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医用空气净化器:医用空气净化技术和空气净化器的现状与发展

一.我国医院空气净化技术和空气净化器的现状                                    

   为防止空气生物性、物理性和化学性污染可能造成的院内感染和健康问题,不同空气净化原理和方法的多样性的空气净化技术,越来越多地被应用到医院环境的空气卫生控制。区别于工业领域的空气净化概念和室内空气品质的通用概念,医院空气净化的核心概念是消毒杀菌,严格控制微生物污染。

 

   2002年我国颁发了二个关联医院空气净化的标准:1)国标《洁净手术部建筑技术规范》[1]2)部标《消毒技术规范》[2]。由于国标的强制性行政影响力,三甲医院评审对层流净化手术室硬件的规定,导致这10年来,我国医院室空气净化技术的应用趋势实际上是工业空气净化技术占了上风,医用消毒杀菌空气净化技术处于弱势。一个典型的实例是医院原本普遍熟悉的按空气细菌数划分的国标一类环境、二类环境的空气卫生指标和消毒杀菌卫生概念被潜移默化地改变成了以灰尘数目划分的百级、千级和万级的指标和工业净化概念。搞了净化为什么还要消毒杀菌?空气细菌数达标,尘粒数也必须达标吗?成为医院院感部门困惑和争论的话题。错误的基本概念将导致标准和技术系统的系列错误,将给国家的医院建设投资和预防感染带来难以估计的巨大损失。人类的认识是一条由表及里、由浅入深的之字形的前进道路,10年过去了,走了之字形技术发展道路的我 

 

   净化工程界回到了重新思考医院空气净化概念和目的起点。目的决定了实现目的的技术和方法的选择。我们在选择不同的医用空气净化技术前,首先需要弄清楚究竟是空气中的微生物还是尘粒或化学污染引发了疾病和感染,弄清楚引起疾病和感染的微生物的繁殖和传播特性,危害程度,有针对性地选择恰当的空气消毒杀菌净化技术。

 

   2012年卫生部颁发了《医院空气净化管理规范》[3],提出了多样性空气消毒杀菌净化技术,不同医院部门的不同空气净化方法和空气净化消毒主要指标,并把净化消毒技术作为《医院空气净化管理规范》的最主要的无菌净化技术,三级过滤的洁净技术退为其次,明确了医院空气净化的目的,纠正了医院空气净化技术就是高效过滤净化技术的错误理念,改变了只过滤不消毒杀菌的单一工业空气净化模式,为我国医院空气净化技术的科学发展奠定了标准基础。

 

   源自于以控制尘埃为目的的电子工业的三级过滤洁净技术是实现医院空气无菌卫生多样性空气净化技术的其中一项空气净化技术,由于该技术没有包含医用空气净化技术所包含的消毒杀菌技术,其缺点和问题在这十年中越来越多地暴露出来。三级过滤洁净技术也是最昂贵的空气净化技术。十年来我国手术部单一采用空气洁净技术的实践证明:它的建设的高投入,设备的大空间,管理的高能耗和效果的不确定,使得我国大多数医疗机构建不了(建筑层高和空间限制),建不起(投资大),用不起(运行成本高)和用不好(防止感染效果差)。2008年和2011年德国和新西兰的大样本医学统计研究[45]发现越是高级别层流净化,手术感染率越高,引起了世界医学界和净化界的深刻反思和质疑净化的效果。2009年德国政府主管部门就此发表4点公告[6] ,否定了层流净化对预防手术感染的效果。  

单纯采用工业净化标准和技术的制药领域存在与医院相同的净化目的和概念究竟是为什么的问题,10年来走了相同的弯路。许多制药企业,尽管已经采用A级空气净化(100级),但仍然无法解决无菌生产线合格率低的问题,不得不引进消毒系统,对各级净化区天天数小时消毒杀菌。

 

