和式トイレを流した後のトイレ利用者への粒子曝露のリスク

Scientific Reports volume 12、記事番号: 21088 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

スクワットトイレは、現地の習慣と低コストのため、発展途上国で広く使用されています。 和式トイレを流すと強い空気流が巻き込まれ、エアロゾルが発生する可能性があります。 この調査では、スクワットトイレを備えたトイレのモックアップを構築しました。 フラッシングによって引き起こされる空気の流れは、粒子画像流速測定によって視覚化され、定量的に測定されました。 影響を受けた気流の最大高さは、超音波風速計によって特定されました。 粒子放出率を推定するために、便器を密閉箱で覆い粒子濃度を測定した。 洗浄ボタンやドアハンドルに堆積した粒子が皮膚に接触した場合のリスクと、放出されたエアロゾルを吸入する可能性が評価されました。 その結果、しゃがみ式トイレを流すと、トイレの噴煙が便器から最大 0.9 メートルまで上昇する可能性があることが明らかになりました。 1 回のフラッシングプロセスで直径 0.3 μm を超える粒子が 29 万個生成され、そのうち 90% の粒子はサブミクロンサイズです。 特に呼吸ゾーンが 1.0 m 未満のトイレ使用者の場合、水洗により水洗ボタンやトイレのドアハンドルに粒子が付着したり、水洗後 30 分間トイレ内に残った場合でも吸入暴露が発生する可能性があります。

トイレを流すと空気の流れが取り込まれ、飛沫や飛沫核が発生する可能性があります。 感染者がトイレを使用した後の飛沫および飛沫核には感染性微生物が含まれている可能性があります1。 感染者の尿や便から検出された SARS-CoV-2 は 2,3,4,5 、糞口経路を介した感染のリスクを浮き彫りにしています。 初期の研究では、尿や糞便中に SARS-CoV-16、MERS-CoV7、ノロウイルス、ロタウイルス 8 が存在することも報告されています。 複数回水を流しても、便器の表面から微生物を完全に除去できない可能性があります1、9、10。 微生物は便器の内壁にバイオフィルムを形成することもあり 1、そのため数日または数週間経っても検出される可能性があります 11。 したがって、一般の人々が公衆トイレにアクセスしたりトイレを使用したりする際の感染伝播のリスクを理解することが重要です。

図 1 に示すような水槽を備えた一般的な和式トイレの場合、洗浄ボタンが押されると、水ジェットが多数の小さなポートと便器の片側にあるメイン洗浄ポートから出ます。 洗浄水は便器内面、排泄物、排泄物と洗浄水の混合物に衝突します。 洗浄水は便器を洗い流し、排泄物とともに下水道に排出されます。 サイホン式トイレを流すと便器内に強い空気流が発生すると主張されています12。 高速空気による押し込み、液体および/または固体混合物との多相力作用、および便器表面によるせん断により、液体とその混合物が霧化され、液滴が生成されます13。 液滴は、空気流のせん断力を受けると破壊される可能性があります14。 液滴の大部分はすぐに蒸発して液滴核になります。 さらに、波の作用や白波による海水上の空気の巻き込みの場合のように、撹拌された水によって空気が巻き込まれるときに気泡が発生することもあります15。 気泡の破裂によってもエアロゾルが発生する可能性があります16。

スクワットトイレシステムと水流経路の概略図: (a) トイレにいるユーザー、(b) 現実的なスクワットトイレの断面図と洗浄水の流れの経路。

エアロゾルの霧化は、トイレの設計と洗浄エネルギーの影響を受けます16、17。 同じ種類の便器の場合、洗浄エネルギーが大きいほど、より多くの飛沫および飛沫核が発生します。 流量計を備えた高圧トイレでは、直径 0.3 μm を超えるエアロゾルが最大 28 万個発生すると報告されています17。 同等の洗浄量にもかかわらず、水洗式トイレで生成されるエアロゾルの数は、圧力補助式重力流式トイレで生成されるエアロゾルの数の 3 倍以上でした16。 サイホン式トイレは、同じ洗浄量の場合、洗浄パンに比べてバイオエアロゾルの発生量が約 1/14 でした18。 糞便廃棄物を使用しない洗浄と比較して、廃棄物を使用した洗浄はバイオエアロゾルの量を増加させると主張されていますが、総エアロゾルにはあま​​り影響を与えませんでした19。 トイレから1～2m以内に大きな飛沫が付着した20。 微生物は、便座、蓋、水槽、蛇口のハンドル、トイレのドアのハンドル、床など、頻繁に触れる表面で検出されました21、22、23、24。 これらの表面上の微生物は、汚染された手 25 や飛沫または付着した液滴 21、26 から発生する可能性があることに注意してください。 したがって、その後のトイレ利用者が表面に触れることには潜在的なリスクが存在します27。

