室内人体行走引起颗粒物再悬浮的试验研究

2021-03-25蔡宁宁王宝庆胡新鑫唐真真杨家豪李坤键

环境科学研究 2021年3期

蔡宁宁, 王宝庆*, 胡新鑫，唐真真，姜卓，杨家豪，李坤键

1.南开大学环境科学与工程学院, 天津 300350 2.南开大学经济学院, 天津 300071

人们一天内有90%的时间在室内停留，颗粒物作为主要的室内污染物与人类身体健康密切相关，如果人类长期暴露于颗粒物污染环境中，其患心血管疾病、癌症、肺癌、哮喘、呼吸道感染、心脏衰竭等疾病的机率会大大增加[1]；同时，空气中的颗粒物还容易吸附细菌与病毒，被人体吸入后可能会导致人体感染[2]. 室内颗粒物的污染源包括室外污染源和室内污染源两种. 室内污染源既包括由于办公活动中打印、复印、烹饪、吸烟、家电设备运行等操作产生的一次颗粒物源，也包括由于人员走动、清洁、打闹等活动导致的沉降颗粒物的再悬浮，即二次颗粒物源. 室内颗粒物的再悬浮是指原本沉积在室内地板、墙面、家具等壁面的颗粒物在机械振动力、拖曳力、重力及粘附力等多种力的共同作用下脱离壁面并进入主体气流的过程[3-4]. 研究[5]表明，人体在室内行走引起的PM2.5再悬浮是室内颗粒物的一个重要来源，其会加大室内颗粒物的暴露量与颗粒物污染程度.

人体行走引起颗粒物再悬浮的因素包括三类：空气动力学干扰、静电效应、机械干扰. 空气动力学干扰是指人体行走时在脚部附近区域产生的气流足以分离和输送沉积颗粒；静电效应是指当鞋底接触地面时，通过持续的电荷分离在地面积聚电荷，然后在行走过程中与地板分离，产生静电场；机械干扰是指人在行走过程中人脚向地面施加动态变化的力，该力的法向分量产生低频(通常低于500 Hz)振动，切向分量(由水平摩擦引起)产生频率在10～15 kHz范围内的振动. 国内外针对室内颗粒物的再悬浮研究已经取得了一些成果，研究表明，人体行走引起的颗粒物再悬浮因素包括粒子表面性质[6]、环境条件[7]和行走强度[8-11].

Luoma等[12]通过无烟房内人体行走引起的颗粒物再悬浮研究发现，在无烟房内走动是引起24%～55%粒径为1～25 μm的颗粒物浓度变化的主要原因. Brain等[13]通过研究教室内活动对不同粒径颗粒物的影响发现，教室内人类的活动会导致颗粒物的再悬浮，尤其是对PM2.5及PM10的影响较大. Benabed等[14]发现，室内人员走动情况下光滑和粗糙油布面下的颗粒物再悬浮率范围分别为(0.050±0.005)～(0.50±0.05)和(0.070±0.005)～(0.60±0.05)s-1，地面材料会影响颗粒物的再悬浮率，而室内体积对颗粒物的再悬浮基本无影响. QIAN等[15]研究发现，在室内体积为54.4 m3、室内相对湿度为30%～50%、室内温度为23 ℃的情况下，人员走动时粒径为2.0～5.0 μm的颗粒物的平均释放速率为7.73 mgmin，室内相对湿度及通风方式对颗粒物的扩散与再悬浮影响显著，而地面材料对其影响较小. TIAN等[16]研究了人员在室内行走时，不同地板材料(硬木、乙烯基、高密度剪绒地毯、低密度剪绒地毯)、不同相对湿度(40%、70%)、地面不同积尘负荷(2、8 gm2)对颗粒物再悬浮与扩散的影响，结果表明地面材料对粒径为0.4～3.0 μm颗粒物的再悬浮影响较小，而相对湿度与地面积尘负荷对其影响较显著. Serfozo等[17]在室内面积为18.5 m2、空气温度为29 ℃、相对湿度为45%的实验室内测得，人员在室内行走引起的PM10的平均释放率为1.44 mgmin. Rosati等[18]在相对湿度为20%，房间地面面积为16.34 m2的室内以不同频率分别行走5 min，测得人员在室内行走引起的PM10的平均释放率为4.08 mgmin，且人员行走频率是影响颗粒物再悬浮的重要因素，而人员体型及行走方式对颗粒物再悬浮影响较小. Ferro等[19]在铺有普通地板的房间内进行了打扫卫生、整理衣服、走动、跳舞等一系列活动，在不同活动方式下，PM2.5的平均释放速率为0.03～0.5 mgmin，PM5的平均释放速率为0.1～1.4 mgmin，其中走动对颗粒物释放速率贡献较大. 综上，室内人员走动会增加室内颗粒物浓度，而室内地板含尘量、地板材料、通风、温度相对湿度、人员行走频率等都会对颗粒物的再悬浮及扩散产生一定影响.

