平行气流真菌孢子释放强度试验研究

卢 振, 张吉礼, 孙德兴, 端木琳

(1.大连理工大学建设工程学部,辽宁大连 116024;2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江哈尔滨 150090)

0 引 言

真菌是室内环境中普遍存在的污染物,可对人体产生很多影响,甚至引发疾病[1～6];只要有足够的湿度,在通风空调系统、天花板、石膏板、墙纸等很多地方,都会滋生真菌[7～9].调查结果表明,潮湿和霉菌是居住建筑中引起真菌污染的主要因素[10～12].当前,对室内环境微生物水平的评价方法主要为空气采样和对建筑材料的测试分析[13～16].空气微生物采样基本上可以代表人体吸入的空气中微生物浓度[17],但只能代表采样期间一小的时间段,对于人们长时间空气微生物的暴露,却不能够准确衡量[18].室内空气中微生物气溶胶的形成与各种因素有关,如室内温湿度、气流速度、材料表面的纤维结构及受到的振动情况等.Zoberi最早研究了真菌孢子在琼脂表面的释放,并认为其释放强度是气流速度的函数[19].Pasanen等[20]和Foarde等[21]研究发现不同真菌孢子气溶胶化的强度与真菌种类有关;Gorny等采用Andersen采样器的孔口射流方法,使真菌孢子气溶胶化,研究真菌孢子从琼脂表面和天花板磁砖表面的释放强度,认为真菌孢子在这两种材料表面的释放强度具有统计意义上的不同[22].Kildes 等开发了P-FLEC装置,一根钢管上钻10个0.8mm的小孔,产生 45°射流,使真菌孢子气溶胶化,发现在石膏板表面不同种类的真菌孢子释放强度不同[23];Sivasubramani等也采用平板的孔口射流方法开发了FSSST真菌气溶胶化强度测试装置[9、18].

虽然对材料表面真菌孢子释放特性的研究已经进行了大量的工作,但这些结果如应用在通风空调系统中却存在着明显不足,主要表现在以下方面.

文献[9、18、22、23]中对真菌孢子释放均采用射流方法.气流经过孔口或喷嘴后,速度增大形成射流,对材料表面生长的真菌孢子形成强烈的冲击作用,真菌孢子在这种强烈的气流作用下,被最大可能地释放出来.所以射流作用可得到真菌孢子在一定气流速度下,释放出的最大数量,得到的数据可用于预测空气中形成的真菌孢子最大浓度.由文献[18]给出的结果也可看出,采用射流方法得到的数据进行空气中孢子浓度的预测远大于实测结果.

在空调系统中生长的真菌孢子,大多是受到表面平行掠过的气流作用释放出来,而不是空气射流的作用.如空调系统中管道内表面、表冷器的狭缝断面和空气过滤器表面等,这些设备表面经常存在真菌的生长.真菌孢子在平行掠过的气流作用下释放出来,进入到空气中形成气溶胶.这种情况与文献[9、18、22、23]的研究有着本质的不同.在平行气流作用下,孢子处在气流形成的材料表面的层流边界层中,这时孢子受到的主要是气流的黏附力作用,其比空气射流作用时的惯性力要小得多,所以此时可释放的孢子并没有全部释放出来,只释放出一部分.

因此研究平行气流作用下真菌孢子释放强度的测试和评价方法十分重要.本文采用自行开发的平行气流真菌孢子释放强度测定装置(parallel air-flow fungal spore source strength tester,PAFST),对真菌孢子在平行气流作用下的释放强度进行试验研究.

1 平行气流真菌孢子释放强度试验装置

1.1 PAFST测试系统

平行气流对真菌孢子的释放原理如图1所示,平行气流的产生采用变截面狭缝断面结构形式[24].图2是真菌孢子气溶胶化测试装置所应遵循的气流流程图.为消除环境中孢子的影响,激发真菌孢子气流应首先经过高效过滤器过滤形成超净气流,然后激发真菌孢子释放;在对激发的真菌孢子采样测试之后不能将气流直接排出,也要经高效过滤后排出,以防污染室内空气.