トイレの水洗によって生成されるエアロゾルの大部分は、直径 3 μm 未満でした 19。 サイホン式便器を流すことによって生成されるエアロゾルの約 95% は 2 μm 未満であり、99% は 5 μm 未満でした16。 公衆トイレで水を流した後、床上 1.52 m の高さで少なくとも 20 秒間、サイズ範囲 0.3 ～ 3 μm のエアロゾルが検出される可能性があり 28、エアロゾルの数は高さとともに減少することが報告されています。 。 民間航空機で真空トイレの水を流すと、呼吸ゾーン内のエアロゾル濃度が測定され、ピーク上昇量は約 300 粒子/L13 でした。 バイオエアロゾルは、水を流した後 90 分以内に、便座の上 25 cm までの高さで検出される可能性があります 29。 トイレの上にエアロゾルが存在するのは、主にトイレのプルームの上昇によって引き起こされる流れによるものでした。 トイレの水を流すと、地上から少なくとも 1.0 m の上昇気流が発生する可能性があります12。 民間航空機の真空トイレを洗浄すると、便器から立っている大人の呼吸ゾーンへの上向きの気流さえ誘発されました13。

トイレの水を流すことによって引き起こされる一時的な気流に加えて、トイレの換気も空間内のエアロゾル伝播に影響を与える可能性があります。 換気の悪いトイレでは、複数回水を流すと、空気中にバイオエアロゾルが蓄積する可能性があります28。 天井排気システムを備えたコンパクトなトイレでは、水を流した後 100 秒以内にエアロゾルがトイレ全体に広がる可能性があります 30。 天井給気と壁と床の組み合わせた排気換気システムは、バイオエアロゾルを効果的に除去できる可能性があります 31,32。 後壁に排気口を備えた天井給気装置により、病棟のトイレでも ISO クラス 5 の清浄度が実現されました 33。 便座の底部にある吸引口は、トイレの水を流すことによって発生するエアロゾルを除去するのに効果的であると主張されている34。 排気口と便器との距離を短くすることで、バイオエアロゾル粒子を効率的に排出できることがわかった35。 バイオエアロゾルの拡散を減らすための実行可能なアプローチは、トイレの蓋がある場合は蓋を閉めた状態でトイレを流すことでした 18,28。

上記のレビューは、トイレの水を流すと強い空気の流れが誘発され、エアロゾルが発生する可能性があることを示しました。 エアロゾルは感染性微生物を運び、病気を広める可能性があります。 スクワットトイレは、現地の習慣と低コストのため、発展途上国で広く使用されています。 しかし、和式トイレは使用する水の量が多く、便器も浅くなっています。 和式トイレを流すと大量のエアロゾルが発生する可能性があります。 私たちの知る限り、これまでにエアロゾルの発生、伝播、そしてそれによる人体への曝露リスクの観点から和式トイレを体系的に調査した研究はありません。 今回の調査では、この知識のギャップを埋めるために測定を実施しました。

このセクションでは、測定された空気流量、粒子濃度、および洗面所の和式トイレを流した後の潜在的な暴露リスクを示します。

図 2a は、さまざまな時点でのフラッシング プロセスの一時的な空気の流れを示しています。 t = 0 秒でフラッシング ボタンが押され、フラッシング プロセス全体が 4 秒続きました。 t = 0.5 秒で、便器内の水霧が水槽に向かって上向きに移動しました。 その後、ミストプルームは上昇を続けましたが、t = 1.0 秒、1.5 秒、および 2.0 秒で示すように、図の右側に若干戻りました。 目に見える水霧は便器の上方約0.5メートルまで上昇した。 t = 2.0 秒後、水ミストプルームは急速な蒸発により消失しました。 図 2b は、トイレのドアから水槽の方向に見た空気の流れを示しています。 誘発された気流は非常に混沌とし、かなりの乱流でした。 t = 1.5 秒から、水霧が立っているサーマル マネキンの脚のすぐ近くにあり、感染性病原体が人体に運ばれる可能性が示されました。 視覚化されたフローの詳細については、補足ビデオ (補足ファイル 1 ～ 2) をご覧ください。

