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Apr 23, 2024

Kommerzielle Toiletten geben energiereiche und sich schnell ausbreitende Aerosolfahnen ab

Scientific Reports Band 12, Artikelnummer: 20493 (2022) Diesen Artikel zitieren 54.000 Zugriffe 1 Zitate 3173 Altmetric Metrics Details Aerosole können Infektionskrankheiten einschließlich SARS-CoV-2 übertragen.

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 20493 (2022) Diesen Artikel zitieren

54.000 Zugriffe

1 Zitate

3173 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Aerosole können Infektionskrankheiten wie SARS-CoV-2, Influenza und Noroviren übertragen. Gespülte Toiletten stoßen Aerosole aus, die im Kot enthaltene Krankheitserreger verbreiten. Über die räumlich-zeitliche Entwicklung dieser Schwaden oder die Geschwindigkeitsfelder, die sie transportieren, ist jedoch wenig bekannt. Mithilfe von Laserlicht zur Beleuchtung ausgestoßener Aerosole quantifizieren wir die Kinematik von Fahnen, die aus einer handelsüblichen Spülwassertoilette austreten, und nutzen die Bewegung von Aerosolpartikeln, um Geschwindigkeitsfelder der zugehörigen Strömung zu berechnen. Die Toilettenspülung erzeugt einen starken chaotischen Strahl mit Geschwindigkeiten über 2 m/s; Dieser Strahl transportiert Aerosole innerhalb von 8 Sekunden nach Auslösung einer Spülung in eine Höhe von bis zu 1,5 m. Die Quantifizierung von Toilettenfahnen und den damit verbundenen Strömungsgeschwindigkeiten bietet eine Grundlage für zukünftige Designstrategien zur Eindämmung der Plume-Bildung oder zur Desinfektion von darin enthaltenen Krankheitserregern.

Die Toilettenspülung erzeugt eine energiereiche turbulente Strömung, die Tröpfchen und Aerosole in die Luft abgibt1,2,3,4 und Höhen von mehr als 1,5 m5 erreicht, in Szenarien, die ein erhöhtes Risiko einer durch Aerosole und Fomite vermittelten Krankheitsübertragung über Fäkalien bergen6,7, 8,9. Die größten Tröpfchen setzen sich innerhalb von Sekunden ab, aber kleinere Aerosole (\(<5\ \mu\)m) bleiben in der Schwebe10, 11. Das Vorhandensein von Krankheitserregern an den Seitenwänden der Toilettenschüssel oder im Schüsselwasser trägt zur Kontamination der Aerosole4 und zur Kontamination von bei Das Wasser in der Schüssel kann nach Dutzenden von Spülungen bestehen bleiben12, 13. Die von einer Toilette mit Spülung freigesetzten Bioaerosolkonzentrationen variieren je nach Toilettentyp14, 15, Belüftungsleistung16, radialer Position um die Schüssel17, Druckniveau der Wasserversorgung18 und Vorhandensein von Fäkalien11. Während das Wachstum der Aerosolfahne durch das Vorhandensein eines geschlossenen Deckels2, 10, 19 reduziert – aber nicht beseitigt – wird, haben Toiletten in öffentlichen, gewerblichen oder medizinischen Einrichtungen normalerweise keine Deckel. Während frühere Studien dokumentieren, wo Toilettenaerosole landen, ist über die Physik und Kinematik, wie sie dorthin gelangen, nur sehr wenig bekannt.

Während viele epidemiologische Assoziationen mit fäkal-oralen Hygienekontexten gut etabliert sind, fehlen ihre Aerosol-Gegenstücke. Die Exposition der Atemwege gegenüber Mikroben in der Luft in sanitären Einrichtungen ist ein Schwerpunkt der öffentlichen Gesundheit, da die Verfügbarkeit geschlossener öffentlicher Toiletten mit der Urbanisierung zunahm. Obwohl quantitative Risikobewertungen in diesem Hygienekontext erstellt wurden20, erfordert ihre praktische Anwendung die Eigenschaften der Emissionsquelle sowie die zeitaufgelöste Identität, Verteilung, Häufigkeit und spezifische Persistenz potenzieller Krankheitserreger, die in alveolengängigen Größenbereichen vernebelt sind21. Die Exposition gegenüber Aerosolen im Sanitärbereich ist akut und hängt stark vom Verhalten der Insassen ab, was die Beurteilung der Atemwegsrisiken in beengten Toilettenumgebungen zusätzlich erschwert. Die Risiken, die mit der Übertragung von Atemwegs- und Darmviren durch die Nutzung öffentlicher Toiletten aufgrund kontaminierter Aerosole aus der Toilettenfahne, schwebender Aerosole von früheren Benutzern oder der Übertragung über stark berührte Oberflächen verbunden sind, sollten nach Möglichkeit gemindert werden4, 22, 23. SARS-CoV-2 und andere Viren überleben nachweislich mehrere Tage lang auf Oberflächen24,25,26 und Darmbakterien – potenziell pathogene und andere – wie C. difficile werden beim Spülen vernebelt und lagern sich anschließend als potenzielle Erreger auf lokalen architektonischen Oberflächen ab10.

