Ảnh biểu ngữ: Một tia la-de màu xanh lục cực mạnh giúp hình dung các luồng sol khí từ bồn cầu khi xả nước. (Tín dụng: Patrick Campbell/CU Boulder)

Nhờ nghiên cứu mới của CU Boulder, các nhà khoa học đang nhìn thấy tác động của việc xả nước trong nhà vệ sinh theo một khía cạnh hoàn toàn mới — và giờ đây, thế giới cũng có thể làm được.

Sử dụng thiết bị máy ảnh và tia laser màu xanh lá cây sáng, một nhóm kỹ sư CU Boulder đã tiến hành một thí nghiệm để tìm ra cách những giọt nước nhỏ li ti, không thể nhìn thấy bằng mắt thường, nhanh chóng bị đẩy vào không khí khi xả nước trong nhà vệ sinh công cộng không có nắp. Nó bây giờ được xuất bản trong báo cáo khoa họcĐây là nghiên cứu đầu tiên trực quan hóa cột sol khí thu được và đo vận tốc và sự khuếch tán của các hạt bên trong nó.

Những hạt dễ bay hơi này được biết là truyền mầm bệnh và có thể gây nguy hiểm cho du khách đến nhà tắm công cộng. Tuy nhiên, hình dung sống động về khả năng phơi nhiễm bệnh tật này cũng cung cấp một phương pháp giúp giảm thiểu nó.

“Nếu đó là thứ bạn không thể nhìn thấy, thì rất dễ giả vờ như nó không có ở đó. Nhưng sau khi xem những video này, bạn sẽ không bao giờ nghĩ đến việc xả nước trong nhà vệ sinh theo cách tương tự nữa.” John Crimaldi, tác giả chính của nghiên cứu và là giáo sư về kỹ thuật dân dụng, môi trường và kiến ​​trúc. “Bằng cách tạo ra những hình ảnh thú vị về quá trình này, nghiên cứu của chúng tôi có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc truyền tải thông điệp về sức khỏe cộng đồng.”

Trong hơn 60 năm qua, các nhà nghiên cứu đã biết rằng khi xả nước bồn cầu, chất rắn và chất lỏng sẽ rơi ra ngoài theo thiết kế, nhưng các hạt nhỏ, vô hình cũng được thải vào không khí. Các nghiên cứu trước đây đã sử dụng các công cụ khoa học để phát hiện sự hiện diện của các hạt trong không khí này phía trên bồn cầu xả nước và đã chỉ ra rằng các hạt lớn hơn có thể rơi xuống các bề mặt xung quanh, nhưng cho đến nay, vẫn chưa ai hiểu những chùm này trông như thế nào hoặc làm thế nào các hạt này đến được đó.

Việc hiểu quỹ đạo và vận tốc của các hạt này—có thể truyền mầm bệnh như Escherichia coli, Clostridium difficile, norovirus và adenovirus—rất quan trọng để giảm thiểu rủi ro phơi nhiễm thông qua các chiến lược khử trùng và thông gió, hoặc cải thiện thiết kế nhà vệ sinh và xả nước. Mặc dù vi-rút gây ra COVID-19 (SARS-CoV-2) có trong chất thải của con người, nhưng hiện tại không có bằng chứng thuyết phục nào cho thấy vi-rút này lây lan hiệu quả qua vòi xịt trong nhà vệ sinh.

Crimaldi nói: “Mọi người biết nhà vệ sinh phun nước, nhưng họ không thể nhìn thấy nó. “Chúng tôi cho thấy rằng điều này là một chuyên mục tích cực và lan rộng hơn nhiều so với ngay cả những người biết về khái niệm này.”

Nghiên cứu cho thấy các hạt trong không khí này di chuyển rất nhanh, với tốc độ 6,6 feet (2 mét) mỗi giây, cao tới 4,9 feet (1,5 mét) phía trên bồn cầu trong vòng 8 giây. Trong khi các giọt lớn hơn có xu hướng lắng xuống bề mặt trong vòng vài giây, các hạt nhỏ hơn (sol khí nhỏ hơn 5 micron hoặc một phần triệu mét) có thể lơ lửng trong không khí trong vài phút hoặc lâu hơn.

Những người đi vệ sinh không chỉ lo lắng về chất thải của chính họ. Một số nghiên cứu khác đã chỉ ra rằng mầm bệnh có thể tồn tại trong bình trong hàng chục lần nhấp nháy, làm tăng nguy cơ phơi nhiễm tiềm ẩn.

Crimaldi cho biết: “Mục tiêu của bồn cầu là loại bỏ chất thải ra khỏi bồn cầu một cách hiệu quả, nhưng nó cũng làm điều ngược lại, tức là phun rất nhiều chất bẩn lên trên cùng. “Phòng thí nghiệm của chúng tôi đã tạo ra một phương pháp cung cấp cơ sở để cải thiện và giảm thiểu vấn đề này.”