洗浄中の洗面所内で水ミストをトレーサーとして使用した一時的な気流の視覚化: (a) 側面図、(b) 正面図。

図 3 は、粒子画像流速測定 (PIV) による、トイレを流した後の関心領域 (ROI) 内の気流速度の分布を示しています。 再び、t = 0 秒でフラッシング ボタンが押されました。 t = 0.2 秒では、便器内の水流によって空気がほぼ上向きに押し上げられました。 ボウル内の水流によるせん断により、X < 0.45 m の領域の流れは左に進み、X > 0.45 m の領域の流れは右に進みます。 t = 0.5 s では、やや左方向の強い上昇気流が形成され、最大速度は 0.8 m/s に達しました。 上昇流は t = 1.0 秒でも発達し続け、上昇気流の高さは 0.18 m に達しました。 最大空気速度は、t = 1.0 秒で約 0.6 m/s でした。 その間、左下隅の空気の一部が巻き込まれ、反時計回りの渦が形成されました。 t = 2.0 秒では、流量は増加し続けましたが、速度は低下しました。 X > 0.4 m の領域では非常に明確な下降流が観察できます。 t = 3.0 秒から始まり、洗浄水の流量が減少するにつれて、便器上の空気の動きは非常に弱くなりました。 水の流れは t = 4.0 秒で完全に止まりましたが、この時点では弱い空気の動きがまだ混沌としていた状態でした。 フラッシング プロセス全体を通じて、測定された最大空気速度は t = 0.488 秒で 0.91 m/s でした。 一時的な気流場の詳細については、補足ビデオ (補足ファイル 3) をご覧ください。

PIV によるトイレの洗浄後の対象領域 (ROI) で測定された過渡空気速度分布: (a) t = 0.2 秒、(b) t = 0.5 秒、(c) t = 1.0 秒、(d) t = 2.0、(e) t = 3.0 秒、(f) t = 4.0 秒。

PIV システムは便器に近い狭い領域の気流を測定するため、この調査では超音波風速計を使用して洗面所内のいくつかの高い場所での気流速度を測定しました。 図 4a は、点 P1 (0.3 m、0、0.7 m) で測定された空気速度を示しています。 床上 0.7 m では、t = 4 秒からフラッシングによって引き起こされた明らかな空気速度を感知できました。 ただし、すべての速度成分は非常に低く、値は 0.1 m/s 未満でした。 垂直速度成分は他の 2 つの成分よりわずかに高かった。 図 4b は、ポイント P2 (0.3 m、0、0.9 m) とポイント P3 (0.3 m、0、1.0 m) での全方向速度の大きさを比較しています。 高さ 0.9 m での速度は高さ 1.0 m での速度よりも若干速くなりました。 高さ 1.0 での速度は、カオス的な背景の値に非常に近かったため、ほとんど測定できませんでした。 上記の結果は、フラッシングプロセスが 0.9 ～ 1.0 m もの高さで空気の流れを遮断する可能性があることを示しています。

超音波風速計で測定された過渡空気速度プロファイル: (a) 点 P1 (0.3 m、0、0.7 m) での 3 つの速度成分、(b) 点 P2 (0.3 m、0、0.9 m) および P3 での速度の大きさの比較(0.3m、0、1.0m)。

補足ビデオ (補足ファイル 4) で確認できるように、水洗トイレでは多数のエアロゾルが発生する可能性があります。 洗浄プロセス中に放出された粒子の総数を推定するために、便器の上の密閉ボックス内の粒子濃度が測定されました。 図 5a は、ボックスの中央のサンプリング ポートで測定された 0.3 ～ 25 μm のサイズ範囲の総粒子濃度を示しています。 合計 3 回のフラッシング操作が実行され、フラッシング操作間の時間間隔は約 90 秒でした。 フラッシングを行わない場合のバックグラウンド粒子濃度は約 7,500 粒子/L でした。 各フラッシングの後、粒子濃度は 4 秒以内に約 12,000 粒子/L のピークまで増加しました。 濃度は 10 ～ 13 秒でバックグラウンド レベルまで減衰しました。 水流および/または大きな水滴は、フラッシング後に一部の粒子の堆積を促進し、浮遊粒子の一部を除去し、フラッシングなしのプロセスのバックグラウンド濃度を下回る濃度をもたらしました。 図 5b は、3 回繰り返されたフラッシング プロセスにおける 3 つのサンプリング ポートでの平均粒子濃度を示しています。誤差帯域は粒子濃度の標準偏差を表しています。 標準偏差が小さいということは、ボックス内の混合とフラッシングプロセスの再現性が非常に良好であることを意味します。

サイズが 0.3 μm ～ 25 μm の範囲の粒子の一時的濃度の測定：（a）中央のサンプリング ポート、（b）3 回のフラッシング プロセスの繰り返しにおける 3 つのサンプリング ポートでの粒子濃度の平均。影付きのバンドは標準偏差を表します。

表 1 は、各サイズのビンで生成された粒子の数と、監視された粒子濃度から推定される合計粒子の割合を示しています。 粒子径が大きくなるにつれて発生粒子数は減少した。 粒子の約 74% は 0.3 μm ～ 0.5 μm であり、粒子の 90% 以上はサブミクロン範囲にありました。 3 μm を超える粒子の割合は 1% 未満でした。 上記の粒度分布は、Knowlton らによって報告されたものと類似していました 19。

