Riesgo de exposición a partículas para un usuario de lavabo después de tirar la cadena de un inodoro en cuclillas

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

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Detalles de métricas

Los baños 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 baño con un inodoro en cuclillas. El flujo de aire inducido por el lavado se visualizó y midió cuantitativamente mediante velocimetría de imágenes de partículas. La altura máxima del flujo de aire impactado se identificó mediante un anemómetro ultrasónico. Para deducir 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 derivados del contacto con la piel de las partículas depositadas en el botón de descarga y en la manija de la puerta y la posible inhalación de los aerosoles liberados. Los resultados revelaron que tirar la cadena de un inodoro en cuclillas 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, de las cuales el 90% de las partículas tienen un tamaño submicrónico. La descarga puede causar que las partículas se depositen en el botón de descarga y en la manija de la puerta del baño, así como la exposición por inhalación, incluso si permanecen en el baño durante medio minuto después de la descarga, especialmente para aquellos usuarios del baño cuyas zonas respiratorias están por debajo de 1,0 m.

Tirar la cadena del inodoro puede arrastrar el flujo de aire y producir gotas y núcleos de gotas. Las gotitas y los núcleos de gotitas pueden contener microorganismos infecciosos después de que un infectante usa el baño1. El SARS-CoV-2 detectado en orina y heces de infectantes2,3,4,5 pone de relieve 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 varias descargas pueden no eliminar completamente 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, por lo que aún pueden detectarse días o semanas después11. Por lo tanto, es fundamental que el público en general comprenda el riesgo de transmisión infecciosa al acceder a los baños públicos y utilizarlos.

Para un inodoro típico en cuclillas 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 descarga enjuaga la taza del inodoro y luego el agua de descarga junto con los excrementos se vierte a una alcantarilla. Se afirmó 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 la fuerza multifásica con la mezcla líquida y/o sólida y el corte por 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 cortante del flujo de aire14. La mayoría de las gotas se evaporan rápidamente hacia los núcleos de las gotas. Además, se pueden generar burbujas cuando el aire es arrastrado por agua agitada, como en el caso del arrastre de aire sobre el agua de mar por la acción de las olas y las olas15. 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 producía 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 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 enjuague sin desechos fecales, se afirmó que el enjuague con desechos aumenta la cantidad de bioaerosoles, pero no afectó mucho el total de aerosoles19. Se depositaron gotas grandes a entre 1 y 2 m del inodoro20. Se detectaron microorganismos en superficies que se tocaban 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 descarga del inodoro tenían menos de 3 μm de diámetro19. Aproximadamente el 95% de los aerosoles generados al descargar un inodoro con sifón eran menores de 2 μm y el 99% eran menores 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 descargar la cadena en un baño público28, y el número de aerosoles disminuía con la altura. . Cuando se descargaba un inodoro de vacío en un avión comercial, se midió la concentración de aerosoles en la zona de respiración con un aumento máximo de aproximadamente 300 partículas/L13. Los bioaerosoles se podían detectar 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 de humo ascendente. La descarga de los inodoros podría generar una corriente ascendente de al menos 1,0 m por encima del 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 inodoro también podría afectar la transmisión de aerosoles en el espacio. En un baño mal ventilado, varias descargas pueden provocar la acumulación de bioaerosoles en el aire28. En un baño compacto con un sistema de escape de techo, los aerosoles podrían esparcirse por todo el baño dentro de los 100 segundos posteriores a la descarga30. Un suministro de aire en el techo junto con un sistema de ventilación combinado de pared y piso podría eliminar los bioaerosoles de manera efectiva31,32. Un suministro de aire en el techo con un escape de aire en la pared trasera incluso proporcionó una limpieza ISO Clase 5 en un baño de sala33. Se afirmó que las rejillas de succión en la parte inferior de los asientos de los inodoros eran efectivas para eliminar los aerosoles generados por la descarga del inodoro34. Se descubrió que acortar la distancia entre las ubicaciones de la salida de aire y la taza del inodoro descarga eficientemente las partículas de bioaerosol35. Para reducir la dispersión de bioaerosoles, un enfoque viable era tirar la cadena del inodoro con la tapa cerrada cuando había una tapa18,28.

