Riesgo de exposición a partículas para un usuario de baño después de descargar un inodoro en cuclillas

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 21088 (2022) Citar este artículo

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Detalles de métricas

Los retretes en cuclillas se utilizan ampliamente en los países en desarrollo debido a las costumbres locales y los bajos costos. La descarga de un inodoro achaparrado puede arrastrar un fuerte flujo de aire y producir aerosoles. Esta investigación construyó una maqueta de lavabo con un retrete achaparrado. El flujo de aire inducido por el lavado se visualizó y se midió cuantitativamente mediante velocimetría de imágenes de partículas. La altura máxima del flujo de aire impactado se identificó mediante un anemómetro ultrasónico. Para inferir la tasa de emisión de partículas, la taza del inodoro se cubrió con una caja cerrada para medir la concentración de partículas. Se evaluaron los riesgos por contacto con la piel de las partículas depositadas en el botón de descarga y la manija de la puerta y la posible inhalación de los aerosoles liberados. Los resultados revelaron que descargar un inodoro achaparrado puede hacer que la columna del inodoro se eleve hasta 0,9 m por encima de la taza del inodoro. Un solo proceso de lavado puede producir 0,29 millones de partículas con diámetros superiores a 0,3 μm, entre las cuales el 90 % de las partículas tienen un tamaño submicrónico. La descarga puede hacer que se depositen partículas en el botón de descarga y en la manija de la puerta del lavabo, así como exposición por inhalación incluso permaneciendo en el lavabo durante medio minuto después de la descarga, especialmente para aquellos usuarios de lavabos cuyas zonas respiratorias estén por debajo de 1,0 m.

La descarga de un inodoro puede arrastrar el flujo de aire y producir gotitas y núcleos de gotitas. Las gotitas y los núcleos de gotitas pueden contener microorganismos infecciosos después de que una persona que infecta use el inodoro1. El SARS-CoV-2 detectado en la orina y las heces de los infectados2,3,4,5 destaca el riesgo de transmisión por vía fecal-oral. Los primeros estudios también informaron la presencia de SARS-CoV-16, MERS-CoV7, norovirus y rotavirus8 en orina y heces. Incluso las descargas múltiples pueden no eliminar por completo los microorganismos de las superficies de la taza del inodoro1,9,10. Los microorganismos también pueden formar una biopelícula en la pared interna de la taza del inodoro1 y, por lo tanto, aún pueden detectarse días o semanas después11. Por lo tanto, es crucial que el público en general comprenda el riesgo de transmisión infecciosa al acceder a los baños públicos y al usar los inodoros.

Para un inodoro achaparrado típico con una cisterna como se muestra en la Fig. 1, cuando se presiona el botón de descarga, los chorros de agua salen a través de muchos puertos pequeños y un puerto de descarga principal en un lado de la taza del inodoro. El agua de descarga choca con la superficie interior de la taza del inodoro, los excrementos y la mezcla de excrementos y agua de descarga. El agua de enjuague enjuaga la taza del inodoro y luego el agua de enjuague junto con los excrementos se descargan en una alcantarilla. Se afirmaba que tirar de la cadena de un inodoro con sifón generaba un fuerte flujo de aire en la taza del inodoro12. El empuje del aire a alta velocidad, la acción de fuerza multifásica con la mezcla líquida y/o sólida y el cizallamiento de las superficies de la taza del inodoro atomizan el líquido y su mezcla y producen gotas13. Las gotas pueden romperse cuando se someten a la fuerza de corte del flujo de aire14. La mayoría de las gotitas se evaporan rápidamente en los núcleos de gotitas. Además, se pueden generar burbujas cuando el aire es arrastrado por el agua agitada, como en el caso del aire arrastrado sobre el agua de mar por la acción de las olas y los whitecaps15. El estallido de burbujas también puede producir aerosoles16.

Esquemas de un sistema de inodoro en cuclillas y rutas de flujo de agua: (a) un usuario en el inodoro, (b) vista en sección de un inodoro en cuclillas realista y la ruta del flujo de agua de descarga.

La atomización de los aerosoles está influenciada por el diseño del inodoro y la energía de descarga16,17. Para el mismo tipo de inodoro, cuanto mayor es la energía de descarga, más gotas y núcleos de gotas se generan. Se informó que un inodoro de alta presión con fluxómetro produce hasta 0,28 millones de aerosoles con diámetros superiores a 0,3 μm17. A pesar de volúmenes de descarga similares, la cantidad de aerosoles producidos por el inodoro con fluxómetro fue más de 3 veces mayor que la cantidad producida por un inodoro de flujo por gravedad asistido por presión16. El inodoro sifónico produjo aproximadamente 1/14 de la cantidad de bioaerosoles que una cubeta de lavado para el mismo volumen de descarga18. En comparación con el lavado sin desechos fecales, se afirmó que el lavado con desechos aumenta la cantidad de bioaerosoles, pero no afecta mucho el total de aerosoles19. Se depositaron gotas grandes a una distancia de 1 a 2 m del inodoro20. Se detectaron microorganismos en superficies que se tocan con frecuencia, como el asiento del inodoro, la tapa, la cisterna, la manija del grifo, la manija de la puerta del baño y el piso21,22,23,24. Tenga en cuenta que los microorganismos en esas superficies pueden provenir de manos contaminadas25 o de gotas salpicadas o depositadas21,26. Por lo tanto, existe un riesgo potencial para los usuarios posteriores del baño que toquen las superficies27.

