Autor dr inż. Amelia Staszowska
Mikroorganizmy (bakterie, zarodniki grzybów, wirusy), w tym również mikroorganizmy chorobotwórcze stanowią naturalny składnik powietrza, pomimo że jest ono dla nich wyjątkowo niesprzyjającym ośrodkiem do bytowania. Pełni jednak rolę środka transportu dla bioaerozoli i co się z tym wiąże, jest odpowiedzialne za ich rozprzestrzenianie. Obecność bioaerozolu bakteryjnego, grzybowego oraz wirusów w szpitalach, zakładach leczniczych, przychodniach czy punktach zabiegowych jest wysoce niepożądana. Jak niezwykle ważnym i kosztownym przedsięwzięciem jest utrzymanie odpowiedniej czystości mikrobiologicznej powietrza wnętrz udowodniła pandemia SARS-CoV-2. Zagadnienie przygotowania powietrza o wysokiej czystości w obiektach służby zdrowia i systemach jego dystrybucji najczęściej jest dyskutowane w aspekcie zapobiegania zakażeniom wewnątrzszpitalnym związanym z prowadzonymi zabiegami operacyjnymi i różnymi metodami leczenia, w szczególności na oddziałach chorób zakaźnych. Mniej uwagi skupia się na pomieszczeniach takich jak sale pacjentów, gabinety zabiegowe, pomieszczenia dyżurek personelu medycznego, laboratoria, oddziały noworodkowe, sale pacjentów z obniżoną odpornością – po przeszczepach lub w trakcie terapii antynowotworowej. Istnieje wiele dostępnych opracowań naukowych, publikacji, wytycznych, norm dotyczących kwestii projektowania instalacji wentylacyjnych i klimatyzacyjnych w szpitalach oraz systemach rozprowadzania powietrza nawiewanego i usuwania zanieczyszczeń z powietrzem wywiewanym. Znacznie mniej miejsca poświęca się na omówienie technik przygotowania powietrza dla wspomnianych systemów.
Techniki oczyszczania powietrza w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych
Powietrze rozprowadzane układami wentylacji i klimatyzacji wymaga uzdatniania i oczyszczania. Te procesy są często mylone i traktowane jako tożsame. O ile pojęcie uzdatniania powietrza należy rozumieć jako nadanie mu określonej temperatury i wilgotności oraz jego odpylenie to oczyszczanie powietrza należy traktować jako proces lub zespół procesów, których celem jest usunięcie z powietrza znajdujących się pyłów, zanieczyszczeń chemicznych i biologicznych. Stanowią one bowiem największy problem zdrowotny.
Najpowszechniej stosowaną techniką oczyszczania powietrza jest filtracja. Ma ona za zadanie usuniecie z powietrza pyłów i zaadsorbowanych na ich powierzchni zanieczyszczeń chemicznych np. związków metali ciężkich, wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych, jonów związków nieorganicznych i organicznych. Dla potrzeb obiektów szpitalnych, ze względu na stopień zanieczyszczenia powietrza oraz wymaganą skuteczności filtracji najczęściej stosowanym typem filtrów są filtry HEPA spełniające rolę filtrów końcowych dla pomieszczeń czystych (sale operacyjne, pomieszczenia zabiegowe, izolatki).
Efektywność układów filtracyjnych uzależniona jest od ich prawidłowej eksploatacji, do której należy zaliczyć okresowe wymiany wkładów filtracyjnych, czyszczenie przewodów odpowiedzialnych za dystrybucję powietrza, konserwacja urządzeń pomocniczych, kontrolę szczelności przewodów i parametrów powietrza. Niestety, ale często ze względu na koszty ten zakres czynności bywa zaniedbywany. W konsekwencji dochodzi do tzw. zjawiska przebicia filtra i wtórnego zanieczyszczenia powietrza.
