紫外线消毒机的作用

紫外线照射空气杀菌技术与控制病状建筑物综合症和医院感染 徐火炬* 一.空气微生物污染的危害 21 世纪的今天,经空气传播的疾病仍然是人类健康最大的杀手. 历史上的鼠疫,西班牙流感曾经造成了数千万人的死亡.2003 年爆 发的 SARS,遍及到全世界 34 个国家和地区.SARS 期间,公共建筑 的密闭建筑的中央空调几乎被全部关闭, 国家紧急出台空调卫生管理 的条例与规范.SARS 给人类的生命安全和经济带来了巨大的损失. 5 年过去了,人们似乎淡忘了空气微生物污染的严重危害,越来越多 的密闭中央空调建筑,在控制空气微生物污染方面,几乎与 6 年前没 有多少改进. 2004 年春季,卫生部组织对全国 30 个省,自治区,直辖市的 937 家宾馆饭店,大型商场,超市的中央空调系统卫生状况进行了抽 检,其中近 50%的中央空调系统属于严重污染程度,合格的仅占抽检 总数的 6%.集中空调风管内的积尘量达到 20 g/m2 以上的占 90%, 50 g/m2 克以上的占 57%,最高达到 486 g/m2;集中空调风管每 g 积 尘中细菌总数 10 万个以上占 80%, g 积尘中细菌总数最高达到 277 每 万个;集中空调风管每 g 积尘中真菌总数 10 万个以上占 73%,每 g 积尘中真菌总数最高达到 480 万个,也就是说中央空调在吹脏风. 2009 年 3 月 14 日中新社报道:一项统计数字显示,中国每年由 室内空气污染引起的超额门诊数二十二万人, 超额急诊数四百三十万 人,超额死亡数达十一点一万人.肺癌发病率以每年百分之二十六点 九的惊人速度递增. 美国国家职业安全与卫生研究所(NIOSH)曾评估过 529 个建筑存 在空气质量问题. 其中 280 座建筑物通风不合格, 占调查总数的 53%, 而建材污染仅为 21 座占 4%, 可见空调系统对室内空气的污染充当了 重要角色,这就完全违背了设置空调的目的. 一项分析报告显示,美国的120万商业建筑中有2500万工作人员 患"不良建筑物综合症", 世界卫生组织2002年公布的报告中,已将其 与高血压,胆固醇过高症,肥胖症等一起列入了人类健康的10大杀手 黑名单之中.据 加 拿 大 联 合 工 会 调 查 , 由 于 办 公 室 空 气 污 染 ,使 4万 名 工 作 人 员 每 年 至 少 减 少 10万 个 工 作 日 .美 国 一项研究表明,每年因此而造成的损失使美国全年国民 生 产 总 值 减 少 100亿 美 元 . 大多数发生在这些建筑物中的员工身体上的被称为非特定建筑 3 2 2,3 物相关的疾病 或者症状 仍然无法解释 ,但是证据表明建筑物空调 系统的微生物污染起着一部分作用..横截面研究一直始终如一地探

测到这些症状在有空调的密闭建筑物中工作的员工中发病率增加 . ----------------------------------------------------------*徐火炬 工程师, "全国洁净室及相关受控环境"标准化委 员会委员,"洁净与空调技术"杂志编委 一些研究报道:细菌,真菌和原生动物在写字楼内的空气冷却装 置, 空调冷却盘管7,8和凝结水盘7,9中生长旺盛. .微生物污染已经导致 , 鼻炎,湿热,哮喘,过敏性肺炎和比德热的爆发8 10–14..