La mayoría de los aerosoles producidos por la cisterna del inodoro tenían un diámetro inferior a 3 μm19. Aproximadamente el 95 % de los aerosoles generados al descargar un inodoro con sifón tenían menos de 2 μm y el 99 % tenían menos de 5 μm16. Se informó que los aerosoles en el rango de tamaño de 0,3 a 3 μm podían detectarse a una altura de 1,52 m sobre el piso durante al menos 20 s después de tirar de la cisterna en un baño público28, y la cantidad de aerosoles disminuyó con la altura. . Cuando se descargó un inodoro de vacío en un avión comercial, la concentración de aerosoles en la zona de respiración se midió con un aumento máximo de aproximadamente 300 partículas/L13. Los bioaerosoles podrían detectarse a alturas de hasta 25 cm por encima del asiento del inodoro dentro de los 90 minutos posteriores a la descarga29. La presencia de aerosoles sobre el inodoro se atribuyó principalmente a los flujos inducidos por la columna ascendente del inodoro. La cisterna del inodoro podría generar una corriente ascendente de al menos 1,0 m sobre el suelo12. La descarga de un inodoro de vacío en un avión comercial incluso indujo un flujo de aire ascendente desde la taza del inodoro hasta la zona de respiración de un adulto de pie13.

Además del flujo de aire transitorio inducido por la descarga de un inodoro, la ventilación del baño también podría afectar la transmisión de aerosoles en el espacio. En un lavabo mal ventilado, las descargas múltiples pueden provocar la acumulación de bioaerosol en el aire28. En un lavabo compacto con un sistema de escape de techo, los aerosoles podrían esparcirse por todo el lavabo en un plazo de 100 s después de la descarga30. Un suministro de aire del techo junto con un sistema combinado de ventilación de escape de pared y piso podría eliminar los bioaerosoles de manera efectiva31,32. Un suministro de aire de techo con un escape de aire en la pared posterior incluso proporcionó limpieza ISO Clase 5 en un baño de sala33. Se afirmó que las ventilaciones de succión en la parte inferior de los asientos de los inodoros eran efectivas para eliminar los aerosoles generados por la cisterna del inodoro34. Se descubrió que acortar la distancia entre las ubicaciones del escape de aire y la taza del inodoro descarga eficientemente partículas de bioaerosol35. Para reducir la dispersión de bioaerosoles, un enfoque viable era descargar el inodoro con la tapa cerrada cuando había una tapa de inodoro18,28.

La revisión anterior mostró que la descarga del inodoro puede inducir un fuerte flujo de aire y generar aerosoles. Los aerosoles pueden transportar microorganismos infecciosos y propagar enfermedades. Los retretes en cuclillas se utilizan ampliamente en los países en desarrollo debido a las costumbres locales y los bajos costos. Sin embargo, los inodoros achaparrados usan un gran volumen de agua y las tazas del inodoro son poco profundas. La descarga de un inodoro achaparrado puede producir una gran cantidad de aerosoles. Hasta donde sabemos, ningún estudio anterior ha investigado sistemáticamente los inodoros en cuclillas en términos de generación de aerosoles, transmisión y el riesgo de exposición humana resultante. La presente investigación llevó a cabo mediciones con el fin de llenar este vacío de conocimiento.

Esta sección presenta el flujo de aire medido, la concentración de partículas y el posible riesgo de exposición después de descargar un inodoro achaparrado en un lavabo.

La Figura 2a muestra el flujo de aire transitorio del proceso de lavado en diferentes momentos. El botón de lavado se presionó en t = 0 s, y todo el proceso de lavado duró cuatro segundos. El agua nebulizada en la taza del inodoro se movió hacia la cisterna en t = 0.5 s. Luego, la columna de niebla continuó ascendiendo pero retrocedió un poco, es decir, hacia el lado derecho de la figura, como se muestra en t = 1,0 s, 1,5 s y 2,0 s. La neblina de agua visible se elevó a aproximadamente 0,5 m por encima del inodoro. Después de t = 2,0 s, el penacho de agua nebulizada desapareció debido a la rápida evaporación. La figura 2b muestra el flujo de aire visto en la dirección desde la puerta del baño hasta la cisterna. El flujo de aire inducido fue bastante caótico y de turbulencia significativa. A partir de t = 1,5 s, la neblina de agua estuvo muy cerca de las piernas del maniquí térmico de pie, lo que indica la posibilidad de que los patógenos infecciosos se trasladen al cuerpo humano. Se pueden encontrar más detalles de los flujos visualizados en los videos complementarios (archivos complementarios 1 a 2).

Visualización del flujo de aire transitorio utilizando agua nebulizada como trazador en el lavabo durante la descarga: (a) vista lateral, (b) vista frontal.

