紫外線照射空氣殺菌技術與控制病狀建筑物綜合癥和醫院感染 徐火炬* 一.空氣微生物污染的危害 21 世紀的今天,經空氣傳播的疾病仍然是人類健康最大的殺手. 歷史上的鼠疫,西班牙流感曾經造成了數千萬人的死亡.2003 年爆 發的 SARS,遍及到全世界 34 個國家和地區.SARS 期間,公共建筑的密閉建筑的中央空調幾乎被全部關閉, 國家緊急出臺空調衛生管理 的條例與規范.SARS 給人類的生命安全和經濟帶來了巨大的損失. 5 年過去了,人們似乎淡忘了空氣微生物污染的嚴重危害,越來越多 的密閉中央空調建筑,在控制空氣微生物污染方面,幾乎與 6 年前沒 有多少改進. 2004 年春季,衛生部組織對全國 30 個省,自治區,直轄市的 937 家賓館飯店,大型商場,超市的中央空調系統衛生狀況進行了抽 檢,其中近 50%的中央空調系統屬于嚴重污染程度,合格的僅占抽檢 總數的 6%.集中空調風管內的積塵量達到 20 g/m2 以上的占 90%, 50 g/m2 克以上的占 57%,達到 486 g/m2;集中空調風管每 g 積 塵中細菌總數 10 萬個以上占 80%, g 積塵中細菌總數達到 277 每 萬個;集中空調風管每 g 積塵中真菌總數 10 萬個以上占 73%,每 g 積塵中真菌總數達到 480 萬個,也就是說中央空調在吹臟風. 2009 年 3 月 14 日中新社報道:一項統計數字顯示,中國每年由 室內空氣污染引起的超額門診數二十二萬人, 超額急診數四百三十萬人,超額死亡數達十一點一萬人.肺癌發病率以每年百分之二十六點 九的驚人速度遞增. 美國國家職業安全與衛生研究所(NIOSH)曾評估過 529 個建筑存 在空氣質量問題. 其中 280 座建筑物通風不合格, 占調查總數的 53%, 而建材污染僅為 21 座占 4%, 可見空調系統對室內空氣的污染充當了 重要角色,這就完全違背了設置空調的目的. 一項分析報告顯示,美國的120萬商業建筑中有2500萬工作人員 患"不良建筑物綜合癥", 世界衛生組織2002年公布的報告中,已將其 與高血壓,膽固醇過高癥,肥胖癥等一起列入了人類健康的10大殺手 黑名單之中.據 加 拿 大 聯 合 工 會 調 查 , 由 于 辦 公 室 空 氣 污 染 ,使 4萬 名 工 作 人 員 每 年 至 少 減 少 10萬 個 工 作 日 .美 國 一項研究表明,每年因此而造成的損失使美國全年國民 生 產 總 值減 少 100億 美 元 . 大多數發生在這些建筑物中的員工身體上的被稱為非特定建筑 3 2 2,3 物相關的疾病 或者癥狀 仍然無法解釋 ,但是證據表明建筑物空調系統的微生物污染起著一部分作用..橫截面研究一直始終如一地探
測到這些癥狀在有空調的密閉建筑物中工作的員工中發病率增加 . ----------------------------------------------------------*徐火炬 高級工程師, "全國潔凈室及相關受控環境"標準化委 員會委員,"潔凈與空調技術"雜志編委 一些研究報道:細菌,真菌和原生動物在寫字樓內的空氣冷卻裝 置, 空調冷卻盤管7,8和凝結水盤7,9中生長旺盛. .微生物污染已經導致 , 鼻炎,濕熱,哮喘,過敏性肺炎和比德熱的爆發8 10–14..
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目前, 對長時間暴露在空氣中的病毒感染 (傳染性) 還所知甚少; 不過,這并不一定意味著HVAC(采暖,通風和空調)系統能夠被排除在可能的傳播路徑之外.例如,諾瓦克(Norovirus,一個重要的腸胃 炎病毒)就有高度的環境穩定性和傳染性,其感染劑量在10 ~ 100微 粒之間 .通過HVAC(采暖,通風和空調)系統傳播病毒似乎是可 以想象的,尤其是在循環流空調系統中[5]. 按照 Allgemeine Ortskrankenkasse(AOK) (德國最大的健康保險公司)報道每年有 250 萬例呼吸道疾病,并導致 2500 萬天的病假這 樣一個絕對的事實[4],則有可能證明是否病毒媒介是通過 HVAC(采 暖,通風和空調)系統傳播的. 人們早已認識到空氣微生物污染是醫院獲得性感染 (nosocomial disease)和病狀建筑綜合癥(SBS)的原因之一,但直到目前為止, 對于空氣微生物污染危害的嚴重性以及如何有效地控制空氣微生物污染,既沒有統一的認識又缺乏大規模應用所必須的技術標準支持. 