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目前, 对长时间暴露在空气中的病毒感染 (传染性) 还所知甚少; 不过,这并不一定意味着HVAC(采暖,通风和空调)系统能够被排 除在可能的传播路径之外.例如,诺瓦克(Norovirus,一个重要的肠胃 炎病毒)就有高度的环境稳定性和传染性,其感染剂量在10 ~ 100微 粒之间 .通过HVAC(采暖,通风和空调)系统传播病毒似乎是可 以想象的,尤其是在循环流空调系统中[5]. 按照 Allgemeine Ortskrankenkasse(AOK) (德国最大的健康保险 公司)报道每年有 250 万例呼吸道疾病,并导致 2500 万天的病假这 样一个的事实[4],则有可能证明是否病毒媒介是通过 HVAC(采 暖,通风和空调)系统传播的. 人们早已认识到空气微生物污染是医院获得性感染 (nosocomial disease)和病状建筑综合症(SBS)的原因之一,但直到目前为止, 对于空气微生物污染危害的严重性以及如何有效地控制空气微生物 污染,既没有统一的认识又缺乏大规模应用所必须的技术标准支持. 国际室内环境与空气品质组织认为: 在对医院护理建筑的空气品质重 要性的认识上,存在缺乏重视,不应该的忽视,甚至顽固的轻视态度 (2003) . 2005 年全国医院感染调查显示, 我国医院感染发生率大约为 5%. 在 2007 年度医院感染控制学术会议上,卫生部医政司有关负责人指 出,医院感染已严重影响医疗质量,每年都会造成巨大的经济损失和 医疗资源浪费. 因此, 重视和改善公共建筑, 医院和病人护理建筑的空气微生物 污染, 加快研发和使用可有效控制HVAC系统空气致病微生物繁殖和 扩散的动态杀菌技术, 制定设计指南和标准, 是关系到国民经济发展 和人类健康的重要任务. 二.目前的空气除菌洁净技术 有多种技术可实现空气动态的除菌洁净技术,包括高效过滤,静 电过滤,离子空气,紫外线,光催化氧化等. 高效空气过滤除菌技术广泛地应用到电子,医药,医院手术室和 无菌病房,效果确定.但空气净化设施在许多情况下需要建筑技术层

或机房,复杂的建筑设施处理,高额的投资,高能耗,维护技术水平 要求高,运行费昂贵和维修成本,使得空气过滤技术难以普及应用. 即便是世界发达国家, 也没有在健康领域普及采用高效空气过滤技术 来保持空气卫生, 更没有以法规的形式强制规定必须采用高效过滤器 来实现空气卫生.如德国在 2002 年起已经开始取消医院手术部全部 附房设置高效过滤器的规定,甚至对手术间内,也划分出普通空调区 和无菌保护区[7]. 2008 年 12 月颁发的新的德国医院与房间的通风空 调规范(DIN1946-4,2008) ,依据几十年对空气污染与医院感染的联 系的研究和实践,正式取消了包括手术部附房和 ICU 设置空气高效 过滤器的规定.2007 年修订再版的美国制冷通风与空调设计手册给 ,在这个标准中医院只有 出了最新的美国医院空气过滤标准(表 1) 三种手术需要高效过滤, 其他医院区域采用中效或初效过滤就可达到 空气卫生要求. 表1

离子空气除菌技术产生的正负氧离子具有很强的氧化性, 能在极 短的时间内氧化,分解甲醛, 氨, 硫化氢等污染因子,且在与 VOC 分 子相接触后打开有机挥发性气体的化学键,经过一系列的反应,最终 生成二氧化碳和水等稳定无害的小分子.同时,带电离子可以吸附大

于自身重量几十倍的悬浮微生物颗粒,靠自重沉降下来,从而清除空 中悬浮微生物胶体,达到清新空气的目的. 研究表明,离子空气主要作用是改进空气品质,降低 VOC 浓度. 对除菌和减少呼吸道疾病的传播具有一定的作用, 不过这种作用在某 种程度上取决于疾病的类型, 并且会受到空气相对湿度的影响 (estola et al.,1979) . 静电过滤除菌技术有与离子空气类似的技术,通常应用在工业上 需要控制粉尘和其他较大微粒的场合,但是他们对于小微粒的吸附效 率并不高.虽然一些小型的商业设备用来吸附烟气,但对与消除空气 中病原体的能力知之甚少. 光触酶氧化除菌技术是近十年发展起来的技术, 它通过光的催化 作用,使得二氧化钛等半导体材料产生正电穴与电子,与空气中的水 分 HO2 和氧分子 O2 进行催化反应后, 产生氢氧自由基和氧离子, 进 而分解细菌, 达到杀菌抑制的目的. 但是, 这一光催化杀菌过程漫长, 未有短时间杀菌效果的报道.现有的测试表明,需要很长时间许多次 空气循环(如 24 小时),才能达到我国 CDC 规定的消毒产品必须达到 的 99.9%的杀菌率.而且这一类商业产品往往组合高性能空气过滤器 和紫外线灯,不能确定究竟是紫外线灯,过滤器还是光催化材料在空气 杀菌中起到主要作用.对于对空气微生物有很高杀灭要求的医院环 境,这类不能一次性通过杀灭微生物的产品的消毒作用微弱. 紫外线照射除菌技术(UVGI)是一个传统杀菌技术,诺贝尔医 学奖获得者丹麦医学家尼尔斯吕贝里芬森(1860-1904)早在19世纪末 就利用UVC(短波紫外线)治病.紫外线照射杀菌的原理是利用紫外 线C波段的辐照能量, 破坏微生物的DNA或RNA, 达到杀灭微生物的 目的. 紫外线照射杀菌的原理和效果早已被世界公认, 广泛应用在医 院领域. 但是由于其一次性通过的空气微生物杀灭率低, 并没有成为 主要的动态空气杀菌技术. 最近几年来, 世界上相继出现了一次性通 过可杀灭90%~99.9999%的动态UVGI商业产品,重新引起了医学界 的关注. 表2是几种动态除菌技术的综合技术经济性能比较