La Figura 3 muestra la distribución de la velocidad del aire en la región de interés (ROI) después de descargar el inodoro por velocimetría de imagen de partículas (PIV). Nuevamente, el botón de lavado se presionó en t = 0 s. En t = 0,2 s, el aire fue impulsado hacia arriba generalmente por el flujo de agua en la taza del inodoro. El flujo en la región con X < 0,45 m fue hacia la izquierda, mientras que el flujo en la región de X > 0,45 m fue hacia la derecha, debido al corte por el flujo de agua en el recipiente. En t = 0,5 s, se formó una fuerte corriente ascendente ligeramente hacia la izquierda y la velocidad máxima alcanzó los 0,8 m/s. El flujo ascendente continuó desarrollándose en t = 1,0 s y la corriente ascendente alcanzó una altura de 0,18 m. La velocidad máxima del aire fue de aproximadamente 0,6 m/s en t = 1,0 s. Mientras tanto, parte del aire en la esquina inferior izquierda fue arrastrado y se formó un vórtice en sentido contrario a las agujas del reloj. En t = 2,0 s, el flujo siguió aumentando, pero la velocidad se redujo. Se observa un flujo descendente muy claro en la región con X > 0,4 m. A partir de t = 3,0 s, a medida que disminuía el flujo de agua de descarga, el movimiento del aire sobre el inodoro era muy débil. El flujo de agua había cesado por completo en t = 4,0 s, momento en el que el débil movimiento del aire seguía siendo caótico. Durante todo el proceso de lavado, la velocidad máxima del aire medida fue de 0,91 m/s en t = 0,488 s. Se pueden encontrar más detalles del campo de flujo de aire transitorio en el video complementario (Archivo complementario 3).

Distribuciones de velocidad de aire transitorias medidas en la región de interés (ROI) después de descargar el inodoro por PIV: (a) en t = 0,2 s, (b) en t = 0,5 s, (c) en t = 1,0 s, (d) en t = 2,0, (e) en t = 3,0 s, (f) en t = 4,0 s.

Como el sistema PIV midió el flujo de aire en una pequeña región cercana a la taza del inodoro, esta investigación empleó un anemómetro ultrasónico para medir las velocidades del aire en algunos lugares más altos del inodoro. La figura 4a ilustra las velocidades del aire medidas en el punto P1 (0,3 m, 0, 0,7 m). A 0,7 m sobre el suelo, las velocidades del aire evidentes inducidas por el lavado podrían detectarse a partir de t = 4 s. Sin embargo, todas las componentes de velocidad fueron bastante bajas, con valores inferiores a 0,1 m/s. El componente de velocidad vertical fue ligeramente superior a los otros dos componentes. La Figura 4b compara las magnitudes de la velocidad omnidireccional en los puntos P2 (0,3 m, 0, 0,9 m) y P3 (0,3 m, 0, 1,0 m). La velocidad a una altura de 0,9 m fue ligeramente mayor que a una altura de 1,0 m. La velocidad a una altura de 1,0 era casi imposible de medir, ya que estaba bastante cerca del valor de fondo caótico. Los resultados anteriores demostraron que el proceso de lavado puede interrumpir el flujo de aire a alturas de hasta 0,9–1,0 m.

Perfiles de velocidad del aire transitorios medidos por un anemómetro ultrasónico: (a) tres componentes de velocidad en el punto P1 (0,3 m, 0, 0,7 m), (b) comparación de magnitudes de velocidad en los puntos P2 (0,3 m, 0, 0,9 m) y P3 (0,3 m, 0, 1,0 m).

La descarga del inodoro puede generar numerosos aerosoles, como se puede ver en el video complementario (Archivo complementario 4). Las concentraciones de partículas dentro de la caja cerrada sobre la taza del inodoro se midieron para inferir el número total de partículas liberadas durante el proceso de descarga. La Figura 5a presenta las concentraciones de partículas totales medidas en un rango de tamaño de 0,3 a 25 μm en el puerto de muestreo central de la caja. Se realizaron un total de tres operaciones de lavado y el intervalo de tiempo entre las operaciones de lavado fue de aproximadamente 90 s. La concentración de partículas de fondo sin lavado fue de alrededor de 7500 partículas/L. Después de cada lavado, la concentración de partículas aumentó hasta un pico de aproximadamente 12 000 partículas/L en 4 s. La concentración decayó al nivel de fondo en 10 a 13 s. El flujo de agua y/o las gotas de agua grandes ayudaron a depositar algunas partículas después del lavado, lo que eliminó algunas partículas en el aire y resultó en una concentración por debajo de la concentración de fondo del proceso sin lavado. La Figura 5b muestra la concentración de partículas promedio en tres puertos de muestreo para tres procesos de lavado repetidos, donde las bandas de error representan la desviación estándar de la concentración de partículas. La pequeña desviación estándar implica que la mezcla en la caja y la repetibilidad del proceso de lavado fueron bastante buenas.

Concentraciones temporales medidas de partículas con tamaños que van desde 0,3 μm a 25 μm: (a) en el puerto de muestreo medio, (b) concentraciones de partículas promediadas en tres puertos de muestreo para tres procesos de lavado repetidos, donde las bandas sombreadas representan desviaciones estándar.

La Tabla 1 presenta el número de partículas generadas en cada contenedor de tamaño y la proporción del total de partículas deducidas de las concentraciones de partículas monitoreadas. El número de partículas generadas disminuyó con el tamaño de partícula. Aproximadamente el 74 % de las partículas tenían entre 0,3 μm y 0,5 μm, y más del 90 % de las partículas estaban en el rango de submicras. El porcentaje de partículas mayores de 3 μm fue inferior al 1%. La distribución del tamaño de partícula anterior fue similar a la reportada por Knowlton et al.19.