國際室內環境與空氣品質組織認為: 在對醫院護理建筑的空氣品質重 要性的認識上,存在缺乏重視,不應該的忽視,甚至頑固的輕視態度 (2003) . 2005 年全國醫院感染調查顯示, 我國醫院感染發生率大約為 5%. 在 2007 年度醫院感染控制學術會議上,衛生部醫政司有關負責人指 出,醫院感染已嚴重影響醫療質量,每年都會造成巨大的經濟損失和 醫療資源浪費. 因此, 重視和改善公共建筑, 醫院和病人護理建筑的空氣微生物 污染, 加快研發和使用可有效控制HVAC系統空氣致病微生物繁殖和 擴散的動態殺菌技術, 制定設計指南和標準, 是關系到國民經濟發展 和人類健康的重要任務. 二.目前的空氣除菌潔凈技術 有多種技術可實現空氣動態的除菌潔凈技術,包括高效過濾,靜 電過濾,離子空氣,紫外線,光催化氧化等. 高效空氣過濾除菌技術廣泛地應用到電子,醫藥,醫院手術室和 無菌病房,效果確定.但空氣凈化設施在許多情況下需要建筑技術層
或機房,復雜的建筑設施處理,高額的投資,高能耗,維護技術水平 要求高,運行費昂貴和維修成本,使得空氣過濾技術難以普及應用. 即便是世界發達國家, 也沒有在健康領域普及采用高效空氣過濾技術 來保持空氣衛生, 更沒有以法規的形式強制規定必須采用高效過濾器來實現空氣衛生.如德國在 2002 年起已經開始取消醫院手術部全部附房設置高效過濾器的規定,甚至對手術間內,也劃分出普通空調區 和無菌保護區[7]. 2008 年 12 月頒發的新的德國醫院與房間的通風空 調規范(DIN1946-4,2008) ,依據幾十年對空氣污染與醫院感染的聯 系的研究和實踐,正式取消了包括手術部附房和 ICU 設置空氣高效 過濾器的規定.2007 年修訂再版的美國制冷通風與空調設計手冊給 ,在這個標準中醫院只有 出了最新的美國醫院空氣過濾標準(表 1) 三種手術需要高效過濾, 其他醫院區域采用中效或初效過濾就可達到 空氣衛生要求. 表1
離子空氣除菌技術產生的正負氧離子具有很強的氧化性, 能在極 短的時間內氧化,分解甲醛, 氨, 硫化氫等污染因子,且在與 VOC 分 子相接觸后打開有機揮發性氣體的化學鍵,經過一系列的反應,最終 生成二氧化碳和水等穩定無害的小分子.同時,帶電離子可以吸附大
于自身重量幾十倍的懸浮微生物顆粒,靠自重沉降下來,從而清除空中懸浮微生物膠體,達到清新空氣的目的. 研究表明,離子空氣主要作用是改進空氣品質,降低 VOC 濃度. 對除菌和減少呼吸道疾病的傳播具有一定的作用, 不過這種作用在某種程度上取決于疾病的類型, 并且會受到空氣相對濕度的影響 (estola et al.,1979) . 靜電過濾除菌技術有與離子空氣類似的技術,通常應用在工業上 需要控制粉塵和其他較大微粒的場合,但是他們對于小微粒的吸附效 率并不高.雖然一些小型的商業設備用來吸附煙氣,但對與消除空氣 中病原體的能力知之甚少. 光觸酶氧化除菌技術是近十年發展起來的技術, 它通過光的催化 作用,使得二氧化鈦等半導體材料產生正電穴與電子,與空氣中的水 分 HO2 和氧分子 O2 進行催化反應后, 產生氫氧自由基和氧離子, 進而分解細菌, 達到殺菌抑制的目的. 但是, 這一光催化殺菌過程漫長, 未有短時間殺菌效果的報道.現有的測試表明,需要很長時間許多次 空氣循環(如 24 小時),才能達到我國 CDC 規定的消毒產品必須達到 的 99.9%的殺菌率.而且這一類商業產品往往組合高性能空氣過濾器 和紫外線燈,不能確定究竟是紫外線燈,過濾器還是光催化材料在空氣 殺菌中起到主要作用.對于對空氣微生物有很高殺滅要求的醫院環境,這類不能一次性通過殺滅微生物的產品的消毒作用微弱. 紫外線照射除菌技術(UVGI)是一個傳統殺菌技術,諾貝爾醫 學獎獲得者丹麥醫學家尼爾斯呂貝里芬森(1860-1904)早在19世紀末 就利用UVC(短波紫外線)治病.紫外線照射殺菌的原理是利用紫外 線C波段的輻照能量, 破壞微生物的DNA或RNA, 達到殺滅微生物的 目的. 紫外線照射殺菌的原理和效果早已被世界公認, 廣泛應用在醫 院領域. 但是由于其一次性通過的空氣微生物殺滅率低, 并沒有成為 主要的動態空氣殺菌技術. 最近幾年來, 世界上相繼出現了一次性通 過可殺滅90%~99.9999%的動態UVGI商業產品,重新引起了醫學界 的關注. 表2是幾種動態除菌技術的綜合技術經濟性能比較