Das derzeitige Wissen über Toiletten-Aerosolfahnen beruht hauptsächlich auf diskreten Messungen der Konzentrationen luftgetragener und abgesetzter Partikel. Das Wissen über die Kinematik der Toilettenwolke beschränkt sich auf Hochgeschwindigkeitsvideos großer ausgestoßener Tröpfchen in unmittelbarer Nähe der Schüssel8, die qualitative Visualisierung einer Trockeneiswolke aus einer Flugzeugtoilette27 und numerische Simulationen von Strömungsgeschwindigkeiten und ausgestoßenen Partikeln innerhalb eines idealisierten Toilettenmodells15. Zeitaufgelöste Vollfeldmessungen der raumzeitlichen Dynamik der Fahnen – einschließlich der Luftströmungsgeschwindigkeitsfelder – fehlen und sind von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung und Erprobung künftiger Designstrategien, um die Exposition des Menschen durch Fahnenbildung zu verringern und von der Fahne getragene Krankheitserreger zu desinfizieren28, 29 und die Entfernung von Rauchfahnen durch Belüftung verbessern20.

Zur Visualisierung und Quantifizierung der Kinematik der Aerosolwolke über einer gewerblichen Toilette vom Flushometer-Typ, wie sie in Nordamerika typisch ist (Abb. 1A), verwenden wir kontinuierliche und gepulste Laser, um ein dünnes Lichtblatt zu erzeugen (Abb. 1B), das eine vertikale Ebene beleuchtet auf der Mittellinie der Toilette. Beim Spülen der Toilette streut die entstehende Aerosolfahne Licht, das von der Seite mit Kameras abgebildet wird (Abb. 1C). Der Ablauf der Toilettenspülung beginnt mit einem Tastendruck auf der Fernbedienung, der ein Magnetventil am Spülmesser aktiviert und so den Zufluss von Wasser in das Ventil des Spülmessers ermöglicht (in öffentlichen Toiletten erfolgt diese Aktivierung oft durch einen optischen Bewegungssensor). Spülwasser, das in die Schüssel eindringt, erzeugt eine energiegeladene, turbulente Strömung mit einer vertrauten hörbaren Signatur. Wir verwenden den Schalldruckpegel, der mit einem Geräuschmessgerät in der Nähe der Schüssel gemessen wird, als Maß für die Stärke und Dauer des Spülzyklus (Abb. 1D). Der Spülvorgang dauert etwa 5,5 Sekunden nach dem Drücken der Taste (\(t=\) 0), wobei der Großteil der Spülenergie für \(0,56\) s aufgezeichnet wurde, hängt mit dem Nachfüllen der Schüssel nach der Spülung zusammen.

Laborbeleuchtung und Abbildung von bündig erzeugten Aerosolfahnen. (A) Laborexperiment mit einer kommerziellen Toilette vom Flushometer-Typ (1,6 Gallonen pro Spülung). Bei allen Experimenten enthält die Toilette reines Leitungswasser ohne Feststoffe oder Zusatzstoffe und wird damit gespült. Das Spülventil (hinter der Rückwand) wird von einer 60-psi-Versorgung gespeist und über einen Druckknopf elektrisch aktiviert. (B) Wir verwenden kontinuierliche und gepulste Laser, um eine dünne Lichtschicht zu erzeugen, die die Wolke in einer vertikalen Ebene über der Mittellinie der Schüssel beleuchtet. (C) Von Aerosolpartikeln während und nach dem Spülzyklus gestreutes Laserlicht wird von Kameras abgebildet. (D) Zeitverlauf der Spülzyklusstärke und -dauer unter Verwendung des durchschnittlichen Schalldruckpegels in der Schüssel (rote Linie) aus 20 Spülwiederholungen (graue Linien) als Maß. Der Zeitpunkt t=0 entspricht dem Zeitpunkt, zu dem die Spültaste gedrückt wird.

Um die Struktur der beleuchteten Aerosolwolke im Labor für das menschliche Auge sichtbar zu demonstrieren, haben wir mit einem Dauerlaser und einer handelsüblichen Digitalkamera eine Folge von Farbbildern der Wolke aufgenommen (Abb. 2). Für diese Fotos haben wir eine lange Verschlusszeit (1/50 s) gewählt, um Bewegungsunschärfe von Partikeln in lokalisierten Bereichen strahlartiger Strömungsstrukturen mit hoher Geschwindigkeit zu erzeugen, die die Wolke aus der Schüssel nach oben transportieren. Die instabile und dynamische Natur der Wolke wird besonders in Film S1 deutlich.

Fotos der beleuchteten Aerosolfahne bei \(t=\) 2,8, 4,4 und 6,4 s (in Abb. 1D durch gepunktete Linien dargestellt) nach dem Einleiten der Spülung. Für diese Bilder und für Movie S1 verwendeten wir einen Dauerstrichlaser und eine handelsübliche Farbkamera; Die Bilder zeigen die beleuchtete Wolke, wie sie dem menschlichen Auge im Labor erscheint.

Um quantitative Daten über die Position und Bewegung von Aerosolpartikeln zu sammeln, verwenden wir einen gepulsten Laser und ein Paar wissenschaftlicher sCMOS-Kameras, um das von den Partikeln gestreute Licht abzubilden. In diesem Fall wird die Bildbelichtungszeit (effektive Verschlusszeit) durch die Laserpulsdauer (5 ns) bestimmt, was zu scharfen Bildern mit < 0,02 Pixel Bewegungsunschärfe führt. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Anzahl der Aerosolpartikel mit der Konzentration von Krankheitserregern in der Wolke korreliert18, daher ist zu erwarten, dass die Intensität des Streulichts in unseren Bildern auch mit der Konzentration potenzieller Krankheitserreger korreliert. Für eine verbesserte räumliche Auflösung (250 \(\mu\)m) erfasst jede Kamera separate – aber leicht überlappende – Bereiche der Wolke; Die beiden Bilder werden zu einem einzigen 0,57 m breiten und 1,23 m hohen Bild zusammengefügt, das 1,59 m über den Boden reicht.