Las gotas salpicadas y la deposición de partículas en el aire sobre algunas superficies clave se evaluaron por medio de los polvos fluorescentes liberados intencionalmente a la cisterna. La Figura 6 muestra la deposición de las partículas fluorescentes en el área del escalón del retrete en cuclillas. No se depositaron partículas fluorescentes en esta área antes del lavado, como se muestra en la Fig. 6a. Sin embargo, después del lavado, se puede observar una gran cantidad de partículas fluorescentes en el área del escalón. Parte del líquido fluorescente también se puede ver dentro de la taza del inodoro. Esto implica que el líquido salpicado y las gotitas que transportan patógenos pueden asentarse en el área del escalón del inodoro en cuclillas. Los zapatos de un usuario del baño pueden entrar en contacto con los patógenos y llevarlos a otros pisos interiores. Algunos de los patógenos pueden transportarse por el aire si los patógenos depositados en los pisos se resuspenden por una perturbación.

Deposición de gotitas/partículas fluorescentes en el área del escalón del inodoro bajo: (a) antes de descargar, (b) después de descargar.

La Figura 7 muestra la deposición de partículas fluorescentes en el botón de descarga y la manija de la puerta del baño. Cuando se descargó la cisterna del inodoro sin agregar polvo fluorescente a la cisterna, no se observaron partículas fluorescentes, como se muestra en la Fig. 7a,c. Por el contrario, el lavado con polvo fluorescente en la cisterna provocó una deposición significativa de partículas fluorescentes tanto en el botón como en la manija de la puerta, como se muestra en la Fig. 7b, d, respectivamente. Esto implica que las manos de un usuario del lavabo pueden contaminarse por el contacto tanto con el botón de descarga como con la manija de la puerta del lavabo.

Deposición de partículas fluorescentes en el botón de descarga y la manija de la puerta del baño después de descargar el inodoro: (a) en el botón de descarga sin agregar polvo fluorescente a la cisterna, (b) en el botón de descarga después de agregar polvo fluorescente a la cisterna, (c) en la manija de la puerta sin agregar polvo fluorescente a la cisterna, (d) en la manija de la puerta después de agregar polvo fluorescente a la cisterna.

Debido a la interferencia de la gran cantidad de partículas suspendidas en el aire de fondo, habría sido extremadamente difícil medir las partículas liberadas puramente de la taza del inodoro. En cambio, esta investigación midió la concentración de gas trazador SF6 para evaluar la posible exposición humana por inhalación. La Figura 8 muestra las concentraciones transitorias de SF6 en cuatro puntos. Las barras de error en la figura indican la desviación estándar para tres pruebas repetidas. La concentración de fondo de SF6 fue de aproximadamente 0,02 ppm. La liberación de SF6 comenzó en t = 140 s y el lavado se implementó en t = 210 s. Debido a la difusión, el gas SF6 se propagó a un ritmo lento si el inodoro no se había descargado y si no había perturbaciones en el inodoro. Tomaría de 13 a 15 minutos para que la concentración aumente significativamente. Una vez que se ha descargado el inodoro, el gas SF6 en la taza del inodoro achaparrado fue transportado hacia arriba por el flujo de aire y alcanzó el punto n.º 1 en 30 s, como se muestra en la Fig. 8a. Por el contrario, la concentración tardaría de 3 a 4 minutos en aumentar en el punto n.º 2 después de tirar de la cadena. Esto muestra que a una altura de respiración baja, como la de los niños, el riesgo de inhalación sería mayor. Se obtuvieron resultados similares en los puntos #3 y #4 frente al inodoro. Sin embargo, las concentraciones máximas inducidas por el enrojecimiento en los puntos n.° 3 y n.° 4 fueron inferiores a las de los puntos n.° 1 y n.° 2. Este hallazgo indica que cuanto más lejos está un usuario de la trampa, menor es el riesgo de exposición por inhalación.

Concentraciones transitorias de SF6 en la zona de respiración después de descargar el inodoro: (a) en el punto n.º 1 (0,4 m, 0,15 m, 1 m), (b) en el punto n.º 2 (0,4 m, 0,15 m, 1,5 m), (c ) en el punto #3 (0,7 m, 0, 1 m), (d) en el punto #4 (0,7 m, 0, 1,5 m).

El gas trazador SF6 inhalado total de un usuario del inodoro se puede obtener integrando la concentración de gas SF6 monitoreada con el tiempo de residencia después de descargar el inodoro y multiplicándolo por la tasa de ventilación pulmonar. Como se conocía el gas SF6 totalmente liberado en la taza del inodoro, se pudo calcular la relación inhalada definida como el porcentaje del gas SF6 inhalado con respecto al gas SF6 totalmente liberado. Supongamos que los núcleos de gotitas generados rastrearían bien el gas SF6, la proporción inhalada del gas SF6 sería idéntica a la de los núcleos de gotitas. La Figura 9 presenta los números de partículas inhaladas que varían con el tiempo de residencia después de descargar el inodoro. El número de partículas inhaladas fue simplemente el producto del número de partículas totalmente generadas promedio que se muestra en la Tabla 1 y la proporción inhalada del gas SF6. Si la zona de respiración de un usuario del baño estuviera en el punto n.º 1, el usuario podría inhalar más de 6000 partículas generadas por la taza del inodoro durante un tiempo de residencia de 20 minutos sin usar mascarilla. La residencia por incluso medio minuto podría inhalar varias partículas y más de 200 partículas por minuto. El número máximo de partículas inhaladas fue inferior a 4200 en los puntos n.° 2 a n.° 4. Las partículas inhaladas estuvieron cerca de cero para la residencia de los 2 minutos iniciales en el punto n.° 3 y durante los 4 minutos iniciales en los puntos n.° 2 y n.° 4. Indicó claramente que la zona de respiración lejos de la trampa y a una altura más alta podría reducir efectivamente el número de partículas inhaladas.

