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 高级工程师, "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 样一个绝对的事实[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,非常接近灭菌最佳波长 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 世界各国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.其中最著名的研究是英国"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. 清理霉菌并防止它通过空气处理系统传播,学校每年不得不化费 8000 美元对表冷器进行清洗,但每次清洁后不久,霉菌又会重新集 聚. "安装紫外线灯之前"的对空气处理机组的采样为平均 2,087 菌 落数每毫升(cfu/ml) ,这表明空气处理系统内的霉菌增长水平很高. 相比之下, "安装紫外线灯之后"的抽样平均计数为 26cfu/ml—减少 99.8%. 这一检测结果与前述的 2003 年加拿大蒙特利尔三幢办公大楼对安装 UVC 灯前后空气处理机组表面微生物检测结果极为相似(表 2) ,许多研究给出了几乎相同的检测结果.
表7
UVGI(紫外线杀菌 照射) 关闭 微生物指标* 真菌(MEA和 Sabouraud产生的总的 CFU) HVAC(采暖,通风与空调)表面 过滤器(cfu/采样片) 冷凝水盘(cfu/采样片) 冷却盘管(cfu/采样片) HVAC(采暖,通风与空调)空气 室外空气(cfu/立方米) 回流空气(cfu/立方米) 供气(cfu/立方米) 工作地点空气中的 (cfu/立方米) 细菌(血琼脂板培养的CFU) HVAC(采暖,通风与空调)表面 过滤器(cfu/采样板) 冷凝水盘(cfu/采样板) UVGI(紫外线杀菌 照射) 开启 中值/平均值之差
3 (1–16) 3 (1–13) 3–5 (0–19) 12 (0–36) 0 (0–8) 0 (0–8) 0 (0)
2 (0–8) 0 (0–0) 0 (0–0) 14 (0–43) 0 (0–17) 0 (0–0) 0 (0–9)
1 (–2 to 3) 2 (1 to 6) 3 (2 to 5) –3 (–19 to 12) 0 (0 to 0) 0 (0 to 0) 0 (–9 to 0)
25 (5–50) 14 (2–27)
9–5 (3–18) 1 (0–3)
13 (4 to 23) 13 (2 to 19)
在密闭建筑的通风空调系统中安装 UVC 装置,减少空气微生物污染和提高空调能效已经成为美国专业领域的共识. 四.效益分析 UVGI 技术具有杀菌效果好,使用灵活,快速安装,投资少,价 格便宜,节约空调能耗,减少病状建筑物综合症,无二次污染等明显 优点和巨大的综合效益.2006 年美国著名 UVGI 专家克瓦斯基教授的"为盘管消毒和空气处理装置所用的 UVGI"的报告中对 UVGI 在 医院的综合效益给出了具体分析,表 12 为该分析的摘要.
表8
医院 1 年龄 建筑面积 注册床位 空调盘管消毒 风管处理 手术室 合计 年度费用 减少病人感染费用医院工作人员 节能 设施寿命 每年节约费用 10 年节约费用 21 年 193200SF 149 美元 38,318 美元 30,959 美元 56,000 美元 125,277 美元 20,044 美元 386,984
医院设施使用 UVGI 的成本与效益分析
医院 2 13 年 353000SF 247 美元 63,864 美元 56,565 美元 140,000 美元 260,429 美元 41,668 美元 476,703 医院 3 31 年 294619SF 228 美元 54,603 美元 47,210 美元 70,000 美元 171,813 美元 27,490 美元 418,133 医院 4 40 年 134988SF 108 美元 34,488 美元 21,631 美元 56,000 美元 112,117 美元 17,938 美元 209,807 医院 5 63 年 1000000SF 345 美元 178,819 美元 160,242 美元 224,000 美元 563,081 美元 90,089 美元 1008,305 医院 6 27 年 364400SF 401 美元 64,928 美元 58,392 美元 168,000 美元 291,320 美元 46,611 美元 740,104
减少院内感染 3%,减少住院治疗 20%,减少出勤率减少 20%, 10~14% 增加 10% 美元 388,709 美元 3,887,090 美元 478,428 美元 4,784,280 美元 419,408 美元 4,194,080 美元 211,532 美元 2,115,320 美元 1023,305 美元 10,233,050 美元 741,379 美元 7,413,790
以上医院设施使用 UVGI 的成本与效益分析未包括节约处理医院工作人员感染,治疗和缺勤带来的综合经济损失, 但列出的年度节约费用已经非常惊人. 荷兰 Twente 大学 Doree 教授对一个有 1112 名员工的商用建筑采用 UVGI 效益分析表明, UVGI 减少了病状建筑综 合症带来的生病和缺勤损失,每年节省了 858,971 欧元.