Um die räumliche Entwicklung der durch die Spülung verursachten Aerosolfahne abzubilden (Abb. 3), verwenden wir eine Intensitätsschwellenwerttechnik, um die Fahnenhüllen zu verschiedenen Zeitpunkten in der Spülsequenz zu berechnen, wobei die angegebenen Zeiten dem Spülzyklus in Abb. 1D entsprechen. Die berechnete Hülle (schwarz dargestellt) markiert die Grenze der vorrückenden Aerosolfront. Die Intensität der abgebildeten Partikel wird zur visuellen Übereinstimmung mit den Farbfotos in Abb. 2 in Grün dargestellt. Die Wolke wird nach oben und hinten in Richtung der Wand hinter der Toilette ausgestoßen, wobei die höchste Partikelkonzentration innerhalb strahlartiger Strukturen im Innenraum auftritt Bereich der Hülle. Bei t = 4,5 s trifft die Wolke auf die undurchlässige Rückwand, behindert die Rückwärtsbewegung und verstärkt die vertikale Bewegung. Die Bewegung der Wolke ist chaotisch und turbulent, wie die komplexe und fraktale Beschaffenheit der Hülle zeigt, wobei häufig aerosolfreie Luft in das Innere der Wolke eindringt. Die abgebildete Wolkenhülle steigt innerhalb von 7,5 s auf eine Höhe von über 1,3 m. Wiederholte Versuche offenbaren Hüllenvariationen von Flush zu Flush – die chaotische Physik reagiert empfindlich auf kleine Unterschiede in den Anfangsbedingungen –, aber die großräumigen Fahnenmerkmale sind konsistent. Für Zeiträume von mehr als 8 Sekunden schränkt die Ausbreitung der Wolke und die Verdünnung mit der Umgebungsluft unsere Fähigkeit ein, das weitere Wachstum der Wolke direkt abzubilden. Um zu zeigen, dass die Wolke wächst und länger als 8 s anhält, verwenden wir ein empfindlicheres Luftpartikelzählgerät, wie unten erläutert.

Räumliche Verteilung und Wachstum von Aerosolfahnen im Zeitverlauf. Zeitliche Abfolge in 1-s-Intervallen von durch Spülung verursachten, sofortigen Aerosolfahnen, die ein schnelles und anhaltendes Wachstum zeigen. Jedes Panel zeigt die Intensität der abgebildeten Partikel (grüne Farbkarte) und berechnete Fahnenhüllen (schwarze Bereiche), wobei die angegebenen Zeiten der Spülsequenz in Abb. 1D entsprechen. Die komplexe Form der Hüllengrenze ergibt sich aus dem turbulenten und chaotischen Strömungsfeld, das durch die Toilettenspülung hervorgerufen wird. Die beiden im ersten Feld angegebenen Orte „Loc 1“ und „Loc 2“ entsprechen Orten, an denen optische Partikelmessungen durchgeführt werden, wie in Abb. 5 dargestellt.

Um die Größe, Richtung und Struktur des durch Spülung induzierten Luftstroms zu quantifizieren, der die Aerosolfahne transportiert, verwenden wir die Partikelbild-Velocimetrie (PIV)30, 31, um momentane Geschwindigkeitsfelder innerhalb der Plume-Hüllen zu berechnen (Abb. 4). Richtung und Größe der Geschwindigkeit werden durch die Ausrichtung und Länge der schwarzen Pfeile dargestellt. Der Übersichtlichkeit halber wird die Geschwindigkeitsgröße auch durch die Farbkartenüberlagerung angezeigt. Die abgebildeten Aerosole dienen als wirksame Keimpartikel für PIV, was zu berechneten Geschwindigkeitsfeldern mit Unsicherheiten im Allgemeinen < 5 % führt. Die Strömung ist überraschend energisch und chaotisch und zeigt ein stark strahlartiges Verhalten mit Geschwindigkeiten von 1 m/s oder mehr (rote Bereiche in den ersten beiden Feldern), die während der ersten 6 Sekunden des Spülzyklus unvorhersehbar oszillieren. Die momentanen Geschwindigkeiten übersteigen die Umgebungsströmungsgeschwindigkeiten im Labor bei weitem (10–15 cm/s) und überschreiten gelegentlich 2 m/s. Die großen, ungleichmäßigen und instationären Geschwindigkeiten transportieren und verteilen effizient Aerosole, die während des Spülens aus der Schüssel ausgestoßen werden.

Turbulente Strömungsfelder, die für den Aerosolfahnentransport verantwortlich sind. Zeitliche Abfolge der durch Spülung induzierten Momentangeschwindigkeiten, berechnet aus Partikelbildpaaren unter Verwendung von PIV für dieselbe in Abb. 3 gezeigte Spülsequenz. Die Strömungsrichtung wird innerhalb der Fahnenhüllen durch schwarze Pfeile angezeigt, und die Geschwindigkeitsgröße wird durch die Pfeillänge und auch durch die angezeigt Farbkarte. Die turbulenten Geschwindigkeitsfelder weisen strahlartige Hochgeschwindigkeitsstrukturen (rot) auf, die während der Spülung schnell oszillieren. Die Farbkarte der Geschwindigkeitsgröße beginnt bei 0,125 m/s, was typisch für Umgebungsströmungsgeschwindigkeiten im Labor ist, in dem die Messungen durchgeführt wurden.

