2017, Vol. 38
近年来，为了提升城市形象和人居环境品质，城市水景观营造方兴未艾.喷泉是最常见的一种水景观形式，能够湿润空气、 减少尘埃，在城市中有广泛地应用.随着污水资源化的不断发展，再生水景观回用越来越受到重视[1, 2].使用再生水制造喷泉，对人体健康造成的风险是人们最为关注的问题.有研究发现，经过深度处理后的再生水中的微生物数量仍然较高[3~5]，其中不乏沙门氏菌[6]和耐药性大肠杆菌[7].通过喷泉的喷洒和雾化作用，黏附在细小液滴或固体颗粒上的病原菌进入空间形成气溶胶，从而在空间中广泛散播[8, 9]，对附近人们的健康构成威胁[10~12].
目前，有关细菌气溶胶的研究主要集中在两个方面: 不同地区的大气中细菌气溶胶的种群多样性和季节变化规律[13~15]； 特定区域(污水处理厂、 畜禽养殖场)中的细菌气溶胶分布特征和影响因素[16~21]，而鲜有与喷泉相关的细菌气溶胶研究报道.喷泉周围的细菌气溶胶浓度可能与空间位置[22]、 液滴尺寸等因素有关[23]，这些都亟待通过研究揭示其规律.
本研究使用喷泉装置进行喷洒试验，通过测定不同空间位置处的细菌气溶胶和液滴直径，分析细菌气溶胶浓度和粒径的空间分布特征以及与液滴直径的关系，以期为再生水景观回用的标准制定和风险评价提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 试验菌株和喷洒用水为了保证检测的准确性和灵敏度，使用对利福平和萘利得酸耐药的大肠杆菌NK5449作为试验菌株.在LB肉汤中，37℃、 145 r·min-1振荡培养14 h活化菌种得到浓度约为109CFU·mL-1的菌液.向总容量为300 L的水箱中加入150 mL菌液，使水箱中的最终菌液浓度为105 CFU·mL-1.(在试验过程中喷洒用水的菌浓度稳定在3.1×105~5.4×105 CFU·mL-1范围内).
1.2 喷泉装置和喷洒试验在室内无风条件下进行喷洒试验，屋顶高度3.5 m.使用WZW20-8型子弹头喷头，喷头距地面高度为1 m，最大喷洒半径为3.4 m，控制流量为7.5L·min-1，工作压力0.1 MPa，试验装置如图 1所示.
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图 1 喷洒试验示意 Fig. 1 Schematic diagram of sprinkler test |
将曙红和滑石粉按1∶10混匀涂抹于直径为15 cm的中速定性滤纸上(杭州特种纸业有限公司)制成色斑纸.测定由6种不同型号针管滴出的水滴重量，根据球体积公式计算出每个液滴直径，并用每种针管分别滴20滴水在色斑纸上，测量产生的色斑直径的平均值.利用回归分析得出使用该色斑纸时液滴直径d与色斑直径D间的回归公式[24].
将色斑纸置于抽拉盒中，在距离地面0.75、 1、 1.25、 1.5、 1.75 m处，距离喷头0.5、 1、 1.5、 2、 2.5、 3 m远处迅速收集液滴.每个采样点做3个平行样，随机选取20个色斑测量直径，计算各采样点处对应的液滴直径，取平均值.
1.4 气溶胶采集与细菌培养本试验采用安德森六级空气采样器(陕西鑫昌实验设备有限公司，FA-Ⅰ型)，各级参数如表 1所示.采样时空气流量为28.3L·min-1.
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表 1 安德森六级空气采样器各级特征 Table 1 Characteristics of each level of Anderson six-stage air sampler |
将50 mg·mL-1利福平(合肥博美生物科技有限公司)和10 mg·mL-1萘利得酸(北京索莱宝科技有限公司)加入灭菌后的营养琼脂中，制成终浓度为利福平300 μg·mL-1+萘利得酸100 μg·mL-1的抗性平板.将制备好的抗性平板置于气溶胶采样器的各级采样头中，在1.3节中的相对应点处采集细菌气溶胶，每次采集45 min，做3组平行.采样结束后，将抗性平板在无菌条件下取出并加盖，在37℃下倒置培养24 h.
1.5 细菌气溶胶浓度和粒径分析在采样过程中，气溶胶粒子在平皿内着落时存在重叠，需采用Positive-hole法[25]对菌落数进行纠正:
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(1) |
式中，Pr为校正后的细菌数量； N为各级采样孔数； r为实测菌落数.
根据校正后的细菌数量Pr、 采样空气流量Q和采样时间t来计算空气中细菌气溶胶浓度.
