,采用 Mothur方法與SILVA的SSUrRNA數據庫進行物種注釋分析[39-41].

1.2 結合微生物生長衰亡模型的擴散模型及幾何模型構建

1.2.1 結合微生物生長衰亡模型的擴散模型構建 基于環境氣象數據、模擬環境的邊界條件、污染源類型和排放強度、風速風向和建筑高度等因素,將微生物生長衰亡模型與空氣動力學模型相耦合.采用 Lagrangian方法數值模擬研究細菌氣溶膠在住宅建筑群的室內外的繁殖擴散過程.微生物生長衰亡模型種類較多,Malthus 模型是目前主要的微生物生長衰亡模型模型,有學者基于假設對Malthus模型進行修正得到了經典Logistic模型[42].經典 Logistic方程模型考慮了微生物種群繁殖與環境資源之間關系,是一種較為接近真實微生物種群生長的動力學模型.且相比于 Gompertz模型、Baranyi模型,Logistic模型擬合更加精確.經典Logistic模型已用于建立多種細菌類型的生長衰亡預測模型[42-46].公式如下所示:

式中:B0,B1,B2…Bn為常數;n為≥0的自然數;C(t)為 t時刻的污染物濃度,個/L.

本研究中假設當C(t)等于0或C(t)趨近于飽和水平時,有 dC(t)/dt=0.可以得到 B0=0.可得到公式如下所示:

式中:A為細菌種群凈相對增長率;Cmax為最大細菌數量容納量,個/L.

采用哈爾濱市在供暖季的某實際住宅建筑群的室內外實測數據為基礎,繪制相應細菌Logistic生長衰亡模型.先對Logistic模型進行檢驗發現當t趨近于正無窮時,細菌數量 C(t)都會無限趨近于最大細菌數量容納量Cmax,因而Logistic模型具有良好的穩定性.為建立與中國嚴寒地區氣候相適宜的建筑室內外的細菌生長衰亡模型,采用三點法求解細菌Logistic模型.將實測數據帶入式(3)、式(4)中計算.其中假定在實測過程中監測設備捕捉到 22%的細顆粒物上均帶有且僅有一個細菌粒子[47].計算結果表明A室內=0.00702,Cmax室內=3278個/L,A室外= 0.00734,Cmax室外=5393個/L,得到細菌生長衰亡模型公式如式(5)、式(6)所示,經檢驗誤差率維持在10%以內.

式中:C(t)內為室內細菌濃度,個/L;C(t)外為室外細菌濃度,個/L.

在微生物擴散模型的構建中,本研究對細菌氣溶膠采用Lagrangian方法,使用RNG k-ε湍流模型.該模型的湍動粘度更加貼合實際,相較于標準k-ε湍流模型,能夠更好的處理流體旋轉及旋流流動.

1.2.2 室內幾何模型的構建 參考哈爾濱市的某處實際的住宅建筑(學生公寓),采用該建筑內部主要功能房間的幾何尺寸作為模擬構建的依據.構建的室內三維模型如圖 1所示.本模型房間主要為居住空間,其進深為9.0m,開間為4.5m,房間高度為3.6m,在冬季采用集中供暖由散熱器維持室內溫度,夏季采用自然通風來降低室內溫度.房間內的主要家具為4張上下床.其中室內模型中包括1扇門(寬×高為1.5m×2.5m),4張由上下兩張床板構成的床,和1扇窗(寬×高為 2.5m×2.1m).模型的計算區域長(Z)×寬(X)×高(Y)分別為9.0m×4.5m×3.6m.使用Fluent(15.0)軟件進行模擬計算時選取RNG k-ε湍流模型,并假定入流邊界(Velocity-Inlet)為門,入流速度為 3m/s(2級風),窗戶作為壓力出口邊界,壁面屬性均設定為無滑移.假定細菌氣溶膠顆粒(直徑為 2.5μm)為惰性球體(Inert)且顆粒物擴散受到重力場影響.細菌氣溶膠顆粒濃度變化規律通過 UDF窗口作為非穩態污染點源實現,其中非穩態污染點源的釋放位置(x,y,z)為(2,1.5, 0).細菌氣溶膠顆粒在釋放初始時刻具有Z軸負方向上的速度,大小為 1.8m/s,即成年人一次呼吸呼出空氣所具有的速度.

圖1 供暖季哈爾濱市住宅室內外細菌氣溶膠樣本中前10豐度的細菌門類相對百分比Fig.1 Relative percentage of bacteria in the top 10abundance of indoor and outdoor bacterial aerosol samples in Harbin residential houses in heating season

2 結果與討論

2.1 細菌氣溶膠在室內的污染特性

由圖 1可見,在供暖季哈爾濱住宅建筑室內外細顆粒物上的前 10種優勢菌群為變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、厚壁菌門(Firmicutes)、放線菌門(Actinobacteria),生氧光細菌(Oxyphotobacteria)、梭桿菌門(Fusobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)、棲熱菌門(Deinococcus-Thermus)和綠彎菌門(Chloroflexi).在優勢菌群中,擬桿菌門(Bacteroidetes)、厚壁菌門(Firmicutes)、變形菌門(Proteobacteria)在細菌總組分中占比較高.在厚壁菌門中,由于芽孢結構可使其生活在極端環境中因而能夠適宜供暖季嚴寒地區的低溫氣候.而變形菌門細菌對紫外線有一定的抵抗力而廣泛存在.擬桿菌門多生活于生物體的腸道環境中,且易成為病原微生物.放線菌門中大部分營腐生生活,廣布于土壤中,其中部分致病菌也可導致結核病和麻風病.