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 baños en cuclillas se utilizan ampliamente en los países en desarrollo debido a las costumbres locales y los bajos costos. Sin embargo, los inodoros achaparrados utilizan un gran volumen de agua y las tazas del inodoro son poco profundas. Tirar la cadena de un inodoro achaparrado puede producir una gran cantidad de aerosoles. Hasta donde sabemos, ningún estudio previo 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 para 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 en cuclillas 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. La columna de niebla continuó subiendo 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 niebla de agua visible se elevó aproximadamente a 0,5 m por encima del inodoro. Después de t = 2,0 s, la columna 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 niebla de agua estaba muy cerca de las piernas del maniquí térmico de pie, lo que indica la posibilidad de que patógenos infecciosos fueran transportados 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 mediante velocimetría de imagen de partículas (PIV). Nuevamente, se presionó el botón de lavado 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 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 antihorario. En t = 2,0 s, el flujo continuó aumentando, pero la velocidad se redujo. Se puede observar un flujo descendente muy claro en la región con X > 0,4 m. A partir de t = 3,0 s, a medida que el flujo de agua de descarga disminuyó, el movimiento de aire sobre el inodoro fue muy débil. El flujo de agua había cesado por completo en t = 4,0 s, momento en el que el débil movimiento del aire todavía era 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 sobre el campo de flujo de aire transitorio en el video complementario (archivo complementario 3).

Distribuciones de velocidad del aire transitorias medidas en la región de interés (ROI) después de descargar el inodoro mediante 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.

Mientras 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 baño. 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, se podían detectar velocidades de aire evidentes inducidas por el lavado a partir de t = 4 s. Sin embargo, todos los componentes de la velocidad fueron bastante bajos, con valores inferiores a 0,1 m/s. El componente de velocidad vertical fue ligeramente mayor que los otros dos componentes. La Figura 4b compara las magnitudes de 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 inconmensurable, 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 en alturas de hasta 0,9 a 1,0 m.

Perfiles de velocidad transitoria del aire medidos mediante un anemómetro ultrasónico: (a) tres componentes de velocidad en el punto P1 (0,3 m, 0, 0,7 m), (b) comparación de las 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 vídeo complementario (archivo complementario 4). Se midieron las concentraciones de partículas dentro de la caja cerrada encima de la taza del inodoro para inferir el número total de partículas liberadas durante el proceso de descarga. La Figura 5a presenta las concentraciones totales de partículas medidas en un rango de tamaño de 0,3 a 25 μm en el puerto de muestreo medio de la caja. Se realizaron un total de tres operaciones de lavado y el intervalo de tiempo entre operaciones de lavado fue de aproximadamente 90 s. La concentración de partículas de fondo sin lavado fue de aproximadamente 7.500 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 descendió al nivel de fondo en 10 a 13 s. El flujo de agua y/o las grandes gotas de agua ayudaron a depositar algunas partículas después del lavado, lo que eliminó algunas partículas en el aire y dio como resultado 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 varían de 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 inferida de las concentraciones de partículas monitoreadas. El número de partículas generadas disminuyó con el tamaño de las partículas. 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 submicrónico. 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 en algunas superficies clave se evaluaron mediante polvos fluorescentes liberados intencionalmente en la cisterna. La Figura 6 muestra la deposición de partículas fluorescentes en el área del escalón del inodoro 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 gotas que transportan patógenos pueden depositarse en la zona de los escalones del inodoro achaparrado. Los zapatos de un usuario del baño pueden entrar en contacto con los patógenos y transportarlos a otros pisos interiores. Algunos de los patógenos pueden transmitirse por el aire si los patógenos depositados en los pisos se resuspenden debido a una perturbación.

Deposición de gotas/partículas fluorescentes en el área del escalón del inodoro en cuclillas: (a) antes de tirar la cadena, (b) después de tirar la cadena.