   由于三级过滤空气洁净技术对建筑空间的特殊要求,昂贵造价,我国90多万个医疗机构的绝大多数病房、诊所、治疗室和手术室几乎没有可能采用这一技术来实现空气卫生品质,甚至有的医院对已经建成的净化手术室和ICU,取消了空气三级过滤净化,重新开窗,安装空气消毒机和分体空调。医疗机构对空气净化市场的需求是巨大的,客观存在的,结果近10年来世界上涌现出的以消毒杀菌技术为核心的新的多样性医用空气卫生净化技术,包括2002年《消毒技术规范》推荐的紫外灯照射、循环风紫外线和静电吸附净化技术,以及近几年出现的光催化杀菌净化技术,复合净化技术和低温等离子杀菌净化技术与均已被广泛地应用到我国医疗机构的空气卫生控制。这些净化技术被商家衍生出五花八门的空气净化产品和工程装置,另人眼花缭乱,由于缺乏产品标准和卫生工程标准监管,目前处于无序发展状态,医院使用部门难以适当选配。

 

有的省级医院的新建病房大楼,在所有的病房均设置静电吸附空气净化器,如河南省人民医院。有的医院在重点科室全部采用紫外线循环风杀菌装置,如南京八一医院肝移植病区。但是非三级过滤空气净化技术产品的空气净化性能不同厂家差别很大,甚至有的空气净化器几乎完全无效,并危害健康。有的存在安全隐患和气体污染,已有报道因室内空气净化器失火引起病人死亡。国家目前还没有可有效指导市场走向的空气净化产品设计、制造和应用的规范与指南。

 

净化是手段,卫生是目的。三级过滤空气洁净技术只是空气卫生净化技术的一项技术,以卫生为目的的适合不同医疗环境的多样性的空气卫生技术才是我国医疗保健机构空气净化技术的正确发展方向。本文依据笔者和国外的研究,特别是美国环保署的《家用空气净化器指南》[78],就我国目前市场上的各种净化技术和产品的基本原理,效果和适用场所做一个资料性介绍与探讨,希望有助于正确设计和选择医院空气净化工程系统和产品。

 

二.减少医院空气污染的三种方法

减少室内空气污染浓度的三种基本方法是污染源控制、通风和净化空气。

污染源控制

指消除个别污染物的源头,或减少其排放。这通常是减少污染物最有效最经济的方法。引起医院院内感染和呼吸道疾病扩散的空气微生物污染源,通常可以在源头被控制。例如,手术室的空气微生物污染源主要是手术组人员散发的微生物,可以通过使用隔离微生物扩散的隔离手术服和局部动态空气杀菌净化装置有效控制(图1和图2)。传染病房的来自病人自身的呼吸道和接触性传染微生物,可以通过病房无菌环境建筑隔离、气流组织通风设计和动态消毒系统使微生物传染源被控制在床位和房间局部范围内。


通风

通常应对生物和化学污染风险的最佳方式是控制、消灭污染源,并引入室外清洁空气,保持通风。但天气条件、或室外空气受污染,可能会限制通风。

通过渗透、自然通风、或机械通风的方式(图3),将室外空气带入室内,使整个建筑换气,并将受污染的空气排出室外。尽管会受限于天气状况,但这种方法可以有效去除或稀释室内气载污染物,从而降低污染水平,改善室内空气卫生质量(IAHQ)。在2003SARS期间,最有效的预防SARS扩散的方法就是通风。广东地区的医院建筑风格注重自然通风,结果SARS传染病的控制效果比采用密闭中央空调的香港医院和注重密闭保温的北京医院好得多,没有发生SARS传染病在医院大规模爆发,甚至广州的一些收治SARS病人的医院的医护人员感染率为“零”。反到是钟南山教授所在的广州医学院第一附属医院的新建万级净化ICU,收治了SARS病人,由于密闭循环通风和高效过滤器对直径只有0.1微米的SARS病毒滤除效果有限,结果几乎全部医护人员均被感染。而广东省人民医院的传染科病房,也收治了许多SARS病人,但采用开窗自然通风和负压气流控制,无一例感染。SARS传染病爆发过后,钟南山教授总结治疗,提出我们应该反思这种净化模式。

 

对用于通风的室外空气应给予卫生评估。这些室外空气的质量应在可以接受的范围内,且包含的污染物和浓度不得超过在室内条件下被认为不可接受或有害的水平。如果室外存在污染源或存在气候问题,使用通风减少室内的污染物时,应进行细致的评估。