图1 平行气流对孢子的释放Fig.1 The spore released by paralle l air-flow

图3是平行气流真菌孢子释放强度测试装置的系统图.激光粒子计数器为Lighthouse公司生产,用于测量气流的洁净度.它可同时测5种粒径粒子数,可测最小粒径是0.3μm.系统压力采用倾斜式微压计测定.系统流量由Andersen采样器自带的转子流量计测定,并用调压器调节流量.

图2 气溶胶化测试装置流程图Fig.2 The flow chart of the aerosolization setup

图3 PAFST试验装置图Fig.3 PAFST experimental setup

系统出口全部气流都经微生物采样器进行采样测试,所以只在进口设置了高效过滤器;系统密封很好,没有空气逸出,所以流量只在系统出口微生物采样器处进行校正.

1.2 气流狭缝断面流道与待测试件

气流狭缝断面流道与待测试件的安装示意图见图4.气流狭缝断面流道前后用法兰连接,这样可通过改变断面面积来实现不同气流流速.当待测试件表面培养好真菌后,装在图4中卡件的位置.狭缝断面气流通道的侧壁开有一圆孔用于放置待测试件,其装好后应卡紧并使表面与气流通道内壁平行,气流正好可以平行掠过真菌孢子表面.圆盘卡件与气流通道之间用O形圈密封,防止气流逸出影响系统流量.

图4 狭缝断面流道和圆盘卡件安装示意图Fig.4 The setup schematic diagram of slot and circle p late

图5是试验装置PAFST的实物照片,PAFST被放置在100级超净工作台上,连接了Andersen微生物采样器.

图5 PAFST照片Fig.5 Photo of PAFST

图6是圆盘卡件的实物图片,并带有真菌孢子的待测材料.图(a)是长有柑桔青霉的超细玻璃纤维材料;图(b)是长有枝孢属的超细玻璃纤维材料.

图6 待测真菌试件照片Fig.6 Photos ofmaterial for testw ith fungi

2 平行气流真菌孢子释放强度测定方法

采用PAFST测定真菌孢子释放强度时,首先应进行环境控制以消除环境中真菌孢子的影响.具体方法是试验室保持清洁,室内表面不得有灰尘,不能有发霉的物品.试验过程中不应开启门窗,防止室外气流的干扰.测试时室内温度在20～25℃,相对湿度在20%～30%,这样比较利于真菌孢子的释放[20、21].每天试验前0.5 h应对试验室喷撒84消毒液消毒,然后进行试验.测试时应将试验装置放在超净工作台上.真菌孢子的释放不是连续的,是随着生长过程不断成熟、释放的.测试时只考虑孢子的一次释放过程,约 10 min[22],所以测量时间定为15 min.

测试前应对系统及设备进行调试.先启动系统风机和真空泵,调节转子流量计使系统流量为28.3 L/m in;通过调压器改变风机压头,使采样器入口处与外界大气压的压差为0,即风机压头用来克服采样器入口前气流流道的阻力,而采样器入口处于正常采样状态,由真空泵将气流吸入采样器内进行采样测试.粒子计数器测量送风气流的洁净度,粒径大于0.3μm的粒子数为0时,即认为气流为超净气流,可以进行测试.真菌孢子在接种到材料表面之前,先要将菌种在真菌培养基上进行7 d纯培养,然后接种到固体培养基或液体培养基中进行增殖培养,最后将菌种再接种到材料表面.

根据系统流量和气流速度的调节方法,菌落表面的风速可通过下式计算:

其中v为菌落表面风速;A为狭缝的面积.

每次测试前用脱脂棉签蘸70%的酒精对气流通道和微生物采样器进行清洁消毒,并检查采样器的气流孔是否畅通.试验完成后,对微生物采样器和气流通道应进行一次彻底消毒.

3 试验工况及结果

试验测试了 0.3、0.9 、2.4 、4.7、9.4 m/s 5 种风速下,4种真菌孢子的释放强度.释放强度用N(个/cm2)表示.柑桔青霉、黑曲霉、枝孢属、扩张青霉的菌落尺寸(mm)分别为 15～20、15～20、10～15、20～30.试验的环境条件:温度20～25 ℃,相对湿度20%～30%.5种风速代表了室内和空调管道及设备表面的典型风速.每种真菌每种风速条件下重复测10次(每次15 min,分成3段测量),结果取平均值.