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(2) |
式中，c为细菌气溶胶浓度(CFU·m-3)； Q为采样空气流量(L·min-1)； t为采样时间(min).
根据第1~6级的细菌气溶胶粒子数，统计各级粒子数的累计百分比，得出各级有效截留粒径与累计百分比之间的直线回归方程，当累计百分比为50%时对应的粒径即为该采样点的细菌气溶胶粒子的中值粒径[26].
1.6 数据统计分析使用SPSS Version 13.0软件，对细菌气溶胶浓度、 粒径分布差异显著性、 液滴直径差异的显著性进行t检验分析，对细菌气溶胶浓度与液滴直径进行Spearman相关性分析.
2 结果与讨论 2.1 喷泉周围液滴直径分布经计算，使用该型号色斑纸时，液滴直径d与色斑直径D间的回归公式为:
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根据该公式计算出的不同位置的液滴直径分布如图 2所示.
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图 2 各采样点处的液滴直径 Fig. 2 Diameter of droplet at different sampling points |
采集点距离喷头2 m以内的液滴直径大都处于0.3~1 mm之间，属中等大小液滴，在2 m以外液滴直径均大于1 mm，属较大液滴[27].当高度相同时，在采集范围内，距喷头越远，液滴直径越大.经t检验分析可知，高度1 m时，0.5 m远与1 m远处的液滴直径无显著差异(P>0.05)，高度1.75 m时，0.5 m远与1 m远处的液滴直径也无显著差异(P>0.05)，其余高度相同但水平距离相差0.5 m以上的两点间，液滴直径均有显著差异(P<0.05).而当采集点与喷头间距离相同时，随着高度的增加液滴直径并没有明显的变化趋势，以往有关雾化水滴和喷洒水滴的研究也得到了类似的结果[28, 29].
2.2 细菌气溶胶的浓度分布
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图 3 各采样点处细菌气溶胶总浓度 Fig. 3 Concentration of bacterial aerosols at different sites |
喷泉周围空间内的细菌气溶胶总浓度在(38±15)~(676±92)CFU·m-3之间，采样点的高度以及与喷头水平距离对细菌气溶胶浓度有显著影响(图 3).当与喷头的距离一定时，在0.75~1.75 m的高度范围内，细菌气溶胶浓度随高度增加而降低.在0.75 m高度处的细菌气溶胶浓度大都显著大于其余高度处(P<0.05).当采样点高度相同时，距喷头越远，细菌气溶胶浓度越小，这与液滴直径的变化趋势相反.经Spearman相关性分析发现，在0.75~1.75 m的范围内，当高度相同时，细菌气溶胶浓度均与液滴直径呈显著负相关(P<0.05)，说明液滴直径越大，雾化程度越低，微生物气溶胶浓度越小.另外，有研究表明: 温湿度、 太阳辐射及风速对于微生物气溶胶浓度的影响较大，微生物气溶胶浓度会随湿度和温度的增加而增大[30]； 而当风速增大时，由于气流扩散作用，则会使微生物气溶胶浓度降低[31, 32]，并且太阳辐射强度增大时，紫外杀菌作用也会导致微生物气溶胶浓度的降低[32].因此，当喷泉处于室外空间时，湿度会略低于喷泉工作时的室内湿度，再加上风速和辐射强度也会相应增大，所以在喷泉周围的微生物气溶胶浓度相比室内会有所降低.值得注意的是，风力虽然会稀释喷泉周围的微生物气溶胶，但是同时会增大其扩散范围，这无疑会增大对距离喷泉较远处人群的潜在威胁.
此外，研究发现随水平距离的增加，细菌气溶胶浓度在单位距离上的降低率有所不同(表 2).水平距离相差0.5 m时，同一高度处的细菌气溶胶浓度降低幅度相差很大，最大的降低率出现在2~2.5 m处，降低率均在50%以上.在高度为1 m时，从388 CFU·m-3降至123 CFU·m-3，降低率最大，高达68.3%.
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表 2 细菌气溶胶浓度的降低率 /% Table 2 Decreasing rate of bacterial aerosols concentration/% |
各级细菌气溶胶浓度在30个采样点上的空间分布如图 4所示.第1级(粒径>7.0 μm)、 第2级(粒径4.7~7.0 μm)、 第3级(粒径3.3~4.7 μm)、 第4级(粒径2.1~3.3 μm)、 第5级(粒径1.1~2.1 μm)和第6级(粒径0.6~1.1 μm)细菌气溶胶浓度的平均值分别为64、 33、 100、 72、 13和2 CFU·m-3.从整体上来看，第3级和第4级的浓度较高，第1级和第2级次之，第5级和第6级浓度最低.在距离喷头较近的位置，大粒径的细菌气溶胶浓度明显高于其他各级.例如与喷头水平距离0.5 m的各个高度处，第1级细菌气溶胶浓度甚至高于第3级和第4级.与喷头水平距离2 m以外，细菌气溶胶浓度明显下降，这在浓度最高的第3级上体现明显.