Wykorzystanie biobójczych właściwości promieniowania UV-C (długość fali 222, 240-280 nm) do oczyszczania powietrza jest szeroko rozpoznane i stosowane w obiektach szpitalnych. Mogą być to stacjonarne lub przenośne lampy dezynfekujące lub przepływowe moduły kanałowe. Stosuje się je głównie w celu dezynfekcji powietrza i powierzchni tj. usunięcia żywych i przetrwalnikowych form mikroorganizmów. Stąd systemy UV-C dedykowane dezynfekcji powietrza często są oznaczane jako UV-GI (ang. ultrafiolet germicidal irradiation). Szczególnie wrażliwe na działanie promieniowania UV-C są niektóre wirusy, bakterie w formie wegetatywnej, następnie ich formy przetrwalnikowe. Mniejszą podatność odnotowano w stosunku do zarodników pleśni. Ponieważ skuteczność naświetlania promieniami UV-C zależy od stopnia zapylenia powietrza, często spotykanym rozwiązaniem jest jego wstępna filtracja oraz dodatkowo montaż filtrów klasy HEPA w miejscu wylotu powietrza do pomieszczenia. Takie łączenie technik pozwala na zatrzymanie zarodników grzybów i mikroorganizmów opornych na działanie promieniowania UV-C. Ograniczeniem w wykorzystaniu tej techniki oczyszczania powietrza jest niewątpliwie wysoka szkodliwość UV-C na organizm człowieka. Ponieważ nie ma jednoznacznych wytycznych do doboru modułów UV-C – jedyny parametr to przepływ powietrza – można często spotkać się z problemami w ich użytkowaniu. Zaliczyć do nich należy m.in. dobór odpowiedniej ilości lamp w module sterylizującym czyli optymalnego natężenia promieniowania, określenie wymaganego czasu kontaktu powietrza z emitowanym promieniowaniem, ewentualną emisję ozonu jako produktu ubocznego pracy lamp. Należy podkreślić, że żarniki lamp UV-C mają określoną żywotność i powinny być okresowo wymieniane co generuje dodatkowe koszty eksploatacyjne.
Szczególnie promowaną w ostatnich latach techniką oczyszczania powietrza jest fotokataliza. Obecnie największe jej wykorzystanie to stacjonarne jednostki oczyszczaczy powietrza. Mniejsze zainteresowanie budzą wersje modułów kanałowych lub dla central wentylacyjnych. Fotokataliza to reakcja katalityczna, która polega na absorpcji światła przez substrat lub fotokatalizator. Na skutek działania promieniowania o odpowiedniej długości fali (energii), następuje fotowzbudzenie katalizatora oraz jego oddziaływanie z zaadsorbowanym reagentem w stanie podstawowym. Znajduje zastosowanie m.in. w oczyszczaniu powietrza z lotnych związków organicznych – stąd często określana jest jako proces fotokatalitycznego utleniania. Dodatkowo fotokataliza może być wykorzystana do dezynfekcji powietrza. Aczkolwiek jej skuteczność w tym obszarze jest mocno dyskusyjna.
Fotokataliza jest procesem złożonym, dlatego może wpływać na nią wiele czynników, m.in.:
– rodzaj, charakterystyka użytego w tym procesie katalizatora,
– stan powierzchni katalizatora, czyli ładunek, występujące defekty,
– stężenie i rodzaj reagentów,
– źródło światła, czyli długość fali, natężenie.
Najpowszechniej stosowanym fotokatalizatorem jest dwutlenek tytanu (TiO2), który występuje w trzech odmianach polimorficznych: anataz, brukit oraz rutyl. Charakteryzuje się m.in. niską ceną, jest nietoksyczny, ma wysoki potencjał utleniający. Na efektywność procesu fotokatalizy przy udziale katalizatora TiO2 wpływa kilka czynników. Pierwszym z nich jest rodzaj użytej w procesie utleniania odmiany polimorficznej fotokatalizatora. Najlepsze właściwości fotokatalityczne wykazuje w tym zakresie anataz.