La Figura 7 muestra la deposición de partículas fluorescentes en el botón de descarga y en la manija de la puerta del baño. Cuando se descargó el inodoro sin agregar polvo fluorescente a la cisterna, no se observaron partículas fluorescentes, como se muestra en las figuras 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 las figuras 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 en la manija de la puerta del lavabo 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 ambiente, habría sido extremadamente difícil medir las partículas puramente liberadas por 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 de 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 propagaba a un ritmo lento si no se tiraba la cadena del inodoro y si no había perturbaciones en el lavabo. Se necesitarían entre 13 y 15 minutos para que la concentración aumentara significativamente. Una vez que se ha descargado el inodoro, el gas SF6 en la taza del inodoro achaparrado fue arrastrado hacia arriba por el flujo de aire y alcanzó el punto n.° 1 en 30 s, como se muestra en la Fig. 8a. Por el contrario, la concentración tardaría entre 3 y 4 minutos en aumentar en el punto 2 después de tirar la cadena del inodoro. Esto demuestra 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 3 y 4 fueron más bajas que las de los puntos 1 y 2. Este hallazgo indica que cuanto más lejos esté un usuario de la trampa, menor será el riesgo de exposición a la inhalación.

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

El gas trazador SF6 total inhalado por un usuario de lavabo se puede obtener integrando la concentración de gas SF6 monitorizada con el tiempo de residencia después de descargar la cadena del inodoro y multiplicándola por la tasa de ventilación pulmonar. Debido a que se conocía el gas SF6 totalmente liberado en la taza del inodoro, se pudo calcular la proporción inhalada definida como el porcentaje del gas SF6 inhalado con respecto al gas SF6 totalmente liberado. Supongamos que los núcleos de gotitas generados rastrean bien el gas SF6, la proporción inhalada del gas SF6 sería idéntica a la de los núcleos de gotitas. La Figura 9 presenta el número 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 totales promediado mostrado en la Tabla 1 y la proporción inhalada del gas SF6. Si la zona de respiración de un usuario del baño estaba en el punto n.° 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 incluso durante medio minuto podría inhalar varias partículas y más de 200 partículas durante un minuto. El número máximo de partículas inhaladas fue inferior a 4200 en los puntos 2 a 4. Las partículas inhaladas estuvieron cercanas a cero durante los 2 minutos iniciales en el punto 3 y durante los 4 minutos iniciales en los puntos 2 y 4. Indicó claramente que la zona de respiración alejada de la trampa y a mayor altura podría reducir efectivamente el número de partículas inhaladas.

Número promedio de partículas inhaladas para diferentes tiempos de residencia después de tirar la cadena del inodoro cuando no se usó mascarilla: (a) en el punto #1 (0,4 m, 0,15 m, 1 m) y el punto #2 (0,4 m, 0,15 m, 1,5 m ), (b) en el punto 3 (0,7 m, 0, 1 m) y en 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 sentado, no se ha encontrado que la presencia de desechos fecales aumente la cantidad de aerosoles generados, aunque la cantidad de bioaerosoles podría ser mayor cuando hay heces presentes19. El número inferido de partículas emitidas por descarga en esta investigación fue ligeramente mayor que las 287.400 reportadas en un inodoro sentado con un fluxómetro de alta presión de 400 kPa17. Sin embargo, según otro estudio, la descarga de un inodoro sentado 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 a los métodos de medición. Sin embargo, es seguro que el inodoro en cuclillas produjo una mayor cantidad de aerosoles por descarga que el inodoro sentado.

En esta investigación se utilizó un contador de partículas basado en láser para medir las concentraciones de partículas. La eficiencia de conteo del contador de partículas fue del 100% para partículas de más de 0,45 µm, pero sólo del 50% para partículas de 0,3 µm. Por tanto, no se pudo medir el número de aerosoles con tamaños de partículas inferiores a 0,3 μm. En el futuro, se podría utilizar 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 valioso medir partículas inferiores a 0,3 μm. Además, la descarga aumentaría la humedad relativa dentro de la caja cerrada encima de la taza del inodoro. El lavado generó gotas primero y luego la mayoría de las gotas se evaporaron en núcleos de gotas. Se cree que tanto el número como el tamaño de los núcleos de las gotitas pueden variar con la humedad relativa. La variación de las concentraciones de partículas medidas y sus espectros con la humedad relativa espera una mayor investigación.

