东北农村居住建筑冬季室内空气污染研究

白 莉，李春辉，贺梓健，陈琬玥

吉林建筑大学 市政与环境工程学院,长春 130118

0 引言

室内空气质量(Indoor air quality,英文缩写为IAQ)影响着人体健康和工作效率[1],包括含氧量、甲醛含量、二氧化碳含量、水汽含量和颗粒物含量等.美国在20世纪70年代开始关于室内空气污染方面的研究[2].加拿大卫生组织有关文献认为,人类疾病中有68 %是室内空气污染造成的[3].近年来，我国关于室内空气污染的研究得到迅速发展,研究成果多以城市为主,随着人们环保意识增强及对空气污染关注的不断深入,农村IAQ问题逐渐凸显出来.事实上,农村居住建筑室内空气污染比城市更加严重[4],主要是由采暖、炊事、人员密集和吸烟及农耕、秸秆燃烧等室外空气污染造成的[5].由于农民生活习惯和条件的限制,一般家庭没有空气净化装置,室内空气污染物只能通过无组织扩散或以自然衰减的方式降低浓度.本文通过连续监测冬季东北农村居住建筑室内空气污染物浓度,探索其污染主要影响因素和变化规律,为农村室内空气质量的改善和污染控制提供依据和建议.

1 研究对象及方法

吉林省是全国重要的商品粮基地之一,长春市双阳区(原双阳县)粮食种植以玉米为主,粮食总产量约为60万吨/年,玉米产量约占83 %,水稻产量约占总产量的17 %[6];吉林市永吉县是全国水稻种植之乡,粮食总产量约为80万吨/年,其中玉米产量占69 %,水稻产量约占31 %[7].双阳县和永吉县是粮食高产区,经济发展处于中等偏上水平,秸秆资源丰富,当地农民炊事、采暖以秸秆为主导燃料.为使研究具有典型代表性,分别在长春市双阳区新安镇马场村和吉林市永吉县万昌镇裴家村等2个自然村选取4位农户和2个小超市为测试对象进行连续3 d的实时监测.测试对象自然状况见表1.

表1 测试对象自然状况Table 1 The natural condition of the test object

每个测试农户建筑平面图及测试仪器布置情况如图1所示,其测试点均选取在大厅.

(a) 1#,4#农户(a) Peasant household 1#,4#

(b) 6#小超市(b) Small supermarket 6#

(c) 2#,5#农户(c) Peasant household 2#,5#

(d) 3#小超市(d) Small supermarket 3#

为降低测试数据的误差,避免气流扰动对测试数据的干扰及污染物浓度的影响,在每个测试房间不同位置分别放置4台便携式空气质量检测仪实时监测细颗粒物(PM 2.5)、甲醛(HCHO)及二氧化碳(CO2)的质量浓度变化.为保证监测数据的准确性和可靠性,在监测现场同时放置1台LD-6SR激光粉尘检测仪和1台英国PPM-HTV甲醛测试仪(见图1)用于校准便携式空气质量检测仪的测试数据.图2为便携式空气质量检测仪、图3为LD-6SR激光粉尘检测仪和图4为PPM-HTV甲醛测试仪现场测试实物照片.

(a) 空气质量检测仪(a) Air quality detector

(b) 监测界面(b) Monitoring interface

图3 LD-6SR激光粉尘检测仪实物照片Fig.3 Real photo of LD-6SR laser dust detector

图4 PPM-HTV甲醛测试仪实物照片Fig.4 Real photo of PPM-HTV formaldehyde tester

2 空气污染物及其危害

2.1 PM 2.5

PM 2.5是指大气中直径小于或等于2.5 μm的细颗粒物,亦称可入肺颗粒物.PM 2.5严重影响着人体健康,能进入鼻腔,使人易患心脑血管疾病和呼吸系统疾病[8],当PM 2.5浓度每上升10 μg/m3,这两种疾病的死亡率分别增加9.3 %和13.5 %[9].目前PM 2.5已成为大气环境中的首要污染物,引起了世界各国的关注[10].我国《环境空气质量检测》(GB 3095-2012)[11]规定,室内PM 2.5在24 h内日平均浓度限值为75 μg/m3.

