Torju pienhiukkaset!

Torstai 6.1.2011 klo 16:25 - Aimo Taipale

Pienhiukkasten aiheuttamat terveyshaitat

Hengitysilman sisältämät pienhiukkaset muodostavat merkittävimmän ympäristöterveysongelman teollisuusmaissa. Harvardin yliopiston vuonna 1993 julkaisema ns. kuuden kaupungin tutkimus osoitti, että kohonneet hiukkasten vuosipitoisuudet lyhentävät merkittävästi ihmisten elinikää. Viimeisimpien arvioiden mukaan pienhiukkaset aiheuttavat maailmassa vuosittain yli 800 000 ennenaikaista kuolemaa. Vuonna 2005 julkaistussa laajassa CAFE (Clean Air For Europe) -selvityksessä arvioitiin, että EU:n alueella pienhiukkasten aiheuttamia kuolemantapauksia on vuosittain noin 350 000, näistä Suomessa noin 1300. Keskimääräiseksi eliniän lyhentymäksi arvioitiin noin 10 vuotta.

Pienhiukkasaltistumisen on havaittu kiihdyttävän tulehdusprosesseja elimistössä sekä vaikuttavan sydämen sähköiseen toimintaan. Pienhiukkasille erityisen herkkiä väestöryhmiä ovatkin astmaatikot sekä keuhkoahtaumaa, sepelvaltimotautia ja sydämen vajaatoimintaa sairastavat ihmiset. Näitä vakavia sairauksia potee arviolta 15 % maamme väestöstä. Terveystutkimuksissa on havaittu päivittäisen tai jopa tuntitason hiukkaspitoisuuksien olevan yhteydessä sekä hengitys- että sydänsairauksiin. Jatkuva vähäinenkin altistuminen pienhiukkasille näyttää pahentavan sydämen, verenkiertoelimistön ja hengityselinten sairauksia. Toisaalta mitään turvallista hiukkaspitoisuuden alarajaa ei ole pystytty määrittämään.

Erikokoiset hiukkaset vaikuttavat ihmisen terveyteen eri tavoilla riippuen siitä miten pitkälle ne kulkeutuvat hengityksen mukana. Kaikkein suurimmat hengitettävät hiukkaset takertuvat suurempiin keuhkoputkiin, ja aiheuttavat siellä ärsytystä. Ne voivat pahentaa ainakin hengityssairauksia, kuten astmaa ja keuhkoahtaumaa. Pienhiukkaset pääsevät keuhkojen ääreisosiin saakka, ja kiihdyttävät siellä tulehdusprosesseja. Ultrapienet hiukkaset voivat siirtyä keuhkorakkuloiden kautta ihmisen verenkiertoon ja kulkeutua sen mukana eri puolille kehoa. Hiukkasten kemiallinen koostumus ja liukoisuus määräävät niiden käyttäytymisen kehon sisällä.

Epätäydellisessä palamisessa syntyviä hiukkasia pidetään kaikkein haitallisimpina ihmisen terveydelle. Lähilähteistä peräisin olevia pienhiukkasia pidetään vaarallisempina kuin kaukokulkeuman tuomia ikääntyneitä hiukkasia. Suomessa aiheutuu todennäköisesti eniten terveydellisiä haittoja pitkäaikaisesta altistumisesta liikenteen ja puun pienpolton hiukkasille. Nykyinen terveystutkimustieto on kuitenkin vielä puutteellista sekä hiukkaskokoon että erityisesti hiukkasten lähteisiin ja kemialliseen koostumukseen liittyvien vaikutusten osalta.

Miten pienhiukkasten aiheuttamia terveyshaittoja voi ehkäistä?

Pienhiukkaspäästöjen merkittävä vähentäminen on kaikkein tehokkain keino terveyshaittojen estämiseksi. Erilaisilla päästörajoituksilla onkin ulkoilman hiukkaspitoisuutta saatu monin paikoin alennettua merkittävästi. Teknisten ja taloudellisten haasteiden lisäksi rajoituksilla on hyvin vahva poliittinen luonne. Hiukkasten kulkeutumien valtakunnan rajojen yli tekee ongelmasta yleismaailmallisen. Toisaalta suurimmat päästöt syntyvät tänä päivänä kehittyvissä yhteiskunnissa, joissa päästöjen rajoittaminen ei ole ensisijainen tavoite. Parhaassakin tapauksessa vaikuttaminen tilanteeseen ainoastaan päästörajoitusten kautta kestää useita vuosikymmeniä.

