Risque d'exposition aux particules pour un utilisateur des toilettes après avoir tiré la chasse d'eau d'une toilette turque

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 21088 (2022) Citer cet article

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Les toilettes à la turque sont largement utilisées dans les pays en développement en raison des coutumes locales et des faibles coûts. La chasse d'eau d'une toilette à la turque peut entraîner un fort flux d'air et produire des aérosols. Cette enquête a construit une maquette de toilettes avec des toilettes à la turque. Le flux d'air induit par le rinçage a été à la fois visualisé et mesuré quantitativement par vélocimétrie par images de particules. La hauteur maximale du flux d'air impacté a été identifiée par un anémomètre à ultrasons. Pour l'inférence du taux d'émission de particules, la cuvette des toilettes a été couverte par une boîte fermée pour la mesure de la concentration de particules. Les risques de contact cutané des particules déposées sur le bouton de chasse d'eau et la poignée de porte et l'éventuelle inhalation des aérosols libérés ont été évalués. Les résultats ont révélé que la chasse d'eau d'une toilette à la turque peut faire monter le panache des toilettes jusqu'à 0,9 m au-dessus de la cuvette des toilettes. Un seul processus de rinçage peut produire 0,29 million de particules de diamètre supérieur à 0,3 μm, parmi lesquelles 90 % des particules sont de taille submicronique. Le rinçage peut entraîner le dépôt de particules sur le bouton de rinçage et la poignée de la porte des toilettes, ainsi qu'une exposition par inhalation même dans les toilettes pendant une demi-minute après le rinçage, en particulier pour les utilisateurs des toilettes dont les zones respiratoires sont inférieures à 1,0 m.

La chasse d'eau des toilettes peut entraîner un flux d'air et produire des gouttelettes et des noyaux de gouttelettes. Les gouttelettes et les noyaux des gouttelettes peuvent contenir des micro-organismes infectieux après qu'un infecteur a utilisé les toilettes1. Le SRAS-CoV-2 détecté dans l'urine et les selles des infecteurs2,3,4,5 met en évidence le risque de transmission par voie fécale-orale. Les premières études ont également signalé la présence du SARS-CoV-16, du MERS-CoV7, du norovirus et du rotavirus8 dans l'urine et les matières fécales. Même plusieurs chasses d'eau peuvent ne pas éliminer complètement les micro-organismes des surfaces de la cuvette des toilettes1,9,10. Les micro-organismes peuvent également former un biofilm sur la paroi interne de la cuvette des toilettes1, et ainsi ils peuvent encore être détectés des jours ou des semaines plus tard11. Il est donc crucial que le grand public comprenne le risque de transmission infectieuse lors de l'accès aux toilettes publiques et de l'utilisation des toilettes.

Pour une toilette à la turque typique avec un réservoir comme illustré à la Fig. 1, lorsque le bouton de chasse d'eau est enfoncé, les jets d'eau sortent par de nombreux petits orifices et un orifice de chasse principal sur un côté de la cuvette des toilettes. L'eau de chasse entre en collision avec la surface intérieure de la cuvette des toilettes, les excréments et le mélange d'excréments et d'eau de chasse. L'eau de chasse rince la cuvette des toilettes, puis l'eau de chasse ainsi que les excréments sont déversés dans un égout. La chasse d'eau d'une toilette à siphon était censée générer un fort flux d'air dans la cuvette des toilettes12. La poussée par l'air à grande vitesse, l'action de force multiphasique avec le mélange liquide et/ou solide et le cisaillement par les surfaces de la cuvette des toilettes atomisent le liquide et son mélange et produisent des gouttelettes13. Les gouttelettes peuvent être brisées lorsqu'elles sont soumises à la force de cisaillement du flux d'air14. La plupart des gouttelettes s'évaporent rapidement dans les noyaux des gouttelettes. De plus, des bulles peuvent être générées lorsque l'air est entraîné par de l'eau agitée, comme dans le cas de l'entraînement d'air au-dessus de l'eau de mer par l'action des vagues et des whitecaps15. L'éclatement des bulles peut également produire des aérosols16.

Schémas d'un système de toilettes à la turque et des voies d'écoulement de l'eau : (a) un utilisateur sur les toilettes, (b) une vue en coupe d'une toilette à la turque réaliste et le chemin de l'écoulement de l'eau de chasse.

L'atomisation des aérosols est influencée par la conception des toilettes et l'énergie de chasse16,17. Pour un même type de toilettes, plus l'énergie de la chasse d'eau est importante, plus il y a de gouttelettes et de noyaux de gouttelettes générés. Une toilette à haute pression avec une chasse d'eau produirait jusqu'à 0,28 million d'aérosols d'un diamètre supérieur à 0,3 μm17. Malgré des volumes de chasse similaires, le nombre d'aérosols produits par les toilettes à chasse d'eau était plus de 3 fois supérieur au nombre produit par une toilette à écoulement par gravité assistée par pression16. La toilette siphonique produisait environ 1/14 de la quantité de bioaérosols d'une cuvette de lavage pour le même volume de chasse18. Par rapport au rinçage sans déchets fécaux, le rinçage avec des déchets augmenterait la quantité de bioaérosols, mais n'affecterait pas beaucoup les aérosols totaux19. De grosses gouttelettes ont été déposées à moins de 1 à 2 m des toilettes20. Des micro-organismes ont été détectés sur des surfaces fréquemment touchées telles que le siège des toilettes, le couvercle, le réservoir, la poignée du robinet, la poignée de la porte des toilettes et le sol21,22,23,24. Notez que les micro-organismes présents sur ces surfaces peuvent provenir de mains contaminées25 ou de gouttelettes éclaboussées ou déposées21,26. Par conséquent, il existe un risque potentiel pour les utilisateurs ultérieurs des toilettes qui touchent les surfaces27.