UVGI 空气杀菌技术很大程度上在医院和食品领域可部分替代, 简化或加强传统洁净过滤空气技术.例如,F9 过滤器可将难以杀灭 的细菌芽孢阻挡,再结合 UVGI,可达到与高效过滤相同的空气微生 物洁净效果,投资和能耗比单纯使用高效过滤技术明显降低. 表 9 是采用 F9 过滤和 UVGI 杀菌的骨髓移植病房系统和传统高 效过滤洁净系统的投资与运行费用比较.
由于采用滤除技术的空气洁净无菌技术, 需要采用复杂的技术手 段,如高换气次数,高风压,和层流或乱流的送回风气流组织来稀释 或"活塞效应"的置换作用,带出有尘粒和微生物的污染空气,实现 房间空气无尘无菌双指标合格,结果造成其采用的空气处理机组,电 机功率,风管尺寸,对层高和机房的要求均比传统的通风空调系统大 得多,自动控制复杂,投资费用和运行能耗增加.洁净系统加大电机的功率又增加了制冷量负荷, 并产生了额外的电气增容费用和制冷机 组费用.例如,一个 20m2 病房采用传统的空调系统,送风量仅为 600m3/h.但要达到 100~10000 级空气洁净的同面积同高度病房,送 风量将高达 18000m3/h(100 级)~1500m3/h(10000 级) ,投资和运 行费自然大大增加. 空气过滤除尘除菌技术最终实现的是无尘和无菌 二个指标的空气洁净环境, 其费用必然大于只需要实现空气无菌一个指标的空气灭菌技术. 五.UVGI 与高效空气过滤除菌技术比较 UVGI和高效过滤是目前最广泛使用的空气动态持续除菌技术. 高效过滤技术通过滤除将微生物颗粒阻挡在过滤器的进风面, 保证所 控制环境的空气卫生.UVGI技术在原理上与过滤技术完全不同,它 通过紫外线光辐射杀灭微生物从而达到控制环境的空气卫生. 高效过滤除菌技术是一种成熟的除菌技术,已经广泛使用在医 药, 医院, 食品和其他生物科技领域. 任何技术都有它的优势和劣势, 要依据具体情况,具体分析和应用.从空气卫生的目的看,杀菌技术
是达到空气卫生目的最直接有效技术. 高效过滤除菌技术是一种间接 达到空气卫生的技术,存在 3 个较为明显的缺点: 1)空气经过高效过滤器处理后,洁净空间内依然会有无数的小 粒径微尘气溶胶存在,这就意味着可能存在粒径类似的微生物气溶胶.洁净技术的国际标准 ISO14644 规定(表 1),对于 1000 级(ISO6 级)洁净室,允许的≥0.01 微米的尘粒高达 100 万粒/m3,对于 10000 级 (ISO7 级) 洁净室中的≥0.01 微米的尘粒则达到了目前无技术手段可 检测的无法计数状态. 表 10
图3
空气污染微粒尺寸图
表7
微生物气溶胶尺寸图
病原体
单个粒径 (m)
常见菌种
病毒 细菌 真菌
0.003~0.06 0.4~5 2~10
麻疹,流感,天花,AIDS 肺结核,炭疽,肺炎,喉炎 廯,曲霉菌
考虑到许多病毒微粒的粒径为 10~50nm(0.01~0.05 微米) ,如诺 瓦克病毒,肝炎病毒和流脑病毒等,远小于传统高效过滤器有效控制 范围(≥0.3 微米的微粒粒径),有理由怀疑高效过滤器能否有效地滤 除全部对人体有害的空气微生物.对于高效过滤器滤除微生物的效率,缺少充分的相关研究,已有的研究(表 8)表明,从生物研究角度看,泄露量是可观的,足以造成破坏性结果.这可能也是为什么高 度危险生物安全实验室要采用二级 H14 高效过滤的原因之一. 表8 研究者
Roelants(1968)
过滤器类型 HEPA
微生物
S1 型 S.virginiae 菌的放射线噬 菌体
去除率(%) 99.997
Washam(1966)
HEPA HEPA
B 型大肠杆菌
99.9915 99.998
Thome(1960)
口蹄疫病毒