Este trabajo no midió directamente los aerosoles en la zona de respiración; en cambio, 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 hacia la zona de respiración, basándose 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 se encuentran en una fase discreta. Los futuros investigadores podrían considerar medir los núcleos de las gotitas directamente en las zonas de respiración. En un estudio anterior, se informó que un número de partículas generadas de 8.498 causaba un pico de concentración en la zona de respiración en el baño de un avión comercial13, dentro del cual la concentración de partículas de fondo era al menos dos órdenes de magnitud menor que 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 la ingesta de partículas en el aire en las vías respiratorias ni la captura de algunas partículas por el pelo de la nariz u otros mecanismos.

Se utilizó el sistema PIV para medir el flujo de aire sin interrupciones. Sin embargo, todavía había incertidumbres en los resultados medidos. Nuestro análisis adicional (ver archivo complementario 5) muestra que las incertidumbres de las velocidades del aire medidas estaban en su mayoría 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 sólo puede proporcionar el campo de flujo de aire en una región de interés relativamente pequeña. El sistema PIV utilizado en esta investigación era sólo bidimensional, por lo que no se midió el componente de velocidad en la tercera dimensión. El flujo de aire tridimensional inducido por la descarga 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 de la superficie como el riesgo de exposición por inhalación después de descargar un inodoro en cuclillas en el lavabo. En base a los resultados obtenidos se extraen las siguientes conclusiones:

La descarga de un inodoro en cuclillas 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 de la trampa 0,5 s después de tirar la cadena del inodoro. El flujo de aire se vuelve muy débil 4 s después de tirar la cadena. El penacho de flujo inducido por la descarga puede alcanzar una altura de hasta 0,9 m.

La descarga de un inodoro achaparrado 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 baños 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 baño durante medio minuto después de descargar la cadena. Cuanto más lejos esté el 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 lavabo como en el botón de descarga, y el riesgo de contacto con la superficie resultante merece atención.

Los inodoros en cuclillas 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 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 principal rectangular de 5 cm × 1,5 cm ubicado en el lado derecho de la taza del inodoro. La taza del inodoro achaparrado es poco profunda y tiene una profundidad de 9 cm en el centro.

El inodoro en cuclillas 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 frontales y laterales del baño se construyeron con paneles acrílicos transparentes, mientras que las paredes frontales y laterales del baño se construyeron con paneles acrílicos transparentes. La pared trasera era un panel de madera maciza. El suelo estaba pavimentado con baldosas. En el techo del lavabo se instaló un extractor de aire con un caudal constante de 120 m3/h. 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 perturbaciones del aire dentro del baño, la cisterna se colocó fuera del baño.

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

Se utilizó un maniquí térmico para simular un usuario de pie del baño que permanece dentro del baño 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 el resto por cilindros redondos. La piel del maniquí se cubrió con una película eléctrica, que acondicionó la temperatura de la superficie a 31 °C.

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

Antes del proceso de descarga, la niebla 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. Sólo 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, las paredes y el área de los escalones del baño se cubrieron con sábanas negras para facilitar la visualización del movimiento del agua nebulizada. La niebla de agua fue registrada por un teléfono móvil 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 fotograma y el tiempo entre ventajas fue de 1500 μs. Como partículas trazadoras 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.). La concentración de partículas de DEHS estuvo en el rango de 10 a 20 partículas en un área de interrogatorio de 32 × 32 píxeles. La Figura 12a muestra el retorno de la inversión en la sección longitudinal media encima del inodoro en cuclillas. Las dimensiones de la ROI fueron 0,46 m × 0,28 m, y el límite izquierdo de la ROI estaba a 0,11 m de la pared del lavabo.