靜電過濾 離子空氣 光觸酶 H14高效過濾 紫外線
基本原理 一次性通過除 菌99%能力
靜電吸附除 菌 無
吸附與氧 化除菌 無
氧化除 菌 無
過濾除菌 達到99.9%
紫外光輻 照殺菌 達 到 99.9999%
對病毒的去除
低
低
中等
高
很高
能力 電耗 運行費 維護難度 除味能力 投資 微生物殺滅性 大 大 一般 無 大 無 小 小 一般 優 中 小 小 小 簡單 良 小 小 大 很大復雜 無 很大 無 較小 較小 簡單 良 中 殺滅
三.對 UVGI 的科學研究 1.UVGI 的歷史 自從第一個UVGI(紫外線殺菌照射)系統于1909年被成功地用 于實現了法國馬賽市政水網系統的殺菌消毒后,利用UVGI(紫外線 殺菌照射) 對醫療設備進行殺菌消毒已經成為一種普遍而可靠的慣例 做法.但是,與水和設備的殺菌消毒不同,利用UVGI(紫外線殺菌照射) 對空氣流進行殺菌消毒則有著起伏不定的成功歷史和不可預測 的效果.上個世紀20年代,實驗室第一次對利用UVGI(紫外線殺菌照射)消毒空氣做了研究,研究表明:消除空氣中的傳染病似乎是有 可能的.1936年,Hart利用UVGI(紫外線殺菌照射)消毒一間外科 手術室中的空氣2.1937年,UVGI(紫外線殺菌照射)第一次應用于 一所學校的通風系統,結果大大降低了麻疹的發病率,之后的應用也 取得了類似的成功3.Riley和O'Grady4 的試驗結果導致消除了醫院病 房排氣中的肺結核(TB)細菌. 由于傳統的紫外線消毒燈的輻照強度低, 不能一次性通過完成滅菌,因此并沒有在民用領域成為主要的空氣殺菌手段. 近十幾年來,隨著對密閉建筑空氣品質重要性的認識和對UVGI 研究的新結果,UVGI技術在美國和歐洲有了重要的商業發展,一次 性通過細菌殺滅率達到 90%, 99.9%甚至 99.9999%的商業產品已經問 世.許多重要的標準和指南如美國的疾病控制中心,政府服務部,職 業安全與健康研究所,ASHRE和德國的VDI指南均已把UVGI技術列 入標準和指南中. 以下是 UVGI 技術的歷史發展 19 世紀 80 年代芬蘭科學家芬森使用紫外線 B 光譜 (UVB) 來治療皮膚病 19 世紀 20 年代 研究紫外線(UV)對微生物的影響 20 世紀 30 年代 第一次在空氣處理中運用
20 世紀 40 年代 開始對表面霉菌消毒的研究 20 世紀 50 年代 空調系統中使用紫外線(UV)在美國通 用電氣公司 的文獻資料中被 描述為"標準" . 20 世紀 80 年代 第一盞飛利浦紫外線表冷器消毒燈管的 應用指南 20 世紀 90 年代 紫外線照射消毒(UVGI)的商用發展, 重新激起了科學界對紫外線照射消毒的興趣. 2002 年我國衛生部頒發的<>將 UVGI 確定為 主要空氣殺菌技術之一. 2004 年英國發明了一次性通過可殺滅 99.9%空氣中細菌和病毒 的 UVGI 空氣管道設備. 2005 年 美國采暖,制冷與空調工程師學會"應 用紫外線對空氣與表面消毒"的任務組 TG 2. UVAS 成立 2006 年荷蘭巴斯特公司發明了一次性通過可達殺滅 99.9999%空氣中細菌,霉菌,病毒和芽孢的管道設備. 2007 年 TG2. UVAS 成為美國采暖,制冷與空調工程師學 會技術委員會 TC 2.9 項目. 2008 年 紫外線消毒技術編入美國采暖,制冷與 空調工程師學會手冊—科學與工程章節 2. UVGI的殺菌原理與科學實驗 自然界存在的光波如圖3所示.紫外線(ultraviolet radiation,UV)的波長為100～400nm,其中波長為320‐400nm的長 波紫外線稱為UVA,波長為280‐320nm的中波紫外線稱為UVB,波 長短于280nm的短波紫外線稱為UVC.目前市場上銷售的紫外線消毒 燈,大多數是利用短波紫外線(UVC)來實現消毒的.微生物核酸的吸 收光譜與短波紫外線的殺菌作用光譜吻合,UVC可使DNA(脫氧核糖核酸) 鏈上相鄰兩個胸腺嘧啶共價結合形成二聚體, 干擾DNA的轉 錄復制,影響蛋白質合成而致微生物死亡.
目前紫外線-C ( UV-C )已被許多科學研究證明能消滅細菌,病毒,霉菌,單 細胞藻等絕大多數微生物.
圖1
市場上銷售的 UVC 燈,多為低壓水銀燈,可產生 253nm 的 UVC 光波,非常接近滅菌波長 264nm,因此具有良好的殺菌效果.
