Определение приоритетных загрязнителей воздушной среды закрытых помещений

Введение. Стремительное развитие цифровых технологий привело к тому, что более половины трудоспособного населения работает в помещениях в отсутствие технологического оборудования и производственных источников загрязнения воздуха вредными веществами [1][2]. Данный вид помещений может быть расположен в производственных и общественных зданиях и варьироваться в различных отраслях от складских, операторских, диспетчерских до офисных и прочих специализированных помещений. Их объединяет совокупность признаков рабочей среды: ограниченное пространство, скученность персонала, недостаточная организация воздухообмена, применение разнообразных полимерных отделочных материалов, влияние климатических условий. Как указывают результаты многих исследований, уровень загрязнения воздуха закрытых помещений в 2–5 раз выше¹, чем наружного атмосферного воздуха [3–7].

Проведенное исследование субъективной оценки влияния профессиональных факторов на самочувствие свидетельствует, что из 1146 опрошенных работников здравоохранения и образования от 42 до 57 % респондентов называют качество воздуха и параметры микроклимата закрытых помещений (кабинеты, аудитории и др.) неудовлетворительными².

Загрязнители в воздухе закрытых помещений подразделяются на две основные группы: внешнего и внутреннего генеза [5]. Из внешней среды в помещение попадают продукты сгорания автомобильного топлива, выбросы предприятий, пыль. Внутренняя среда подвергается влиянию эмиссии загрязняющих веществ из отделочных материалов, моющих средств, а также продуктов метаболизма человека. Согласно Руководству ВОЗ3 и литературным данным, это летучие соединения, относящиеся к различным классам веществ – альдегиды, предельные, непредельные и ароматические углеводороды, фенолы, формальдегид; антропотоксины – оксиды азота, углекислый газ, фенолы, ацетон, аммиак и др. [1][8–10].

Учитывая увеличение количества работающих, занятых при выполнении своих трудовых обязанностей в закрытых помещениях независимо от вида деятельности и отрасли производства, изучение качества воздушной среды является актуальной задачей.

Цель исследования. Данная работа была направлена на изучение загрязнителей воздушной среды при моделировании условий пребывания людей в помещении закрытого типа в экспериментальных условиях.

Материалы и методы исследования. Для достижения поставленной цели был разработан дизайн исследования, включающий выбор приоритетных загрязняющих веществ, изучение динамики поступления исследуемых соединений в воздушную среду в зависимости от времени пребывания людей в помещении, исследование качественного состава воздуха, в том числе проб «неизвестного состава», регистрация параметров микроклимата и проведение гигиенической оценки полученных данных.

Для проведения эксперимента было выбрано помещение площадью 15,9 м² (4,0 м²/человека) с высотой потолка 2,55 м в здании, расположенном в центральном районе города. Загруженные автомагистрали непосредственно вблизи здания отсутствовали.

Для создания однородности воздушной среды помещение было оборудовано двумя потолочными вентиляторами. При выборе помещения старались минимизировать наличие в отделке синтетических материалов. В отделке помещения использованы традиционные материалы: кафельная плитка, обои, водоэмульсионная краска; установлена стандартная лабораторная мебель (столы, стулья).

Подготовка помещения перед началом эксперимента включала проветривание с использованием вытяжного вентилятора, влажную уборку стен, пола, потолка, мебели с применением раствора вода-этанол в соотношении 8 : 2 без других моющих средств. На время проведения эксперимента все возможные источники воздухообмена в помещении (окна, двери, технологические люки и пр.) были герметизированы, система вентиляции выключена.

Исследования проводились троекратно в аналогичных условиях с участием смешанных групп добровольцев: мужчины, женщины в возрасте от 18 до 45 лет, которые в течение 4,5 часа были заняты умственной работой (чтение, расчеты) в положении сидя. В ходе эксперимента в помещении находились 3 добровольца и 1 сотрудник лаборатории, осуществлявший отбор проб воздуха в центре помещения на высоте от 1 до 1,5 м от пола (в «зоне дыхания»), на расстоянии 0,7–1,0 м от испытуемых.