由圖 2可知,供暖季嚴寒地區哈爾濱市住宅室內外細菌的主要來源為糞便來源(38.60%),其次為土壤(17.18%)、極端環境(16.66%)、植物(12.17%)、水源(8.83%)和腐敗有機物(0.60%)等來源.其中細菌來源中糞便來源的比重較大,這可能與冬季人員室內活動時間較長有關.而水源來源所占比重較小.這可能與供暖季嚴寒地區的平均氣溫低于零下,水源中細菌活動減弱有關.總體來說,室內細菌來源較為多樣,其各種來源占比受到氣候、地理位置、室內人員活動情況等各種因素的影響.

圖2 供暖季哈爾濱市住宅室內外細菌氣溶膠樣本中來源預測相對百分比Fig.2 Relative percentage of predicted bacterial sources in bacterial aerosol samples in Harbin residential houses during heating season

2.2 細菌氣溶膠在室內傳播規律

本研究利用 FLUENT(15.0)和 Tecplot 360EX 2017R1軟件對連續相空氣流場進行模擬和計算結果的后期處理.如圖 3所示.室內空氣湍流流場分析結果表明,當空氣以 3.0m/s的速度流入室內流場時,以2.4m/s左右的速度流出該計算域.

圖3 連續相流場等值曲線Fig.3 Contour graph of continuous phase flow field

圖3(a)表明,在房間高度Y=1.5m的截面處,窗戶對面過道處流速較房間上下兩側大.其中家具之間空隙形成了大小不等的渦流,由于距離門的位置較近,下側兩張床較上側兩張床床板之間的渦流更加密集且流動更加紊亂.圖 3(b)顯示,在房間高度 Y=2.5m 截面處的空氣流動,較圖 3(a)更加平穩且等值曲線之間的速度梯度較小,且門對面的過道處連續相速度較上下兩側大.由此可見室內 Y值越低,連續相的流動就越相對復雜,速度梯度就越大,更容易導細菌氣溶膠在房間內逗留.

由圖4可知,模型中近90%的細菌氣溶膠顆粒在50s內就會逃逸出該流場.但全部污染物顆粒離開該計算域最大耗時約為 125s.這是與房間內存在的背風側小渦流和房間上空的大渦流有關,且可能導致污染物在固定空間內的聚集.此外,細菌氣溶膠顆粒在房間內的運動軌跡與房間連續相左側湍流流動相似,右側的流動不相似.這可能主要與污染源的位置和通風的隔斷作用有關.離散相由于運動初始位置位于房間的左側導致不易擴散至房間右側.并且一部分顆粒物會隨著連續相氣流的湍流流動逐漸擴散至房間上空的渦流而不易流出計算域.

由圖5可知,隨著房間高度(Y值)的降低,細菌氣溶膠顆粒物的室內濃度逐漸降低且濃度變幅度逐漸變小,影響范圍也更加廣泛.同時由于在床板的細菌氣溶膠的低速流動,導致其更易積聚沉降從而危害人體健康.房間高度(Y值)的降低并沒有對細菌氣溶膠的濃度變化規律造成顯著影響.污染物易于在床板之間、門上側和床后背風側等家具遮擋處積聚,但對主要空氣流通路徑的影響不大,細菌氣溶膠沉降積聚概率較小.這主要與更短的通風路徑導致污染物更易飛出窗外有關,通風路徑較短,細菌氣溶膠還未來得及在大范圍內擴散,便通過主要通風路徑稀釋到室外環境中.因此通風可以在一定程度上阻礙細菌氣溶膠在室內主要通風路徑上的大范圍聚集.比較同一高度下不同時間內,通風將污染迅速帶離室內環境的效果會隨著時間的推移而減弱.室內流場的污染物濃度在700s后才趨于峰值,主要原因是污染源的非穩態變化對流場中離散相的影響具有滯后性.同時距離污染源越近,對人類健康威脅就越大,以污染源位置為原點向四周濃度逐漸變小,但污染源下方的污染物濃度分布較上方更加廣泛,主要與房間的結構、湍流形式和粒子重力場有關.

圖5 單一風速下室內細菌氣溶膠濃度時空演化Fig.5 Indoor time-space evolution of bacterial aerosols concentration under single air velocity

3 結論

3.1 細菌組分分析表明,在供暖季哈爾濱住宅建筑室內外細菌氣溶膠樣本中變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、厚壁菌門(Firmicutes)在細菌總組分中占比較高.

3.2 細菌來源預測表明,供暖季嚴寒地區哈爾濱市住宅室內外細菌的主要來源為糞便來源,其次為土壤、極端環境、植物、水源和腐敗有機物等來源.其各種來源占比受到氣候、地理位置、室內人員活動情況等各種因素的影響.

3.3 在細菌氣溶膠的室內繁殖擴散模擬分析中發現,通風可以在一定程度上阻礙細菌氣溶膠在室內主要通風路徑上的積聚.但通風將細菌氣溶膠快速帶離室內環境的作用會隨時間而衰減.

3.4 在室內細菌氣溶膠的濃度擴散規律上發現,細菌氣溶膠以污染源位置為原點向四周濃度逐漸變小.污染源下方向的污染物濃度分布較上方向的更加廣泛,主要與房間的結構、湍流形式和粒子重力場有關.