暴露于紫外線輻射下的微生物數量可用以下單級指數消亡公式描述:
其中: S=存活下來的的微生物數量比例 k=標準消亡率常數,cm2/μW-s l=紫外輻照滅菌強度,μW / cm2 t=暴露時間,秒 這里我們注意到三個主要的影響因素: -k:與微生物種類有關的消亡率常數 -l:短波紫外線燈產生的場強度 -t:暴露時間
由上式可見,一定種類的微生物,其殺滅率取決于 UVC 輻照強度 和照射時間的乘積,也就是照射劑量.任何微生物均有一個殺滅 99.9%的致死劑量,表 3 是部分微生物的 UVC 致死劑量.例如:由表 3 可見,對于常見的感冒病毒,當感冒病毒在一秒鐘內接受了 6600WSec/cm2 的照射劑量時,99.9%的感冒病毒將喪失繁殖能力,自然死 亡.自然界存在一些超級耐輻射菌種,其接受到超過常規致死劑量數 倍甚至數十倍時, 依然存活, 但這只是極少數, 不影響整體殺滅效果. 表3
微生物名稱 英文學名 類別 細菌 病毒 病毒 細菌 細菌 細菌 疾 病 .細小芽孢菌 .Bacillus subtlis spores .噬菌體 .Bacteriophage .可薩基病毒 .Coxsackie vinus . 志賀氏芽孢菌 .Shigella spores . 艾希氏大腸菌 .Escherichia coli .大腸桿菌 .Fecal coliform .------.------.腸道感染 .細菌性痢疾 .食物中毒 .腸道感染 UV 致死劑量 (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 .肺炎軍團菌 . Legionella pneumopila . 傷寒沙門氏菌 .Salmonella typhi
.肝炎 .感冒 .軍團菌病 .傷寒 .食物中毒,中毒性 . 黃葡萄球菌 . Staphylococcus aureus 細菌 休克綜合癥等 .鏈球芽孢菌 .Streptococcus spores 細菌 .咽喉感染
病毒 病毒 細菌 細菌
8,000 6,600 12,300 7,000 6,600 3,800
絕大多數引起人類疾病的微生物包括細菌,霉菌,真菌和病毒的致死 UVC 劑量在幾千到幾萬微瓦秒/平方厘米范圍內.國外多種商用 的紫外線殺菌裝置已經達到了 UVC 場強幾萬到幾十萬微瓦秒/平方厘 米,可以一次性通過,瞬間殺滅微生物. 表 4 是德國微生物研究公司對某一商用一次性通過 UVC 空氣殺 菌裝置的檢測. 表4
圖 2 是英國衛生防護局(HPA)對一款已用于英軍野戰醫院的管道式 UVC 殺菌裝置的一次性空氣滅菌檢測裝置的斷面圖.一次性滅菌檢測結果見表 5
表5 微生物 表皮葡萄球菌 表皮葡萄球菌 流率(立方米/小時-1) 600 930 系統的平均效率% >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 分支桿菌微卡(Vaccae) 分支桿菌微卡(Vaccae) 分支桿菌微卡(Vaccae) 分支桿菌微卡(Vaccae) MS-2 大腸桿菌噬菌體 MS-2 大腸桿菌噬菌體 MS-2 大腸桿菌噬菌體 MS-2 大腸桿菌噬菌體
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 可見,二種商用的一次性通過空氣 UVC 殺菌裝置 的殺菌效率均已達到 99.9%以上. 3.UVGI 的實驗效果 世界各國絕大多數科學研究對 UVGI 殺菌效果與減少疾病作 用持積極肯定評論.其中最著名的研究是英國"柳葉刀醫學雜志" 2003 年 11 月 362 卷雜志刊登的加拿大科學家的"UVGI 對采用中 央通風空調系統的辦公建筑工作人員健康和良好狀態的研究" .該 研究采用雙盲法,多重交叉試驗,實驗試驗結果表明: 參與這項研究的共有 771 名雇員,來自蒙特利爾三幢辦公大 樓.紫外燈照射的部位是大樓空調通風系統的表冷器和冷凝水盤. 紫外燈開啟四周,隨后關閉 12 個星期.這一循環在將近一年的時間中重復三次.研究發現,紫外燈使通風系統被照射的表面部位 病菌的集聚量減少了 99%.在有些星期里,紫外燈使一些員工出 現各種病癥的幾率總體下降了 20%,呼吸道病癥下降了 40%,粘 液問題下降了 30%.這些好處對有過敏癥狀的員工及從來不吸煙 的人受益最大.隨著紫外燈的開啟,不吸煙者抱怨工作時無精打 采的幾率可以減少一半,出現呼吸問題的可能性下降 60%. UVGI 除了有以上有效控制病狀建筑綜合癥的發生的優點外, 還具有顯著空調節能優點.在空氣處理機組表冷器兩側,安裝照 射表冷器盤管表面的紫外線燈管(圖 2) ,經照射后的表冷器無霉 菌生長,無微生物粒子阻塞換熱器風道,風機的能耗和換熱效率 均提高 20%左右.在美國,用紫外燈輻照空氣處理機組表冷器已經成為標準設計.例如:1998 年起美國佛羅里達州的醫院系統開
始采用紫外線燈照射空氣處理機組的表冷器,以控制日益嚴重的 表冷器霉菌污染. 在佛羅里達州一所醫院有 27 年歷史的 107#空氣 處理機組的表冷器上和凝結水盤上,有大量可見霉菌繁殖,表冷 器表面已經有 50%被霉菌堵塞.安裝紫外燈幾周后,表冷器的空 氣壓力損失從先前的 1.8 英寸水柱降低到 0.7 英寸水柱,通過冷盤管 的空氣流速從未裝紫外燈前的 230fpm 增加到 520fpm,盤管和凝結 水盤非常干凈,沒有可見的霉菌污染,甚至風道里霉菌污染也大大 減少了.通過空氣處理機組的濕球溫度從先前的 57℉(無 UVC) 降低到 53℉(有 UVC) .對 107#空氣處理機組安裝 UVC 燈的費用 為 2000 美元,但年空調能耗節約為 4867 美元.表 1 為美國佛羅里達州醫院空氣處理機組使用 UVC 的數量. 表6 醫院名稱 orando altamonte apopka Celebration East orando kissimee Winter park
床位數 882 258 50 60 119 50 334
裝在 AHU 上的 UVC 53 9 1 7 3 19 13
圖 2 是在空氣處理機組內安裝紫外線殺菌燈的照片
圖3
美國空氣處理機組安裝紫外燈的位置
1998 年, 采用密閉中央空調的美國夏威夷檀香山的奧蘭尼學校正 面臨著霉菌增長的潛在問題時,有 1800 名學生經歷了都沒有經歷過 異常大量的過敏或哮喘問題. 清理霉菌并防止它通過空氣處理系統傳播,學校每年不得不化費 8000 美元對表冷器進行清洗,但每次清潔后不久,霉菌又會重新集 聚. "安裝紫外線燈之前"的對空氣處理機組的采樣為平均 2,087 菌 落數每毫升(cfu/ml) ,這表明空氣處理系統內的霉菌增長水平很高. 相比之下, "安裝紫外線燈之后"的抽樣平均計數為 26cfu/ml—減少 99.8%. 這一檢測結果與前述的 2003 年加拿大蒙特利爾三幢辦公大樓對安裝 UVC 燈前后空氣處理機組表面微生物檢測結果極為相似(表 2) ,許多研究給出了幾乎相同的檢測結果.