Número promedio de partículas inhaladas para diferentes tiempos de residencia después de descargar el inodoro cuando no se usó una máscara facial: (a) en el punto n.° 1 (0,4 m, 0,15 m, 1 m) y el punto n.° 2 (0,4 m, 0,15 m, 1,5 m ), (b) en el punto #3 (0,7 m, 0, 1 m) y el punto #4 (0,7 m, 0, 1,5 m).

En aras de la simplicidad, esta investigación no consideró una descarga realista con heces en la taza del inodoro. En particular, en un inodoro de asiento, no se ha encontrado que la presencia de desechos fecales aumente el número de aerosoles generados, aunque el número de bioaerosoles podría ser mayor cuando hay heces19. La cantidad inferida de partículas emitidas por descarga en esta investigación fue levemente mayor que las 287 400 reportadas en un inodoro de asiento con un fluxómetro de alta presión de 400 kPa17. Sin embargo, según otro estudio, la descarga de un inodoro de asiento con un fluxómetro > 350 kPa generó 145 000 partículas16. La discrepancia entre ellos puede deberse a las diferentes condiciones de funcionamiento de los inodoros probados y los métodos de medición. Sin embargo, es seguro que el inodoro achaparrado produjo una mayor cantidad de aerosoles por descarga que el inodoro sentado.

Se utilizó un contador de partículas basado en láser para medir las concentraciones de partículas en esta investigación. La eficiencia de conteo del contador de partículas fue del 100 % para partículas mayores de 0,45 μm, pero solo del 50 % para partículas de 0,3 μm. Por lo tanto, no se pudo medir el número de aerosoles con partículas de tamaño inferior a 0,3 μm. En el futuro, podría emplearse un contador de partículas de condensación para medir el número de partículas finas de menos de 0,3 μm. Teniendo en cuenta que el diámetro aerodinámico de la mayoría de los virus es inferior a 0,1 μm, como es el caso del SARS-CoV-2, sería útil medir partículas menores de 0,3 μm. Además, la descarga aumentaría la humedad relativa dentro de la caja cerrada encima de la taza del inodoro. El lavado generó gotitas primero y luego la mayoría de las gotitas se evaporaron en núcleos de gotitas. Se cree que tanto el número como el tamaño de los núcleos de gotitas pueden variar con la humedad relativa. La variación de las concentraciones de partículas medidas y sus espectros con la humedad relativa aguarda una mayor investigación.

Este artículo no midió directamente los aerosoles en la zona de respiración; en su lugar, se midió un gas trazador. La razón fue que el aire de fondo tenía una alta concentración de partículas y, como tal, era difícil diferenciar las partículas generadas de las partículas de fondo. Alternativamente, se realizó un análisis de la exposición a partículas inhaladas proyectando las partículas generadas dentro de la taza del inodoro en la zona de respiración, con base en la misma proporción inhalada entre el gas trazador SF6 y las partículas generadas. Tenga en cuenta que el gas SF6 es más pesado que el aire y los aerosoles están en una fase discreta. Los futuros investigadores pueden considerar medir los núcleos de gotitas directamente en las zonas de respiración. En un estudio anterior, se informó que un número de partículas generadas de 8498 provocó un pico de concentración en la zona de respiración del baño de un avión comercial13, dentro del cual la concentración de partículas de fondo era al menos dos órdenes de magnitud inferior a la de esta investigación. Una investigación futura podría medir la concentración de partículas colocando la maqueta del lavabo en una sala limpia y evaluar directamente la exposición a las partículas asociadas. El número de partículas inhaladas proyectado en esta investigación no consideró la eficiencia de entrada de partículas en el aire en las vías respiratorias y la captura de algunas partículas por el pelo de la nariz u otros mecanismos.

El sistema PIV se utilizó para medir el flujo de aire sin interrupciones. Sin embargo, todavía había incertidumbres en los resultados medidos. Nuestro análisis adicional (consulte el archivo complementario 5) muestra que las incertidumbres de las velocidades del aire medidas estaban principalmente en el rango de 0,02 a 0,05 m/s. La mayor incertidumbre fue inferior a 0,08 m/s. Tenga en cuenta que PIV solo puede proporcionar el campo de flujo de aire en una región de interés relativamente pequeña. El sistema PIV utilizado en esta investigación era solo bidimensional, por lo que no se midió la componente de velocidad en la tercera dimensión. El flujo de aire tridimensional inducido por el lavado también podría estudiarse más a fondo.

Esta investigación midió el flujo de aire y las concentraciones de partículas, infirió la cantidad de partículas generadas y analizó tanto el contacto con la superficie como el riesgo de exposición por inhalación después de descargar un inodoro achaparrado en el lavabo. En base a los resultados obtenidos, se extraen las siguientes conclusiones:

La descarga de un inodoro achaparrado puede inducir un fuerte flujo de agua en la taza del inodoro y arrastrar un flujo de aire transitorio por encima de la taza del inodoro. La velocidad máxima del aire medida es de 0,91 m/s cerca del sifón 0,5 s después de descargar el inodoro. El flujo de aire se vuelve muy débil 4 s después de descargar el inodoro. El flujo de la pluma inducida por el lavado puede alcanzar una altura de hasta 0,9 m.