飛散した液滴といくつかの主要な表面への浮遊粒子の堆積は、意図的に水槽に放出された蛍光粉末を使用して評価されました。 図 6 は、和式トイレのステップ領域への蛍光粒子の堆積を示しています。 図6aに示すように、フラッシング前にはこの領域に蛍光粒子は堆積していませんでした。 しかし、フラッシング後、ステップ領域に多数の蛍光粒子が観察される場合があります。 便器内にも蛍光液の一部が見られます。 これは、飛散した液体や病原菌を含んだ飛沫が和式トイレの段差部分に付着する可能性があることを示唆しています。 トイレ利用者の靴が病原体​​と接触し、室内の他の床に病原体を運ぶ可能性があります。 床に堆積した病原体が外乱によって再浮遊すると、一部の病原体が空気中に浮遊する可能性があります。

和式トイレのステップ領域への蛍光液滴/粒子の堆積: (a) 流す前、(b) 流した後。

図 7 は、水洗ボタンとトイレのドアハンドルへの蛍光粒子の堆積を示しています。 図7a、cに示すように、水槽に蛍光粉末を添加せずにトイレを流した場合、蛍光粒子は観察されませんでした。 対照的に、図7b、dにそれぞれ示すように、槽内の蛍光粉末でフラッシュすると、ボタンとドアハンドルの両方に蛍光粒子がかなり堆積しました。 これは、トイレの使用者の手が、洗浄ボタンとトイレのドアハンドルの両方との接触によって汚染される可能性があることを意味します。

トイレを流した後の洗浄ボタンとトイレのドアハンドルへの蛍光粒子の付着: (a) 水槽に蛍光粉末を添加していない洗浄ボタン、(b) 水槽に蛍光粉末を添加した後の洗浄ボタン、 (c) 水槽に蛍光粉末を添加していないドアハンドル、(d) 水槽に蛍光粉末を添加した後のドアハンドル。

背景空気中の膨大な数の浮遊粒子による干渉のため、便器から放出された粒子を純粋に測定することは非常に困難であったと考えられます。 代わりに、この調査では、人体への吸入暴露の可能性を評価するために、SF6 トレーサーガスの濃度を測定しました。 図 8 は、4 つのポイントにおける一時的な SF6 濃度を示しています。 図のエラーバーは、3 回繰り返されたテストの標準偏差を示します。 SF6 のバックグラウンド濃度は約 0.02 ppm でした。 SF6 の放出は t = 140 秒で開始され、フラッシングは t = 210 秒で実行されました。 SF6 ガスは、拡散により、トイレが水洗されておらず、トイレ内に障害がなければ、ゆっくりとした速度で広がりました。 濃度が大幅に上昇するまでには 13 ～ 15 分かかります。 トイレが流されると、図 8a に示すように、しゃがんだ便器内の SF6 ガスが空気流によって上向きに運ばれ、30 秒以内にポイント #1 に到達しました。 対照的に、トイレを流した後、ポイント 2 で濃度が上昇するまでに 3 ～ 4 分かかります。 これは、子供のように呼吸の高さが低い場合、吸入のリスクがより大きくなることを示しています。 トイレ前のポイント #3 と #4 でも同様の結果が得られました。 しかし、ポイント #3 および #4 でのフラッシングによるピーク濃度は、ポイント #1 および #2 よりも低かった。 この発見は、ユーザーがトラップから遠ざかるほど、吸入暴露のリスクが低いことを示しています。

トイレを流した後の呼吸ゾーンにおける一時的な SF6 濃度: (a) ポイント #1 (0.4 m、0.15 m、1 m)、(b) ポイント #2 (0.4 m、0.15 m、1.5 m)、(c) ) ポイント #3 (0.7 m、0、1 m)、(d) ポイント #4 (0.7 m、0、1.5 m)。

トイレ使用者の総吸入 SF6 トレーサーガスは、監視された SF6 ガス濃度とトイレの水を流した後の滞留時間とを積分し、肺換気量を乗算することによって得られます。 便器内に放出された SF6 ガスの総量は既知であるため、総放出された SF6 ガスに対する吸入された SF6 ガスの割合として定義される吸入率を計算できます。 生成された液滴核が SF6 ガスをよく追従すると仮定すると、吸入される SF6 ガスの割合は液滴核のそれと同じになります。 図 9 は、トイレを流した後の滞留時間に応じて変化する吸入粒子数を示しています。 吸入粒子数は、表 1 に示す平均総発生粒子数と SF6 ガス吸入率の単純な積です。 トイレ使用者の呼吸ゾーンがポイント 1 にある場合、フェイスマスクを着用していない場合、使用者は 20 分間の滞留時間で便器から発生する 6,000 個を超える粒子を吸い込む可能性があります。 たとえ 30 分の滞在でも、1 分間に数個の粒子、さらに 200 個以上の粒子を吸い込む可能性があります。 最大吸入粒子数は、ポイント #2 ～ #4 で 4,200 未満でした。 吸入された粒子は、ポイント #3 での最初の 2 分間の滞留と、ポイント #2 および #4 での最初の 4 分間ではゼロに近かった。 これは、トラップから遠く離れた、より高い高さにある呼吸ゾーンが、吸入される粒子の数を効果的に削減できることを明確に示しました。