表7
UVGI(紫外線殺菌 照射) 關閉 微生物指標* 真菌(MEA和 Sabouraud產生的總的 CFU) HVAC(采暖,通風與空調)表面 過濾器(cfu/采樣片) 冷凝水盤(cfu/采樣片) 冷卻盤管(cfu/采樣片) HVAC(采暖,通風與空調)空氣 室外空氣(cfu/立方米) 回流空氣(cfu/立方米) 供氣(cfu/立方米) 工作地點空氣中的 (cfu/立方米) 細菌(血瓊脂板培養的CFU) HVAC(采暖,通風與空調)表面 過濾器(cfu/采樣板) 冷凝水盤(cfu/采樣板) UVGI(紫外線殺菌 照射) 開啟 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)
在密閉建筑的通風空調系統中安裝 UVC 裝置,減少空氣微生物污染和提高空調能效已經成為美國領域的共識. 四.效益分析 UVGI 技術具有殺菌效果好,使用靈活,快速安裝,投資少,價 格便宜,節約空調能耗,減少病狀建筑物綜合癥,無二次污染等明顯 優點和巨大的綜合效益.2006 年美國著名 UVGI 專家克瓦斯基教授的"為盤管消毒和空氣處理裝置所用的 UVGI"的報告中對 UVGI 在 醫院的綜合效益給出了具體分析,表 12 為該分析的摘要.
表8
醫院 1 年齡 建筑面積 注冊床位 空調盤管消毒 風管處理 手術室 合計 年度費用 減少病人感染費用醫院工作人員 節能 設施壽命 每年節約費用 10 年節約費用 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
醫院設施使用 UVGI 的成本與效益分析
醫院 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 醫院 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 醫院 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 醫院 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 醫院 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
減少院內感染 3%,減少住院治療 20%,減少出勤率減少 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
以上醫院設施使用 UVGI 的成本與效益分析未包括節約處理醫院工作人員感染,治療和缺勤帶來的綜合經濟損失, 但列出的年度節約費用已經非常驚人. 荷蘭 Twente 大學 Doree 教授對一個有 1112 名員工的商用建筑采用 UVGI 效益分析表明, UVGI 減少了病狀建筑綜 合癥帶來的生病和缺勤損失,每年節省了 858,971 歐元.
UVGI 空氣殺菌技術很大程度上在醫院和食品領域可部分替代, 簡化或加強傳統潔凈過濾空氣技術.例如,F9 過濾器可將難以殺滅 的細菌芽孢阻擋,再結合 UVGI,可達到與高效過濾相同的空氣微生 物潔凈效果,投資和能耗比單純使用高效過濾技術明顯降低. 表 9 是采用 F9 過濾和 UVGI 殺菌的骨髓移植病房系統和傳統高 效過濾潔凈系統的投資與運行費用比較.
