蒸发冷却器加装过滤装置对农场工人住宅内外空气金属及颗粒物的影响研究

　　本文针对炎热干旱地区广泛使用的蒸发冷却器（EC）会引入大量室外颗粒物（PM）的问题，评估了一种低成本DIY过滤方案（MERV 13滤网）的有效性。研究通过主动采样（ICP-MS测金属）和被动采样（SEM-EDS分析PM）发现，EC滤网可降低室内Fe等金属的室内外浓度比（I/O），并对粗颗粒物（PM10-2.5）有显著过滤效果。该干预措施为同时面临热应激和空气污染挑战的社区提供了可行的健康防护策略。

　　

引言

加州圣华金河谷是美国颗粒物（PM）污染最严重的地区之一，同时面临着野火烟雾和极端高温的双重公共卫生挑战。当地农场工人社区普遍使用蒸发冷却器（EC，俗称“沼泽冷却器”）进行室内降温。然而，EC在运行时需要吸入大量室外空气，这同时也将环境中的空气污染物，特别是颗粒物（PM）和重金属，带入室内，在野火烟雾事件期间问题尤为突出。

为应对这一问题，FRESSCA（通过沼泽冷却器空气过滤减少野火烟雾呼吸道暴露）项目旨在开发和评估一种适用于EC进气口的、可自行安装（DIY）的过滤方案，以降低室外污染物向室内的迁移。本研究作为该项目的一部分，重点通过实验室分析室内外PM样本（包括被动采样器收集的PM、空气金属样本以及EC滤网上收集的PM的特征），来评估该干预措施的效果，并将研究结果与区域因素和空气过滤因素联系起来。

方法

研究在加州圣华金河谷49户装有EC的农场工人住宅内进行了室内空气监测和采样，并在至少每个参与者所在城市的一个室外点位进行了同步采样。采样期约为70天（2023年7月至10月）。所有参与家庭都获得了便携式空气净化器（PAC），其中约一半的家庭还在其EC进气口安装了深度为10厘米、最低过滤效率值（MERV）为13的DIY滤网。

研究采用了多种采样和分析方法：

1. 1.
   主动金属采样：使用24小时空气采样，通过电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）分析室内外空气中的金属浓度（如Fe、Cu、Mn、Zn、Se等）。
2. 2.
   被动PM采样：部署长期（约70天）被动PM采样器（UNC-PAS），随后使用计算机控制的扫描电子显微镜结合能量色散X射线光谱（CCSEM-EDS）对收集的颗粒物进行形态、化学组成、尺寸和潜在来源分析，并计算PM_2.5、PM₁₀和PM_10-2.5（粗颗粒物）的质量浓度。
3. 3.
   EC滤膜分析：研究结束后收集参与者使用过的EC滤膜，一部分通过ICP-MS分析其捕获的金属总量，另一部分通过SEM-EDS观察滤膜结构、颗粒物负载情况以及微生物生长迹象。

此外，还通过问卷调查和功率记录器（PLL）收集了参与者家庭活动、PAC和EC使用情况等信息。统计分析了地理区域、EC滤网状态、PAC类型和使用情况等因素对室内外PM和金属浓度比（I/O）的影响。

结果

ICP-MS分析：短期空气采样与EC滤膜

• •
  在短期（24小时）空气样品中，铁（Fe）是唯一在所有室内外样品中均被检测到的金属元素。
• •
  室内Fe浓度平均为0.52 ± 0.31 μg/m³，室外为1.58 ± 1.01 μg/m³。Fe的室内外浓度比（I/O）大多小于1。
• •
  与未安装EC滤网的家庭相比，安装了EC滤网的家庭Fe I/O比值更低（0.44 ± 0.25 vs. 0.61 ± 0.52），在克恩（Kern）地区这一差异更为明显（降低37%）。
• •
  除Fe外，部分家庭室内外样品中还检测到Mn、Cu、Zn和Se，但检出率和浓度较低。
• •
  对使用时间超过15%的EC滤膜进行分析，发现了更多种类的金属，包括V、Cr、Ni、Sr和Pb，其中Fe浓度最高（48.31 ± 45.00 ng/m³），表明EC滤膜能够部分去除室外空气中的金属。