Um das Potenzial von Toilettenfahnen zu verstehen, die Menschen den Krankheitserregern in Aerosolen aussetzen, verwenden wir einen optischen Partikelzähler, um die Größe und Menge der durch den Spülzyklus ausgestoßenen Aerosolpartikel zu messen10, 11, 17. Die Messungen werden an drei Standorten durchgeführt (Abb. 5A). ): Die Standorte 1 und 2 befinden sich über der Schüssel – und sind auch als Referenz in Abb. 3 dargestellt –, während Standort 3 weiter von der Rückwand entfernt ist. Um die Auswirkung des Spülzyklus auf Partikel an jedem Ort zu sehen, haben wir die Partikelanzahl über drei Zeitintervalle gemessen (Abb. 5B): ein Vorspülintervall (graue Balken), eines, das unmittelbar nach dem Spülen beginnt (rote Balken) und eine, die 60 s nach der Spülung zentriert ist (blaue Balken). Die Partikelzahlen wurden in drei Größenklassen eingeteilt: \(0,2\ \mu \text {m}\le d\le 0,3\ \mu\)m, \(0,3\ \mu \text {m} < d \le 1,0\ \mu\)m und \(1.0\ \mu \text {m} < d \le 2.5\ \mu\)m; Die meisten Partikel befanden sich in den beiden kleineren Behältern. Über der Schüssel (Loc 1 und Loc 2) stieg die Partikelanzahl innerhalb von 30 s nach Beginn der Spülung um etwa eine Größenordnung oder mehr an, wobei die Anzahl danach abnahm. Weiter entfernt (Ort 3) ist der Anstieg der Partikelanzahl bescheidener, bleibt aber über beide Zeitintervalle nach dem Spülen konstant.

Größe und Anzahl der ausgestoßenen Aerosolpartikel. (A) Ein Luftpartikelzähler wird verwendet, um Partikelmessungen an angegebenen Orten durchzuführen; Die Standorte 1 und 2 sind ebenfalls als Referenz in Abb. 3 dargestellt. Die als Maßstab dienende menschliche Figur ist 1,62 m groß, was der durchschnittlichen Größe einer amerikanischen erwachsenen Frau entspricht. (B) Die Partikelanzahl wird über die angegebenen 37-s-Intervalle gemittelt, eine Vorspülung (graue Balken) und zwei Nachspülungen (rote und blaue Balken). (C) Die Ergebnisse des Partikelzählers werden für jeden der drei Standorte in drei Größenkategorien eingeteilt. Die Histogrammbalken stellen den Durchschnitt von fünf Replikaten dar und die aufgelisteten Größenklassen entsprechen \(0,2\ \mu \text {m}\le d\le 0,3\ \mu\)m, \(0,3\ \mu \text { m} < d \le 1.0\ \mu\)m und \(1.0\ \mu \text {m} < d \le 2.5\ \mu\)m.

Unsere Ergebnisse zeigen das überraschend energische und schnelle Wachstum von Aerosolfahnen aus einer kommerziellen Toilette und verdeutlichen die chaotische Natur der Flüssigkeitskinematik, die die Partikel transportiert. Die schnelle Ausbreitung der Wolke wird durch einen starken, unsteten Strahl erleichtert, der nach oben und hinten in Richtung der Rückwand verläuft; Dieser Strahl ist im ersten Bild der Abb. zu sehen. 2 und 4, und insbesondere in Film S1. Zukünftige Toilettenkonstruktionen, die die Stärke dieses Strahls verringern – oder seine Aufwärtsflugbahn ändern – könnten dann die Menge der ausgestoßenen Aerosole verringern.

Für unsere Experimente enthielt die Schüssel nur Leitungswasser ohne Feststoffe. Das Vorhandensein von Fäkalien und Toilettenpapier könnte die Dynamik der Wolke auf unvorhersehbare Weise verändern. Die Experimente werden in der Mitte eines 300 \(\text {m}^3\) belüfteten Laborraums ohne Trennwände durchgeführt, sodass gemessene Aerosole wahrscheinlich schneller verteilt und verdünnt werden, als dies in einer typischen öffentlichen Toilette oder Toilettenkabine zu beobachten wäre .

Herkömmliche Luftpartikel-Zählermessungen wie die in Abb. 5 gezeigten sind zwar wirksam bei der Quantifizierung der Größe und Menge der ausgestoßenen Partikel – und sind daher für die Quantifizierung einer potenziellen Krankheitserregerexposition von entscheidender Bedeutung –, sie liefern jedoch wenig Verständnis dafür, wie Partikel die Schüssel verlassen und welchen Wegen sie folgen und wie sie zu den Partikelzählstellen gelangen. Die von uns zur Visualisierung und Quantifizierung der Fahnenstruktur verwendeten Methoden könnten eine Grundlage für die Minderung des Risikos der Ausbreitung von Krankheitserregern bieten, indem sie vergleichende Studien zu neuartigen Spülventilzyklen und Schüsselgeometrien sowie zur Quantifizierung von Partikelpfaden und Flugzeiten im Zusammenhang mit der Exposition des Menschen ermöglichen und Erprobung von Desinfektionsstrategien.