由于采用濾除技術的空氣潔凈無菌技術, 需要采用復雜的技術手 段,如高換氣次數,高風壓,和層流或亂流的送回風氣流組織來稀釋 或"活塞效應"的置換作用,帶出有塵粒和微生物的污染空氣,實現 房間空氣無塵無菌雙指標合格,結果造成其采用的空氣處理機組,電 機功率,風管尺寸,對層高和機房的要求均比傳統的通風空調系統大 得多,自動控制復雜,投資費用和運行能耗增加.潔凈系統加大電機的功率又增加了制冷量負荷, 并產生了額外的電氣增容費用和制冷機 組費用.例如,一個 20m2 病房采用傳統的空調系統,送風量僅為 600m3/h.但要達到 100~10000 級空氣潔凈的同面積同高度病房,送 風量將高達 18000m3/h(100 級)~1500m3/h(10000 級) ,投資和運 行費自然大大增加. 空氣過濾除塵除菌技術最終實現的是無塵和無菌 二個指標的空氣潔凈環境, 其費用必然大于只需要實現空氣無菌一個指標的空氣滅菌技術. 五.UVGI 與高效空氣過濾除菌技術比較 UVGI和高效過濾是目前最廣泛使用的空氣動態持續除菌技術. 高效過濾技術通過濾除將微生物顆粒阻擋在過濾器的進風面, 保證所 控制環境的空氣衛生.UVGI技術在原理上與過濾技術完全不同,它 通過紫外線光輻射殺滅微生物從而達到控制環境的空氣衛生. 高效過濾除菌技術是一種成熟的除菌技術,已經廣泛使用在醫 藥, 醫院, 食品和其他生物科技領域. 任何技術都有它的優勢和劣勢, 要依據具體情況,具體分析和應用.從空氣衛生的目的看,殺菌技術
是達到空氣衛生目的最直接有效技術. 高效過濾除菌技術是一種間接 達到空氣衛生的技術,存在 3 個較為明顯的缺點: 1)空氣經過高效過濾器處理后,潔凈空間內依然會有無數的小 粒徑微塵氣溶膠存在,這就意味著可能存在粒徑類似的微生物氣溶膠.潔凈技術的國際標準 ISO14644 規定(表 1),對于 1000 級(ISO6 級)潔凈室,允許的≥0.01 微米的塵粒高達 100 萬粒/m3,對于 10000 級 (ISO7 級) 潔凈室中的≥0.01 微米的塵粒則達到了目前無技術手段可 檢測的無法計數狀態. 表 10
圖3
空氣污染微粒尺寸圖
表7
微生物氣溶膠尺寸圖
病原體
單個粒徑 (m)
常見菌種
病毒 細菌 真菌
0.003~0.06 0.4~5 2~10
麻疹,流感,天花,AIDS 肺結核,炭疽,肺炎,喉炎 廯,曲霉菌
考慮到許多病毒微粒的粒徑為 10~50nm(0.01~0.05 微米) ,如諾 瓦克病毒,肝炎病毒和流腦病毒等,遠小于傳統高效過濾器有效控制 范圍(≥0.3 微米的微粒粒徑),有理由懷疑高效過濾器能否有效地濾 除全部對人體有害的空氣微生物.對于高效過濾器濾除微生物的效率,缺少充分的相關研究,已有的研究(表 8)表明,從生物研究角度看,泄露量是可觀的,足以造成破壞性結果.這可能也是為什么高 度危險生物安全實驗室要采用二級 H14 高效過濾的原因之一. 表8 研究者
Roelants(1968)
過濾器類型 HEPA
微生物
S1 型 S.virginiae 菌的放射線噬 菌體
去除率(%) 99.997
Washam(1966)
HEPA HEPA
B 型大腸桿菌
99.9915 99.998
Thome(1960)
口蹄疫病毒
世界醫學界普遍認可的微生物殺滅標準是 Log-6,既每 100 萬個微 生物(cfu),經過滅菌處理后,只允許存活 1cfu, 2 個以上為不合格. 因此, 依據這一原則,以上看似不錯的除菌效率,對 100 萬同類微生物的過 濾后泄露量分別為 30cfu,85cfu 和 20cfu,屬于滅菌不達標.在生物 研究和生產過程中,一次性產生高濃度微生物氣溶膠的可能性存在, 需要使用更好的空氣微生物去除技術,以保證生物安全. 除了細菌空氣指標外, 至今國際組織和各國還未有標準來評判標 準潔凈空間可能存在的基礎微生物氣溶膠含量指標, 包括霉菌, 真菌,
芽孢和病毒.此外,被高效過濾器濾紙隔離的致病微生物,并沒有被 滅活,存在成為潛在污染源的可能.例如高效過濾器濾紙因老化,腐 蝕或壓差等原因出現微孔破裂,在實際應用中這是經常發生的.澳大 利亞動物研究所報道高效過濾器的使用故障率可達到 18.4%. 某些可引起人類疾病的有害微生物劑量是很小的,幾個到幾十個 CFU 就足以感染甚至死亡(表 9) ,因此需要重視在生物安全和醫院 領域應用高效過濾技術的安全保障措施. 表9 病原體
嗜肺軍團菌 埃博拉病毒 甲型流感病毒 拉莎熱 結核桿菌 委內瑞拉馬腦炎病毒 鼠疫耶爾森氏菌
50%人群感染劑量 感染劑量 ID50
<129 <10 <20 <15 1~10 1 <100 1~60 0.5 10~50
(CFU)
死亡率%
39~50 50~90
2)采用高效過濾的潔凈空氣系統的建設投資和運行成本太高, 額外產生的高額空氣凈化費用難以實際攤派到醫療費中, 醫療收費與 成本倒掛,造成醫院貼錢,投資和運行費無法回收,病人又無力負擔 的惡性循環局面. 3)高效過濾潔凈系統維護技術水平要求高,每年均需要檢測房 間潔凈度,室內壓差檢測調整,風量校正和過濾器掃描檢漏等.醫院 的維護水平很低,除了細菌檢查,幾乎沒有任何與"潔凈"有關的年 度檢測檢查,一直用到高效過濾器變黑破漏,細菌指標嚴重超標,才 不得不聯系公司,查找原因,更換過濾器.圖 6 是一著名省級醫 院使用了 6 年仍在繼續使用的已變黑破損過濾器照片,這一對潔凈過 濾系統無任何維護和檢驗檢測的現象在我國醫院普遍存在.