La majorité des aérosols produits par les chasses d'eau avaient un diamètre inférieur à 3 μm19. Environ 95 % des aérosols générés par la chasse d'eau d'une toilette à siphon étaient inférieurs à 2 μm et 99 % étaient inférieurs à 5 μm16. Il a été rapporté que les aérosols d'une taille comprise entre 0,3 et 3 μm pouvaient être détectés à une hauteur de 1,52 m au-dessus du sol pendant au moins 20 s après la chasse d'eau des toilettes publiques28, et le nombre d'aérosols diminuait avec la hauteur. Lors de la chasse d'eau d'une toilette sous vide à bord d'un avion commercial, la concentration d'aérosols dans la zone respiratoire a été mesurée avec un pic d'augmentation d'environ 300 particules/L13. Les bioaérosols pouvaient être détectés à des hauteurs allant jusqu'à 25 cm au-dessus d'un siège de toilette dans les 90 minutes suivant la chasse d'eau29. La présence d'aérosols au-dessus des toilettes a été principalement attribuée aux écoulements induits par le panache ascendant des toilettes. La chasse d'eau des toilettes pourrait générer un courant ascendant d'au moins 1,0 m au-dessus du sol12. La chasse d'eau d'une toilette sous vide à bord d'un avion commercial a même induit un flux d'air ascendant de la cuvette des toilettes vers la zone respiratoire d'un adulte debout13.

En plus du flux d'air transitoire induit par la chasse d'eau d'une toilette, la ventilation des toilettes pourrait également affecter la transmission des aérosols dans l'espace. Dans des toilettes mal ventilées, plusieurs chasses d'eau peuvent entraîner une accumulation de bioaérosols dans l'air28. Dans des toilettes compactes avec un système d'évacuation au plafond, les aérosols pourraient se répandre dans l'ensemble des toilettes dans les 100 s après le rinçage30. Une alimentation en air au plafond associée à un système de ventilation par aspiration combiné au mur et au sol pourrait éliminer efficacement les bioaérosols31,32. Une arrivée d'air au plafond avec une sortie d'air sur la paroi arrière a même permis d'obtenir une propreté de classe ISO 5 dans les toilettes d'un service33. Les évents d'aspiration au bas des sièges de toilette étaient réputés efficaces pour éliminer les aérosols générés par la chasse d'eau34. Le raccourcissement de la distance entre les emplacements de l'échappement d'air et la cuvette des toilettes s'est avéré efficace pour évacuer les particules de bioaérosol35. Pour réduire la dispersion des bioaérosols, une approche viable consistait à rincer les toilettes avec le couvercle fermé lorsqu'un couvercle de toilette est présent18,28.

L'examen ci-dessus a montré que la chasse d'eau des toilettes peut induire un fort flux d'air et générer des aérosols. Les aérosols peuvent transporter des micro-organismes infectieux et propager des maladies. Les toilettes à la turque sont largement utilisées dans les pays en développement en raison des coutumes locales et des faibles coûts. Cependant, les toilettes à la turque utilisent un grand volume d'eau et les cuvettes des toilettes sont peu profondes. La chasse d'eau d'une toilette à la turque peut produire une grande quantité d'aérosols. À notre connaissance, aucune étude antérieure n'a systématiquement étudié les toilettes à la turque en termes de génération d'aérosols, de transmission et de risque d'exposition humaine qui en résulte. La présente enquête a effectué des mesures afin de combler ce manque de connaissances.

Cette section présente le débit d'air mesuré, la concentration de particules et le risque d'exposition possible après le rinçage d'une toilette turque dans des toilettes.

La figure 2a montre le flux d'air transitoire du processus de rinçage à différents moments. Le bouton de rinçage a été enfoncé à t = 0 s, et l'ensemble du processus de rinçage a duré quatre secondes. Le brouillard d'eau dans la cuvette des toilettes s'est déplacé vers le haut vers le réservoir à t = 0,5 s. Le panache de brume a ensuite continué à monter mais a quelque peu reculé, c'est-à-dire vers le côté droit de la figure, comme indiqué à t = 1,0 s, 1,5 s et 2,0 s. Le brouillard d'eau visible s'élevait à environ 0,5 m au-dessus des toilettes. Après t = 2,0 s, le panache de brouillard d'eau a disparu en raison de l'évaporation rapide. La figure 2b montre le flux d'air vu dans la direction allant de la porte des toilettes au réservoir. Le flux d'air induit était assez chaotique et d'importantes turbulences. À partir de t = 1,5 s, le brouillard d'eau était à proximité des jambes du mannequin thermique debout, indiquant la possibilité que des agents pathogènes infectieux soient transportés vers le corps humain. Plus de détails sur les flux visualisés peuvent être trouvés dans les vidéos supplémentaires (Fichiers supplémentaires 1 à 2).

Visualisation du flux d'air transitoire à l'aide d'un brouillard d'eau comme traceur dans les toilettes pendant le rinçage : (a) vue latérale, (b) vue de face.