世界医学界普遍认可的微生物杀灭标准是 Log-6,既每 100 万个微 生物(cfu),经过灭菌处理后,只允许存活 1cfu, 2 个以上为不合格. 因此, 依据这一原则,以上看似不错的除菌效率,对 100 万同类微生物的过 滤后泄露量分别为 30cfu,85cfu 和 20cfu,属于灭菌不达标.在生物 研究和生产过程中,一次性产生高浓度微生物气溶胶的可能性存在, 需要使用更好的空气微生物去除技术,以保证生物安全. 除了细菌空气指标外, 至今国际组织和各国还未有标准来评判标 准洁净空间可能存在的基础微生物气溶胶含量指标, 包括霉菌, 真菌,
芽孢和病毒.此外,被高效过滤器滤纸隔离的致病微生物,并没有被 灭活,存在成为潜在污染源的可能.例如高效过滤器滤纸因老化,腐 蚀或压差等原因出现微孔破裂,在实际应用中这是经常发生的.澳大 利亚动物研究所报道高效过滤器的使用故障率可达到 18.4%. 某些可引起人类疾病的有害微生物剂量是很小的,几个到几十个 CFU 就足以感染甚至死亡(表 9) ,因此需要重视在生物安全和医院 领域应用高效过滤技术的安全保障措施. 表9 病原体
嗜肺军团菌 埃博拉病毒 甲型流感病毒 拉莎热 结核杆菌 委内瑞拉马脑炎病毒 鼠疫耶尔森氏菌
50%人群感染剂量 感染剂量 ID50
<129 <10 <20 <15 1~10 1 <100 1~60 0.5 10~50
(CFU)
死亡率%
39~50 50~90
2)采用高效过滤的洁净空气系统的建设投资和运行成本太高, 额外产生的高额空气净化费用难以实际摊派到医疗费中, 医疗收费与 成本倒挂,造成医院贴钱,投资和运行费无法回收,病人又无力负担 的恶性循环局面. 3)高效过滤洁净系统维护技术水平要求高,每年均需要检测房 间洁净度,室内压差检测调整,风量校正和过滤器扫描检漏等.医院 的维护水平很低,除了细菌检查,几乎没有任何与"洁净"有关的年 度检测检查,一直用到高效过滤器变黑破漏,细菌指标严重超标,才 不得不联系专业公司,查找原因,更换过滤器.图 6 是一著名省级医 院使用了 6 年仍在继续使用的已变黑破损过滤器照片,这一对洁净过 滤系统无任何维护和检验检测的现象在我国医院普遍存在.
图4
仍在使用的完全变黑的高效过滤器
2002 年我国颁发了"洁净手术部建筑技术规范" ,明确规定手术 室要采用以空气过滤技术为核心的洁净技术, 实现空气的尘粒数和细 菌总数双达标的要求.对于医院的其他有严格无菌要求的部门,如骨 髓移植病房, 重症病房和烧伤病房等目前没有具体的空气净化的建筑 技术规定. 但是, 许多医院照搬了洁净手术部的过滤净化技术的标准, 按双指标控制建设了 100 级洁净病房,洁净 ICU 和洁净实验室.目 前, 欧洲发达国家新规范取消了医院包括手术部大部分范围设置高效 过滤洁净系统的要求.如德国的医院通风空调规范 DIN1946-4,2008 最新标准,正式取消了原标准对除手术间外其他医院区域包括 ICU, 保护性隔离病房和辅助房间设置高效过滤的规定, 用二级中效过滤取 代高效过滤.对无菌要求最高的保护性隔离病房,如骨髓移植,其规 范也只是提出至少安装二级过滤,最好安装高效过滤的非强制性规 定.我们应当认真思考医院洁净系统的发展方向,反思建设医院净化 系统的科学依据,投资,效益和节能管理. 美国堪萨斯大学 2008 年发表的对 UVGI 应用的评估报告中提出: UVGI 技术与过滤技术结合可以提高和确保灭菌效率.与 F7~F9 过滤技术结合的 UVGI 系统可以达到与采用高效过滤器系统的同等 的除菌效果,结果减少了能耗.表 10 是广东省 CDC 对一间无任何过滤装置, 只安装了 UVGI 装置的烧伤病房动态状态下的空气微生物含