フェイスマスクを着用していない場合の、トイレを流した後の異なる滞留時間における平均吸入粒子数: (a) ポイント #1 (0.4 m、0.15 m、1 m) およびポイント #2 (0.4 m、0.15 m、1.5 m) )、(b) ポイント #3 (0.7 m、0、1 m) およびポイント #4 (0.7 m、0、1.5 m)。

話を簡単にするために、この調査では便器内の大便を現実的に流すことは考慮していません。 特に、座りトイレでは、糞便が存在するとバイオエアロゾル数が大きくなる可能性がありますが、糞便廃棄物の存在によって生成されるエアロゾル数が増加することはわかっていません。 この調査での水洗 1 回あたりに放出される粒子の推定数は、400 kPa の高圧水洗計を使用した座り式トイレで報告されている 287,400 個よりわずかに多かった17。 しかし、別の研究によると、350 kPa を超える流量計を使用して座り式トイレを流すと、145,000 個の粒子が発生したと報告されています16。 この差異は、テストしたトイレの使用条件や測定方法の違いによるものと考えられます。 それにもかかわらず、しゃがみ式トイレの方が、座り式トイレよりも、流すたびに多くのエアロゾルを生成したことは確かである。

この調査では、レーザーベースの粒子カウンターを使用して粒子濃度を測定しました。 粒子カウンターの計数効率は、0.45 μm を超える粒子では 100% でしたが、0.3 μm の粒子ではわずか 50% でした。 したがって、粒子サイズが 0.3 μm より小さいエアロゾルの数は測定できませんでした。 将来的には、凝集粒子カウンターを使用して、0.3 μm 未満の微粒子の数を測定できる可能性があります。 SARS-CoV-2 の場合と同様、ほとんどのウイルスの空気力学的直径が 0.1 μm 未満であることを考慮すると、0.3 μm より小さい粒子を測定することは価値があるでしょう。 さらに、水を流すと、便器の上の密閉ボックス内の相対湿度が上昇します。 フラッシングにより最初に液滴が生成され、次にほとんどの液滴が蒸発して液滴核になります。 液滴核の数とサイズは相対湿度によって変化すると考えられています。 測定された粒子濃度とそのスペクトルの相対湿度による変動については、さらなる調査が待たれます。

この論文では、呼吸域内のエアロゾルを直接測定していません。 代わりに、トレーサーガスが測定されました。 その理由は、背景空気中の粒子濃度が高く、発生した粒子と背景粒子とを区別することが困難であったためである。 あるいは、SF6 トレーサーガスと生成粒子の同じ吸入比に基づいて、便器内の生成粒子を呼吸ゾーンに投影することにより、吸入粒子曝露の分析を実施しました。 SF6 ガスは空気より重く、エアロゾルは離散相にあることに注意してください。 将来の研究者は、呼吸ゾーンで飛沫核を直接測定することを検討するかもしれません。 以前の研究では、生成された粒子数 8,498 が民間航空機の化粧室の呼吸ゾーンで濃度ピークを引き起こすことが報告されており 13、その内部のバックグラウンド粒子濃度は今回の研究のそれより少なくとも 2 桁低かった。 将来の調査では、トイレのモックアップをクリーンルームに入れて粒子濃度を測定し、関連する粒子曝露を直接評価する可能性があります。 この調査で予測される吸入粒子数には、浮遊粒子の気道への取り込み効率や、鼻毛やその他の機構による一部の粒子の捕捉は考慮されていません。

PIV システムを使用して、中断することなく気流を測定しました。 しかし、測定結果にはまだ不確実性が残っていました。 さらなる分析 (補足ファイル 5 を参照) では、測定された空気速度の不確かさは、ほとんどが 0.02 ～ 0.05 m/s の範囲にあることが示されています。 最大の不確かさは 0.08 m/s 未満でした。 PIV は、比較的狭い関心領域にのみ気流場を提供できることに注意してください。 この調査で使用された PIV システムは 2 次元のみであったため、3 次元の速度成分は測定されていませんでした。 フラッシングによって引き起こされる 3 次元の気流もさらに研究することができます。

この調査では、トイレの和式トイレを流した後の気流と粒子濃度を測定し、発生した粒子の数を推定し、表面接触と吸入暴露リスクの両方を分析しました。 得られた結果に基づいて、次の結論が導き出されます。

しゃがみ式トイレを流すと、便器内に強い水流が発生し、便器の上に一時的な空気の流れが生じる可能性があります。 測定された最大風速は、トイレを流してから 0.5 秒後のトラップ付近で 0.91 m/s でした。 トイレを流してから4秒後、風量が非常に弱くなります。 フラッシングによって引き起こされるプルームの流れは、最大 0.9 m の高さに達する可能性があります。