教室作为人员活动密集场所，在不同时间间隔内会有不同的地面总颗粒积尘负荷，而地面总颗粒积尘负荷的大小会影响人体行走时颗粒物的扩散速率与室内PM2.5浓度，因此该研究对不同时间内实际形成的积尘来研究总颗粒物积尘负荷大小，并对室内不同总颗粒积尘负荷下人体行走引起的PM2.5再悬浮浓度及扩散速率进行研究，以期为室内PM2.5的再悬浮研究提供方法和数据支持.

1 材料与方法

1.1 试验区域布置

选取南开大学津南校区某公共教室作为试验分析的对象，人员活动路径为教室中心过道上长为5 m，宽为0.6 m的区域. 试验过程中共设置3个采样点(见图1)，采样点1的位置在人员活动中游，距离人员活动路径0.2 m，距地面1.1 m (即一般人坐姿呼吸平面)；采样点2的位置在人员活动中游，距离人员活动路径0.2 m，距地面1.5 m (即一般人站姿呼吸平面)；采样点3的位置在人员活动下游，距离人员活动路径0.2 m，距地面1.1 m. 试验中使用手持式PM2.5浓度测量仪(SDL301型，济南诺方电子技术有限公司，检测限0.1 μgm3，分辨率0.1 μgm3)测量PM2.5浓度，使用热线式风速计(TES1341型，台湾泰仕TES电子工业股份有限公司)和便携式风向风速仪(ZCF-5型，合肥斯派克仪器科技有限公司)测量空气温度、相对湿度及风速. 3个采样点的选择基于采样点所处的室内位置以及一般人坐姿、站姿的高度. 采样点1和采样点2均处人员活动中游，但采样高度不同；采样点1和采样点3的采样高度均为1.1 m，但分别处于人员活动中游和下游. 3个采样点在人员行走前(空白)和行走后分别进行数据测量，行走引起的PM2.5浓度为行走后和行走前的差值.

图1 采样点布置Fig.1 The position of sampling point

1.2 试验方法

经调查，冬季教室内为提高室内温度及人体舒适性，在有人员时空调会一直处于开启状态. 由于不同天气下室内温度变幅较大，因此为保持室内温度恒定及试验环境更符合实际，该试验在空调开启状态下进行，设定温度为24 ℃. 使用ZCF-5型便携式风速风向仪测量得空调送风口处的送风速度为0.52 ms，空调开启过程中所产生的湍流对人体行走引起的颗粒物的再悬浮量影响不大，因颗粒物与地面分离主要与地面和鞋面在走动时引起的射流特性有关[20-21]. 经测量试验教室内相对湿度变幅较小，主要在21%～25%范围内浮动. Serfozo等[17]通过相关试验发现，试验人员体型及行走方式(直线行走或曲线行走)对试验结果影响较小，在人员活动因素中行走频率是影响颗粒物再悬浮的主要变量，所以该试验忽略体型及步行方式的影响.

由于教室在不同时间间隔内的地面积尘负荷是变化的，为了研究不同积尘负荷下室内PM2.5浓度分布，对不同时间间隔内地面积尘负荷进行相关试验，试验使用真空吸尘器收集室内颗粒物，使用天平及再悬浮采样器对颗粒物进行称量及再悬浮试验.

试验中，以一人作为试验对象，试验对象的方式是正常步行，步行频率为90步min，为减少试验对象活动时产生随机误差，在试验前需通过计时装置进行多次重复练习并且在试验活动路径上使用马克笔进行标记用来辅助控制步行人员的频率及速度等. 其具体试验步骤如下：

a) 试验前先将教室内门窗紧闭，开启空调，将各采样点仪器及相关人员安置好后，试验人员在各自位置保持静止，待室内PM2.5浓度及温度、风速达到稳定状态，记录初始状态下各点PM2.5浓度，即5 s时的PM2.5浓度.

b) 在5～75 s时，试验人员在试验区域来回走动，每隔5 s秒记录一次PM2.5浓度.

c) 试验人员在试验区域行走1 min后离开，使颗粒物自然沉降，继续记录各采样点PM2.5浓度，直到PM2.5浓度到达稳定.