La figure 3 montre la distribution de la vitesse de l'air dans la région d'intérêt (ROI) après la chasse d'eau par vélocimétrie par images de particules (PIV). Encore une fois, le bouton de rinçage a été enfoncé à t = 0 s. A t = 0,2 s, l'air était entraîné vers le haut généralement par le débit d'eau dans la cuvette des toilettes. L'écoulement dans la région avec X < 0,45 m est allé à gauche, tandis que l'écoulement dans la région de X > 0,45 m est allé à droite, en raison du cisaillement par le débit d'eau dans la cuvette. A t = 0,5 s, un fort courant ascendant légèrement vers la gauche s'est formé, et la vitesse maximale a atteint 0,8 m/s. Le flux ascendant a continué à se développer à t = 1,0 s, et le courant ascendant a atteint une hauteur de 0,18 m. La vitesse maximale de l'air était d'environ 0,6 m/s à t = 1,0 s. Pendant ce temps, une partie de l'air dans le coin inférieur gauche a été entraînée et un vortex dans le sens inverse des aiguilles d'une montre s'est formé. A t = 2,0 s, le débit a continué à augmenter, mais la vitesse a été réduite. Un écoulement descendant très net dans la région avec X > 0,4 m peut être observé. À partir de t = 3,0 s, à mesure que le débit d'eau de chasse diminuait, le mouvement de l'air au-dessus des toilettes était très faible. Le débit d'eau avait complètement cessé à t = 4,0 s, moment auquel le faible mouvement de l'air était encore chaotique. Pendant tout le processus de rinçage, la vitesse maximale de l'air mesurée était de 0,91 m/s à t = 0,488 s. Plus de détails sur le champ de flux d'air transitoire peuvent être trouvés dans la vidéo supplémentaire (fichier supplémentaire 3).

Distributions mesurées de la vitesse de l'air transitoire dans la région d'intérêt (ROI) après la chasse d'eau par PIV : (a) à t = 0,2 s, (b) à t = 0,5 s, (c) à t = 1,0 s, (d) à t = 2,0, (e) à t = 3,0 s, (f) à t = 4,0 s.

Comme le système PIV mesurait le débit d'air dans une petite région proche de la cuvette des toilettes, cette enquête a utilisé un anémomètre à ultrasons pour mesurer les vitesses de l'air à certains endroits plus élevés dans les toilettes. La figure 4a illustre les vitesses d'air mesurées au point P1 (0,3 m, 0, 0,7 m). À 0,7 m au-dessus du sol, des vitesses d'air évidentes induites par le rinçage ont pu être détectées à partir de t = 4 s. Cependant, toutes les composantes de vitesse étaient assez faibles, avec des valeurs inférieures à 0,1 m/s. La composante de vitesse verticale était légèrement supérieure aux deux autres composantes. La figure 4b compare les grandeurs de vitesse omnidirectionnelles aux points P2 (0,3 m, 0, 0,9 m) et P3 (0,3 m, 0, 1,0 m). La vitesse à une hauteur de 0,9 m était légèrement supérieure à celle à une hauteur de 1,0 m. La vitesse à une hauteur de 1,0 était presque non mesurable, car elle était assez proche de la valeur de fond chaotique. Les résultats ci-dessus ont démontré que le processus de rinçage peut interrompre le flux d'air à des hauteurs aussi élevées que 0,9 à 1,0 m.

Profils de vitesse de l'air transitoire mesurés par un anémomètre à ultrasons : (a) trois composantes de vitesse au point P1 (0,3 m, 0, 0,7 m), (b) comparaison des grandeurs de vitesse aux points P2 (0,3 m, 0, 0,9 m) et P3 (0,3 m, 0, 1,0 m).

La chasse d'eau des toilettes peut générer de nombreux aérosols, comme le montre la vidéo supplémentaire (fichier supplémentaire 4). Les concentrations de particules à l'intérieur de la boîte fermée au-dessus de la cuvette des toilettes ont été mesurées pour déduire le nombre total de particules libérées pendant le processus de chasse. La figure 5a présente les concentrations totales de particules mesurées dans une plage de taille de 0,3 à 25 μm au port d'échantillonnage central de la boîte. Au total, trois opérations de rinçage ont été effectuées et l'intervalle de temps entre les opérations de rinçage était d'environ 90 s. La concentration de particules de fond sans rinçage était d'environ 7 500 particules/L. Après chaque rinçage, la concentration de particules a augmenté jusqu'à un pic d'environ 12 000 particules/L en 4 s. La concentration a diminué jusqu'au niveau de fond en 10 à 13 s. Le débit d'eau et/ou les grosses gouttelettes d'eau ont aidé à déposer certaines particules après le rinçage, ce qui a éliminé certaines particules en suspension dans l'air et a entraîné une concentration inférieure à la concentration de fond du processus sans rinçage. La figure 5b montre la concentration moyenne de particules à trois orifices d'échantillonnage pour trois processus de rinçage répétés, où les bandes d'erreur représentent l'écart type de la concentration de particules. Le petit écart type implique que le mélange dans la boîte et la répétabilité du processus de rinçage étaient assez bons.

Concentrations temporelles mesurées de particules de tailles allant de 0,3 μm à 25 μm : (a) au port d'échantillonnage moyen, (b) concentrations moyennes de particules à trois ports d'échantillonnage pour trois processus de rinçage répétés, où les bandes ombrées représentent les écarts-types.

Le tableau 1 présente les nombres de particules générées dans chaque bac de taille et la proportion des particules totales déduites des concentrations de particules surveillées. Le nombre de particules générées diminue avec la taille des particules. Environ 74 % des particules se situaient entre 0,3 μm et 0,5 μm, et plus de 90 % des particules se situaient dans la gamme submicronique. Le pourcentage de particules supérieures à 3 μm était inférieur à 1 %. La distribution granulométrique ci-dessus était similaire à celle rapportée par Knowlton et al.19.