2.2 二氧化碳

二氧化碳(CO2)是自然界中一种常见的气体.美国ASHRAE的相关研究表明,当室内CO2浓度达700 ppm时，室内空气污浊会引起人的不舒适感;当CO2浓度达到1 000 ppm以上时,会使人产生困顿感，如果人处于5 000 ppm CO2高浓度环境连续超过8 h,则将会严重损害人的生命健康[12].据我国有关文献报道,当CO2体积分数达到0.1 %时,人会产生疲劳感,较多的人感到不适;当CO2体积分数达到2 %时,空气质量差,室内细菌总数多;当CO2体积分数达到3 %时,无意识地呼吸次数增加;当CO2体积分数达到4 %～5 %时,出现局部刺激症状和呼吸量增加;当CO2体积分数达到8 %～10 %时,会产生呼吸困难、全身无力和意识不清等明显症状;当CO2体积分数达到20 %时,会引起死亡[13-16].CO2来源很多,主要有人的呼吸(人口的密集)、烹饪、燃料燃烧等.我国《室内空气质量标准》(GB/T 18883-2002)[17]规定,CO2质量浓度限值为1 000 μg/m3.

2.3 甲醛

甲醛(HCHO)是一种无色、能与水(乙醇、丙酮)等有机溶剂按任意比例混溶、具有刺激性气味的有害气体,室内空气中的HCHO主要来源于室内装修使用各种含甲醛的粘合剂.据有关资料报道,装修后甲醛的超标率高达83 %[18].另外,日常生活中的各类生活用品、各类燃料燃烧产物中也含有甲醛[19].当室内甲醛超标时,会引起疲劳、恶心、眼鼻喉刺激和皮肤干燥瘙痒等显著症状;当吸入高浓度甲醛时,会引起急性中毒[20].长时间接触甲醛,会导致细胞中的蛋白质发生不可逆凝固反应从而大大地提升了致癌几率[21].我国《室内空气质量标准》(GB/T 18883-2002)[17]中规定,甲醛的质量浓度限值为0.08 mg/m3.

3 数据整理

3.1 典型时段的选取

按当地农民的自然生活习惯,一般每天采暖和烹饪各两次,烹饪的同时伴随着采暖,上午7∶00～12∶00和下午14∶00～19∶00等两个时段测试数据对研究更有典型代表意义.因此，本文主要针对这两个时段的测试数据进行整理.

3.2 农户空气PM 2.5浓度变化曲线

根据实时监测数据,分别绘制出1# ～ 6#等6个测试对象在7∶00～12∶00和14∶00～19∶00等2个时段内的PM 2.5浓度变化曲线,如图5～图6所示.

图5 7∶00～12∶00时PM 2.5浓度变化曲线Fig.5 Variation of PM 2.5 concentration from 7∶00 to 12∶00

图6 14∶00～19∶00时PM 2.5浓度变化曲线Fig.6 Variation of PM 2.5 concentration from 14∶00 to 19∶00

3.3 农户空气CO2浓度变化曲线

根据实时监测数据,分别绘制出1#～6#等6个测试对象在7∶00～12∶00和14∶00～19∶00等2个时段内的CO2浓度变化曲线,如图7～图8所示.

图7 7∶00～12∶00时CO2浓度变化曲线Fig.7 Variation of CO2 concentration from 7∶00 to 12∶00

图8 14∶00～19∶00时CO2浓度变化曲线Fig.8 Variation of CO2 concentration from 14∶00 to 19∶00

3.4 农户空气HCHO浓度变化曲线

根据实时监测数据,分别绘制出1# ～ 6#等6个测试对象在7∶00～12∶00和14∶00～19∶00等2个时段内的HCHO浓度变化曲线,如图9～图10所示.

图9 7∶00～12∶00时HCHO浓度变化曲线Fig.9 Variation of HCHO concentration from 7∶00 to 12∶00

图10 14∶00～19∶00时HCHO浓度变化曲线Fig.10 Variation of HCHO concentration from 14∶00 to 19∶00

4 数据分析

4.1 PM 2.5的变化规律及影响因素

对比分析图5和图6曲线,并结合测试数据,可以看出,火炕(烧秸秆)的农户PM 2.5最大值为1 334 μg/m3、最小值为138 μg/m3、平均值为762.42 μg/m3;小锅炉(烧煤)的农户PM 2.5最大值为73 μg/m3、最小值为56 μg/m3、平均值为50.57 μg/m3; 火炕(烧秸秆)的小超市PM 2.5最大值为1 387 μg/m3、最小值为210 μg/m3、平均值为888.76 μg/m3; 小锅炉(烧煤)的超市PM 2.5最大值833 μg/m3、最小值为113 μg/m3、平均值为761.50 μg/m3.