量测试.结果表明尽管 36m2 房间内有多名病人与家属,空气细菌浓 度由未安装前的 814cfu/m3 的严重超标状态减少到 138cfu/m3 的良好 空气卫生状态. 比较我国卫生部对烧伤病房的空气静态细菌数指标为 ≤200cfu/m3,洁净手术部建筑技术规范内对三级洁净度附房静态空气 细菌指标≤150cfu/m3,佛山某医院空气动态 138cfu/m3 的检测数据表明没有任何过滤装置的 UVGI 的空气灭菌能力完全达到了我国的医 院空气卫生标准. 表 10
医院空气无菌要求最高的部门是骨髓移植病房, 任何致病微生物 或正常情况下不致病的微生物均可能引起骨髓移植病人的感染或死亡.我国目前采用 100 级洁净室来收治这类病人. 荷兰的 Utrecht 市大学医学中心儿童骨髓移植病房,病房尺寸为 4(长)x 3(宽)=12m2;房间净高 2.3 米.采用了 2 个 UVGI 装置,一个装 在送风管道上,一个室内循环使用,换气次数为 21.7 次.2007 年 3 月的检测表明(表 4) ,室内空气的静态无菌指标为 0CFU/m3,动态 空气无菌指标 6CFU/m3,明显优于 100 级病房我国卫生部消毒规范 静态无菌指标. 表 11
表 12 是 1991 年英国骨关节外科杂志刊登的瑞典医院医学研究人员对采用高效过滤垂直流关节置换手术室使用单独净化空气, 单独使 用隔离防护服, 单独使用紫外线和相互组合使用时手术中的空气含菌
浓度研究.
表 12 紫外线照射(UVC)空气中的细菌数量以及在查理豪沃斯(CH)箱罩 内使用或不使用密封衣(CLOTH)比较 空气中细菌 CFU/m3 中心 周边 SD 平均数 减少 % 平均数 7.67 0.27 -0.07 3.21 0.28 58 0.05 2.96 0.47 61 1.81 0.47 1.17 93 1.27 5.91 0.32 22 9.69
1vs2, p<0.01 3vs4, p<0.01 4vs5, p<0.01 3vs5, p<0.01 1vs2, p<0.10 3vs4, p<0.01 4vs5, p<0.001 3vs5, p<0.001
序号 方法 1 CH 2 CH+CLOTH 3 UVC 4 UVC+CLOTH 5 CLOTH 统计显著性分析
数量 14 9 30 30 30
SD 0.37 0.24 0.27 0.34 0.29
CH --垂直流围挡式洁净环境 UVC—紫外线照射 CLOTH—隔离防护服
研究结果表明: 单独使用垂直流空气净化的手术中空气细菌数为 7.67cfu/m3;仅使用隔离防护手术服,不使用垂直流空气净化,手术中 空气的细菌数 5.91cfu/m3,比单独使用垂直流空气净化的手术中空气细菌数减少了约 23%;单独使用紫外线比单独使用垂直流空气净化, 手术中空气细菌数减少更多, 仅为 2.96cfu/m3,减少了 61%; 不使用垂 直流空气净化,但组合使用紫外线和隔离手术服,手术中的动态空气含菌浓度更为显著降低,仅为 0.47cfu/m3,减少 94%. 2007 年美国骨关节外科杂志刊登了美国印地安纳州佛郎斯医院同 一手术组人员 19 年对在同一层流手术室进行骨关节置换手术中,使 用紫外线照射手术间或不使用紫外线进行了研究,结果表明在合计 5980 例骨关节置换手术中,不使用紫外线照射时手术的感染率为 1.7%,使用紫外线后,感染率降低到 0.57%(P=0.0001),具有重要的统计 差别意义. 这一结果与前面的瑞典医院人员得出的使用紫外线空气含 菌数比层流空气含菌数的大大减少的结论互为验证. 这一结果也证明 了层流空气无法解决由手术室内部手术人员产生的手术区空气细菌 污染和切口细菌污染,而采用隔离防护服和紫外线照射则大大降低了 手术区的空气污染和带来切口细菌污染减少,进而明显减少手术感 染. 以上四个采用 UVGI 空气杀菌的应用实例证明了 UVGI 完全可以 达到甚至超过洁净过滤技术所达到的空气微生物控制指标. 医院空气卫生最主要的目的是预防感染和传染疾病. 引起感染和 疾病的原因是微生物而不是建筑物内自然存在的气溶胶尘粒. 如果对 医院空气卫生采取双指标控制,过分强调了高效过滤洁净技术的应