Les gouttelettes éclaboussées et le dépôt de particules en suspension dans l'air sur certaines surfaces clés ont été évalués au moyen des poudres fluorescentes délibérément libérées dans la citerne. La figure 6 montre le dépôt des particules fluorescentes sur la zone de marche des toilettes à la turque. Il n'y avait pas de particules fluorescentes déposées sur cette zone avant le rinçage, comme le montre la figure 6a. Cependant, après le rinçage, un grand nombre de particules fluorescentes peuvent être observées sur la zone des marches. Une partie du liquide fluorescent peut également être vue à l'intérieur de la cuvette des toilettes. Cela implique que le liquide éclaboussé et les gouttelettes porteuses d'agents pathogènes peuvent se déposer sur la marche des toilettes à la turque. Les chaussures d'un utilisateur de toilettes peuvent entrer en contact avec les agents pathogènes et les transporter vers d'autres étages intérieurs. Certains des agents pathogènes peuvent devenir aéroportés si les agents pathogènes déposés sur les sols sont remis en suspension par une perturbation.

Dépôt de gouttelettes/particules fluorescentes sur la marche des toilettes à la turque : (a) avant la chasse d'eau, (b) après la chasse d'eau.

La figure 7 montre le dépôt de particules fluorescentes sur le bouton de chasse et la poignée de la porte des toilettes. Lorsque les toilettes ont été tirées sans ajout de poudre fluorescente dans le réservoir, aucune particule fluorescente n'a été observable, comme le montrent les figures 7a, c. En revanche, le rinçage avec la poudre fluorescente dans le réservoir a provoqué un dépôt important de particules fluorescentes à la fois sur le bouton et la poignée de la porte, comme le montrent les figures 7b, d, respectivement. Cela implique que les mains d'un utilisateur des toilettes peuvent être contaminées par le contact à la fois avec le bouton de chasse et la poignée de la porte des toilettes.

Dépôt de particules fluorescentes sur le bouton de chasse et la poignée de la porte des toilettes après la chasse d'eau : (a) sur le bouton de la chasse sans ajout de poudre fluorescente dans le réservoir, (b) sur le bouton de la chasse après ajout de poudre fluorescente dans le réservoir, (c) sur la poignée de porte sans ajout de poudre fluorescente dans le réservoir, (d) sur la poignée de porte après ajout de poudre fluorescente dans le réservoir.

En raison des interférences causées par le grand nombre de particules en suspension dans l'air ambiant, il aurait été extrêmement difficile de mesurer les particules purement libérées de la cuvette des toilettes. Au lieu de cela, cette enquête a mesuré la concentration de gaz traceur SF6 pour évaluer l'éventuelle exposition humaine par inhalation. La figure 8 montre les concentrations transitoires de SF6 en quatre points. Les barres d'erreur sur la figure indiquent l'écart type pour trois tests répétés. La concentration de fond de SF6 était d'environ 0,02 ppm. La libération de SF6 a commencé à t = 140 s et le rinçage a été mis en œuvre à t = 210 s. En raison de la diffusion, le gaz SF6 se propageait lentement si la chasse d'eau n'était pas tirée et s'il n'y avait aucune perturbation dans les toilettes. Il faudrait 13 à 15 min pour que la concentration augmente de manière significative. Une fois les toilettes rincées, le gaz SF6 dans la cuvette des toilettes turques a été transporté vers le haut par le flux d'air et a atteint le point n° 1 en 30 s, comme illustré à la Fig. 8a. En revanche, il faudrait 3 à 4 minutes pour que la concentration augmente au point 2 après la chasse d'eau. Cela montre qu'à une faible hauteur de respiration, comme celle des enfants, le risque d'inhalation serait plus important. Des résultats similaires ont été obtenus aux points #3 et #4 devant les toilettes. Cependant, les concentrations maximales induites par le rinçage aux points #3 et #4 étaient inférieures à celles aux points #1 et #2. Cette constatation indique que plus un utilisateur est éloigné du piège, plus le risque d'exposition par inhalation est faible.

Concentrations transitoires de SF6 dans la zone respiratoire après la chasse d'eau : (a) au point n°1 (0,4 m, 0,15 m, 1 m), (b) au point n°2 (0,4 m, 0,15 m, 1,5 m), (c) au point n°3 (0,7 m, 0, 1 m), (d) au point n°4 (0,7 m, 0, 1,5 m).

Le gaz traceur SF6 inhalé total d'un utilisateur de toilettes peut être obtenu en intégrant la concentration de gaz SF6 surveillée avec le temps de séjour après la chasse d'eau et en multipliant avec le taux de ventilation pulmonaire. Étant donné que le gaz SF6 totalement libéré dans la cuvette des toilettes était connu, le rapport inhalé défini comme le pourcentage du gaz SF6 inhalé par rapport au gaz SF6 totalement libéré pouvait être calculé. Supposons que les noyaux de gouttelettes générés tracent bien le gaz SF6, le rapport inhalé du gaz SF6 serait identique à celui des noyaux de gouttelettes. La figure 9 présente les nombres de particules inhalées variant avec le temps de séjour après la chasse d'eau. Le nombre de particules inhalées était simplement le produit du nombre moyen de particules totalement générées indiqué dans le tableau 1 et du rapport inhalé du gaz SF6. Si la zone respiratoire d'un utilisateur des toilettes était au point n° 1, l'utilisateur pourrait inhaler plus de 6 000 particules générées par la cuvette des toilettes pendant un temps de séjour de 20 minutes sans masque facial. La résidence pendant même une demi-minute pourrait inhaler plusieurs particules et plus de 200 particules pendant une minute. Le nombre maximum de particules inhalées était inférieur à 4 200 aux points #2 à #4. Les particules inhalées étaient proches de zéro pendant le séjour des 2 premières minutes au point n° 3 et pendant les 4 premières minutes aux points n° 2 et n° 4. Cela indiquait clairement que la zone de respiration éloignée du piège et à une hauteur plus élevée pouvait réduire efficacement le nombre de particules inhalées.