Zur Messung der Toiletten-Aerosolfahnen in unserem Labor verwenden wir eine handelsübliche Toilette mit einem üblichen Ventil im Spülmesser-Stil mit einer Kapazität von 1,6 Gallonen pro Spülung, wie es in öffentlichen Toiletten in ganz Nordamerika üblich ist. Die Toilette ist in der „unten“-Position mit einem handelsüblichen Sitz ausgestattet, der mattschwarz lackiert ist, um Laserreflexionen zu minimieren. Wie bei den meisten kommerziellen Toiletteninstallationen ist an der Toilette kein Deckel angebracht. Die Rückseite der Toilette grenzt an eine feste Wand; Das Spülventil und die dazugehörigen Rohrleitungen befinden sich hinter dieser Wand.

Eine elektrische Pumpe füllt einen 14-Gallonen-Wassertank mit einem internen vorgeladenen Luftblasensystem; Die Pumpe ist so eingestellt, dass sie abschaltet, wenn der Tankdruck 60 psi erreicht. Zu diesem Zeitpunkt ist die Toilette zum Spülen bereit (das Spülmesserventil hat einen empfohlenen Versorgungsdruck zwischen 10 und 100 psi). Der Tank ist an den Einlass des Spülmessers angeschlossen und der Spülzyklus wird über einen Fernknopf eingeleitet, der ein Magnetventil am Spülmesserventil aktiviert. Während der Spülung sinkt der Druck im Tank, so dass der Versorgungsdruck bei t = 7,5 s (letzte Tafeln in Abb. 3 und 4) auf 45 psi gesunken ist. Nach dem Spülzyklus und der Datenerfassung wird die Pumpe aktiviert, um den Tankdruck auf 60 psi zurückzusetzen. Die Experimente werden in einem offenen Laborraum durchgeführt, und wir verlassen uns auf das HVAC-System des Labors, um durch Spülung erzeugte Partikel zwischen den Experimenten zu belüften.

Um Farbbilder (Abb. 2 und 6) und Videos (Film S1) der Aerosolfahne aufzunehmen, verwenden wir einen Dauerstrichlaser (CW) (IPG Photonics GLR-50, 532 nm Wellenlänge, der mit einer Leistung von 11 W arbeitet ), um eine vertikale Ebene zu beleuchten, die an der Symmetrieachse der Toilette ausgerichtet ist. Lichtplattenoptiken verteilen den Strahl in eine Schicht mit einer 2 mm breiten Strahltaille, die auf dem Sichtfeld (FOV) zentriert ist. Die Mie-Streuung von Laserlicht durch Aerosolpartikel wird mit einer Sony-Kamera (A6300) abgebildet, die mit einem Sony 50 mm f/1.8-Objektiv ausgestattet ist. Standbilder werden mit einer Verschlusszeit von 1/50 s bei einer Auflösung von 4000 x 6000 Pixel aufgenommen, und Videos werden mit 60 fps mit einer Verschlusszeit von 1/60 s und einer Auflösung von 1920 \(\times\) 1080 Pixel aufgenommen.

Während unsere Bildgebungstechnik die Position und Bewegung größerer Aerosole (5-10 \(\mu\)m), die mehr Licht streuen, am effektivsten abbildet, zeigt die Nachbearbeitung der Bilder, um die Helligkeit zu erhöhen und den Kontrast zu verringern (Abb. 6). dass es auch schwächeres Licht einfangen kann, das von kleineren Aerosolen gestreut wird, und dass sich die kleineren Partikel innerhalb derselben Hülle wie die größeren bewegen.

Abgebildete Partikel sind gute Indikatoren für die Hülle der Wolke. (A) Das dritte Panel der Wolke (t = 6,4 s) aus Abb. 2 wird hier als Referenz wiedergegeben und zeigt die Position und Bewegung größerer Partikel. (B) Vergrößertes Bild des durch das rote Kästchen in Teil A gekennzeichneten Bereichs, nachbearbeitet, um die Belichtung zu erhöhen und den Kontrast zu verringern. Dies macht schwächeres Licht kleinerer Partikel sichtbar und zeigt, dass die kleineren Partikel (grünes Leuchten) durch die Positionen größerer Partikel (abgebildet als diskrete Lichtpunkte) gut vorhergesagt werden können. Unten links sind außerdem mehrere große Tröpfchen zu sehen, die ballistischen Flugbahnen folgen und sich außerhalb der Aerosolwolkenhülle befinden.

Um die räumlich-zeitliche Entwicklung und Kinematik von durch Spülung verursachten Aerosolfahnen zu quantifizieren (Abb. 3, 4), verwenden wir einen doppelt gepulsten Nd:YAG-Laser mit zwei Hohlräumen (Quantel EverGreen 200, 532 nm Wellenlänge, Betrieb bei 200 mJ/Impuls). . Der Laser sendet Impulspaare (\(dt=\) 2,25 ms) mit einer Impulsbreite von jeweils 5 ns aus. Impulspaare werden mit 15 Hz wiederholt. Wie beim CW-Laser verwenden wir Schichtoptiken, um ein 2 mm großes Lichtblatt zu erzeugen, das das Sichtfeld überspannt. Die Bilder werden mit zwei sCMOS-Kameras (LaVision Imager sCMOS; 16-Bit-Monochrom, 2160 \(\times\) 2560 Pixel Auflösung) aufgenommen, die mit Nikkor 50 mm f/1,2-Objektiven ausgestattet sind. Die Kameras sind vertikal gestapelt (Abb. 1C), wobei die Längsachse der Sensoren vertikal ausgerichtet und so ausgerichtet ist, dass im Sichtfeld jeder Kamera eine Überlappung von 15 % besteht. Dadurch können einzelne Bilder zusammengefügt werden, um ein kombiniertes Sichtfeld (0,57 m breit \(\times\) 1,23 m hoch) zu erhalten, das groß genug ist, um die gesamte Toilettenfahne während der ersten 8 Sekunden nach dem Auslösen der Spülung mit räumlicher Auflösung zu erfassen von 260 \(\mu\)m/Pixel. Die mit der f/1,2-Objektivblende verbundene geringe Schärfentiefe ermöglicht zusammen mit der dünnen Lichtschicht und den 5-ns-Beleuchtungsimpulsen die selektive Abbildung von Streulicht aus Aerosolen in der Schicht für die anschließende Berechnung von Schwadenhüllen und Aerosolgeschwindigkeiten.