火炕(烧秸秆)的农户PM 2.5平均浓度约为小锅炉(烧煤)PM 2.5平均浓度的15.08倍; 火炕(烧秸秆)的超市PM 2.5平均浓度约为小锅炉(烧煤)PM 2.5平均浓度的1.18倍.

农户产生较高的PM 2.5浓度主要是由燃烧燃料炊事和采暖造成的,以秸秆为燃料的农户PM 2.5浓度始终超标.秸秆燃烧一般是在灶台的灶坑内进行的,所产生的烟气大部分随烟道排出,但会有一部分残留于室内,伴随人员活动和气流的扰动,室内污染物的浓度迅速增加，同时秸秆易碎多尘,在搬运过程中,也会产生大量的飞尘.而对烧煤炊事、采暖的农户,烧煤的小锅炉一般设在单独房间内,烟气并不直接与室内相通,所以给室内空气带来污染量明显减少.

小超市室内空气PM 2.5浓度超高主要是由于人们吸烟和烧秸秆导致的.按东北农村生活习惯,小超市也是农民劳动之余文化交流和娱乐的场所,人员密集度较高,大部分农民又都持续吸烟,吸烟成了室内空气污染的主导因素.尽管小锅炉烧煤炊事、采暖产生的空气污染远小于火炕烧秸秆,但烧煤小超市的空气污染仍十分严重.

4.2 CO2变化规律及影响因素

图7为7∶00～12∶00 CO2的变化曲线,图8为14∶00～19∶00 CO2的变化曲线.由图7和图8数据对比可知,火炕(烧秸秆)的农户CO2浓度最大值为2 249 μg/m3、最小值为384 μg/m3、平均值为1 449.52 μg/m3;小锅炉(烧煤)的农户CO2浓度最大值为931 μg/m3、最小值为324 μg/m3、平均值为675.92 μg/m3; 火炕(烧秸秆)的小超市CO2浓度最大值为2 572 μg/m3、最小值为586 μg/m3、平均值为1 671.71 μg/m3;小锅炉(烧煤)的小超市CO2浓度最大值1 754 μg/m3、最小值为276 μg/m3、平均值为978.39 μg/m3.火炕(烧秸秆)的农户CO2平均浓度约为小锅炉(烧煤)CO2平均浓度的2.15倍;火炕(烧秸秆)的超市CO2平均浓度约为小锅炉(烧煤)CO2平均浓度的1.71倍.

人员密集是CO2浓度升高的最重要影响因素.人员密集直接导致室内CO2浓度迅速升高,并且人员越多,CO2浓度上升越快.小超市作为农民文化交流和娱乐的场所,伴随着人员的持续进出,导致室内空气污染物浓度升高.

4.3 HCHO变化规律及影响因素

图9为7∶00～12∶00 HCHO变化曲线,图10为14∶00～19∶00HCHO变化曲线.由图9和图10可知,农户和小超市的HCHO浓度均变化不大,平均值均在标准浓度0.08 mg/m3之下,室内HCHO浓度基本达标.

5 结论与建议

(1) 小锅炉(烧煤)采暖和炊事相对于火炕(烧秸秆),室内空气污染物浓度降低十几倍,同时小锅炉要设在单独房间内,卫生条件提高,建议东北农村逐渐减少大灶烧秸秆采暖及炊事的用能方式,大力推广清洁能源利用;对秸秆产量大、并仍以秸秆为主要燃料的地区,应将秸秆打捆、压缩成块,避免搬运过程中产生大量的飞尘.

(2) PM 2.5随烧秸秆和吸烟的程度而变化,应适当通风或在室内添置空气净化器,以达到改善室内空气质量的目的.

(3) 农村居民的生活习惯需要改变,在室内要少吸烟且要养成经常通风换气的良好习惯,以减少室内污染,降低患病风险.