Nombre moyen de particules inhalées pour différents temps de séjour après la chasse d'eau sans masque facial : (a) au point n° 1 (0,4 m, 0,15 m, 1 m) et au point n° 2 (0,4 m, 0,15 m, 1,5 m), (b) au point n° 3 (0,7 m, 0, 1 m) et au point n° 4 (0,7 m, 0, 1,5 m).

Par souci de simplicité, cette enquête n'a pas pris en compte une chasse d'eau réaliste avec des matières fécales dans la cuvette des toilettes. Notamment, dans une toilette assise, il n'a pas été constaté que la présence de déchets fécaux augmente le nombre d'aérosols générés, bien que le nombre de bioaérosols puisse être supérieur en présence de matières fécales19. Le nombre déduit de particules émises par chasse d'eau dans cette enquête était légèrement supérieur aux 287 400 rapportés dans une toilette assise avec un robinet de chasse à haute pression de 400 kPa17. Or, selon une autre étude, la chasse d'eau d'un WC assis avec un robinet de chasse > 350 kPa aurait généré 145 000 particules16. L'écart entre les deux peut être dû aux différentes conditions de fonctionnement des toilettes testées et aux méthodes de mesure. Néanmoins, il est certain que la toilette à la turque produisait un plus grand nombre d'aérosols par chasse que la toilette assise.

Un compteur de particules à base de laser a été utilisé pour mesurer les concentrations de particules dans cette enquête. L'efficacité de comptage du compteur de particules était de 100 % pour les particules supérieures à 0,45 μm, mais seulement de 50 % pour les particules de 0,3 μm. Ainsi, le nombre d'aérosols avec des tailles de particules inférieures à 0,3 μm n'a pas pu être mesuré. À l'avenir, un compteur de particules de condensation pourrait être utilisé pour mesurer le nombre de particules fines inférieures à 0,3 μm. Considérant que le diamètre aérodynamique de la plupart des virus est inférieur à 0,1 μm, comme c'est le cas du SRAS-CoV-2, il serait intéressant de mesurer les particules inférieures à 0,3 μm. De plus, la chasse d'eau augmenterait l'humidité relative à l'intérieur de la boîte fermée au-dessus de la cuvette des toilettes. Le rinçage a d'abord généré des gouttelettes, puis la plupart des gouttelettes se sont évaporées en noyaux de gouttelettes. On pense que le nombre et la taille des noyaux de gouttelettes peuvent varier avec l'humidité relative. La variation des concentrations de particules mesurées et de leurs spectres avec l'humidité relative attend une étude plus approfondie.

Cet article n'a pas mesuré directement les aérosols dans la zone respiratoire ; à la place, un gaz traceur a été mesuré. La raison en était que l'air de fond avait une forte concentration de particules et qu'il était donc difficile de différencier les particules générées des particules de fond. Alternativement, une analyse de l'exposition aux particules inhalées a été réalisée en projetant les particules générées à l'intérieur de la cuvette des toilettes dans la zone respiratoire, sur la base du même rapport inhalé entre le gaz traceur SF6 et les particules générées. Notez que le gaz SF6 est plus lourd que l'air et que les aérosols sont dans une phase discrète. Les futurs chercheurs pourraient envisager de mesurer les noyaux des gouttelettes directement dans les zones respiratoires. Dans une étude précédente, il a été rapporté qu'un nombre de particules générées de 8 498 provoquait un pic de concentration dans la zone respiratoire des toilettes d'un avion commercial13, à l'intérieur de laquelle la concentration de particules de fond était inférieure d'au moins deux ordres de grandeur à celle de cette enquête. Une future enquête pourrait mesurer la concentration de particules en plaçant la maquette des toilettes dans une salle blanche et évaluer directement l'exposition aux particules associées. Le nombre projeté de particules inhalées dans cette enquête n'a pas tenu compte de l'efficacité d'absorption des particules en suspension dans les voies respiratoires et de la capture de certaines particules par les poils du nez ou d'autres mécanismes.

Le système PIV a été utilisé pour mesurer le débit d'air sans interruption. Cependant, il y avait encore des incertitudes dans les résultats mesurés. Notre analyse plus approfondie (voir le fichier supplémentaire 5) montre que les incertitudes des vitesses de l'air mesurées étaient principalement comprises entre 0,02 et 0,05 m/s. La plus grande incertitude était inférieure à 0,08 m/s. Notez que PIV ne peut fournir le champ de flux d'air que dans une région d'intérêt relativement petite. Le système PIV utilisé dans cette étude n'était que bidimensionnel, de sorte que la composante de vitesse dans la troisième dimension n'a pas été mesurée. Le flux d'air tridimensionnel induit par le rinçage pourrait également être étudié plus avant.

Cette enquête a mesuré le débit d'air et les concentrations de particules, déduit le nombre de particules générées et analysé à la fois le contact de surface et le risque d'exposition par inhalation après la chasse d'eau d'une toilette turque dans les toilettes. Sur la base des résultats obtenus, les conclusions suivantes sont tirées :

La chasse d'eau d'une toilette à la turque peut induire un fort débit d'eau dans la cuvette des toilettes et entraîner un flux d'air transitoire au-dessus de la cuvette des toilettes. La vitesse maximale de l'air mesurée est de 0,91 m/s près du siphon 0,5 s après la chasse d'eau. Le débit d'air devient très faible 4 s après la chasse d'eau. Le flux de panache induit par le rinçage peut atteindre une hauteur allant jusqu'à 0,9 m.