静电过滤 离子空气 光触酶 H14高效过滤 紫外线

基本原理 一次性通过除 菌99%能力

静电吸附除 菌 无

吸附与氧 化除菌 无

氧化除 菌 无

过滤除菌 达到99.9%

紫外光辐 照杀菌 达 到 99.9999%

对病毒的去除

低

低

中等

高

很高

能力 电耗 运行费 维护难度 除味能力 投资 微生物杀灭性 大 大 一般 无 大 无 小 小 一般 优 中 小 小 小 简单 良 小 小 大 很大 复杂 无 很大 无 较小 较小 简单 良 中 杀灭

三.对 UVGI 的科学研究 1.UVGI 的历史 自从第一个UVGI(紫外线杀菌照射)系统于1909年被成功地用 于实现了法国马赛市政水网系统的杀菌消毒后,利用UVGI(紫外线 杀菌照射) 对医疗设备进行杀菌消毒已经成为一种普遍而可靠的惯例 做法.但是,与水和设备的杀菌消毒不同,利用UVGI(紫外线杀菌 照射) 对空气流进行杀菌消毒则有着起伏不定的成功历史和不可预测 的效果.上个世纪20年代,实验室第一次对利用UVGI(紫外线杀菌 照射)消毒空气做了研究,研究表明:消除空气中的传染病似乎是有 可能的.1936年,Hart利用UVGI(紫外线杀菌照射)消毒一间外科 手术室中的空气2.1937年,UVGI(紫外线杀菌照射)第一次应用于 一所学校的通风系统,结果大大降低了麻疹的发病率,之后的应用也 取得了类似的成功3.Riley和O'Grady4 的试验结果导致消除了医院病 房排气中的肺结核(TB)细菌. 由于传统的紫外线消毒灯的辐照强度低, 不能一次性通过完成灭 菌,因此并没有在民用领域成为主要的空气杀菌手段. 近十几年来,随着对密闭建筑空气品质重要性的认识和对UVGI 研究的新结果,UVGI技术在美国和欧洲有了重要的商业发展,一次 性通过细菌杀灭率达到 90%, 99.9%甚至 99.9999%的商业产品已经问 世.许多重要的标准和指南如美国的疾病控制中心,政府服务部,职 业安全与健康研究所,ASHRE和德国的VDI指南均已把UVGI技术列 入标准和指南中. 以下是 UVGI 技术的历史发展 19 世纪 80 年代 芬兰科学家芬森使用紫外线 B 光谱 (UVB) 来治疗皮肤病 19 世纪 20 年代 研究紫外线(UV)对微生物的影响 20 世纪 30 年代 第一次在空气处理中运用