В ходе каждого исследования выполняли отбор проб воздуха: фоновый (до размещения участников), через 1,5, 3 и 4,5 часа нахождения испытуемой группы; пробы воздуха «неизвестного состава» отбирались только в конце каждого эксперимента – через 4,5 часа. Общее количество проб воздуха, отобранных для измерений целевых показателей, составило 60. Для каждой пробы были получены по два параллельных результата, итого – 120 результатов измерений.

Для измерений выбранных загрязнителей были использованы современные высокоточные аналитические методы: фотоионизационный, лазерная нефелометрия, газофазная хемилюминесценция, спектрофотометрия, высокоэффективная жидкостная хроматография с детектором на основе диодной матрицы (ВЭЖХ-ДМ) и газовая хроматография с масс-спектрометрическим детектированием (ГХ-МС).

Анализ проб воздуха неизвестного состава (всего 6 проб) на весь спектр летучих органических соединений (ЛОС) и среднелетучих органических соединений (СЛОС), отобранных в конце каждого эксперимента (через 4,5 часа от начала эксперимента), проводился с использованием аналитической системы, включающей:

• газовый хроматограф Agilent 7890В с массспектрометрическим детектором Agilent 5975C и системой термодесорбции Markes Unity II;
• газовый хроматограф Agilent 7890В с массспектрометрическим детектором Agilent 5977В;
• жидкостный хроматограф Agilent 1200 с детектором на основе диодной матрицы.

Санитарно-гигиенические исследования воздуха помещения выполнены Химико-аналитическим центром «Арбитраж» ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева», номер аттестата аккредитации РОСС RU.0001.510650, измерения параметров микроклимата выполнены Испытательным лабораторным центром ФБУН «СЗНЦ гигиены и общественного здоровья», аттестат аккредитации РОСС RU.0001.511172.

Инструментальные исследования параметров микроклимата (температура, относительная влажность, скорость движения воздуха) в помещении проведены в течение всего периода эксперимента четырехкратно: фоновые, через 1,5; 3; 4,5 часа с использованием метеометра МЭС-200А в соответствии с ГОСТ 30494–2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях».

Для обработки результатов лабораторного анализа проб использовали программу IBM SPSS Statistics, v. 22. Рассчитывался непараметрический критерий Фридмана (модификация критерия хи-квадрат для трех и более связанных выборок), а также определяли медиану (50-й процентиль) и межквартильный диапазон (25–75-й процентили). После проведения статистической обработки результатов были выбраны максимальные концентрации по каждому веществу (медиана 50 % процентили).

Результаты исследования. На основании полученных данных была прослежена динамика изменения качества воздуха в закрытом помещении в условиях эксперимента. Результаты определения ряда соединений, представляющих интерес в рамках данного исследования, приведены в табл. 1.

Отмечается превышение гигиенических нормативов для ацетальдегида в 1,8 раза при пребывании добровольцев в закрытом помещении в течение 4,5 часа. Содержание формальдегида и проп2-ен-1-аля также нарастало в течение каждого часа и достигло максимальных значений в конце эксперимента – 0,9 и 0,8 ПДК соответственно. Концентрации углерода оксида и 2-метилбута-1,3-диена постепенно повышались и в конце эксперимента были соответственно в 4 и 8 раз выше фоновых значений. Концентрации азота оксида, метилбензола выросли по сравнению с фоном в среднем на 14–50 % через 1,5 часа и не менялись в течение 4,5 часа. Содержание взвешенных частиц РМ2,5 через 1,5 часа пребывания добровольцев превысило фоновое значение в 1,6 раза и сохранялось на данном уровне в течение эксперимента.

Содержание углерода диоксида превысило в 6,5 раза фоновые значения и составило 5180 см3/м3. Следует отметить, что в соответствии с ГОСТ 30494–2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях» качество воздуха в исследуемом помещении по критерию содержания углерода диоксида можно отнести к наиболее неблагоприятному 4-му классу (1000 см3/м3 и более – низкое). Содержание остальных контролируемых показателей оставалось на уровне фоновых концентраций.

На следующем этапе эксперимента был выполнен анализ пробы «неизвестного состава» летучих и среднелетучих органических соединений с целью определения качественного и количественного состава воздуха в помещении. Было идентифицировано и измерено 68 химических соединений. В табл. 2 представлены результаты определения органических соединений, характеризующих воздух невентилируемого помещения, и их оценка относительно установленных нормативов.