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(a)>7.0 μm； (b)4.7~7.0 μm； (c)3.3~4.7 μm； (d)2.1~3.3 μm； (e)1.1~2.1 μm； (f)0.6~1.1 μm 图 4 各级细菌气溶胶浓度的空间分布 Fig. 4 Spatial distribution of bacterial aerosols concentration with different particle size |
不同位置处的细菌气溶胶粒径分布如图 5所示.从30个采样点的整体情况来看，第1级(粒径>7.0 μm)、 第2级(粒径4.7~7.0 μm)、 第3级(粒径3.3~4.7 μm)、 第4级(粒径2.1~3.3 μm)、 第5级(粒径1.1~2.1 μm)和第6级(粒径0.6~1.1 μm)的细菌气溶胶粒子浓度分别为7~181 CFU·m-3、 2~126 CFU·m-3、 9~300 CFU·m-3、 9~239 CFU·m-3、 2~28 CFU·m-3、 1~9 CFU·m-3，所占比例分别为5.1%~53.9%、 4.2%~22.6%、 10.7%~77.5%、 6.96%~36.5%、 2.4%~13.9%、 0.2%~13.5%.
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图 5 不同采样点的细菌气溶胶粒径分布 Fig. 5 Size distributions of bacterial aerosols at different sites |
随着与喷头水平距离的增大，第1级和第2级的细菌气溶胶粒子所占比例出现先降后升的变化趋势； 而第3级和第4级的粒子所占比例则是先升后降.从采样高度0.75~1.75 m，都存在这种变化规律.值得注意的是，升降变化的转折点都出现在水平距离2 m的位置，此处也是细菌气溶胶总浓度快速降低的折点，这与喷头自身参数有关，当喷头最大喷洒半径为3.4 m时，浓度变化的折点则会出现在距离喷头2 m远处的地方.第5级和第6级的细菌气溶胶粒子浓度低，所占比例大都在10%以下.但在水平距离2~3 m时，这些小粒径气溶胶粒子的比例有升高的趋势，例如在1.75 m高度，2、 2.5和3 m远处的0.65~1.1 μm粒子比例分别为0.3%、 4%、 13.5%.
根据肺气体动力学的研究结果，粒径在1.1~4.7 μm之间的粒子可以进入支气管，粒径0.65~1.1 μm的粒子则能深入人的肺部[16].图 4中显示，只有0.5 m远处各个高度的细菌气溶胶粒子集中在前两级(>4.7 μm)，从0.75~1.75 m高，所占比例为36.1%~66.2%； 而在其余各点处，细菌气溶胶粒子主要集中在第3级至第5级(1.1~4.7 μm)，所占比例范围为42.6%~86.2%.由此可见，在喷泉周围空间中，小粒径细菌气溶胶的比例并未随着与喷泉间距离的增大而减小.即使人处于远处，吸入细菌气溶胶的风险依然存在.
各点的中值粒径在3.0~4.4 μm范围内(表 3).高度为1.75 m时，细菌气溶胶的中值粒径随着采样点与喷头间距离的增大而逐渐降低，从0.5~3 m远处，依次为3.9、 3.7、 3.4、 3.3、 3.3、 3.0 μm.这意味着在距离喷头较远处，小粒径细菌气溶胶所占的比例不容忽视.
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表 3 不同点处微生物气溶胶的中值粒径 /μm Table 3 Median diameters of bacterial aerosol at different sites/μm |
3 结论
(1) 在距离喷头0.5~3 m，高度0.75~1.75 m的范围内，当高度相同时，喷泉产生的液滴直径随采集点与喷头之间的水平距离增加而增大，大部分水平距离相差0.5 m以上的两点间液滴直径差异性显著.
(2) 喷泉周围空间中的细菌气溶胶浓度与液滴直径呈显著负相关，随高度和与喷头的水平距离的增加而减小，距喷头2~2.5 m处细菌气溶胶浓度下降幅度最大.粒径3.3~4.7 μm的细菌气溶胶平均浓度最高.
(3) 随着与喷头水平距离的增大，粒径大于4.7 μm的细菌气溶胶粒子所占比例出现先降后升的变化趋势； 而粒径2.1~4.7 μm的粒子所占比例则先升后降.与喷头水平距离0.5 m以外的各点，细菌气溶胶粒子的粒径都集中在1.1~4.7 μm范围内.
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