空气净化

在通风方法无法充分处理室内空气污染时,空气净化装置就有了用武之地。空气过滤器和其它空气净化装置就是用于清除室内空气中的污染物的。这些装置有些可装于医院中央暖通空调(HVAC)系统的管道中或送回风末端,清洁整所房子的空气。壁挂式和便携式房间空气净化器可用于清洁一间房间的局部区域,但不能有效地净化整个房间的空气。此外,这类房间空气净化器受到风机噪声的限制,净化空气输出率有限。

 

2012年卫生部颁发的《医院空气净化管理规范》提出了六种非自然通风医院环境空气净化方法:

1)集中空调通风系统(含净化消毒装置);

2)空气洁净技术;

3)循环风紫外线消毒器;

4)静电吸附式空气消毒器;

5)紫外灯照射消毒;

6)能使消毒后空气中的细菌总数≤4/15 CFU /5min.直径9cm平皿)其他空气消毒产品;

     《医院空气净化管理规范》的颁发,是我国医院空气净化技术发展的重要里程碑,将规范和指导我国医疗保健市场空气卫生技术的科学发展。目前,净化界的大多数工程技术人员,还不太了解除三级过滤空气洁净技术外的其它5项医院常用的多样性的以消毒杀菌为核心的空气卫生净化技术。暖通和净化界需要学习《医院空气净化管理规范》,了解和掌握以消毒杀菌为核心的空气卫生工程净化技术。净化是手段,卫生是目的。将多样性空气消毒杀菌技术转变为与建筑工程结合的卫生工程技术,是我国医疗保健机构建设发展的时代需要。

三.空气净化技术和空气净化器信息

    空气净化装置可按其设计用于清除的污染物的种类(颗粒、气态污染物)分类。    

    按所需控制空气污染物的种类,可将空气净化器分类为:

1)空气颗粒净化器;

2)空气化学和气味净化器;

3)空气生物净化器。

   按空气净化装置的净化原理可将空气净化器分为二类:

1)稀释法空气净化器,即通过空气净化器输出一定量的净化空气,稀释房间污染空气,达到一定空气净化效果。高流量的空气净化器对应高洁净的室内空气环境。如层流技术是最高标准的稀释法净化技术,通过几百次换气和定向气流流动稀释空气污染,达到稀释法最高的空气净化效果。

2)浓度法空气净化器,即使所控制环境空气中具有净化空气效果的物理或化学因子达到一定浓度,以实现空气净化。如臭氧空气净化器和离子空气净化器。浓度法空气净化器的净化效果与空气净化因子的浓度有关,与流量关联小,高浓度的室内空气净化因子对应高净化的房间空气。如高浓度的负离子空气环境,对应高度无菌和清新的室内空气环境。显然,采用空气净化浓度法比稀释法可以显著减少运行能耗和建设投资,并且对目标环境的建筑空间(层高,机房)几乎没有要求。

有两种空气净化装置可以清除空气中的颗粒:机械空气过滤器和电子空气净化器。

机械空气过滤器

如高效微粒空气过滤器(HEPA),其过滤材料可以捕获颗粒,从而将之从空气中清除。大多数机械空气过滤器长于捕获尺寸较大的气载颗粒,如灰尘、花粉、某些霉菌孢子、动物毛屑,以及含有尘螨、蟑螂过敏原的颗粒。但是因为这些颗粒沉积速度较快,机械空气过滤器并不能很好地将它们从室内完全清除出去。对于可能引起医院呼吸道传染病爆发的病毒微粒,由于其尺寸微小(0.003~0.06微米),高效过滤器(≥0.3um,99.997%过滤效率)难以有效地滤除病毒气溶胶。国标《洁净室级相关受控环境》(ISO14644国际标准)[9](表1)给出的5级洁净空气环境(100级)的≥0.3微米颗粒的允许数目为≤3500/m3;但对于0.1微米颗粒的允许数量高达≤100000/m3。对应1000级,≤0.1微米的允许颗粒数为1000000/m3。由此可见,对于比0.1微米尺寸更小的病毒,高效过滤器的滤除效率非常有限,需要采取消毒杀菌净化技术才能有效控制。