La región o ubicaciones para la medición de la velocidad: (a) la región de interés (ROI) para la medición 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 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 ubicación se repitieron al menos 5 veces.

Como se muestra en la Fig. 13a, el inodoro en cuclillas estaba cubierto por una caja acrílica 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 llegar a 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) 3 a 5 μm, (v) 5 a 10 μm y (vi) 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 de flujo de aire de muestreo nominal fue de 28,3 L/min con una precisión de ± 5 %. El contador de partículas estaba dentro del año de calibración cuando se utilizó 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 recuento de partículas.

Para minimizar la interrupción por las partículas de fondo, se hizo funcionar continuamente un purificador de aire dentro del baño. Además, el inodoro en cuclillas, las paredes y el piso del lavabo 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 minutos. La temperatura del aire circundante durante las pruebas fue de 24,0 ± 1,0 °C y la humedad relativa fue de 50% ± 2%.

El número total generado y el número de partículas resuelto por tamaño por descarga se determinaron a partir de las concentraciones temporales de partículas. 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 aspiradas 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 cuadro, la ecuación gobernante se puede escribir como37:

donde C(t) es la concentración de partículas en la caja en el momento 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 el tipo de cambio de aire (s-1); y (k + α) es la tasa de eliminación total de partículas (s-1). En la ecuación. (1), se despreciaron la evaporación, la condensación y la colisión de partículas.

Si no hay descarga, 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 prácticamente no cambió cuando no hubo perturbación, el número de partículas que penetraron en la caja desde el exterior fue aproximadamente igual al número 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 lavado, ts es el tiempo de inicio del proceso de lavado, 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), la siguiente ecuación se obtiene 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 gotas/partículas fluorescentes depositadas en el área del escalón del inodoro en cuclillas, 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 utilizó una luz violeta para iluminar el piso. La observación de partículas fluorescentes depositadas en el botón de descarga y en la manija de la puerta se realizó en otra prueba. Todas las superficies de las paredes dentro del baño se limpiaron minuciosamente 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 utilizó un microscopio fluorescente invertido (tipo: IX71; Olympus, Japón) para fotografiar las partículas fluorescentes depositadas.

Un gas trazador es un sustituto adecuado de los núcleos de gotitas en el entorno construido38. Para minimizar la fuerza de flotación causada por el gas trazador, esta investigación utilizó una mezcla de 1% SF6 y 99% 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 del gas trazador se midió a 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 tiró de la cadena y se midieron las concentraciones en los cuatro puntos, repitiendo al menos 5 pruebas. Después de una prueba, el ventilador de extracción se mantuvo funcionando durante 2 h para eliminar el gas SF6 residual dentro del lavabo antes de la prueba posterior.

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

Supongamos un usuario de baño cuya zona de respiración estaba ubicada en los cuatro puntos como se muestra en la Fig. 14. La 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 son las concentraciones de gas SF6 monitoreadas (ppm) como se muestra en la Fig. 8, p es la tasa de ventilación pulmonar (L/min) del usuario del baño, t es el tiempo de residencia (min) después de un proceso de lavado 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. Supongamos que el usuario del baño tenía un volumen corriente de 0,6 L (el volumen de aire espiraba en una sola respiración) y la duración de cada ciclo respiratorio era de 6 s. Supongamos también que la inhalación y la exhalación fueron idénticas y 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 respiratorio. Aproximar la respiración variable e intermitente a una forma continua (sin detenerse) constante daría como resultado 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 podrían rastrear el gas SF6, lo que ocurre principalmente en el caso de 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 total de partículas 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 complementarios.

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La investigación fue parcialmente financiada por el Programa Nacional Clave de Investigación y Desarrollo (Subvención No.: 2022YFC3803200) y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Subvención 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, Facultad de Ingeniería y Ciencias 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 realizó la prueba PIV y el análisis de riesgo de exposición a partículas. FW diseñó la investigación y editó el escrito. 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 de lavabo 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 de agosto de 2022

Aceptado: 24 de noviembre de 2022

Publicado: 06 de diciembre de 2022

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

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