CC BY
5
Исследование характеристик качества внутреннего воздуха на примере учреждения высшего образования
Е.Ю. Козловцева, Е.В. Мартынова, И.С. Кленин, Н.С. Гаврилова, А.А. Казанкова, А.В. Дериченко Волгоградский государственный технический университет, Волгоград
Аннотация: Данная статья посвящена исследованию качества внутреннего воздуха в учреждении высшего образования: оценке закономерностей распределения твердых взвешенных частиц по эквивалентным диаметрам (РМ05, РМ1, РМ25, РМ5 и РМ10). Ключевые слова: воздух помещений, качество внутреннего воздуха, загрязнение воздушной среды, пыль, твердые взвешенные частицы, РМ25, РМ10.
В настоящее время проблема загрязнения воздуха является наиболее актуальной из-за быстрого развития промышленности, повышенной транспортной активности и урбанизации. Одной из основных причин ухудшения качества воздуха городской среды - наличие в воздухе твердых взвешенных частиц как антропогенного, так и естественного происхождения. Загрязненный атмосферный городской воздух проникает в здание, что влияет на качество внутреннего воздуха. Термин "внутренний воздух" относится к непромышленным внутренним средам: офисным, общественным средам (детским садам, школам, больницам и т. д.).
Концентрации загрязняющих веществ в воздухе этих помещений часто совпадают с концентрациями наружного воздуха и значительно ниже, чем в промышленных зданиях, где применяются известные стандарты для оценки качества воздуха.
Качество воздуха и микроклимат помещения влияют не только на образовательный процесс в учреждениях высшего образования, но и на здоровье, комфорт и производительность труда сотрудников университета [1 - 3]. В отличие от студентов, находящихся в вузе относительно непродолжительное время, педагогический состав проводит большую часть рабочего времени в учебных аудиториях или на кафедрах. Многочисленные
исследования, в т. ч. проведенные агентством по охране окружающей среды США (ЕРА), показывают факт превышения уровня загрязняющих веществ в общественных помещениях по сравнению с уровнем пылевого загрязнения снаружи здания, на улице [4].
Опасности, связанные с вдыхаемой пылью, зависят от ее дисперсного и химического состава, поскольку они определяют характер осаждения в дыхательных путях. Особую опасность для здоровья людей представляют мелкодисперсные твердые частицы РМ10 и РМ25 (англ. Particulate Matter, сокращ. PM) с размером до 10 мкм и до 2,5 мкм соответственно [5-7]. При вдыхании данные частицы проникают в верхние дыхательные пути и легкие, что вызывает повреждение легочной ткани, респираторные и другие заболевания. Частицы в диапазоне от 7 до 15 мкм осаждаются в бронхах и бронхиолах [1, 8, 9]. Частицы размером более 15 мкм обычно осаждаются на слизистых оболочках носа и глотки [10].
Точно установить, в какой степени плохое качество воздуха в помещениях может нанести вред здоровью, - довольно непростая задача, поскольку не имеется достаточной информации о взаимосвязи между постоянным воздействием мелкодисперсных частиц на организм человека. Кроме того, для многих загрязняющих веществ, присутствующих в воздухе, последствия острого воздействия хорошо известны, тогда как существуют значительные «пробелы» в данных, касающихся как долгосрочного воздействия при низких концентрациях, так и смесей различных загрязняющих веществ.
Целью работы является экспериментальное исследование вертикального распределения пылевого фактора в помещениях высшего учебного заведения.
Задачи исследования:
1. Провести экспериментальные исследования фракционного состава пыли по эквивалентным диаметрам (РМ05, РМ1, РМ25, РМ5 и РМ10) в помещениях высшего учебного заведения по этажам здания.
2. Экспериментально установить закономерности распределения концентраций твердых взвешенных частиц по этажам здания высшего учебного заведения.
3. Построить интегральную функцию распределения массы частиц пыли по диаметрам в вероятностно-логарифмической сетке.