  美国已经开发出数种标准方法用于测量安装在暖通空调系统内的不同类型的空气过滤器的过滤效率。应用这些方法可以比较不同公司生产的空气过滤的性能。美国采暖制冷与空调工程师协会(ASHRAE)与美国环境科学和技术学会(IEST)已经发布了数项空气过滤器评级推荐性标准。

评估颗粒去除效率有4种标准方法:计重法、大气尘比色效率法、邻苯二甲酸二辛酯(DOP)穿透率法、和粒度过滤效率(PSE)法

计重法(定义见ASHRAE标准52.1-1992[10]

一般用于评估过滤最大、最重颗粒的低效过滤器。这些过滤器通常用于风道和空调系统中,保护受控环境内的装置,或用作上游过滤器保护效率更高的过滤器。运用该方法时,将人造尘埃送入空气净化器中,按过滤器滤掉(“阻挡”)的尘埃重量计算比例。计重法在评估对较小的可吸入颗粒物的过滤效率时作用有限,因为测试所用的颗粒一般大于可被吸入肺部深处的颗粒,如PM2.5

大气尘比色效率法(定义亦见ASHRAE标准52.1-1992[11]

一般用于评测中效过滤器过滤能玷污墙壁及其它室内表面的细微气载尘埃颗粒的效率。将自然产生的大气尘埃送入空气净化器中,检测其降低干净的目标纸受玷污情况的能力,以此确定净化器过滤空气中颗粒的能力。

DOP渗透率法[12]

IEST-RP CC001.4检测方法,用于评估真正的高效微粒空气过滤器。由均一直径0.3pm的颗粒形成的DOP气溶胶送入过滤器。通过检测过滤器的上流和下流测得的浓度决定过滤器的效率,或者说是检测由过滤器滤掉的颗粒的百分比。

PSE[13]

ASHRAE标准52.2-2007,是通过逐步加大人造尘埃的量,检查过滤器过滤特定粒度的颗粒的综合最小效率。PSE法并不排除使用DOP渗透率法和计重法。初效过滤器之类极低效的空气过滤器仍必须按计重法检测。综合最小效率值的平均值用于确定空气净化器的最低效率报告值(MERV)。MERV值最低为1,最高为20 

ASHRAE标准52.1.1992《全面通风中过滤颗粒物的空气净化装置检测方法中的重量与比色分析程序》已于2009年撤销。该标准的内容现已并入ANSI/ASHRAE标准52.2《全面通风用空气净化装置过滤效率粒度检测法》附录B中。该 附录规定计算过滤器的计重效率时,应使用最低效率报告值(MERV1-4,计算过滤器的大气尘比色效率时,使用MERV值为5-16。表2为美国环保署《》ASHRAE标准的过滤器最低效率报告值(MERV)和应用范围。工程界选择过滤器,应根据使用目的和能效比选择不同效率的过滤器。

例如,使用目的是控制微生物,所选择的终过滤器可以是MERV14-MERV16,既中效到高中效过滤器。

2 最低效率报告值(MERV)参数[8]

ASHRAE标准52.2

ASHRAE

标准52.1

应用指南

MERV

粒度过滤效率,粒度(pm)范围百分比

比色效率

粒度与主要控制的

典型应用领域

典型空气过滤器/净化器类型


0.3~1

1~3

3~10

百分比

污染物

20

19

18

17

99.999

99.999

99.99

99.97

粒度0.1~0.2 /μm

 

粒度0.3 /μm

< 0.3 μm

病毒(未附着)

碳尘

海盐

所有燃烧产生的烟

电子制造

医药生产

致癌物

高效微粒空气过滤器/超高效空气过滤器

16

15

14

13

> 95

85-95

75-85

< 75

> 95

> 90

> 90

> 90

> 95

> 90

> 90

> 90

> 95

90-95 80-90

0.3-1 μm

所有细菌

飞沫核(打喷嚏)

食用油

大多数各类的烟

杀虫剂微粒

大多数妆粉

大多数油漆色素

高级商业

建筑

医院病房,ICU

手术室

袋式过滤器--无支撑(软性)超细玻璃纤维或合成材料,12-36英寸深。

盒式过滤器--刚性筒状。

12

11

10

9

> 80

65-80 50-65  < 50

>90

>85

>85

>85

70-75 60-65 50-55 40-45

1-3 μm

军团菌

加湿器尘

铅尘

面粉

汽车尾气颗粒

雾化器喷雾

高级住宅

较好的商业

建筑

医院实验室

折叠式过滤器--表面延展,使用棉或涤纶介质。

盒式过滤器--刚性筒状。






3-10 μm



8

7

6**

5

 