用, 不利于 UVGI 等直接空气杀菌技术或其他空气除菌新技术的应用和发展, 也不符合我国绝大多数乡镇医院经济实力和医院绝大多数部 分区域没有必要和可能安装高效过滤洁净系统的现实. 空气洁净过滤 技术是实现空气无菌卫生的一种间接手段,但不是唯一手段.如前所 诉,有多种技术可实现空气除菌,也将会有新的空气杀菌技术产生, 至少我们应该在立法上给予新的空气杀菌技术的应用空间. 空气尘粒 指标只是一个过程指标,一个技术手段,目的是满足医院空气的细菌 标准. 如果把某一动态除菌技术的过程指标与空气卫生目的指标同时 作为行政控制指标,会限制目前世界范围内主流空气杀菌技术的应用. 在绝大多数情况下, 引起医院感染事故的是微生物, 而不是灰尘. 医院需要控制空气达到无菌卫生指标而不是洁净指标 (无尘和无菌二 个指标) .少了一个控制指标,其处理技术手段就简单了.通过灭菌 达到空气无菌的 UVC 杀菌技术,它不需要采用特别的层流或乱流的 空气气流组织来稀释或推出无菌的乱流尘粒, 因为自然存的室内外空 气灰尘气溶胶及其自然流动并不影响人类的健康.所以,采用空气灭 菌技术实现空气无菌, 投资和运行费就比我国医院目前采用的过滤除尘除菌洁净技术大大降低.
结束语 审慎地建设医院洁净系统和采用空气灭菌新技术, 将大大降低医 院建设投资和重要减少运行费用. 在我国,2002 年颁发的<>的行政指导作用,造成许多人认为似乎只有采用高效过滤空气洁净技术,才能 解决医院的空气卫生问题, 在一定程度上制约了其它空气除菌技术应 用. 国外和广东省 CDC 的检测,证明了 UVGI 灭菌管技术是一项重 要的空气消毒技术,它价格便宜,安装简便,不占空间,能耗低,灭 菌效果显著,无臭氧产生,可与中效过滤器组合使用,达到与高效过 滤器同样除菌效果,或与高效过滤器组合使用,构成更高无菌标准空气 无菌系统.这项技术还可以广泛应用到民用建筑和食品工业,改善空 气品质和减少病状建筑物综合症. 我国是发展中国家,全民医疗保健事业还很不完善,国家财力有 限,缺口很大.2007 年全国卫生机构总数达 31.5 万个,其中医院, 卫生院 6.0 万个,医疗机构床位总数达 395.4 万张.按每 50 个床位一 个手术室计算,共需 79000 间手术室.按仍有 50%的手术室需要对空 气无菌系统改造,若采用独立空气处理机组高效过滤无菌系统,每个 手术间及辅助净化区至少需要投入 200000 元,共计 79 亿元;若采用
新风风机盘管空调加紫外线杀菌净化系统,造价可减少 50%,共计 39.5 亿元.如果医院的重病监护病房,烧伤病房,儿科病房,消毒 供应室等也要采用高效过滤洁净系统, 国家用于医院空气净化的投资 将超过 190 亿以上.以上的估算未包括建筑层高的增加,设备层的设 置所增加的费用和每年净化系统的年复一年的高额运行费用.所以, 采用紫外线空气净化技术后,不仅效果更好,更经济,乡镇医院用得起,还将给国家节约至少几十亿元的投资,节约的投资可转到用于更 急需更必要的医疗卫生项目.中商情报网报道今后 10 年我国的医疗 市场将快速发展, 大病统筹医疗市场容量未来 10 年将面临 15 倍以上 的扩容速度,也就是对空气无菌项目的投资也将成倍增长,前述的节 约几十个亿只是最保守的估计.所以,紫外线杀菌技术的应用不仅仅 是技术和学术层面的问题,关系到国家的医疗卫生方针制定,同时也 是重大的经济和效益问题.