圖4
仍在使用的完全變黑的高效過濾器
2002 年我國頒發了"潔凈手術部建筑技術規范" ,明確規定手術 室要采用以空氣過濾技術為核心的潔凈技術, 實現空氣的塵粒數和細 菌總數雙達標的要求.對于醫院的其他有嚴格無菌要求的部門,如骨 髓移植病房, 重癥病房和燒傷病房等目前沒有具體的空氣凈化的建筑 技術規定. 但是, 許多醫院照搬了潔凈手術部的過濾凈化技術的標準, 按雙指標控制建設了 100 級潔凈病房,潔凈 ICU 和潔凈實驗室.目 前, 歐洲發達國家新規范取消了醫院包括手術部大部分范圍設置高效 過濾潔凈系統的要求.如德國的醫院通風空調規范 DIN1946-4,2008 最新標準,正式取消了原標準對除手術間外其他醫院區域包括 ICU, 保護性隔離病房和輔助房間設置高效過濾的規定, 用二級中效過濾取 代高效過濾.對無菌要求的保護性隔離病房,如骨髓移植,其規 范也只是提出至少安裝二級過濾,安裝高效過濾的非強制性規 定.我們應當認真思考醫院潔凈系統的發展方向,反思建設醫院凈化 系統的科學依據,投資,效益和節能管理. 美國堪薩斯大學 2008 年發表的對 UVGI 應用的評估報告中提出: UVGI 技術與過濾技術結合可以提高和確保滅菌效率.與 F7~F9 過濾技術結合的 UVGI 系統可以達到與采用高效過濾器系統的同等 的除菌效果,結果減少了能耗.表 10 是廣東省 CDC 對一間無任何過濾裝置, 只安裝了 UVGI 裝置的燒傷病房動態狀態下的空氣微生物含
量測試.結果表明盡管 36m2 房間內有多名病人與家屬,空氣細菌濃 度由未安裝前的 814cfu/m3 的嚴重超標狀態減少到 138cfu/m3 的良好 空氣衛生狀態. 比較我國衛生部對燒傷病房的空氣靜態細菌數指標為 ≤200cfu/m3,潔凈手術部建筑技術規范內對三級潔凈度附房靜態空氣 細菌指標≤150cfu/m3,佛山某醫院空氣動態 138cfu/m3 的檢測數據表明沒有任何過濾裝置的 UVGI 的空氣滅菌能力完全達到了我國的醫 院空氣衛生標準. 表 10
醫院空氣無菌要求的部門是骨髓移植病房, 任何致病微生物 或正常情況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.我國目前采用 100 級潔凈室來收治這類病人. 荷蘭的 Utrecht 市大學醫學中心兒童骨髓移植病房,病房尺寸為 4(長)x 3(寬)=12m2;房間凈高 2.3 米.采用了 2 個 UVGI 裝置,一個裝 在送風管道上,一個室內循環使用,換氣次數為 21.7 次.2007 年 3 月的檢測表明(表 4) ,室內空氣的靜態無菌指標為 0CFU/m3,動態 空氣無菌指標 6CFU/m3,明顯優于 100 級病房我國衛生部消毒規范 靜態無菌指標. 表 11
表 12 是 1991 年英國骨關節外科雜志刊登的瑞典醫院醫學研究人員對采用高效過濾垂直流關節置換手術室使用單獨凈化空氣, 單獨使 用隔離防護服, 單獨使用紫外線和相互組合使用時手術中的空氣含菌
濃度研究.