Kolejnym parametrem wpływającym na przebieg fotokatalizy jest powierzchnia właściwa katalizatora. Adsorpcja cząsteczek usuwanych związków zachodzi na centrach aktywnych. Ich ilość z kolei zależy od tego jaką wielkość ma powierzchnia właściwa. Jednak nie powinna być zbyt duża, by nie powstawała zbyt duża ilość defektów krystalicznych, które sprzyjają zmniejszaniu fotoaktywności. Następnym parametrem, który należy uwzględnić jest kształt nanocząstek i ich wielkość. Mają one istotny wpływ na proces łączenia par elektron- dziura i zależą od ilości domieszki, która została wprowadzona do struktury dwutlenku tytanu. Ostatnim istotnym parametrem jest wpływ domieszek wprowadzanych do struktury TiO2 w celu poprawy jego aktywności w zakresie światła widzialnego tzw. dopowanie. Fotokataliza nieefektywnie wykorzystuje światło widzialne, działa jedynie w określonym zakresie fal tego światła, dlatego w komercyjnym oczyszczaniu powietrza ze względów bezpieczeństwa oraz przyczyn ekonomicznych wykorzystuje się źródła UV głównie o zakresie 315-400 nm czyli promieniowanie UV-A. Proces też nie radzi sobie z zanieczyszczeniami w formie cząstek stałych, np. sadza, pyły zawieszone. Efektywność fotokatalizy jest zmienna w czasie. Jedną z wad fotokatalizy jest zbyt długi okres kontaktu katalizatorów z substancjami, które mają być neutralizowane. Może to często skutkować zatruciem katalizatora co ma miejsce gdy substancją neutralizowaną są tlenki siarki. Dodatkowo, wysoka skuteczność tej techniki w zakresie usuwania lotnych związków organicznych i drobnoustrojów potwierdzona badaniami w komorach testowych nie jest spotykana w warunkach rzeczywistych. Przyczyną jest różnorodność zanieczyszczeń chemicznych występujących w powietrzu pomieszczeń i ich wzajemna konkurencja o miejsca aktywne fotokatalizatora. Ponadto, obawy budzi możliwość tworzenia się ubocznych produktów niepełnego procesu utleniania. Zalicza się do nich m.in. związki karbonylowe, rodniki, benzoaldehyd, aldehyd octowy i rakotwórczy formaldehyd. Powstaje on w znacznych ilościach gdy wraz z fotokatalizą stosowana jest dezynfekcja promieniami UV-C a lampy UV-A i UV-C są umieszone w tej samej komorze.
Najmniej popularną aczkolwiek niedocenianą techniką oczyszczania powietrza jest. filtracja elektrostatyczna, która stanowi wysokoskuteczną hybrydę procesu filtracji i dezynfekcji powietrza. Efektywnością odpylania nie ustępują filtrom HEPA, dodatkowo nawet obładowane pyłem nie tracą swojej skuteczności i nie generują wysokich oporów przepływu powietrza w takiej sytuacji. Zapewnia to niskie koszty zużycia energii . W Polsce filtry elektrostatyczne w oczyszczaniu powietrza w obiektach szpitalnych znane są od co najmniej dwóch dekad wykorzystywane są w boksach Meltzera, czyli salach izolujących chorych o wysokim reżimie sanitarnym. Zasada działania filtrów elektrostatycznych opiera się na wykorzystaniu zjawiska elektrostatyczności statycznej. Cząstki pyłów są jonizowane w pierwszej części filtra by w drugiej zostać wychwycone i unieruchomione na powierzchni płyt kolektora. Dodatkowo układ wyposażony jest w filtr wstępny i opcjonalny wkład z węglem aktywnym Ma on za zadanie usuniecie ozonu, który może powstawać w niewielkich ilościach podczas pracy filtra oraz obecnych w powietrzu lotnych związków organicznych. Zaletą tego rodzaju filtrów jest ich konserwacja. Metalowy filtr wstępny oraz kasety kolektora powinny być okresowo myte. Dopuszczalne jest spłukiwanie zatrzymanych pyłów strumieniem wody bez lub z dodatkiem środków myjących. Można również te elementy filtra umyć w zmywarce przemysłowej lub myjką ultradźwiękową. Po wysuszeniu filtr nadaje się do ponownego użytkowania. Oprócz wysokiej skuteczności odpylania, szczególnie w zakresie pyłów drobnych i ultra drobnych, filtry elektrostatyczne można wykorzystać także do dezynfekcji powietrza gdyż pyły stanowią matrycę do transportu bioaerozoli w powietrzu. Niewątpliwie przeszkodą w szerszym wykorzystaniu filtrów elektrostatycznych jest ich wysoka cena w porównaniu do innych typów urządzeń odpylających. Mając jednak na uwadze długość gwarancji użytkowania, prostotę w ich konserwacji, brak konieczności okresowej wymiany elementów filtracyjnych, niski pobór energii elektrycznej oraz rodzaj użytych do ich budowy materiałów warto rozważyć ich zakup.