Ein großes räumliches Kalibrierungsziel, das aus einem kontrastreichen quadratischen Gitter besteht, das das gesamte Sichtfeld des kombinierten Kamerasatzes abdeckt, wird (i) zur Berechnung der optischen Vergrößerung des Bildgebungssystems und (ii) zur Referenzierung der Bilddaten auf die Toilettengeometrie in verwendet physischen Raum und (iii) jede Kamera auf einen gemeinsamen Punkt im physischen Raum abzubilden, was das genaue Zusammenfügen der beiden einzelnen FOVs zu einem einzigen Datenbild ermöglicht, das das gesamte aufgelöste FOV abdeckt. Die bekannte Geometrie des Gitters auf der Kalibrierungsplatte wird auch verwendet, um ein Lochmodell32 zu erstellen, um die einzelnen Kamerabilder zu entzerren und mögliche Bildverzerrungen zu korrigieren, die mit kleinen schrägen Abbildungswinkeln und/oder Linsenverzerrungen verbunden sind. Das Lochblendenmodell eignet sich für unsere planare Bildgebungskonfiguration mit ungestörtem optischen Zugang durch Luft. Die geschätzte Unsicherheit in den rekonstruierten/kombinierten Bilddaten beträgt weniger als 0,5 px.

Bei Spülereignissen werden von jeder Kamera eng beabstandete Bildpaare (2,25 ms Abstand) mit einer Rate von 15 Hz erfasst. Die Bilder werden verwendet, um die räumlich-zeitliche Entwicklung der Fahnenhülle zu quantifizieren (Abb. 3) und um Aerosolgeschwindigkeiten (Abb. 4) mithilfe der Partikelbildgeschwindigkeitsmessung zu berechnen30, 31, 33. Alle Laser- und Kamera-Timingsequenzen und die damit verbundene Bildaufnahme, -speicherung, und Verarbeitung erfolgen auf einem Hochleistungsrechner mit der Software DaVis 10.2 (LaVision GmbH).

Für die 260 \(\mu\)m/Pixel-Auflösung unseres optischen Systems (oben beschrieben) machen einzelne Aerosolpartikel (0,1 \(\mu\)m - 10 \(\mu\)m) nur einen kleinen Bruchteil aus die abgebildete Größe eines einzelnen Pixels. Bei unserem optischen System mit geringer Vergrößerung führt die Aperturbeugung34, 35 jedoch dazu, dass die abgebildete Größe dieser Aerosolpartikel auf mindestens ein theoretisches Minimum von etwa 0,25 Pixel ansteigt, unabhängig von ihrer physikalischen Größe. Dann vergrößern Linsenaberrationen die theoretische minimale Beugungsgröße um bis zu eine Größenordnung, insbesondere bei Systemen mit großen Arbeitsabständen (> 1 m), wie dies bei uns der Fall ist (\(\ca.) 2 m). Auch die Digitalisierung und Quantisierung des kontinuierlichen Partikelbildsignals auf einem diskreten Pixelraster kann die aufgezeichnete Partikelgröße vergrößern. Daher ist zu erwarten, dass einzelne Aerosolpartikel abgebildete Punkte mit einem Durchmesser von mehreren Pixeln oder mehr erzeugen. Angesichts der Tatsache, dass die tatsächliche Größe einzelner Aerosolpartikel im Vergleich zur Pixelauflösung unseres Systems winzig ist, kann man außerdem vernünftigerweise davon ausgehen, dass das von einem einzelnen Pixel gesammelte Licht auf eine große Anzahl von Partikeln zurückzuführen ist, die alle dazu beitragen abgebildete Intensität an diesem Punkt. In Übereinstimmung mit diesen Argumenten zeigen unsere aufgezeichneten Bilder starke Partikelbilder mit typischen Durchmessern \(d_D\) von 1,5 bis 4 Pixeln (siehe PIV-Abschnitt unten). Das Ergebnis ist, dass die starken Multipixelbilder von Partikeln (oder sogar einer großen Anzahl von Partikeln) gut für die sofortige Kartierung der räumlichen Hülle der Aerosolfahne (Abb. 3) und die Berechnung von Aerosolgeschwindigkeiten (Abb. 4) geeignet sind. Die gleichen optischen Eigenschaften, die das optische System für diese Aufgaben geeignet machen, schließen jedoch seinen Einsatz zur Zählung und Größenbestimmung einzelner Aerosole aus. Aus diesem Grund erfolgt die Zählung und Größenbestimmung mit dem Luftpartikelzähler getrennt (Abb. 5).