La chasse d'eau d'une toilette à la turque peut générer un nombre important de gouttelettes et de leurs noyaux. Un seul processus de rinçage produit 0,29 million de particules supérieures à 0,3 μm, parmi lesquelles 90 % des particules sont submicroniques et 74 % des particules vont de 0,3 à 0,5 μm.

Pour les utilisateurs de toilettes dont les zones respiratoires sont inférieures à 1,0 m, en particulier pour les enfants, il existe un risque élevé d'exposition par inhalation, même lorsque l'utilisateur reste dans les toilettes pendant une demi-minute après le rinçage. Plus un utilisateur est éloigné du piège, plus le risque d'exposition par inhalation est faible. De plus, la chasse d'eau peut provoquer le dépôt de particules provenant de la cuvette des toilettes sur la poignée de la porte des toilettes et sur le bouton de la chasse d'eau, et le risque de contact avec la surface qui en résulte mérite l'attention.

Les toilettes à la turque impliquent une grande variété de conceptions, et le système à écoulement par gravité («citerne») et le système à soupape de pression («flushometer») sont les deux types les plus courants. Dans un système de citerne, l'eau s'écoule par gravité et la pression de l'eau est donc presque sans rapport avec le processus de rinçage. Par conséquent, un système de citerne a été choisi dans cette étude, comme le montre la figure 1. Lors du rinçage, les jets d'eau sortent par 35 orifices, chacun d'un diamètre de 8 mm. Il y a aussi un orifice de chasse principal rectangulaire de 5 cm × 1,5 cm situé sur le côté droit de la cuvette des toilettes. La cuvette des toilettes à la turque est peu profonde avec une profondeur de 9 cm au milieu.

Les toilettes à la turque étaient situées dans une maquette de toilettes aux dimensions de 1,2 m × 1,0 m × 2,3 m, comme illustré à la Fig. 10. Pour visualiser le flux d'air à l'intérieur, les parois avant et latérales des toilettes ont été construites à partir de panneaux en acrylique transparent, tandis que la paroi arrière était un panneau en bois massif. Le sol était pavé de tuiles. Un ventilateur d'extraction à débit constant de 120 m3/h a été installé au plafond des toilettes. La citerne avait une capacité de chasse de 6,0 L et le haut de la citerne était à 1,0 m au-dessus du sol. Pour éviter la perturbation de l'air à l'intérieur des toilettes, la citerne était située à l'extérieur des toilettes.

Une maquette de toilettes avec une toilette à la turque à l'intérieur : (a) photographie des toilettes, (b) schéma des toilettes.

Un mannequin thermique a été utilisé pour simuler un utilisateur de toilettes debout restant à l'intérieur des toilettes après avoir tiré la chasse d'eau. Comme le montre la Fig. 11, le mannequin (40 cm × 20 cm × 170 cm) comprenait une tête, un tronc, des bras et des jambes, mais avec une géométrie simplifiée. Le tronc était représenté par un cylindre elliptique, et les parties restantes par des cylindres ronds. La peau du mannequin était recouverte d'un film électrique, qui conditionnait la température de surface à 31 °C.

Mannequin thermique debout pour simuler un utilisateur de toilettes après la chasse d'eau : (a) image du mannequin, (b) dimensions du mannequin.

Avant un processus de rinçage, le brouillard d'eau généré par un atomiseur à ultrasons était libéré dans la cuvette des toilettes en tant que traceur. Parce que les gouttelettes de brouillard étaient grosses, elles sont tombées sous l'action de la gravité. Seul un flux d'air ascendant serait capable d'entraîner le brouillard d'eau vers le haut, et indiquerait donc évidemment un flux de panache de toilette ascendant. Le sol, les murs et la marche des toilettes étaient recouverts de feuilles noires pour faciliter la visualisation du mouvement du brouillard d'eau. Le brouillard d'eau a été enregistré par un téléphone portable après avoir appuyé sur le bouton de la chasse d'eau. La résolution de la photographie était de 1080 × 1920 avec une vitesse de prise de vue de 30 images par seconde.

Un système 2D2C-PIV haute puissance (Dantec Dynamics, Danemark) a été utilisé pour mesurer le flux d'air transitoire. Le système PIV consistait en un laser pulsé à double cavité (type : Vlite-Hi-20 k ; Beamtech, Canada), une caméra haute vitesse (type : VEO 410L ; Phantom, États-Unis) avec une résolution de 1 280 × 800, un synchroniseur (type : 81N21 ; Dantec Dynamics, Danemark) et un ordinateur. Le laser avait un intervalle de temps d'impulsion de 50 μs à une longueur d'onde de 532 nm. Le faisceau laser a traversé une lentille cylindrique, formant une nappe de lumière d'une épaisseur de 2 mm dans la région d'intérêt (ROI). La séquence d'images a été acquise en mode double trame et la durée entre les plus était de 1500 μs. Des particules de sébacate de diéthylhexyle (DEHS) d'un diamètre moyen d'environ 2 μm générées par un générateur d'aérosol monodisperse (type : 3475 ; TSI, USA) ont été utilisées comme particules traceuses. La concentration de particules DEHS était de l'ordre de 10 à 20 particules dans une zone d'interrogation de 32 × 32 pixels. La figure 12a montre le retour sur investissement dans la section mi-longitudinale au-dessus des toilettes turques. Les dimensions de la ROI étaient de 0,46 m × 0,28 m, et la limite gauche de la ROI était à 0,11 m du mur des toilettes.