EC滤膜显微镜观察

• •
  显微镜图像显示，EC滤膜上未发现广泛的菌丝或微生物生长迹象，主要负载的颗粒物类型为地壳源（土壤和灰尘）的粗颗粒物，这证实了EC滤网在减少室外灰尘渗透方面的效用。

PM浓度与颗粒物类型

• •
  被动采样器测得的室内PM浓度显著低于室外。室内平均PM_2.5和PM_10–2.5浓度分别为2.9 ± 0.9 μg/m³和5.8 ± 1.3 μg/m³，而室外分别为4.8 ± 1.5 μg/m³和21.5 ± 5.8 μg/m³。PM I/O比值平均分别为0.7（PM_2.5）、0.3（PM_10-2.5）和0.4（PM₁₀）。
• •
  克恩（Kern）地区的室内PM浓度普遍高于弗雷斯诺-金斯（Fresno-Kings）地区。
• •
  在所有家庭中，EC滤网状态对PM浓度的平均影响不显著。但当分析仅限于那些EC使用频率较高的家庭时，装有EC滤网的家庭其PM_10-2.5浓度显著降低了25%（p<0.05）。
• •
  PM成分分析显示，地壳颗粒物在所有样品中占主导地位，尤其在室外粗颗粒物中占比高达90%。其次是碳质颗粒物（燃烧和生物气溶胶），在室内细颗粒物中占比最高（15%）。此外，还检测到与农业活动相关的富含P、K、Cl的颗粒物，以及金属颗粒物（如Cr、Cu、Ni、Pb）和盐颗粒物。
• •
  一个重要的发现是，在所有克恩地区的室外和室内样品以及部分弗雷斯诺-金斯地区的室内样品中，检测到了富含铜（Cu）的颗粒物（通常伴有S或Cl），其形态和成分与农业上使用的铜基杀菌剂一致。室内外Cu浓度的良好相关性（R² = 0.82）支持这些颗粒物源于室外的推断。
• •
  在少数家庭中还发现了1-10微米的碳质球形颗粒，其来源可能是燃烧过程或人造颗粒。

讨论

PM与金属浓度

• •
  室内PM浓度低于室外，主要归因于所有家庭都使用了PAC，以及建筑物围护结构对粗颗粒物的自然阻挡作用。EC滤网在EC高频使用的家庭中显示出对降低粗颗粒物（PM_10-2.5）浓度的额外益处，这对于受灰尘影响严重的农场工人社区改善家庭清洁度和预防上呼吸道健康影响具有重要意义。
• •
  检测到的金属浓度均低于相应的参考暴露限值。EC滤膜金属分析作为一种低成本、无需额外采样设备的室外金属暴露评估方法具有潜力。

独特的颗粒物类型

• •
  检测到的Cu-rich颗粒物很可能来自农业用铜杀菌剂，这代表了农业地区一种独特的PM暴露类型。虽然其浓度远低于急性暴露限值，但长期低剂量暴露的健康影响仍需关注。
• •
  球形颗粒物的确切来源尚不完全明确，可能源于燃烧或制造过程。

研究局限性

• •
  研究中室外PM污染事件（如野火烟雾）较少，限制了评估EC滤网在极端污染情况下效果的能力。
• •
  所有家庭均配备了PAC，这可能会掩盖EC滤网的部分效果。
• •
  样本量相对较小，统计检验效力有限。
• •
  参与者对EC和PAC的使用行为存在差异，且难以精确量化，成为潜在的混杂因素。
• •
  被动采样器可能低估了半挥发性PM组分的浓度，其结果主要代表非挥发性PM。

结论

本研究证明了被动PM采样和主动空气金属采样可用于评估针对农场工人社区的DIY空气过滤解决方案的有效性。研究表明，在EC进气口加装MERV 13滤网是一种有前景且负担得起的干预措施，能够减少灰尘和某些金属向室内的渗透，特别是在EC使用频率较高的家庭中，对粗颗粒物（PM_10-2.5）的过滤效果显著。尽管研究期间缺乏重大的野火烟雾事件，但该方案为同时面临高温和空气污染挑战的弱势社区，在气候变化背景下改善室内空气质量、促进健康公平提供了实用的技术途径。