3.1 琼脂表面

图7是不同风速下真菌孢子在琼脂表面的释放强度.在平行气流作用下,4种真菌孢子在表面风速为0.3m/s时均没有孢子释放出来;当风速达到0.9m/s时,柑桔青霉开始有孢子释放出,在15m in的释放强度为(7±9)个/cm2;当风速达到2.4m/s时,黑曲霉和扩张青霉开始有孢子释放出,释放强度分别为(1±1)个/cm2和(90±22)个/cm2;当风速达到4.7 m/s时,枝孢属才有孢子释放出,释放强度为(50±35)个/cm2.

图7 琼脂表面真菌孢子释放强度Fig.7 Fungal spore release strength on agar surface

由图7可见,孢子释放强度与气流速度并没有明显的关系,并且在最大风速9.4 m/s时孢子的释放数量反而下降,这是错误的趋势.对于这个问题,在重新做过分析后发现是由于PAFST狭缝结构过于狭小,挤压了真菌的菌落,影响了其释放数量.在下面两种材料的试验中,将最大风速的截面修改,然后进行测定.

3.2 无纺布表面

图8是真菌孢子在袋式过滤器材料无纺布表面不同风速下的释放强度.在无纺布表面,风速在0.3m/s时柑桔青霉和扩张青霉均有释放,其强度分别为(2±6)个/cm2和(3±3)个/cm2;风速为2.4 m/s时黑曲霉开始有孢子放出,强度为(1±1)个/cm2;而枝孢属在风速达到9.4m/s时才有孢子放出,强度为(71±40)个/cm2.

图8 无纺布表面真菌孢子释放强度Fig.8 Fungal spore release strength on non-woven surface

PAFST结构经过修改后,从结果可以看出当表面风速增加,真菌孢子释放强度也明显增大,柑桔青霉和黑曲霉都表现出了很明显的增大趋势;扩张青霉在风速为0.9 m/s时,释放强度突然增大,偏离了原有的趋势,但总体上孢子释放强度仍然随风速逐渐增大.枝孢属只在最大风速9.4 m/s时有孢子放出,看不出变化的趋势.

由图8可见最容易释放孢子的是柑桔青霉,且其释放强度也最大,在风速为9.4 m/s时,释放强度达到(3304±1697)个/cm2;其次是扩张青霉,其在风速9.4 m/s时孢子最大释放强度为(150±150)个/cm2;黑曲霉的最大释放强度为(371±79)个/cm2.

3.3 超细玻璃纤维表面

图9是真菌孢子在超细玻璃纤维表面不同风速下的释放强度.风速为0.3m/s时,柑桔青霉和扩张青霉均有孢子释放,其强度分别为(1±1)个/cm2和(4±3)个/cm2;黑曲霉仍然是在2.4 m/s时有孢子释放,其强度为(1±1)个/cm2;枝孢属在4.7 m/s时有孢子释放,强度为(6±9)个/cm2;柑桔青霉在风速9.4 m/s时,孢子数量可达到(1408±305)个/cm2.

图9 超细玻璃纤维表面真菌孢子释放强度Fig.9 Fungalspore release strength on fiberglass surface

4 结 论

(1)开发的PAFST可有效测量真菌孢子在平行气流作用下的释放强度,气流的作用形式是影响孢子释放强度的主要因素.在琼脂表面,风速0.3m/s时,测试真菌均没有孢子放出;风速0.9 m/s时,只有柑桔青霉有孢子放出,强度为(7±9)个/cm2;枝孢属在气流速度达到4.7 m/s时才有孢子放出,强度为(50±35)个/cm2.

(2)真菌孢子的释放强度随气流速度增加而增大,气流速度存在一个上下限的作用区间,即气流速度必须大于速度下限才能够使孢子释放出来,在无纺布表面柑桔青霉和扩张青霉的最小释放气流速度是0.3 m/s,黑曲霉是2.4m/s,枝孢属则要达到9.4 m/s才有孢子放出;孢子的释放数量不能随气流速度无限增大,当达到孢子释放最大强度时,速度增加释放强度将不再增大.

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