Không lãng phí thời gian

Crimaldi chạy một tập tin Phòng thí nghiệm động lực học chất lỏng môi trường tại CU Boulder, nơi chuyên sử dụng các thiết bị, thuốc nhuộm và bể chất lỏng khổng lồ dựa trên laser để nghiên cứu mọi thứ từ Làm thế nào để mùi đến mũi của chúng ta? về cách hóa chất di chuyển trong các vùng nước hỗn loạn. Ý tưởng sử dụng công nghệ phòng thí nghiệm để theo dõi những gì xảy ra trong không khí sau khi xả bồn cầu là một ý tưởng vì sự tiện lợi, tò mò và hoàn cảnh.

Trong một tuần rảnh rỗi vào tháng 6 vừa qua, các giáo sư đồng nghiệp Carl Linden Và Mark Hernández từ chương trình Kỹ thuật Môi trường, và một số sinh viên tốt nghiệp từ phòng thí nghiệm Crimaldi đã tham gia cùng anh ấy để thiết lập và chạy thử nghiệm. Aaron True, tác giả thứ hai của nghiên cứu và đối tác nghiên cứu trong phòng thí nghiệm Crimaldi, là người có công trong việc chạy và ghi lại các phép đo dựa trên tia laser cho nghiên cứu.

Họ đã sử dụng hai tia laser: một tia chiếu liên tục phía trên và phía trên bồn cầu, tia còn lại phát xung ánh sáng nhanh trên cùng một khu vực. Tia laze cố định phát hiện vị trí của các hạt trong không khí trong không gian, trong khi tia laze dao động có thể đo tốc độ và hướng của chúng. Trong khi đó, hai camera chụp ảnh độ phân giải cao.

Bản thân bồn cầu cùng loại thường thấy trong các phòng vệ sinh công cộng ở Bắc Mỹ: một thiết bị không có nắp đi kèm với cơ chế xả hình trụ — bằng tay hoặc tự động — nằm lõm ở phía sau sát tường, được gọi là van kiểu đồng hồ xả. Nhà vệ sinh sạch sẽ chỉ chứa đầy nước máy.

Họ biết thí nghiệm đột ngột này có thể lãng phí thời gian, nhưng thay vào đó, nghiên cứu đã tạo ra một cú hích lớn.

Crimaldi nói: “Chúng tôi đã mong đợi những sol khí này sẽ lơ lửng, nhưng chúng lại xuất hiện như một quả tên lửa.

Các phân tử nước tràn đầy năng lượng trong không khí chủ yếu hướng lên trên và quay trở lại bức tường phía sau, nhưng chuyển động của chúng không thể đoán trước được. Cái trục cũng vươn lên trần phòng thí nghiệm, và không còn nơi nào để đi, nó di chuyển ra khỏi tường và lan về phía trước, vào trong phòng.

Thiết lập thử nghiệm không bao gồm chất thải rắn hoặc giấy vệ sinh trong bát và không có quầy hàng hoặc người di chuyển xung quanh. Crimaldi nói, tất cả những biến số trong thế giới thực này đều có thể làm trầm trọng thêm vấn đề.

Họ cũng đo các hạt trong không khí bằng máy đếm hạt quang học, một thiết bị hút một mẫu không khí qua một ống nhỏ và chiếu ánh sáng vào đó, cho phép đếm và đo các hạt. Các hạt nhỏ hơn không chỉ lơ lửng trong không khí lâu hơn mà còn có thể thoát ra khỏi lông mũi và đi sâu hơn vào phổi của một người—khiến chúng trở nên nguy hiểm hơn đối với sức khỏe con người—vì vậy việc biết số lượng và kích thước của các hạt cũng rất quan trọng.

Mặc dù những phát hiện này có thể đáng báo động, nhưng nghiên cứu này cung cấp cho các chuyên gia về hệ thống ống nước và sức khỏe cộng đồng một cách nhất quán để kiểm tra các chiến lược thiết kế hệ thống ống nước, khử trùng và thông gió cải tiến, nhằm giảm nguy cơ tiếp xúc với mầm bệnh trong nhà vệ sinh công cộng.

Crimaldi cho biết: “Không có cải tiến nào trong số này có thể được thực hiện một cách hiệu quả nếu không biết cột aerosol phát triển như thế nào và nó di chuyển như thế nào”. “Có thể nhìn thấy cây cột vô hình này là một yếu tố thay đổi cuộc chơi.”

Các tác giả khác của ấn phẩm này bao gồm: Aaron True, Carl Linden, Mark Hernandez, Lars Larsson và Anna Pauls từ Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Môi trường và Kiến trúc.