20 世纪 40 年代 开始对表面霉菌消毒的研究 20 世纪 50 年代 空调系统中使用紫外线(UV)在美国通 用电气公司 的文献资料中被 描述为"标准" . 20 世纪 80 年代 第一盏飞利浦紫外线表冷器消毒灯管的 应用指南 20 世纪 90 年代 紫外线照射消毒(UVGI)的商用发展, 重新激起了科学界对紫外线照射消毒的兴趣. 2002 年我国卫生部颁发的<>将 UVGI 确定为 主要空气杀菌技术之一. 2004 年英国发明了一次性通过可杀灭 99.9%空气中细菌和病毒 的 UVGI 空气管道设备. 2005 年 美国采暖,制冷与空调工程师学会"应 用紫外线对空气与表面消毒"的任务组 TG 2. UVAS 成立 2006 年荷兰巴斯特公司发明了一次性通过最高可达杀灭 99.9999%空气中细菌,霉菌,病毒和芽孢的管道设备. 2007 年 TG2. UVAS 成为美国采暖,制冷与空调工程师学 会技术委员会 TC 2.9 项目. 2008 年 紫外线消毒技术编入美国采暖,制冷与 空调工程师学会手册—科学与工程章节 2. UVGI的杀菌原理与科学实验 自然界存在的光波如图3所示.紫外线(ultraviolet radiation,UV)的波长为100～400nm,其中波长为320‐400nm的长 波紫外线称为UVA,波长为280‐320nm的中波紫外线称为UVB,波 长短于280nm的短波紫外线称为UVC.目前市场上销售的紫外线消毒 灯,大多数是利用短波紫外线(UVC)来实现消毒的.微生物核酸的吸 收光谱与短波紫外线的杀菌作用光谱吻合,UVC可使DNA(脱氧核 糖核酸) 链上相邻两个胸腺嘧啶共价结合形成二聚体, 干扰DNA的转 录复制,影响蛋白质合成而致微生物死亡.

目前紫外线-C ( UV-C )已被许多科学研究证明能消灭细菌,病毒,霉菌,单 细胞藻等绝大多数微生物.

图1

市场上销售的 UVC 灯,多为低压水银灯,可产生 253nm 的 UVC 光 波,非常接近灭菌波长 264nm,因此具有良好的杀菌效果.

暴露于紫外线辐射下的微生物数量可用以下单级指数消亡公式描述:

其中: S=存活下来的的微生物数量比例 k=标准消亡率常数,cm2/μW-s l=紫外辐照灭菌强度,μW / cm2 t=暴露时间,秒 这里我们注意到三个主要的影响因素: -k:与微生物种类有关的消亡率常数 -l:短波紫外线灯产生的场强度 -t:暴露时间

由上式可见,一定种类的微生物,其杀灭率取决于 UVC 辐照强度 和照射时间的乘积,也就是照射剂量.任何微生物均有一个杀灭 99.9%的致死剂量,表 3 是部分微生物的 UVC 致死剂量.例如:由表 3 可见,对于常见的感冒病毒,当感冒病毒在一秒钟内接受了 6600WSec/cm2 的照射剂量时,99.9%的感冒病毒将丧失繁殖能力,自然死 亡.自然界存在一些超级耐辐射菌种,其接受到超过常规致死剂量数 倍甚至数十倍时, 依然存活, 但这只是极少数, 不影响整体杀灭效果. 表3

微生物名称 英文学名 类别 细菌 病毒 病毒 细菌 细菌 细菌 疾 病 .细小芽孢菌 .Bacillus subtlis spores .噬菌体 .Bacteriophage .可萨基病毒 .Coxsackie vinus . 志贺氏芽孢菌 .Shigella spores . 艾希氏大肠菌 .Escherichia coli .大肠杆菌 .Fecal coliform .------.------.肠道感染 .细菌性痢疾 .食物中毒 .肠道感染 UV 致死剂量 (WSec/cm2) 22,000 6,600 6,300 4,200 6,600 6,600

. 型肝炎病毒 .Hepatitis A virus A .感冒病毒 .Influenza virus .肺炎军团菌 . Legionella pneumopila . 伤寒沙门氏菌 .Salmonella typhi

.肝炎 .感冒 .军团菌病 .伤寒 .食物中毒,中毒性 . 黄葡萄球菌 . Staphylococcus aureus 细菌 休克综合症等 .链球芽孢菌 .Streptococcus spores 细菌 .咽喉感染

病毒 病毒 细菌 细菌

8,000 6,600 12,300 7,000 6,600 3,800

绝大多数引起人类疾病的微生物包括细菌,霉菌,真菌和病毒的 致死 UVC 剂量在几千到几万微瓦秒/平方厘米范围内.国外多种商用 的紫外线杀菌装置已经达到了 UVC 场强几万到几十万微瓦秒/平方厘 米,可以一次性通过,瞬间杀灭微生物. 表 4 是德国微生物研究公司对某一商用一次性通过 UVC 空气杀 菌装置的检测. 表4