La descarga de un inodoro en cuclillas puede generar una cantidad significativa de gotas y sus núcleos. Un solo proceso de lavado produce 0,29 millones de partículas de más de 0,3 μm, entre las cuales el 90 % de las partículas son submicrónicas y el 74 % de las partículas oscilan entre 0,3 y 0,5 μm.

Para los usuarios de lavabos cuyas zonas respiratorias están por debajo de 1,0 m, especialmente los niños, existe un alto riesgo de exposición por inhalación, incluso cuando el usuario permanece en el lavabo durante medio minuto después de la descarga. Cuanto más lejos esté un usuario de la trampa, menor será el riesgo de exposición por inhalación. Además, la descarga puede hacer que las partículas de la taza del inodoro se depositen tanto en la manija de la puerta del baño como en el botón de descarga, y el riesgo de contacto con la superficie resultante merece atención.

Los inodoros achaparrados involucran una amplia variedad de diseños, y el sistema de flujo por gravedad ("cisterna") y el sistema de válvula de presión ("fluxómetro") son los dos tipos más comunes. En un sistema de cisterna, el agua fluye por gravedad y, por lo tanto, la presión del agua es casi irrelevante para el proceso de descarga. Por lo tanto, en este estudio se eligió un sistema de cisterna, como se muestra en la Fig. 1. Durante el lavado, los chorros de agua salen a través de 35 puertos, cada uno con un diámetro de 8 mm. También hay un puerto de descarga rectangular principal de 5 cm × 1,5 cm ubicado en el lado derecho de la taza del inodoro. La taza del inodoro en cuclillas es poco profunda con una profundidad de 9 cm en el medio.

El inodoro achaparrado se ubicó en una maqueta de lavabo con dimensiones de 1,2 m × 1,0 m × 2,3 m, como se muestra en la Fig. 10. Para visualizar el flujo de aire en el interior, las paredes frontal y lateral del lavabo se construyeron con paneles acrílicos transparentes, mientras que La pared trasera era un panel de madera maciza. El suelo estaba pavimentado con baldosas. Se instaló un extractor de aire con un caudal constante de 120 m3/h en el techo del baño. La cisterna tenía una capacidad de descarga de 6,0 L y la parte superior de la cisterna estaba a 1,0 m del suelo. Para evitar la perturbación del aire dentro del lavabo, la cisterna se ubicó fuera del lavabo.

Una maqueta de lavabo con un inodoro bajo en el interior: (a) fotografía del lavabo, (b) esquema del lavabo.

Se usó un maniquí térmico para simular a un usuario de lavabo de pie que permanece dentro del lavabo después de tirar de la cadena. Como se muestra en la Fig. 11, el maniquí (40 cm × 20 cm × 170 cm) incluía cabeza, tronco, brazos y piernas, pero con una geometría simplificada. El tronco estaba representado por un cilindro elíptico y las partes restantes por cilindros redondos. La piel del maniquí se cubrió con película eléctrica, que acondicionó la temperatura superficial a 31 °C.

Maniquí térmico de pie para simular un usuario de baño después de descargar el inodoro: (a) imagen del maniquí, (b) dimensiones del maniquí.

Antes de un proceso de descarga, la neblina de agua generada por un atomizador ultrasónico se liberaba en la taza del inodoro como marcador. Debido a que las gotas de niebla eran grandes, cayeron bajo la acción de la gravedad. Solo un flujo de aire ascendente podría impulsar la neblina de agua hacia arriba y, por lo tanto, evidentemente indicaría un flujo ascendente de la columna del inodoro. El piso del baño, las paredes y el área del escalón del inodoro se cubrieron con sábanas negras para facilitar la visualización del movimiento del agua nebulizada. La neblina de agua fue registrada por un teléfono celular una vez que se presionó el botón de descarga. La resolución de la fotografía fue de 1080 × 1920 con una velocidad de fotografía de 30 fotogramas por segundo.

Se utilizó un sistema 2D2C-PIV de alta potencia (Dantec Dynamics, Dinamarca) para medir el flujo de aire transitorio. El sistema PIV constaba de un láser pulsado de doble cavidad (tipo: Vlite-Hi-20 k; Beamtech, Canadá), una cámara de alta velocidad (tipo: VEO 410L; Phantom, EE. UU.) con una resolución de 1280 × 800, un sincronizador (tipo: 81N21; Dantec Dynamics, Dinamarca), y una computadora. El láser tenía un intervalo de tiempo de pulso de 50 μs a una longitud de onda de 532 nm. El rayo láser pasó a través de una lente cilíndrica, formando una lámina de luz con un espesor de 2 mm en la región de interés (ROI). La secuencia de imágenes se adquirió en el modo de doble cuadro, y el tiempo entre más fue de 1500 μs. Se utilizaron partículas de sebacato de dietilhexilo (DEHS) con un diámetro medio de aproximadamente 2 μm generadas por un generador de aerosol monodisperso (tipo: 3475; TSI, EE. UU.) como partículas trazadoras. La concentración de partículas de DEHS estuvo en el rango de 10 a 20 partículas en un área de interrogación de 32 × 32 píxeles. La Figura 12a muestra el ROI en la sección longitudinal media sobre el inodoro en cuclillas. Las dimensiones de la ROI eran 0,46 m × 0,28 m, y el límite izquierdo de la ROI estaba a 0,11 m de la pared del baño.