 

> 70

50-70

35-50

20-35

30-35 25-30

< 20

< 20

霉菌

孢子

尘螨身体部分及粪便

猫狗毛屑

发胶

织物保护剂

除尘剂

布丁粉

奶粉

较好的住宅

商业建筑

工业场所

折叠式过滤器--表面延展,使用棉或涤纶介质。

筒式过滤器--粘性的过滤盒或过滤袋

一次性过滤器--平板式过滤器,合成过滤材料

4

3

2

1

< 20

< 20

< 20

< 20

< 20

< 20

< 20

< 20

> 10 μm

花粉

尘螨

蟑螂身体部分及粪便

西班牙苔藓

砂尘

喷漆微粒

纺织纤维

地毯纤维

最小渗透率

窗式空调

一次性过滤器--玻璃纤维或合成材料板,1英寸厚。

可清洗--铝网、泡沫橡胶板

静电--自充电(负电荷)编织聚碳酸酯板 


   美国环保署在《家用空气净化器》[7]指南指出:具有MERV7MERV13的过滤器实际上等同于高效过滤器。这个意见与我们习惯的十万级以上净化要用高效过滤器技术措施差别极大,如果可行,节能效果显著。笔者对三个医院手术室和无菌病房的空气净化系统,按美国环保署指南,没有采用高阻力的高效过滤器,只采用了MERV8MERV15-16F7F8F9过滤器,结果创造出万级到百级的净化效果[141516](表3 

 

      3   非高效过滤医院洁净房间CDC检测结果`

 

医院名称

 

 

 

净化方式

 

尘粒净化效果

 

细菌数cfu/m3

广西医大附属医院13间手术室

F7F9加离子加紫外线

全部达到1010000

全部为0

上海肺科医院5间无菌病房

F7F8F9加紫外线

全部达到10000

全部为0

吉林九台医院11间手术室

F7F9加紫外线

全部达到10010000

全部为0

广东省妇幼保健院

 

电子净化加紫外线加F9加离子

全部达到10010000

全部为0

广东佛山蝉城区中心医院

 

静电过滤加电子净化加紫外线加离子

全部达到100100000

全部小于0.17


电子空气净化器

   其原理是应用静电吸引原理捕获带电颗粒。电子空气净化器有两类:静电吸附空气净化器和离子空气净化器。

1)静电吸附空气净化器

   静电吸附空气净化器(图4)有一个电离部分和一个收集板部分,两者均使用外部电源。静电吸附空气净化器将室内空气吸入电离部分,颗粒在此处获得电荷。带电颗粒在通过收集器时,被聚积到一组叫作收集器的带相反电荷的集尘板上。为维持集尘性能,必须定期清洁收集器的集尘板。在静电力的作用下,吸附的尘粒会牢固地贴在集尘板上,即便是断电,也难以脱落.传统的人工清洁,有时难以将尘粒完全从集尘板清洗干净,需要采用超声波清洗,才能彻底清洗干净。取决于不同厂家的设计,静电吸附净化器可以达到很高的除尘效率。国家空调设备质量监督检验中心对一款国产普通静电吸附净化器的颗粒物净化效果的检测表明,对≥0.5um颗粒的净化效率达到93%以上(表3)。静电吸附器可收集气载颗粒,并且在空气流速较低时,其初始ASHRAE比色效率高达98%。美国环保署[8]认为这一效率是静电空气净化器的最高值。静电空气净化器净化空气的初始效率很高。但随着集尘板上不断聚积颗粒,或由于气流速度增加或不匀速,其效率会下降。

   因为静电吸附空气净化器产生电离场需要使用的电压较高,7000~13000V,所以会产生臭氧,这可能是产品的设计目的,也可能是副产品。静电吸附器在聚积尘埃时还可能发出如同电蚊拍的爆裂声。

   4 静电吸附空气净化器