图 2 是英国卫生防护局(HPA)对一款已用于英军野战医院的 管道式 UVC 杀菌装置的一次性空气灭菌检测装置的断面图.一次性 灭菌检测结果见表 5

表5 微生物 表皮葡萄球菌 表皮葡萄球菌 流率(立方米/小时-1) 600 930 系统的平均效率% >99.9999914 99.999986

表皮葡萄球菌 表皮葡萄球菌 黑曲霉 黑曲霉 黑曲霉 黑曲霉 分支杆菌微卡(Vaccae) 分支杆菌微卡(Vaccae) 分支杆菌微卡(Vaccae) 分支杆菌微卡(Vaccae) MS-2 大肠杆菌噬菌体 MS-2 大肠杆菌噬菌体 MS-2 大肠杆菌噬菌体 MS-2 大肠杆菌噬菌体

1260 1600 600 930 1260 1600 600 930 1260 1600 600 930 1260 1600

99.999986 99.999979 >99.9970* >99.9942 99.9900 >99.985 99.999932 99.99965 >99.9999973 >99.9999940 >99.9999949 >99.999931 >99.99965 >99.99936

由表 4 和表 5 可见,二种商用的一次性通过空气 UVC 杀菌装置 的杀菌效率均已达到 99.9%以上. 3.UVGI 的实验效果 绝大多数科学研究对 UVGI 杀菌效果与减少疾病作 用持积极肯定评论.其中最的研究是英国"柳叶刀医学杂志" 2003 年 11 月 362 卷杂志刊登的加拿大科学家的"UVGI 对采用中 央通风空调系统的办公建筑工作人员健康和良好状态的研究" .该 研究采用双盲法,多重交叉试验,实验试验结果表明: 参与这项研究的共有 771 名雇员,来自蒙特利尔三幢办公大 楼.紫外灯照射的部位是大楼空调通风系统的表冷器和冷凝水盘. 紫外灯开启四周,随后关闭 12 个星期.这一循环在将近一年的时 间中重复三次.研究发现,紫外灯使通风系统被照射的表面部位 病菌的集聚量减少了 99%.在有些星期里,紫外灯使一些员工出 现各种病症的几率总体下降了 20%,呼吸道病症下降了 40%,粘 液问题下降了 30%.这些好处对有过敏症状的员工及从来不吸烟 的人受益最大.随着紫外灯的开启,不吸烟者抱怨工作时无精打 采的几率可以减少一半,出现呼吸问题的可能性下降 60%. UVGI 除了有以上有效控制病状建筑综合症的发生的优点外, 还具有显著空调节能优点.在空气处理机组表冷器两侧,安装照 射表冷器盘管表面的紫外线灯管(图 2) ,经照射后的表冷器无霉 菌生长,无微生物粒子阻塞换热器风道,风机的能耗和换热效率 均提高 20%左右.在美国,用紫外灯辐照空气处理机组表冷器已 经成为标准设计.例如:1998 年起美国佛罗里达州的医院系统开

始采用紫外线灯照射空气处理机组的表冷器,以控制日益严重的 表冷器霉菌污染. 在佛罗里达州一所医院有 27 年历史的 107#空气 处理机组的表冷器上和凝结水盘上,有大量可见霉菌繁殖,表冷 器表面已经有 50%被霉菌堵塞.安装紫外灯几周后,表冷器的空 气压力损失从先前的 1.8 英寸水柱降低到 0.7 英寸水柱,通过冷盘管 的空气流速从未装紫外灯前的 230fpm 增加到 520fpm,盘管和凝结 水盘非常干净,没有可见的霉菌污染,甚至风道里霉菌污染也大大 减少了.通过空气处理机组的湿球温度从先前的 57℉(无 UVC) 降低到 53℉(有 UVC) .对 107#空气处理机组安装 UVC 灯的费用 为 2000 美元,但年空调能耗节约为 4867 美元.表 1 为美国佛罗 里达州医院空气处理机组使用 UVC 的数量. 表6 医院名称 orando altamonte apopka Celebration East orando kissimee Winter park

床位数 882 258 50 60 119 50 334

装在 AHU 上的 UVC 53 9 1 7 3 19 13

图 2 是在空气处理机组内安装紫外线杀菌灯的照片

图3

美国空气处理机组安装紫外灯的位置

1998 年, 采用密闭中央空调的美国夏威夷檀香山的奥兰尼学校正 面临着霉菌增长的潜在问题时,有 1800 名学生经历了都没有经历过 异常大量的过敏或哮喘问题. 清理霉菌并防止