La región o ubicaciones para la medición de la velocidad: (a) la región de interés (ROI) para la medición del PIV, (b) los puntos para la medición de la velocidad con un anemómetro ultrasónico.

Además de PIV, este estudio utilizó un anemómetro ultrasónico tridimensional (tipo: DA650 y TR92T; Kaijo Sonic, Japón) para medir la velocidad en puntos específicos. El anemómetro tenía una resolución de 0,005 m/s con un 1% de incertidumbre. La frecuencia de medición fue de 20 Hz. La figura 12b muestra los tres puntos en la sección longitudinal media en los que se midieron las velocidades. Las mediciones en cada lugar se repitieron al menos 5 veces.

Como se muestra en la Fig. 13a, el inodoro en cuclillas estaba cubierto por una caja de acrílico transparente con dimensiones de 0,6 m × 0,3 m × 0,2 m para medir la concentración de partículas. Para mezclar las partículas dentro de la caja, se instalaron cuatro pequeños ventiladores, uno en cada esquina de la caja. Las concentraciones de partículas bien mezcladas se utilizarían para la posterior inferencia de la tasa de generación de partículas. La Figura 13b muestra los tres puertos de muestreo en la parte superior de la caja, a través de los cuales los tubos de muestreo podrían alcanzar la mitad de la altura de la caja. Se adoptó un contador de partículas (tipo: 9310–02; TSI, EE. UU.) para medir las concentraciones temporales en seis contenedores: (i) 0,3–0,5 μm, (ii) 0,5–1 μm, (iii) 1–3 μm, ( iv) de 3 a 5 μm, (v) de 5 a 10 μm y (vi) de 10 a 25 μm. La eficiencia de conteo fue del 50 % para partículas de 0,3 μm, mientras que la eficiencia alcanzó el 100 % para partículas mayores de 0,45 μm. La tasa nominal de flujo de aire de muestreo fue de 28,3 l/min con una precisión de ± 5 %. El contador de partículas estaba dentro de un año de la calibración cuando se usó para la prueba. La frecuencia de medición fue de 1 Hz.

Esquemas para medir las partículas dentro de una caja para inferir la fuente de partículas: (a) vista de todo el baño, (b) vista ampliada de la caja para el conteo de partículas.

Para minimizar la interrupción por partículas de fondo, un purificador de aire funcionaba continuamente dentro del lavabo. Además, el retrete achaparrado, las paredes y el piso del retrete y la caja se limpiaron repetidamente antes del experimento para minimizar la resuspensión de partículas depositadas durante el proceso de descarga. Las concentraciones de partículas se midieron para el caso con operación de lavado y para el caso sin operación de lavado. Cada caso se repitió al menos tres veces, y el intervalo de tiempo entre dos casos de lavado sucesivos fue de al menos 10 min. La temperatura del aire circundante durante las pruebas fue de 24,0 ± 1,0 °C y la humedad relativa fue del 50% ± 2%.

El número total generado y el número de partículas resuelto por tamaño por descarga se determinaron a partir de las concentraciones de partículas temporales. Los principales factores que contribuyeron a las concentraciones de partículas dentro de la caja incluyeron las partículas generadas por la descarga, las partículas depositadas debido a la gravedad, las partículas atraídas desde el exterior de la caja y las partículas extraídas por el contador de partículas36. Teniendo en cuenta estos factores y asumiendo una condición bien mezclada en el recuadro, la ecuación gobernante se puede escribir como37:

donde C(t) es la concentración de partículas en la caja en el tiempo t (partículas/L); Cout(t) es la concentración de partículas fuera de la caja (partículas/L); Er(t) es la tasa de emisión de partículas (partículas/s) debido al lavado; V es el volumen encerrado por la caja y la taza del inodoro, que fue de aproximadamente 45,64 L; P es la eficiencia de penetración de partículas; k es la tasa de deposición de partículas (s-1); α es la tasa de intercambio de aire (s-1); y (k + α) es la tasa total de remoción de partículas (s-1). En la ecuación. (1), se despreciaron la evaporación, la condensación y la colisión de partículas.

Si no hay rubor, siguiendo la Ec. (1) la concentración de partículas de fondo dentro de la caja se puede expresar como:

Debido a que la concentración de partículas de fondo casi no cambió cuando no hubo perturbaciones, la cantidad de partículas que penetraron en la caja desde el exterior fue aproximadamente igual a la cantidad total de partículas eliminadas, es decir, PαCout fue igual a (k + α)Cback(t) . Cuando la ecuación. (2) se resta de la ecuación. (1), la concentración neta de partículas en la caja debido al lavado se puede escribir como:

donde Cnet(t) es la concentración de partículas en la caja en el momento t (partículas/L) debido únicamente al lavado.

Si se supone que (k + α) es independiente del tiempo, la ecuación. (3) se puede integrar en:

donde Emissions es el número total de partículas generadas por descarga, ts es la hora de inicio del proceso de descarga, tp es el momento en que la concentración de partículas alcanza su pico y Cnet(tp) es la concentración máxima de partículas (partículas/L). El término (k + α) se puede obtener utilizando las concentraciones en la etapa de descenso, durante la cual no hay emisión de partículas. Con Er(t) = 0 en la ecuación. (3), se obtiene la siguiente ecuación después de la integración:

donde td es un momento en la etapa de descenso y Cnet(td) es la concentración de partículas en td (partículas/L).