2 结果与讨论

2.1 总颗粒物积尘负荷和PM2.5积尘负荷

颗粒物再悬浮浓度多采用数量浓度表示，这是因为对于小粒径颗粒，数量浓度更易于理解. 该研究主要测量的颗粒物为PM2.5，为了与空气颗粒物质量标准中的计量相统一，采用颗粒物质量浓度来表示.

该研究选取累积积尘时间分别为3、7、15 d情况下教室内的地面总颗粒积尘负荷进行试验，总颗粒积尘负荷指所有粒径下的含尘量，PM2.5积尘负荷指粒径小于或等于2.5 μm下的含尘量. 使用真空吸尘器收集室内颗粒物，使用天平及再悬浮采样器对颗粒物进行称量及悬浮. 再悬浮采样器的捕集效率约为51.3%[22].

不同时间间隔内的教室地面总颗粒积尘负荷不同，时间间隔分别为3、7、15 d时教室内地面总颗粒积尘负荷分别为1.63、2.84、4.05 gm2，PM2.5积尘负荷分别为0.11、0.18、0.30 gm2. 由此可知，教室地面总颗粒积尘负荷随时间间隔的增加而增加. Serfozo等[17-18,23]对人体行走引起的颗粒物再悬浮研究得到的地面总颗粒积尘负荷分别为1、1.2、2.0 gm2，与该研究在3、7 d时的地面颗粒积尘负荷相近，但Serfozo等[17-18,23]研究中采用人为设置形成的积尘来研究地面总颗粒积尘负荷，而笔者采用不同时间间隔实际形成的积尘来研究地面总颗粒积尘负荷大小.

2.2 PM2.5再悬浮浓度特征

不同总颗粒积尘负荷下，一人在室内中心过道处行走时引起的PM2.5再悬浮浓度随时间的变化如图2所示. 图2(d)为室内累积积尘15 d时人体行走前(空白)和行走后室内PM2.5浓度，由图2(d)人体行走后和行走前(空白)室内PM2.5浓度的差值可得图2(c)所示结果，3和7 d的对照试验数据不再一一列出. 由图2可见：5～65 s时，由于试验人员在试验区域的走动，各采样点PM2.5再悬浮浓度呈振荡上升的趋势，人员停止走动后，由于颗粒物的沉降作用使PM2.5再悬浮浓度出现不同程度的衰减；100 s后，不同地面总颗粒积尘负荷下3个采样点的PM2.5浓度均开始趋于稳定，并且稳定后均高于未行走时的初始PM2.5浓度.

注：图(d)中的纵坐标包括行走前(空白)和行走后的室内PM2.5浓度，所以纵坐标用室内PM2.5浓度来表示.图2 不同地面积尘负荷下人体行走引起的PM2.5浓度变化Fig.2 The concentration of the human walking-induced indoor PM2.5 resuspension for different dust loads

由图2还可见，随着室内地面总颗粒积尘负荷的增加，人体行走引起的各采样点PM2.5再悬浮浓度也会增加. 在室内累积积尘15 d时，即室内PM2.5积尘负荷为0.30 gm2时，各采样点PM2.5再悬浮浓度最大，采样点1、2、3的PM2.5再悬浮浓度平均值分别为3.03、2.68、2.37 μgm3；在室内累积积尘7 d时，即室内PM2.5积尘负荷为0.18 gm2时，采样点1、2、3的PM2.5再悬浮浓度平均值分别为1.93、1.64、1.38 μgm3；在室内累积积尘3 d时，即室内PM2.5积尘负荷为0.11 gm2时，各采样点的PM2.5再悬浮浓度较小，采样点1、2、3的PM2.5再悬浮浓度平均值分别为1.30、1.25、1.17 μgm3. 活动路径中游人体坐姿呼吸平面(采样点1)与站姿呼吸平面(采样点2)相比，坐姿呼吸平面处PM2.5再悬浮浓度相对较大，即人体行走时PM2.5再悬浮浓度随高度的增加而减小；同时，活动路径下游处坐姿呼吸平面(采样点3)的PM2.5再悬浮浓度小于活动路径中游处坐姿呼吸平面的PM2.5再悬浮浓度. 综上，在同样状态下，人员行走引起的PM2.5再悬浮浓度比没有人为扰动时的空气PM2.5再悬浮浓度明显增加. 与采样点1相比，采样点2的PM2.5再悬浮浓度较大，原因是颗粒物由于人体行走过程中从地面开始悬浮，因颗粒物沉降以及桌椅和衣服等的吸附作用，PM2.5再悬浮浓度随高度的增加而减小. 与采样点1相比，采样点3的PM2.5再悬浮浓度较大，原因是采样点3更接近墙面，颗粒物被吸附在墙面上，由于扰动使得PM2.5再悬浮浓度增加.