Die räumliche Ausdehnung der Aerosolfahnenhülle wird aus Bilddaten mithilfe eines einfachen zweistufigen Bildverarbeitungsalgorithmus berechnet, der üblicherweise in PIV-Anwendungen zur Abgrenzung von besiedelten und nicht besiedelten Regionen verwendet wird. Zunächst wird ein gleitender Maximumfilter angewendet, um Bereiche mit geringer Pixelintensität zwischen einzelnen Partikelbildern auszufüllen. Bei entsprechender Auswahl der Filterlänge besteht der Effekt darin, dass die Pixelintensitäten innerhalb der Fahnenhülle sowohl erhöht als auch homogenisiert werden, wobei die Auswirkungen auf Bereiche außerhalb der Fahne minimal sind. Anschließend wird ein globaler Intensitätsschwellenwert verwendet, um die Bereiche innerhalb der Wolke und außerhalb der Wolke zu identifizieren (da höhere Pixelintensitäten vor allem dem Vorhandensein von Aerosolen in der Wolke sowie der Größe und lokalen Dichte der Aerosole entsprechen). Während große Änderungen der Abstimmungsparameter lokale Artefakte erzeugen (z. B. ungerechtfertigte innere Hohlräume oder übermäßige Umfangsglättung), sind die allgemeine Form und die räumliche Ausdehnung der Wolke im Allgemeinen für eine Reihe von Abstimmungsparametern robust.

Mithilfe der Particle Image Velocimetry (PIV) werden Aerosolgeschwindigkeiten innerhalb der erkannten Fahnenhülle berechnet33. Dabei erfasst jede sCMOS-Kamera Doppelbild-Bilddaten, wobei Bildpaare mit der Bildfrequenz von 15 Hz erfasst werden, wodurch die zeitliche Auflösung der Geschwindigkeitsmessungen festgelegt wird. Das Bildpaar selbst ist durch eine kurze Zeit dt, die Kreuzkorrelationszeitskala der PIV-Analyse, getrennt. Ein nahezu optimaler dt führt zu maximalen Partikelbildverschiebungen von etwa 8–10 px für ein 32 px großes Korrelationsunterfenster (die „1/4-Regel“ von37), basierend auf der optischen Vergrößerung des Bildgebungssystems und den mit den Partikeln verbundenen physikalischen Geschwindigkeiten . Hier ist ein dt von 2,25 ms (festgelegt durch die Zeitverzögerung zwischen Laserpulspaaren) wirksam bei der Auflösung der hohen Geschwindigkeiten (1–2 m/s), die mit dem starken vertikalen Strahl verbunden sind, der sich früh im Spülzyklus entwickelt (Abb. 3). ) und Minimierung der damit verbundenen Geschwindigkeitsunsicherheit.

Der Partikelsignalpegel relativ zum Hintergrund (Intensitätszählungen), die Partikelaussaatdichte (Partikel pro Pixel) und der Partikelbilddurchmesser (Pixel) haben großen Einfluss auf den aufgelösten dynamischen Geschwindigkeitsbereich (DVR)36. Unsere Bildgebungskonfiguration liefert Signalpegel (nach Hintergrundsubtraktion) von 8–10 Bit, was eine gute Partikeltreue und starke Intensitätskorrelationen gewährleistet. Die Aussaatdichten werden durch die räumlich-zeitlich sich entwickelnde lokale Dichte von Aerosolwolken (und die oben beschriebenen Einschränkungen der Auflösung des Bildgebungssystems) bestimmt und liegen typischerweise zwischen 0,001 und 0,02 ppp innerhalb der Plume-Hülle. Diese Dichten liegen über dem allgemein akzeptierten Wert von 0,01 ppp und reichen aus, um starke Kreuzkorrelationsspitzen und akzeptable Unsicherheitsniveaus zu liefern. Schließlich reichen typische Partikelbilddurchmesser von \(d_D=\) 1,5 bis 4 px aus, um „Peak-Locking“-Effekte (ganzzahlige Pixelverschiebungen) zu mildern, wenn Fensterverschiebungs-Korrelationstechniken implementiert werden, wie unten beschrieben38. Bildsätze werden zunächst vorverarbeitet, um Hintergrundartefakte zu entfernen und die Partikeltreue zu verbessern. Anschließend werden Aerosolverschiebungsfelder (Geschwindigkeitsfelder) mithilfe moderner digitaler Korrelations- und Abfragetechniken berechnet, die unten beschrieben werden. Bildvorverarbeitung, PIV-Korrelationsanalysen und Vektornachverarbeitung werden auf einem Hochleistungscomputer mit der Software DaVis 10.2 (LaVision GmbH) durchgeführt.

Aerosolgeschwindigkeitsfelder (Abb. 4) werden aus Bildpaaren durch Kreuzkorrelation von Intensitätsmustern in kleinen Abfrageunterfenstern innerhalb der erkannten Fahnenhüllen berechnet. Zur Maximierung des Mess-DVR werden bewährte Methoden verwendet, einschließlich iterativer Mehrdurchgangsschemata mit überlappenden (50 % – 70 %) Unterfenstern abnehmender Größe (96 px – 32 px), die adaptiv an die lokalen Strömungsbedingungen angepasst werden. Die resultierenden Vektorfelder werden dann unter Verwendung eines vorgegebenen minimalen Korrelationsspitzenverhältnisses (1,4) nachbearbeitet, um Ausreißer und verrauschte Vektoren zu erkennen, die verworfen werden. Das Peak-Verhältnis ist das Verhältnis des stärksten Korrelationspeaks zum nächststärksten in einem bestimmten Abfragefenster und korreliert gut mit dem geschätzten Messfehler39 und stellt einen Proxy für den effektiven DVR der Messung dar. Abschließend werden eventuelle Lücken in den nachbearbeiteten Vektorfeldern mithilfe räumlicher Interpolation gefüllt und nichtlinear geglättet, um lokale Gradienten beizubehalten. Das resultierende Vektorfeld ist innerhalb der Plume-Hülle raumfüllend mit einer räumlichen Auflösung von 2,08 mm/Vektor. Typische maximale lokale Geschwindigkeitsunsicherheiten betragen weniger als 5 % der lokalen Geschwindigkeitsgröße und nähern sich selten 10 % (geschätzt anhand von Korrelationsstatistiken40). Entsprechende Spitzenverhältnisse, die in der gesamten Fahnenhülle typischerweise über 10 liegen, bestätigen den hohen DVR und die gute Genauigkeit der Aerosolgeschwindigkeitsmessungen.