4. Построить графики распределения доли ТВЧ в процентах по этажам для фракций РМ25 и РМ10.
Приборы и методы исследования
Авторы исследовали частицы пыли, присутствующие в воздушной среде здания высшего учебного заведения в г. Волгоград, по эквивалентному диаметру (дисперсному составу) [11]. Отбор проб проводился с помощью прибора HANDHELD 3016 IAQ. Пробы отобраны на высоте 1,5 м в коридорах учебного корпуса на каждом этаже здания в первой половине дня, когда количество студентов в здании максимально. На основе полученных данных построены графики распределения концентраций ТВЧ в линейной (рис. 1) и логарифмической (рис. 3) сетках.
Результаты и их обсуждение
Результаты исследования дисперсного состава пылевых частиц позволили оценить долю мелкодисперсных частиц пыли, в том числе РМ2.5 и РМ10. Данные измерения концентрация пыли счетным методом представлены в таблице 1. На основании таблицы 1 был построен график зависимости концентраций ТВЧ в воздухе помещения высшего учебного заведения от места отбора проб (рис.1).
М Инженерный вестник Дона, №1 (2022) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nly2022/7391
Таблица №1
Результаты исследования пылевого фактора в помещении с помощью
счетного метода
№ этажа Концентрация СРМ1, мг/м3 С^, мг/м3
РМ0.5 РМ1 РМ2.5 РМ5 РМ10
Улица 0,00111 0,00181 0,003641 0,01627 0,06697 0,11043
1 0,00134 0,00211 0,00481 0,02801 0,109721 0,16381
2 0,00172 0,00277 0,00563 0,02694 0,06965 0,08444
3 0,00245 0,0036 0,00646 0,02659 0,07135 0,08901
4 0,00149 0,0023 0,00441 0,016371 0,03763 0,04317
5 0,00182 0,00281 0,00615 0,02765 0,08089 0,1077
6 0,00165 0,00251 0,00522 0,022331 0,05159 0,06592
7 0,00166 0,00256 0,00546 0,02347 0,05643 0,06336
8 0,0018 0,00275 0,00561 0,02389 0,06484 0,1009
Рис. 1. - Концентрация твердых взвешенных частиц в воздухе
помещения
Полученные данные сравнивались с нормативными значениями максимально разовой концентрации загрязняющих веществ в воздухе. Нормативные значения предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ (РМ25 и РМю) в атмосферном воздухе городских и сельских поселений установлены в СанПиН 1.2.3685-21. На рисунке 2
представлены графики сравнения натурных измерений концентраций РМ25 (рис. 2а) и РМ10 (рис. 2б) с нормативными значениями.
0,18
0,16 -
М
.£ 0,14
I
й 0,12 ^
и
I °д £ 0,08 I
о о.об 0,04 0,02
2 3 4 5 6 7 3
№ места отбора пробы, этаж
СРМ2.5 ПДК РМ2.5
а)
0,35 0,3
5 0,25 §
£ 0,2 I
| 0,15
х
о
0,1 0,05 О
Улица 12345678
N9 места отбора пробы, этаж
СРМ10 ПДК РМ10
б)
Рис. 2. - Концентрация твердых взвешенных частиц в воздухе помещения в сравнении с ПДК: а) РМ25, б) РМ10
На рисунке 3 представлена интегральная кривая распределения массы частиц по диаметрам для пыли, присутствующей в воздушной среде помещений высшего учебного заведения.