表 12 紫外線照射(UVC)空氣中的細菌數量以及在查理豪沃斯(CH)箱罩 內使用或不使用密封衣(CLOTH)比較 空氣中細菌 CFU/m3 中心 周邊 SD 平均數 減少 % 平均數 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
序號 方法 1 CH 2 CH+CLOTH 3 UVC 4 UVC+CLOTH 5 CLOTH 統計顯著性分析
數量 14 9 30 30 30
SD 0.37 0.24 0.27 0.34 0.29
CH --垂直流圍擋式潔凈環境 UVC—紫外線照射 CLOTH—隔離防護服
研究結果表明: 單獨使用垂直流空氣凈化的手術中空氣細菌數為 7.67cfu/m3;僅使用隔離防護手術服,不使用垂直流空氣凈化,手術中 空氣的細菌數 5.91cfu/m3,比單獨使用垂直流空氣凈化的手術中空氣細菌數減少了約 23%;單獨使用紫外線比單獨使用垂直流空氣凈化, 手術中空氣細菌數減少更多, 僅為 2.96cfu/m3,減少了 61%; 不使用垂 直流空氣凈化,但組合使用紫外線和隔離手術服,手術中的動態空氣含菌濃度更為顯著降低,僅為 0.47cfu/m3,減少 94%. 2007 年美國骨關節外科雜志刊登了美國印地安納州佛郎斯醫院同 一手術組人員 19 年對在同一層流手術室進行骨關節置換手術中,使 用紫外線照射手術間或不使用紫外線進行了研究,結果表明在合計 5980 例骨關節置換手術中,不使用紫外線照射時手術的感染率為 1.7%,使用紫外線后,感染率降低到 0.57%(P=0.0001),具有重要的統計 差別意義. 這一結果與前面的瑞典醫院人員得出的使用紫外線空氣含 菌數比層流空氣含菌數的大大減少的結論互為驗證. 這一結果也證明 了層流空氣無法解決由手術室內部手術人員產生的手術區空氣細菌 污染和切口細菌污染,而采用隔離防護服和紫外線照射則大大降低了 手術區的空氣污染和帶來切口細菌污染減少,進而明顯減少手術感 染. 以上四個采用 UVGI 空氣殺菌的應用實例證明了 UVGI 完全可以 達到甚至超過潔凈過濾技術所達到的空氣微生物控制指標. 醫院空氣衛生最主要的目的是預防感染和傳染疾病. 引起感染和 疾病的原因是微生物而不是建筑物內自然存在的氣溶膠塵粒. 如果對 醫院空氣衛生采取雙指標控制,過分強調了高效過濾潔凈技術的應
用, 不利于 UVGI 等直接空氣殺菌技術或其他空氣除菌新技術的應用和發展, 也不符合我國絕大多數鄉鎮醫院經濟實力和醫院絕大多數部 分區域沒有必要和可能安裝高效過濾潔凈系統的現實. 空氣潔凈過濾 技術是實現空氣無菌衛生的一種間接手段,但不是唯一手段.如前所 訴,有多種技術可實現空氣除菌,也將會有新的空氣殺菌技術產生, 至少我們應該在立法上給予新的空氣殺菌技術的應用空間. 空氣塵粒 指標只是一個過程指標,一個技術手段,目的是滿足醫院空氣的細菌 標準. 如果把某一動態除菌技術的過程指標與空氣衛生目的指標同時 作為行政控制指標,會限制目前世界范圍內主流空氣殺菌技術的應用. 在絕大多數情況下, 引起醫院感染事故的是微生物, 而不是灰塵. 醫院需要控制空氣達到無菌衛生指標而不是潔凈指標 (無塵和無菌二 個指標) .少了一個控制指標,其處理技術手段就簡單了.通過滅菌 達到空氣無菌的 UVC 殺菌技術,它不需要采用特別的層流或亂流的 空氣氣流組織來稀釋或推出無菌的亂流塵粒, 因為自然存的室內外空 氣灰塵氣溶膠及其自然流動并不影響人類的健康.所以,采用空氣滅 菌技術實現空氣無菌, 投資和運行費就比我國醫院目前采用的過濾除塵除菌潔凈技術大大降低.
結束語 審慎地建設醫院潔凈系統和采用空氣滅菌新技術, 將大大降低醫 院建設投資和重要減少運行費用. 在我國,2002 年頒發的<>的行政指導作用,造成許多人認為似乎只有采用高效過濾空氣潔凈技術,才能 解決醫院的空氣衛生問題, 在一定程度上制約了其它空氣除菌技術應 用. 國外和廣東省 CDC 的檢測,證明了 UVGI 滅菌管技術是一項重 要的空氣消毒技術,它價格便宜,安裝簡便,不占空間,能耗低,滅 菌效果顯著,無臭氧產生,可與中效過濾器組合使用,達到與高效過 濾器同樣除菌效果,或與高效過濾器組合使用,構成更高無菌標準空氣 無菌系統.這項技術還可以廣泛應用到民用建筑和食品工業,改善空 氣品質和減少病狀建筑物綜合癥. 我國是發展中國家,全民醫療事業還很不完善,國家財力有 限,缺口很大.2007 年全國衛生機構總數達 31.5 萬個,其中醫院, 衛生院 6.0 萬個,醫療機構床位總數達 395.4 萬張.按每 50 個床位一 個手術室計算,共需 79000 間手術室.按仍有 50%的手術室需要對空 氣無菌系統改造,若采用獨立空氣處理機組高效過濾無菌系統,每個 手術間及輔助凈化區至少需要投入 200000 元,共計 79 億元;若采用
新風風機盤管空調加紫外線殺菌凈化系統,造價可減少 50%,共計 39.5 億元.如果醫院的重病監護病房,燒傷病房,兒科病房,消毒 供應室等也要采用高效過濾潔凈系統, 國家用于醫院空氣凈化的投資 將超過 190 億以上.以上的估算未包括建筑層高的增加,設備層的設 置所增加的費用和每年凈化系統的年復一年的高額運行費用.所以, 采用紫外線空氣凈化技術后,不僅效果更好,更經濟,鄉鎮醫院用得起,還將給國家節約至少幾十億元的投資,節約的投資可轉到用于更 急需更必要的醫療衛生項目.中商情報網報道今后 10 年我國的醫療 市場將快速發展, 大病統籌醫療市場容量未來 10 年將面臨 15 倍以上 的擴容速度,也就是對空氣無菌項目的投資也將成倍增長,前述的節 約幾十個億只是最保守的估計.所以,紫外線殺菌技術的應用不僅僅 是技術和學術層面的問題,關系到國家的醫療衛生方針制定,同時也 是重大的經濟和效益問題.