基于 CFD 对污水处理厂生物气溶胶远距离逸散进行风险评估

1 引言

近年来，通过空气或气溶胶传播的疾病（如 SARS、MERS 和 COVID-19）暴发，凸显空气环境中微生物污染的严重性。废水中含有某些病原微生物，这些微生物在适宜条件下可能大量繁殖，对人类健康构成严重威胁。尽管已有研究关注微生物气溶胶的排放水平等，但对其远距离扩散及影响因素的研究有限，而此类研究对于制定风险缓解策略和保护公众健康至关重要。

本研究强调了城市源密集型生物气溶胶污染的影响，分析了城市污水处理过程中微生物气溶胶扩散的影响因素，并定量研究了废水曝气产生的气溶胶颗粒及其微生物含量。特别关注了不同建筑密度区域颗粒物的沉积模式，阐明了污水处理厂附近居民的长期暴露风险及相关健康影响。

2.方法

2.1 计算域总览

本研究选择华北平原的一座大型城市污水处理厂，研究区域覆盖 1.8公里 ×2.1 公里的建筑范围，最高的建筑是一排 62 米高的高层办公楼。室外曝气池被指定为生物气溶胶的释放源，旨在探索城市环境中生物气溶胶的远距离扩散模式，如下表：

表 1.计算算例的气象条件

根据模拟案例中最高建筑的高度，夏季算例中模型前部、左部、右部和上部与边界的距离为20H，城市尾部距离边界为 50H，其中 H 为最高建筑高度 28 米，建筑范围为 2.1km^*1.8km 。

原浓度由以往污水处理厂实验曝气池池面上方1.5 米处中测量到的气溶胶浓度计算确认。。下游建筑区域已被划分为50 个区域，以便于后续的健康风险计算，如图 1 所示。

2.2 湍流模型

RNGk-ߝ湍流模型对旋涡的影响进行了考虑，基于重整化群理论进行了统计和推导，修正了湍流粘度，其输运方程表示为：

拉格朗日法已被广泛运用于生物气溶胶在空气中的扩散，生物气溶胶颗粒子的运动轨迹方程如下所示：

其中 μ 表示气流的速度。 d_pi 表示气溶胶颗粒的直径， C_D 是阻力系数，和 ρ_α 分别表示单个颗粒的密度和气流的密度， g_x 是重力加速度， F_αi 表示单位颗粒质量的附加力。

3.结果讨论

图 2.a、b、c 展示了案例 1 中生物气溶胶释放 30 秒、300 秒和 1200秒后的感染概率；d、e、f 展示了案例 2 中生物气溶胶释放 30 秒、300 秒和 1200 秒后的感染概率。

本文结合定量微生物风险评估，分析了不同人群暴露于生物气溶胶的感染风险，主要结论如下：

生物气溶胶在12 点钟方向释放600 秒时，感染风险达到最高值 3.82% 。生物气溶胶的扩散范围和浓度随释放时间的变化而变化。人群长时间暴露于生物气溶胶释放中会增加传染病感染的可能性，这与一般颗粒物排放不同。释放源下游的孤立高层建筑对生物气溶胶颗粒的捕获减少了下游低层建筑中颗粒沉积的概率。

不同区域的感染风险与距释放源的距离呈负相关。距离释放源较近的区域往往感染风险较高，而距离较远的区域感染风险较低。这种模式受生物气溶胶在空气中传播时的扩散和稀释影响。

总之，本研究以大肠杆菌为代表计算了病原菌的假设释放，并以单一菌落进行了假设模拟和释放扩散分析。

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