和式トイレを流すと、かなりの数の飛沫とその核が発生する可能性があります。 1 回のフラッシングプロセスで 0.3 μm より大きい粒子が 29 万個生成され、そのうち 90% の粒子はサブミクロンで、74% の粒子の範囲は 0.3 ～ 0.5 μm です。

呼吸ゾーンが 1.0 m 未満のトイレ使用者、特に子供の場合は、水を流した後 30 分間トイレ内に留まった場合でも、吸入暴露のリスクが高くなります。 ユーザーがトラップから遠ざかるほど、吸入暴露のリスクは低くなります。 さらに、水を流すと便器からの粒子が洗面所のドアハンドルと洗浄ボタンの両方に付着する可能性があり、その結果生じる表面接触の危険性には注意が必要です。

和式トイレにはさまざまな設計があり、重力流 (「水槽」) システムと圧力弁 (「流量計」) システムの 2 つのタイプが最も一般的です。 水槽システムでは、水は重力に従って流れるため、水圧はフラッシングプロセスにほとんど関係ありません。 したがって、この研究では、図 1 に示すような水槽システムが選択されました。洗浄中、ウォーター ジェットは、それぞれ直径 8 mm の 35 個のポートから出ます。 便器の右側には5cm×1.5cmの長方形のメイン洗浄口もあります。 しゃがみ便器の便器は真ん中の深さが9cmと浅いです。

図 10 に示すように、1.2 m × 1.0 m × 2.3 m の寸法のトイレモックアップ内にスクワットトイレを配置しました。内部の空気の流れを視覚化するために、トイレの正面と側面の壁は透明なアクリルパネルで構築され、トイレの側面は透明なアクリルパネルで構成されています。後壁は無垢材のパネルでした。 床にはタイルが敷き詰められていました。 洗面所の天井には一定流量120㎥/hの排気ファンを設置しました。 水槽の洗浄容量は６．０Ｌであり、水槽頂部の高さは床上１．０ｍであった。 トイレ内の空気の乱れを避けるため、水槽はトイレの外に設置されました。

中にスクワットトイレを備えた洗面所のモックアップ: (a) 洗面所の写真、(b) 洗面所の概略図。

サーマルマネキンを使用して、トイレの水を流した後、トイレ内に残ったまま立っているトイレ使用者をシミュレートしました。 図 11 に示すように、マネキン (40 cm × 20 cm × 170 cm) には頭、胴体、腕、脚が含まれていますが、形状は簡略化されています。 幹は楕円柱で表され、残りの部分は円柱で表されます。 マネキンの皮膚は電気フィルムで覆われ、表面温度が 31 °C に調整されました。

トイレで水を流した後のトイレ利用者をシミュレートするために立っているサーマル マネキン: (a) マネキンの写真、(b) マネキンの寸法。

洗浄プロセスの前に、超音波噴霧器によって生成された水ミストがトレーサーとして便器内に放出されました。 霧の粒が大きかったため、重力の作用で落下しました。 上昇する気流だけが水の霧を上方に押し上げることができるので、明らかにトイレのプルームの流れが上昇していることを示しているでしょう。 トイレの床、壁、トイレのステップエリアは、水霧の動きが見えるように黒いシートで覆われていました。 洗浄ボタンが押された後の水ミストが携帯電話で記録されました。 写真の解像度は 1080 × 1920、撮影速度は 30 フレーム/秒でした。

高出力 2D2C-PIV システム (Dantec Dynamics、デンマーク) を使用して、過渡気流を測定しました。 PIV システムは、デュアルキャビティ パルス レーザー (タイプ: Vlite-Hi-20 k、ビームテック、カナダ)、解像度 1280 × 800 の高速カメラ (タイプ: VEO 410L、ファントム、米国)、シンクロナイザー (タイプ: 81N21、Dantec Dynamics、デンマーク)、およびコンピューター。 レーザーのパルス時間間隔は 532 nm で 50 μs でした。 レーザー ビームはシリンドリカル レンズを通過し、関心領域 (ROI) に厚さ 2 mm のライト シートを形成します。 画像シーケンスはダブル フレーム モードで取得され、パルス間の時間長は 1500 μs でした。 単分散エアロゾル発生装置 (タイプ: 3475; TSI、USA) によって生成された平均直径約 2 μm のセバシン酸ジエチルヘキシル (DEHS) 粒子をトレーサー粒子として使用しました。 DEHS 粒子の濃度は、32 × 32 ピクセルの調査領域内で 10 ～ 20 個の粒子の範囲でした。 図 12a は、しゃがみ式トイレの上の中央縦断面の ROI を示しています。 ROI の寸法は 0.46 m × 0.28 m で、ROI の左側の境界はトイレの壁から 0.11 m 離れていました。