La région ou les emplacements pour la mesure de la vitesse : (a) la région d'intérêt (ROI) pour la mesure PIV, (b) les points de mesure de la vitesse avec un anémomètre à ultrasons.

En plus du PIV, cette étude a utilisé un anémomètre à ultrasons tridimensionnel (type : DA650 & TR92T ; Kaijo Sonic, Japon) pour mesurer la vitesse à des points spécifiques. L'anémomètre avait une résolution de 0,005 m/s avec une incertitude de 1 %. La fréquence de mesure était de 20 Hz. La figure 12b montre les trois points de la coupe longitudinale médiane auxquels les vitesses ont été mesurées. Les mesures à chaque endroit ont été répétées au moins 5 fois.

Comme le montre la Fig. 13a, les toilettes à la turque étaient recouvertes d'une boîte en acrylique transparent de dimensions 0,6 m × 0,3 m × 0,2 m pour la mesure de la concentration en particules. Pour mélanger les particules à l'intérieur de la boîte, quatre petits ventilateurs ont été installés, un dans chaque coin de la boîte. Les concentrations de particules bien mélangées seraient utilisées pour l'inférence ultérieure du taux de génération de particules. La figure 13b représente les trois orifices d'échantillonnage sur le dessus de la boîte, à travers lesquels les tubes d'échantillonnage pourraient atteindre la mi-hauteur de la boîte. Un compteur de particules (type : 9310-02 ; TSI, USA) a été adopté pour mesurer les concentrations temporelles dans six bacs : (i) 0,3-0,5 μm, (ii) 0,5-1 μm, (iii) 1-3 μm, (iv) 3-5 μm, (v) 5-10 μm et (vi) 10-25 μm. L'efficacité de comptage était de 50 % pour les particules à 0,3 μm, tandis que l'efficacité atteignait 100 % pour les particules supérieures à 0,45 μm. Le débit d'air d'échantillonnage nominal était de 28,3 L/min avec une précision de ± 5 %. Le compteur de particules était à moins d'un an d'étalonnage lorsqu'il a été utilisé pour le test. La fréquence de mesure était de 1 Hz.

Schémas de mesure des particules à l'intérieur d'une boîte pour l'inférence de la source de particules : (a) vue de l'ensemble des toilettes, (b) vue agrandie de la boîte pour le comptage des particules.

Afin de minimiser l'interruption par les particules de fond, un purificateur d'air a fonctionné en continu à l'intérieur des toilettes. De plus, les toilettes à la turque, les murs et le sol des toilettes et la boîte ont été nettoyés à plusieurs reprises avant l'expérience afin de minimiser la remise en suspension des particules déposées pendant le processus de rinçage. Les concentrations de particules ont été mesurées pour le cas avec une opération de rinçage et pour le cas sans opération de rinçage. Chaque cas a été répété au moins trois fois, et l'intervalle de temps entre deux cas de rinçage successifs était d'au moins 10 min. La température de l'air ambiant pendant les essais était de 24,0 ± 1,0 °C et l'humidité relative était de 50 % ± 2 %.

Le nombre total généré et le nombre de particules résolues en taille par rinçage ont été déterminés à partir des concentrations temporelles de particules. Les principaux facteurs contribuant aux concentrations de particules à l'intérieur de la boîte comprenaient les particules générées par la chasse d'eau, les particules déposées par gravité, les particules aspirées depuis l'extérieur de la boîte et les particules aspirées par le compteur de particules36. En tenant compte de ces facteurs et en supposant une condition bien mélangée dans la boîte, l'équation déterminante peut s'écrire37 :

où C(t) est la concentration en particules dans la boîte à l'instant t (particules/L) ; Cout(t) est la concentration de particules à l'extérieur de la boîte (particules/L) ; Er(t) est le taux d'émission de particules (particules/s) dû à la chasse ; V est le volume renfermé par la boîte et la cuvette des toilettes, qui était d'environ 45,64 L; P est l'efficacité de pénétration des particules ; k est le taux de dépôt de particules (s-1); α est le taux de renouvellement d'air (s-1) ; et (k + α) est le taux total d'élimination des particules (s-1). Dans l'éq. (1), l'évaporation, la condensation et la collision des particules ont été négligées.

S'il n'y a pas de flush, en suivant l'Eq. (1) la concentration de particules de fond à l'intérieur de la boîte peut être exprimée comme suit :

Étant donné que la concentration de particules de fond était pratiquement inchangée en l'absence de perturbation, le nombre de particules pénétrant dans la boîte depuis l'extérieur était approximativement égal au nombre total de particules éliminées, c'est-à-dire que PαCout était égal à (k + α)Cback(t). Lorsque l'éq. (2) est soustrait de l'équation. (1), la concentration nette de particules dans la boîte due à la chasse d'eau peut s'écrire :

où Cnet(t) est la concentration de particules dans la boîte à l'instant t (particules/L) due à la chasse uniquement.

Si (k + α) est supposé indépendant du temps, Eq. (3) peut être intégré dans :

où Emissions est le nombre total de particules générées par rinçage, ts est l'heure de début du processus de rinçage, tp est le moment où la concentration de particules atteint son maximum et Cnet(tp) est la concentration maximale de particules (particules/L). Le terme (k + α) peut être obtenu en utilisant les concentrations dans la phase de descente, pendant laquelle il n'y a pas d'émission de particules. Avec Er(t) = 0 dans l'Eq. (3), l'équation suivante est obtenue après intégration :

où td est un moment dans la phase de descente, et Cnet(td) est la concentration de particules à td (particules/L).