Полученные данные подтверждают наличие органических соединений, относящихся к различным классам – предельные и непредельные, ароматические углеводороды, альдегиды, кетоны сложные эфиры органических кислот, однако концентрации данных веществ определялись на порядок ниже установленных гигиенических нормативов. Среди измеренных веществ концентрации 33 загрязнителей оказались ниже предела определения методик:

• предельные и непредельные углеводороды: 2-метилбутен-1, изомер гексана, 3-метилпентан, гексен-1, метилпентен (сумма изомеров), 2,3-бутандион, 2-метилпентадиен-1,3, гексадиен (изомер), гексадиен циклический (изомер), гептен-1, гептен изомер, тридецен-1;
• циклоалканы: 2-циклогексан-1-1(карвон), метил-циклогексадиен, 2-метилциклопентен;
• спирты: циклопентанол, фурфуриловый спирт;
• сложные эфиры: 2-этилфуран, 2,5-диметилфуран;
• кетоны: пентанон-2, циклопентанон, циклопентен-2-он-1, гептанон, ацетофенон;
• гетероцикличесие соединения: метилпиридин, 3-метилпиридин, 3-винилпиридин, 2,6-диметилпиразин, N-метилпиррол;
• ароматические соединения: винилбензол;
• хлорорганические соединения: тетрахлорэтилен.

Температура воздуха в помещении повышалась от 21,2–24,8 °С в начале измерений до 25,2–27,4 °С в конце. За период наблюдений температура воздуха увеличивалась в разные дни на 1,9–3,8 °С, при этом рост относительной влажности воздуха составил: 4–6 %. Повышение температуры – в среднем на 2,7 °С и относительной влажности воздуха – в среднем на 5,3 %, очевидно, преимущественно связано с тепло-влаговыделениями присутствующих в помещении людей.

Обсуждение. Исследования качества воздуха проведены в помещении при отсутствии оргтехники, полимерных отделочных материалов, естественной и искусственной вентиляции, что способствовало концентрированию загрязнителей и выявлению закономерностей изменения контролируемых показателей.

Анализ полученных данных показывает, что содержание загрязнителей в воздухе помещений характеризуется широким перечнем химических соединений. При динамических исследованиях были выявлены загрязнители, в основном относящиеся к продуктам метаболизма человека – оксиды азота, углерод оксид, углерод диоксид альдегиды, метилбензол, 2-метилбута-1,3-диен, причем ведущая роль принадлежит альдегидам и диоксиду углерода, что также подтверждает результаты авторов⁴, указывающих на диоксид углерода как основной поллютант офисных помещений [11–15].

Суммарная концентрация ацетальдегида, формальдегида, проп-2-ен-1-аля составила 3,45 ПДК. Содержание альдегидов в помещениях, как правило, рассматривается на примере формальдегида, в основном как индикатора качества используемых строительных материалов [8][16–19]. Полученные результаты показывают, что при пребывании человека в непроветриваемом помещении повышается содержание формальдегида и ацетальдегида, проп-2-ен-1-аля в помещении.

Среди летучих и среднелетучих органических соединений, присутствующих в помещении, в список определяемых веществ были включены компоненты средств личной гигиены (шампунь, гель для душа, кондиционер, жидкой основы увлажняющего крема) – монотерпены, сгруппированные как 1-метил-4-изопропенил-циклогексен-1 (лимонен), смесь углеводородов на основе бутана, углеводороды, растворители [20–22].

Кроме того, многие ЛОС, используемые в потребительских товарах, имеют высокую молекулярную массу и при окислении могут преобразовываться в целый ряд соединений [23][24]. На основании проведенных лабораторных исследований установлено, что основными классами органических веществ, преобладающими в помещении, являются ароматические углеводороды, сложные эфиры, альдегиды.

Заключение. В результате выполненных лабораторных исследований были определены 83 химических вещества, находящихся в непроветриваемом помещении. Приоритетный вклад в формирование воздушной среды помещений в присутствии людей вносят: ацетальдегид, формальдегид, проп-2-ен-1-аль, углерода диоксид.

Значения концентраций приоритетных веществ могут быть использованы при расчете в проектировании вентиляции в помещениях закрытого типа, предназначенных для длительного пребывания людей.

Целесообразно обратить внимание на результаты данной работы при разработке мероприятий по режиму труда и отдыха на рабочих местах.