Konieczność zapewnienia bezpieczeństwa mikrobiologicznego powietrza w obiektach szpitalnych jest kwestią bezdyskusyjną. W praktyce może jednak być to trudnym zadaniem do osiągnięcia i stanowić wyzwanie zarówno dla projektantów instalacji wentylacji i klimatyzacji, osób odpowiedzialnych za ich eksploatację jak i konserwację. Przy etapie wyboru odpowiedniej techniki oczyszczania powietrza, kryterium cenowe nie powinno być najważniejsze. Należy uwzględnić zarówno kosztochłonność utrzymania urządzeń oczyszczających powietrze w dłuższej perspektywie czasowej, ale także możliwe produkty uboczne generowane podczas działania poszczególnych systemów.
Literatura:
1. Bolashikov Z.D., Melikov A.K. 2009. Methods for air cleaning and protection of building occupants from airborne pathogens. Build. Environ. (44): 1378-1385.
2. Charkowska A. Zanieczyszczenia w instalacjach klimatyzacyjnych i metody ich usuwania. IPPU MASTA, Gdańsk, 2003.
3. Elsaid A.M., Mohamed H. A., Abdelaziz G.B., Ahmed M.S. 2021. A critical review of heating, ventilation, and air conditioning (HVAC) systems within the context of a global SARS-CoV-2 epidemic. Process Saf. Environ. Prot.(155): 230-261.
4. Ethington T., Newsome S., Waugh J., Lee L.D. 2018. Cleaning the air with ultraviolet germicidal irradiation lessened contact infections in a long-term acute care hospital. Am. J. Infect. Control. (46): 482-486.
5. Feng Z., Cao S.J. 2019. A newly developed electrostatic enhanced pleated air filters towards the improvement of energy and filtration efficiency. Sustainable Cities and Society, (49): 101569.
6. Gunschera J., Markewitz D., Bansen B., Salthammer T. 2016. Portable photocatalytic air cleaners: efficiency and by-product generation. Environ. Sci. Pollut. Res. (23): 7482-7493.
7. Kasza T., 2007. Badanie właściwości fotokatalitycznych i charakterystyka fizykochemiczna nanokrystalicznych filmów TiO2 na podłożu ceramicznym. Rozprawa doktorska, Politechnika Krakowska.
8. Mo J., Zhang Y., Xu Q., Lamson J.J., Zhao R. 2009. Photocatalytic purification of volatile organic compounds in indoor air: a literature review. Atm. Environ. (43): 2229-2246.
9. Luengas A., Barona A., Hort C. 2015. A review of indoor air treatment technologies. Rev. Environ. Scien. Biotech. (14): 499-522.
10. Poormohammadi A., Bashirian S., Rahmani A.R., Azarian G., Mehri F. 2021. Are photocatalytic processes effective for removal of airborne viruses from indoor air? A narrative review. Environ, Sci. Pollut. Res. (28): 43007-43020.
11. Vohra A., Goswaami D.Y., Deshpande D.A., Block S.S. 2006. Enhanced photocatalytic disinfection of indoor air. Applied Catalysis B: Environ. (65): 57-65.
12. Xie W., Li Y., Bai W. 2021. The source and transport of bioaerosols in the air: a review. Front. Environ. Sci. Eng. 15(3): 44.
13. Zhao J., Yang X. 2003. Photocatalytic oxidation for indoor air purification: a literature review. Build. Environ. (38): 645-654.
14. Zhong L., Haghighat F. 2015. Photocatalytic air cleaners and materials technologies – abilities and limitations. Build. Environ. (91): 191-203.