速度測定の領域または位置: (a) PIV 測定の対象領域 (ROI)、(b) 超音波風速計による速度測定のポイント。

この研究では、PIV に加えて、3 次元超音波風速計 (タイプ: DA650 & TR92T、Kaijo Sonic、日本) を使用して、特定の点での速度を測定しました。 風速計の分解能は 0.005 m/s、不確かさは 1% でした。 測定周波数は２０Ｈｚであった。 図 12b は、速度が測定された中央縦断面の 3 つの点を示しています。 各場所での測定は少なくとも 5 回繰り返されました。

図13aに示すように、粒子濃度測定のために、和式トイレを0.6 m × 0.3 m × 0.2 mの寸法の透明なアクリルボックスで覆いました。 箱内の粒子を混合するために、箱の各隅に 1 つずつ、計 4 つの小型ファンが取り付けられました。 十分に混合された粒子濃度は、その後の粒子生成速度の推論に使用されます。 図 13b は、ボックスの上部にある 3 つのサンプリング ポートを示しており、そこを通ってサンプリング チューブがボックスの中央の高さまで到達できます。 粒子カウンター (タイプ: 9310-02、TSI、米国) を採用して、6 つのビンの一時的濃度を測定しました: (i) 0.3 ～ 0.5 μm、(ii) 0.5 ～ 1 μm、(iii) 1 ～ 3 μm、( iv) 3 ～ 5 μm、(v) 5 ～ 10 μm、および (vi) 10 ～ 25 μm。 計数効率は、0.3 μm の粒子では 50% でしたが、0.45 μm を超える粒子では 100% に達しました。 定格サンプリング空気流量は 28.3 L/min で、精度は ± 5% でした。 パーティクルカウンターは、テストに使用された時点で校正から 1 年以内でした。 測定周波数は１Ｈｚであった。

粒子源を推定するためにボックス内の粒子を測定するための概略図: (a) トイレ全体の図、(b) 粒子計数用のボックスの拡大図。

バックグラウンド粒子による妨害を最小限に抑えるために、トイレ内では空気清浄機を継続的に稼働させました。 さらに、フラッシングプロセス中に堆積した粒子の再懸濁を最小限に抑えるために、スクワットトイレ、洗面所の壁と床、ボックスは実験前に繰り返し洗浄されました。 フラッシング動作を行った場合とフラッシング動作を行わなかった場合のパーティクル濃度を測定した。 各ケースは少なくとも 3 回繰り返され、連続する 2 回のフラッシュ ケース間の時間間隔は少なくとも 10 分でした。 試験中の周囲温度は 24.0 ± 1.0 °C、相対湿度は 50% ± 2% でした。

フラッシュごとに生成された粒子の総数とサイズ分解された数は、一時的な粒子濃度から決定されました。 ボックス内の粒子濃度に寄与する主な要因には、フラッシュによって生成された粒子、重力によって堆積した粒子、ボックスの外側から引き込まれた粒子、およびパーティクルカウンターによって引き出された粒子が含まれます36。 これらの要因を考慮し、ボックス内で十分に混合された状態を仮定すると、支配方程式は次のように書くことができます37:

ここで、C(t) は時間 t におけるボックス内の粒子濃度 (粒子/L) です。 Cout(t) はボックスの外側の粒子濃度 (粒子/L) です。 Er(t) はフラッシュによる粒子放出速度 (粒子/秒) です。 V はボックスと便器で囲まれた容積で、約 45.64 L でした。 P は粒子透過効率です。 k は粒子の堆積速度 (s-1) です。 α は空気交換率 (s-1) です。 (k + α) は総粒子除去率 (s-1) です。 式では、 (1) では、粒子の蒸発、凝縮、衝突は無視されています。

フラッシュがない場合は、次の式に従ってください。 (1) ボックス内のバックグラウンド粒子濃度は次のように表すことができます。

外乱がない場合、バックグラウンド粒子濃度はほとんど変化しなかったため、外部からボックスに侵入した粒子の数は、除去された粒子の総数にほぼ等しく、つまり、PαCout は (k + α)Cback(t) に等しくなります。 。 等式のとき式(2)から式(2)が減算されます。 (1) の場合、フラッシュによるボックス内の正味の粒子濃度は次のように記述できます。

ここで、Cnet(t) は、フラッシュのみによる時間 t でのボックス内の粒子濃度 (粒子/L) です。

(k + α) が時間に依存しないと仮定すると、式(1)は次のようになります。 (3) 以下に統合できます。

ここで、排出量はフラッシュごとに生成される粒子の総数、ts はフラッシング プロセスの開始時間、tp は粒子濃度がピークに達する瞬間、Cnet(tp) はピーク粒子濃度 (粒子/L) です。 (k + α) の項は、粒子の放出がない下降段階の濃度を使用して求めることができます。 式では Er(t) = 0 とします。 (3) を積分すると、次の方程式が得られます。