Таким образом, полученные в результате натурных исследований величины концентраций взвешенных веществ не превышают предельно
допустимых значений. Анализ результатов таблицы 1 показал, что среднее значение концентрации мелкодисперсной пыли в помещении больше, чем концентрация взвешенных частиц на улице: РМ05 больше на 50%, РМ1 больше на 16%, РМ25 больше на 50%, РМ5 больше на 50%, РМ10 больше на 1,2 %. При этом концентрация ТВЧ в помещениях высшего учебного заведения с повышением этажа увеличивается для фракций Р05 - РМ25, а для мелкодисперсных частиц с эквивалентным диаметром 5 и 10 мкм наоборот уменьшается. Наблюдаются следующие закономерности распределения концентраций мелкодисперсной пыли разных фракций в помещении с увеличением высоты места отбора проб: РМ10 - уменьшение, другие фракции - значения практически постоянны.
На рисунке 3 показана интегральная кривая распределения доли концентрации частиц по диаметрам для пыли, присутствующей в воздушной среде учебного помещения.
р(с*ч),%
7
(
6
5
/ 3
у / /1 2
/ / 1
/ / улица 4 В
> /
н - = а -
1 _2_^_10 ___ сК мкм
Рис. 3. - Интегральная кривая распределения долей концентрации частиц по диаметрам для пыли, присутствующей в воздушной среде
помещения: 1 - 8 - № этажа
Таблица № 2
Доли концентраций РМ; в общей концентрации взвешенных частиц в зависимости от местоположения отбора проб
№ этажа Доля СРМ; от Се, %
РМ0.5 РМ1 РМ2.5 РМ5 РМю
Улица 1 2 4 15 61
1 1 2 3 17 67
2 2 4 7 32 83
3 3 4 8 30 80
4 4 5 10 38 87
5 2 3 6 26 75
6 3 4 8 34 78
7 3 4 9 37 89
8 2 3 6 24 65
На каждом этаже здания высшего учебного заведения процентное содержание пыли наиболее крупной фракции РМю максимально и составляет от 65% до 89%, для РМ5 от 17 до 38%, мелкодисперсные частицы РМ25 от 3 до 10%, РМ1 от 2% до 4%, РМ05 от 1% до 4%.
Заключение
1. Результаты дисперсного анализа твердых взвешенных частиц в воздушной среде учебных помещений показывают, что среднее значение концентрации мелкодисперсной пыли в помещении больше, чем на улице: РМ0.5 больше на 50%, РМ1 больше на 16%, РМ25 больше на 50%, РМ5 больше на 50%, РМ10 больше на 1,2 %.
2. Счетчик частиц зафиксировал максимальные показания концентрации мелкодисперсных частиц: РМ25 - 0,00646 мг/м на 3 этаже здания, РМ10 - 0,109721 мг/м на 1 этаже. Сравнительный анализ концентраций мелкодисперсных частиц показал, что нормативные значения не превышались.
3. Интегральная кривая распределения долей концентрации частиц по диаметрам для пыли, содержащейся в воздушной среде здания, показала, что на каждом этаже здания высшего учебного заведения процентное содержание пыли наиболее крупной фракции РМ10 максимально и составляет от 65% до 89%, для РМ5 от 17 до 38%, мелкодисперсные частицы РМ25 от 3 до 10%, РМ1 от 2% до 4%, РМ0.5 от 1% до 4%.
4. Согласно построенным графикам распределения концентраций твердых взвешенных частиц в линейной сетке на основе проведенных экспериментальных исследований, наблюдаются следующие закономерности распределения концентраций мелкодисперсной пыли разных фракций в помещении с увеличением высоты мест отбора проб: РМ10 - уменьшение, другие фракции - практически постоянны.
Воздействие мелкодисперсных частиц взвешенной пыли вызывает различные неблагоприятные последствия для здоровья человека, включая заболевания сердца и дыхательных путей. В настоящее время необходим автоматический мониторинг, который мог бы давать результаты в реальном времени. Это позволило бы контролировать концентрацию частиц пыли в различное время суток в общественном помещении, чтобы снизить вероятность угрозы заболевания дыхательной системы как студентов и педагогического состава, так и работников университета.