Cette enquête a examiné les gouttelettes/particules fluorescentes déposées sur la marche des toilettes à la turque, le bouton de la chasse d'eau et la poignée de la porte des toilettes. Avant la chasse d'eau, 20 g de poudre fluorescente ont été ajoutés au réservoir et 20 g au siphon des toilettes. Pour une visualisation claire du dépôt de particules fluorescentes sur la zone des marches des toilettes, une lumière violette a été utilisée pour éclairer le sol. L'observation de particules fluorescentes déposées sur le bouton de chasse d'eau et la poignée de porte a été réalisée dans un autre test. Toutes les surfaces murales à l'intérieur des toilettes ont été soigneusement nettoyées pour minimiser la perturbation des tests. Une plaque de décantation a été placée sur la surface supérieure du bouton de chasse et une autre a été placée sur la poignée de la porte. Un microscope à fluorescence inversé (type : IX71 ; Olympus, Japon) a été utilisé pour photographier les particules fluorescentes déposées.

Un gaz traceur est un substitut approprié pour les noyaux de gouttelettes dans l'environnement bâti38. Pour minimiser la force de flottabilité causée par le gaz traceur, cette enquête a utilisé un mélange de 1% SF6 et 99% N2. La concentration de SF6 a été mesurée avec un échantillonneur multipoint (type : Innova 1409 ; LumaSense, Danemark) et un détecteur de gaz photoacoustique infrarouge (type : Innova 1412i ; LumaSense, Danemark). La résolution des instruments de test était de 0,01 ppm et la précision nominale était de 1 %. Bien que l'échantillonnage continu ait été utilisé dans cette étude, chaque lecture de concentration a duré 35 s.

La concentration de gaz traceur a été mesurée à différentes hauteurs respiratoires, comme le montre la Fig. 14. Les hauteurs de 1 m et 1,5 m au-dessus du sol correspondaient respectivement aux niveaux respiratoires d'un adulte debout et d'un enfant. Le gaz SF6 a été injecté dans la cuvette des toilettes à un débit de 5 L/min pendant environ 50 s avant la chasse d'eau. La chasse d'eau a ensuite été tirée, et les concentrations aux quatre points ont été mesurées, pour une répétition d'au moins 5 tests. Après un test, le ventilateur d'extraction a été maintenu en marche pendant 2 h pour éliminer le gaz SF6 résiduel à l'intérieur des toilettes avant le test suivant.

Emplacements d'échantillonnage pour la concentration de gaz traceur SF6 : (a) vue de face, (b) vue de côté.

Supposons un utilisateur de toilettes dont la zone respiratoire était située aux quatre points, comme illustré à la Fig. 14. Le rapport de partage du gaz SF6 inhalé par rapport au gaz SF6 totalement libéré pourrait être intégré à partir de la concentration de gaz SF6 surveillée comme :

où CSF6 est les concentrations de gaz SF6 surveillées (ppm) comme illustré à la Fig. 8, p est le taux de ventilation pulmonaire (L/min) de l'utilisateur des toilettes, t est le temps de séjour (min) après un processus de rinçage, et \({\Delta V}_{\mathrm{SF}6}\) est le gaz SF6 totalement libéré (L) dans la cuvette des toilettes, qui était de 0,042 L dans cette enquête. Supposons que l'utilisateur des toilettes ait un volume courant de 0,6 L (le volume d'air expiré en une seule respiration) et que la durée de chaque cycle respiratoire soit de 6 s. Supposons également que l'inspiration et l'expiration étaient identiques et qu'il y avait une courte pause de 0,5 s entre elles. Ensuite, un taux d'inhalation moyen de 14,4 L/min pendant 2,5 s dans un cycle respiratoire serait obtenu. L'approximation de la respiration variable et intermittente dans la forme continue (sans arrêt) constante conduirait à un taux de ventilation pulmonaire stable de 6 L/min39, qui était le p utilisé dans cette enquête.

Supposons que les particules en suspension dans l'air puissent bien tracer le gaz SF6, ce qui est principalement le cas pour les noyaux de gouttelettes de petite taille. Le rapport inhalé du gaz SF6 et des noyaux de gouttelettes serait identique. Ensuite, le nombre de particules éventuellement inhalées pourrait être calculé comme le produit du nombre de particules totalement générées dans la cuvette des toilettes et du rapport inhalé dans l'équation. (6).

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié et ses fichiers d'informations complémentaires.

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La recherche a été partiellement financée par le National Key Research and Development Program (Grant No.: 2022YFC3803200) et la National Natural Science Foundation of China (Grant No.: 52111530186).

École de génie civil, Université de technologie de Dalian, Dalian, Chine

Tengfei (Tim) Zhang, Lifang Yao et Zilong Gao

Laboratoire de contrôle de la qualité de l'air intérieur de Tianjin, École des sciences et de l'ingénierie de l'environnement, Université de Tianjin, Tianjin, Chine

Feng Wang

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TZ a supervisé le travail et rédigé le manuscrit. LY a effectué la mesure, analysé les données et initié le texte principal du manuscrit. ZG a effectué le test PIV et l'analyse des risques d'exposition aux particules. FW a conçu la recherche et édité l'écriture. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance à Feng Wang.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Zhang, T.(., Yao, L., Gao, Z. et al. Risque d'exposition aux particules pour un utilisateur de toilettes après avoir rincé des toilettes à la turque. Sci Rep 12, 21088 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25106-4

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Reçu : 15 août 2022

Accepté : 24 novembre 2022

Publié: 06 décembre 2022

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

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