Bei herkömmlichen PIV-Anwendungen werden Partikel mit niedriger Stokes-Zahl als passive Tracer („Seeding-Partikel“) in die Strömung eingebracht, während wir hier die Aerosole selbst als natürliche Tracer verwenden. Die Stokes-Zahlen (St = Verhältnis der Partikelträgheitszeitskalen zu den Advektionszeitskalen der Strömung) von 1-Mikron-Partikeln in den Bereichen mit der höchsten Geschwindigkeit (ca. 1 m/s) betragen O(1). Während größere Aerosole um 10 Mikrometer in diesen Regionen einen höheren St-Wert aufweisen, deuten die überwiegend vertikalen Geschwindigkeiten, die mit dem starken Strahl verbunden sind, darauf hin, dass sich Aerosolwolken der hier interessierenden Größe (0,1 – 10 Mikrometer) als passive Tracer akzeptabel verhalten. Die Auswirkung aller oben genannten Punkte auf die PIV-basierte Geschwindigkeit ist wie folgt: Einzelne Geschwindigkeitsvektoren stellen die mittlere Geschwindigkeit dar, die über kleine Aerosolwolken (die einzelne Partikelbilder auf dem Sensor erzeugen) und über Ansammlungen diskreter Aerosolwolken (die alle erzeugen) gemittelt werden Partikelbilder, die in einem PIV-Abfrage-Unterfenster enthalten sind).

Als Maß für Spüldauer und -intensität erfassen wir Schalldruckpegel mit dB(A)-Frequenzgewichtung mithilfe eines Google Pixel 3-Smartphones mit einer vorkalibrierten mobilen Anwendung (Decibel X, SkyPaw Co., Ltd.). Zwanzig Wiederholungen eines 12-Sekunden-Intervalls rund um den Spülzyklus werden aufgezeichnet, wobei \(t=0\) dem Drücken der Spültaste entspricht. Das in Abb. 1D gezeigte durchschnittliche Schalldruckprofil wird mit einem kubischen B-Spline geglättet und um den Faktor 10 heruntergerechnet, um die charakteristische Form zu erfassen. Zur Glättung wurde ein zweiter Spline mit der ursprünglichen Anzahl an Samples angewendet.

Die Partikelzählung erfolgt mit einem tragbaren Luftpartikelzähler (Particle Measurement Systems HandiLaz Mini II), der an den in Abb. 5A gezeigten Orten aufgehängt ist. Der Zähler reagiert auf Partikel mit einer Größe von \(0,2\ \mu\)m (d50) bis \(10\ \mu\)m und gibt Zählwerte in 60 diskreten logarithmisch beabstandeten Bins über diesen Bereich aus. Aus Gründen der Übersichtlichkeit haben wir die Partikelzählungen des Instruments in die drei größeren Bereiche eingeteilt, die in Abb. 5 dargestellt sind. Partikelgrößen größer als \(2,5\ \mu\)m werden nicht angezeigt, da diese Werte nahe bei Null lagen. Der Zähler saugt 2,83 Liter/min auf und die Düse ist nach unten gerichtet, da sich die Wolke im Allgemeinen von unten näherte. Für jeden Standort werden die Partikel über drei 37-s-Intervalle gezählt (Abb. 5B). Jedes Intervall besteht aus fünf 5-Sekunden-Abtastungen, die durch 3-Sekunden-Zeiträume getrennt sind, in denen die Daten in den Speicher geschrieben werden. Der zeitliche Ablauf der Intervalle an Standort 3 unterscheidet sich aufgrund von Phasenunterschieden bei der diskreten Abtastung durch das Instrument geringfügig von denen an Standort 1 und 2. Es werden fünf Replikate erfasst, wobei der Durchschnitt und die arithmetische Standardabweichung in Abb. 5C angegeben sind.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Abteilung für Bau-, Umwelt- und Architekturingenieurwesen, University of Colorado, Boulder, CO, 80309, USA

John P. Crimaldi, Aaron C. True, Karl G. Linden, Mark T. Hernandez, Lars T. Larson und Anna K. Pauls

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JC und KL konzipierten die Studie; AT, JC und MH steuerten experimentelle Methoden bei; JC, AT, MH, LL und AP erfassten experimentelle Daten; AT analysierte Daten; JC und AT haben den Originalentwurf geschrieben. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit John P. Crimaldi.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Ergänzende Informationen 2.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Crimaldi, JP, True, AC, Linden, KG et al. Kommerzielle Toiletten geben energiereiche und sich schnell ausbreitende Aerosolfahnen ab. Sci Rep 12, 20493 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24686-5

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Eingegangen: 21. September 2022

Angenommen: 18. November 2022

Veröffentlicht: 08. Dezember 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-24686-5

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