该研究表明，在地面不同总颗粒积尘负荷下，一人在室内中心过道处行走时引起的PM2.5再悬浮浓度约1 min后达到最高值，PM2.5再悬浮浓度达到最高值的时间与地面不同总颗粒积尘负荷的大小关系不明显. 已有研究表明，室内人员活动(如行走)所引起的颗粒物再悬浮粒径范围集中在0.4～10 μm[24-27]，行走速度减小时，降低了沉降颗粒表面的气流速度，从而减小再悬浮率[16]. 而Serfozo等[17]发现，不同行走路径对颗粒再悬浮引起的颗粒物浓度没有影响，同时指出人员活动因素中行走速度是颗粒再悬浮的主要影响变量.

2.3 人体行走引起PM2.5再悬浮的量化分析

室内颗粒物的来源主要包括一次颗粒物源和二次颗粒物源，不同颗粒物源有不同的扩散特性，即颗粒物成分、散发速率等均有所不同. 由人员走动产生的PM2.5再悬浮扩散速率主要与人员活动频率、地面材质、地面含尘量等相关[19]. 为研究人体行走产生的PM2.5再悬浮扩散速率，采用Edvard等[28]提出的颗粒物再悬浮分数，颗粒物再悬浮分数为一次行走周期(一步)内，颗粒物在接触面(一只鞋的鞋底面积)上所产生的再悬浮量与该接触面上颗粒含尘量的比值[29].

人体行走产生的PM2.5再悬浮扩散速率计算公式：

Sj=raj×A×Lj×f

(1)

式中：Sj为粒径为j的颗粒物的再悬浮扩散速率，μgs；raj为粒径为j的颗粒物的再悬浮分数；a为换气次数，h-1；A为走一步的鞋底接触面积，m2步，该试验取0.021 m2；Lj为粒径为j的颗粒物的积尘负荷，gm2；f为人员行走频率，步h，该试验取90步min.

通常颗粒物再悬浮分数无法通过试验直接测量，而是通过颗粒物传输模型的间接推导计算得到[15]：

(2)

(3)

式中：V为室内空间体积，m3；Lj(t)表示粒径为j的颗粒物在t时间的积尘负荷，gm2；Cj为室内粒径为j的颗粒物浓度，μgm3；kj为粒径为j的颗粒物的颗粒沉降率，h-1；Δt是时间间隔，该研究取2 s；a+kj为衰减速率，即为粒子浓度沿时间轴回归曲线的斜率. 该研究分别选取累积积尘时间为3、7、15 d的地面积尘负荷来估算颗粒物再悬浮分数的大小，结果显示地面颗粒物积尘负荷对PM2.5再悬浮分数(raj)的影响较小，与Rosati等[18]的研究结果一致，笔者研究中PM2.5的再悬浮分数大小为2.2×10-8; 同时Serfozo等[17]研究结果也表明，较大单位面积含尘量将增加室内PM10的浓度，但对颗粒再悬浮率的影响不大.

在地面PM2.5积尘负荷分别为0.11、0.18、0.30 gm2时，步行频率为90步min的一人在试验区域行走引起的PM2.5再悬浮扩散速率分别为7.62×10-11、1.25×10-10、2.08×10-10kgs. QIAN等[23]在室内相对湿度为40%、总积尘负荷为2.0 gm2的环境下，使用机械脚代替人体在试验区域内行走，测得由人体行走引起的粒径为1～3 μm的颗粒物的平均释放速率为1.6×10-10kgs，与笔者研究结果基本一致. 室内人员活动引起的颗粒物再悬浮的粒径范围主要集中在0.4～10 μm，在该粒径范围内随粒径的增加颗粒物的释放速率也相应增加，如粒径为0.5～1、3～5、5～10 μm的颗粒物的平均释放速率分别为4.3×10-11、7.5×10-10、1.6×10-9kgs[29].

该研究主要对室内人体行走引起颗粒物再悬浮进行试验研究，而不同行走速度、不同鞋底类型对颗粒再悬浮的影响等仍需深入研究. 颗粒再悬浮是分离力和粘附力共同作用的结果[30-32]. 因此建立并完善颗粒物再悬浮机理模型将有助于分析和预测颗粒物的再悬浮量，评价室内颗粒物污染的人群暴露是进一步研究的方向.