ここで、td は下降段階の瞬間、Cnet(td) は td における粒子濃度 (粒子/L) です。

この調査では、和式トイレのステップ領域、流すボタン、および洗面所のドアハンドルに付着した蛍光液滴/粒子を調査しました。 トイレを流す前に、20 g の蛍光粉末を水槽に、20 g をトイレのトラップに加えました。 トイレのステップ領域への蛍光粒子の堆積を明確に見るために、紫色のライトを使用して床を照らしました。 別のテストでは、フラッシングボタンとドアハンドルに付着した蛍光粒子の観察が行われました。 テストの中断を最小限に抑えるために、トイレ内のすべての壁面は徹底的に清掃されました。 沈降板はフラッシングボタンの上面に設置され、もう一つはドアハンドルに設置されました。 倒立蛍光顕微鏡 (タイプ: IX71、オリンパス、日本) を使用して、堆積した蛍光粒子を撮影しました。

トレーサーガスは、建築環境における液滴核の適切な代替物です38。 トレーサーガスによって生じる浮力を最小限に抑えるために、この調査では 1% の SF6 と 99% の N2 の混合物を使用しました。 SF6 濃度は、多点サンプラー (型式: Innova 1409、LumaSense、デンマーク) および赤外線光音響ガスモニター (型式: Innova 1412i、LumaSense、デンマーク) で測定されました。 試験機器の分解能は 0.01 ppm、公称精度は 1% でした。 この調査では連続サンプリングが使用されましたが、各濃度の読み取りは 35 秒続きました。

図 14 に示すように、トレーサーガス濃度はさまざまな呼吸高さで測定されました。床から 1 m と 1.5 m の高さは、それぞれ立っている成人と子供の呼吸レベルに相当します。 便器洗浄前に、SF6 ガスを 5 L/min の流量で約 50 秒間便器内に噴射しました。 その後、トイレを流し、4 か所の濃度を測定し、少なくとも 5 回のテストを繰り返しました。 試験後、排気ファンを 2 時間運転し続け、トイレ内に残留する SF6 ガスを除去してから次の試験を行いました。

SF6 トレーサーガス濃度のサンプリング場所: (a) 正面図、(b) 側面図。

図 14 に示すように、呼吸ゾーンが 4 つの点にあるトイレ利用者を想定します。全放出 SF6 ガスに対する吸入 SF6 ガスの割合は、監視された SF6 ガス濃度から次のように積分できます。

ここで、CSF6 は図 8 に示すように監視された SF6 ガス濃度 (ppm)、p はトイレ使用者の肺換気量 (L/min)、t はフラッシングプロセス後の滞留時間 (分)、および \( {\Delta V}_{\mathrm{SF}6}\) は便器内に放出された SF6 ガスの総量 (L) で、今回の調査では 0.042 L でした。 トイレのユーザーの一回換気量 (1 回の呼吸で吐き出される空気の量) が 0.6 L で、各呼吸サイクルの継続時間が 6 秒だったと仮定します。 また、吸気と呼気が同一であり、その間に 0.5 秒の短い休憩があったと仮定します。 この場合、呼吸サイクルの 2.5 秒間の平均吸入速度は 14.4 L/min となります。 変化する断続的な呼吸を連続的な (停止することなく) 一定の形式に近似すると、定常肺換気量 6 L/min39 が得られます。これがこの調査で使用された p です。

浮遊粒子が SF6 ガスをよく追跡できると仮定します。これは、主に小さなサイズの液滴核の場合に当てはまります。 SF6 ガスと液滴核の吸入比率は同じになります。 次に、吸入される可能性のある粒子数は、便器内で発生した総粒子数と式(1)の吸入率の積として計算できます。 (6)。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された論文とその補足情報ファイルに含まれています。

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この研究は、国家重点研究開発プログラム (助成金番号: 2022YFC3803200) および中国国家自然科学財団 (助成金番号: 52111530186) によって部分的に支援されました。

大連理工大学土木工学院（中国、大連）

Tengfei (Tim) Zhang、Lifang Yao、Zilong Gao

天津大学環境理工学部室内空気環境品質管理天津研究室（中国、天津）

フォン・ワン

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TZが監修・原稿を執筆した。 LY は測定を実行し、データを分析し、主要な原稿テキストを開始しました。 ZG は PIV テストと粒子曝露リスク分析を実施しました。 FW が研究をデザインし、執筆を編集しました。 著者全員が原稿をレビューしました。

フォン・ワンへの対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Zhang, T.(., Yao, L., Gao, Z. et al. しゃがみ式トイレを流した後のトイレ利用者への粒子曝露リスク。Sci Rep 12、21088 (2022)。 https://doi.org/10.1038 /s41598-022-25106-4

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受信日: 2022 年 8 月 15 日

受理日: 2022 年 11 月 24 日

公開日: 2022 年 12 月 6 日

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

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