Esta investigación examinó las gotitas/partículas fluorescentes depositadas en el área del escalón del inodoro bajo, el botón de descarga y la manija de la puerta del inodoro. Antes de descargar el inodoro, se agregaron 20 g de polvo fluorescente a la cisterna y 20 g al sifón del inodoro. Para ver claramente la deposición de partículas fluorescentes en el área del escalón del inodoro, se usó una luz violeta para iluminar el piso. La observación de partículas fluorescentes depositadas en el botón de descarga y la manija de la puerta se realizó en otra prueba. Todas las superficies de las paredes dentro del lavabo se limpiaron a fondo para minimizar la interrupción de las pruebas. Se colocó una placa de asentamiento en la superficie superior del botón de descarga y otra en la manija de la puerta. Se usó un microscopio fluorescente invertido (tipo: IX71; Olympus, Japón) para fotografiar las partículas fluorescentes depositadas.

Un gas trazador es un sustituto adecuado para los núcleos de gotitas en el entorno construido38. Para minimizar la fuerza de flotabilidad causada por el gas trazador, esta investigación utilizó una mezcla de 1% de SF6 y 99% de N2. La concentración de SF6 se midió con un muestreador multipunto (tipo: Innova 1409; LumaSense, Dinamarca) y un monitor de gas fotoacústico infrarrojo (tipo: Innova 1412i; LumaSense, Dinamarca). La resolución de los instrumentos de prueba fue de 0,01 ppm y la precisión nominal fue del 1%. Aunque en esta investigación se empleó un muestreo continuo, cada lectura de concentración duró 35 s.

La concentración de gas trazador se midió en diferentes alturas de respiración, como se muestra en la Fig. 14. Las alturas de 1 my 1,5 m sobre el suelo correspondían a los niveles de respiración de un adulto y un niño de pie, respectivamente. El gas SF6 se inyectó en la taza del inodoro a un caudal de 5 l/min durante aproximadamente 50 s antes de descargar el inodoro. Luego se descargó el inodoro y se midieron las concentraciones en los cuatro puntos, para una repetición de al menos 5 pruebas. Después de una prueba, el extractor se mantuvo funcionando durante 2 h para eliminar el gas SF6 residual dentro del inodoro antes de la prueba posterior.

Ubicaciones de muestreo para la concentración de gas trazador SF6: (a) vista frontal, (b) vista lateral.

Suponga que un usuario de un baño cuya zona de respiración estuviera ubicada en los cuatro puntos, como se muestra en la Fig. 14. La relación de proporción del gas SF6 inhalado con respecto al gas SF6 totalmente liberado podría integrarse a partir de la concentración de gas SF6 monitoreada como:

donde CSF6 es la concentración de gas SF6 monitoreada (ppm) como se muestra en la Fig. 8, p es la tasa de ventilación pulmonar (L/min) del usuario del lavabo, t es el tiempo de residencia (min) después de un proceso de descarga y \( {\Delta V}_{\mathrm{SF}6}\) es el gas SF6 (L) totalmente liberado en la taza del inodoro, que fue de 0,042 L en esta investigación. Suponga que el usuario del lavabo tenía un volumen corriente de 0,6 L (el volumen de aire espirado en una sola respiración) y la duración de cada ciclo de respiración fue de 6 s. Suponga también que la inhalación y la exhalación fueron idénticas y que hubo un breve descanso de 0,5 s entre ellas. Entonces se obtendría una tasa de inhalación promedio de 14,4 L/min durante 2,5 s en un ciclo de respiración. Aproximar la respiración variable e intermitente a la forma continua (sin interrupción) constante daría lugar a una tasa de ventilación pulmonar constante de 6 L/min39, que fue la p utilizada en esta investigación.

Supongamos que las partículas en el aire bien podrían rastrear el gas SF6, que es principalmente el caso de los núcleos de gotas de pequeño tamaño. La proporción inhalada del gas SF6 y los núcleos de gotitas sería idéntica. Luego, el número de partículas posiblemente inhaladas podría calcularse como el producto del número de partículas totalmente generadas en la taza del inodoro y la proporción inhalada en la ecuación. (6).

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado y sus archivos de información complementaria.

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Descargar referencias

La investigación fue parcialmente financiada por el Programa Nacional de Investigación y Desarrollo Clave (Concesión No.: 2022YFC3803200) y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Concesión No.: 52111530186).

Escuela de Ingeniería Civil, Universidad Tecnológica de Dalian, Dalian, China

Tengfei (Tim) Zhang, Lifang Yao y Zilong Gao

Laboratorio de Control de Calidad Ambiental del Aire Interior de Tianjin, Escuela de Ciencias e Ingeniería Ambientales, Universidad de Tianjin, Tianjin, China

feng wang

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TZ supervisó el trabajo y escribió el manuscrito. LY llevó a cabo la medición, analizó los datos e inició el texto principal del manuscrito. ZG hizo la prueba PIV y el análisis de riesgo de exposición a partículas. FW diseñó la investigación y editó la redacción. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Feng Wang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Zhang, T.(., Yao, L., Gao, Z. et al. Riesgo de exposición a partículas para un usuario del baño después de descargar un inodoro en cuclillas. Sci Rep 12, 21088 (2022). https://doi.org/10.1038 /s41598-022-25106-4

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Recibido: 15 Agosto 2022

Aceptado: 24 de noviembre de 2022

Publicado: 06 diciembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-25106-4

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