Литература
1. Hall, S.A. Airborne Contaminants. In Occupational Health Practice // Butterworth-Heinemann. 1973. Pp. 288-308.
2. Choi S., Eom Y., Song J.S. Fine dust and eye health // Journal of the Korean Medical Association. 2019. №62. Pp. 486-494.
3. Heusinkveld H.J., Wahle T., Campbell A. Neurodegenerative andneurological disorders by small inhaled particles // Neurotoxicology. 2016. №56. Pp. 94-106.
4. U.S. Environmental Protection Agency. Integrated Science Assessment (ISA) for particulate matter // U.S. Environmental Protection Agency. 2019. URL: cfpub.epa.gov/ncea/isa/recordisplay.cfm?deid=347534
5. Lucchini R.G., Dorman D.C., Elder A. Neurological impacts from inhalation of pollutants and the nose-brainconnection // Neurotoxicology. 2012. №33. Pp. 838-841.
6. Hougaard K.S., Campagnolo L. A perspectiveon the developmental toxicity of inhaled nanoparticles // Reprod. Toxicol. 2015. №56. Pp. 118-140.
7. Yiqun H., Zhu T. Health effects of fine particles (PM2.5) in ambient air // Science China Life Sciences. 2015. №58. Pp. 624-626.
8. Roach S.A. Sampling air for particulates. The Industrial Environment — Its Evaluation and Control // Cincinnati, US Dept of Health,Education, and Welfare, Public Health Service, Center for Disease Control, National Institute for Occupational Safety and Health. 1973. Pp. 139-153.
9. Bazas T. Effects of occupational exposure to dust on the respiratory system of cement workers // Occup. Med. 1980. №30. Pp. 31-36.
10. Азаров В.Н., Ребров В.А., Козловцева Е.Ю., Азаров А.В., Добринский Д.Р., Тертишников И.В., Поляков И.В., Абухба Б.А. О совершенствовании алгоритма компьютерной программы анализа дисперсного состава пыли в воздушной среде // Инженерный вестник Дона, 2018, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y20185/49769.
11. Литвинова Н.А., Азаров В.Н., Мартынова Е.В., Тумасян С.А., Медведева Я.Е., Гаврилова Н.С. Исследование пылевого фактора в жилых помещениях многоэтажного студенческого общежития // Инженерный вестник Дона, 2021, №9. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n9y2021/7196.
References
1. Hall, S.A. Butterworth-Heinemann. 1973. Pp. 288-308.
2. Choi S., Eom Y., Song J.S. Journal of the Korean Medical Association. 2019. №62. Pp. 486-494.
3. Heusinkveld H.J., Wahle T., Campbell A. Neurotoxicology. 2016. №56. Pp. 94-106.
4. U.S. Environmental Protection Agency. U.S. Environmental Protection Agency. 2019. URL: cfpub.epa.gov/ncea/isa/recordisplay.cfm?deid=347534
5. Lucchini R.G., Dorman D.C., Elder A. Neurotoxicology. 2012. №33. Pp. 838-841.
6. Hougaard K.S., Campagnolo L. Reprod. Toxicol. 2015. №56. Pp. 118140.
7. Yiqun H., Zhu T. Science China Life Sciences. 2015. №58. Pp. 624-626.
8. Roach S.A. Cincinnati, US Dept of Health, Education, and Welfare, Public Health Service, Center for Disease Control, National Institute for Occupational Safety and Health. 1973. Pp. 139-153.
9. Bazas, T. Occup. Med. 1980. №30. Pp. 31-36.
10. Azarov V.N., Rebrov V.A., Kozlovceva E.Yu., Azarov A.V., Dobrinskij D.R., Tertishnikov I.V., Polyakov I.V., Abuxba B.A. Inzhenernyj vestnik Dona. 2018. №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y20185/49769.
11 Litvinova N.A., Azarov V.N., Marty'nova E.V., Tumasyan S.A., Medvedeva Ya.E., Gavrilova N.S. Inzhenernyj vestnik Dona. 2021. №9. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n9y2021/7196.