Toinen mahdollinen toimenpide tereveysvaikutusten estämiseksi on vähentää ihmisten altistumista hengitysilman pienhiukkasille. Kokonaisaltistuksen arvioinnissa tärkeimpiä tekijöitä ovat hengitysilman hiukkaspitoisuus, eri ympäristöissä vietetty aika sekä ihmisen aktiviteettitaso. Kohdistettaessa altistumisen vähentämiseen tähtääviä toimenpiteitä on lähtökohtana pidettävä ihmisten käyttäytymismallia. Nykypäivänä ihmiset viettävät valtaosan (keskimäärin 80-90%) ajastaan sisätiloissa, kuten kodissa, koulussa ja työpaikalla. Näin ollen merkittävä osa pienhiukkasaltistumisesta tapahtuu näissä kohteissa. Paras tapa altistuksen vähentämiseksi onkin alentaa rakennusten sisäilman hiukkaspitoisuuksia hyödyntämällä tehokasta ilmansuodatustekniikkaa.

Tänä päivänä rakennuksissa on käytössä monenlaisia ilmanvaihtojärjestelmiä, jotka perustuvat eri aikakausien rakennuskäytäntöihin. Parhaiten ulkoilman sisältämien hiukkasten kulkeutuminen sisätiloihin pystytään estämään nykyaikaisissa suhteellisen tiiviissä rakennuksissa, joissa on koneellinen tulo- ja poistoilma ja tehokas tuloilman suodatin.

Pelkästään koneellisella poistolla toteutetuissa rakennuksissa hiukkaspitoisuuden alentaminen on mahdollista sijoittamalla suodatin korvausilman reitille. Painovoimaisella ilmanvaihdolla toteutetuissa taloissa ongelmana on suodatukseen käytettävissä olevan paine-eron pienuus. Tällöin ainoaksi vaihtoehdoksi jää kierrättävien huoneilmapuhdistimien käyttö. Niiden avulla sisäilman hiukkaspitoisuutta on mahdollista laskea merkittävästi, kunhan ne on mitoitettu oikein käyttökohteeseen nähden. Lisäksi ne poistavat huoneessa mahdollisesti sijaitsevien hiukkaslähteiden synnyttämiä hiukkasia.

Rakennuksissa sisällä vietetyn ajan lisäksi toinen merkittävä ja selkeästi erotettavissa oleva altistumisjakso on ihmisten liikkuminen. On arvioitu, että ihmiset ovat liikenteen päästöjen välittömässä vaikutuspiirissä keskimäärin noin tunnin vuorokaudessa. Päästölähteen ollessa lähellä pitoisuudet ovat huomattavasti keskiarvoja korkeammat, ja altistuminen on merkittävää jo suhteellisen lyhyessäkin ajassa. Ajoneuvojen ohjaamoiden ja joukkoliikennevälineiden matkustamoiden hiukkaspitoisuuden alentaminen ilmansuodatuksen avulla vähentäisikin merkittävästi altistumista liikenteen tuottamille pienhiukkasille.

Suodatustekniikan mahdollisuudet

Korkeatasoinen ilmansuodatus on tehokkain ja helpoiten käyttöönotettava keino vähentää pienhiukkasten aiheuttamia terveyshaittoja. Teknisiä ratkaisuita hiukkaspitoisuuden alentamiseksi on kyllä olemassa, mutta niiden soveltaminen on vielä puutteellista. Useissa kohteissa tehokasta hiukkassuodatusta olisi mahdollista soveltaa suhteellisen pienillä muutoksilla olemassa oleviin ilmanvaihtojärjestelmiin, jolloin mittavia investointeja ei tarvita. 

Hiukkasten suodattamiseksi on olemassa useita eri mahdollisuuksia, joista yleisin on huokoinen kuitumainen suodatinmateriaali. Kuitusuodattimelle on ominaista erotustehokkuuden voimakas riippuvuus hiukkaskoosta, sen sijaan ilman virtausnopeus vaikuttaa erotuskykyyn vain vähän. Korkeimpiin erotusasteisiin pyrittäessä kuitusuodatinmateriaalin aiheuttama paine-ero kasvaa helposti melko suureksi, mikä rajoittaa parhaiden suodattimien käyttöä useissa kohteissa. Kuitusuodatin on hankintahinnaltaan edullinen, joten suurimman osan suodatuksen kokonaiskustannuksista muodostaa suodattimen painehäviön aiheuttama energiankulutus. 

Toinen perusratkaisu hiukkasten poistamiseksi on sähköisen suodatustekniikka, jossa hiukkaset varataan koronapurkauksen synnyttämillä ioneilla ja kerätään ilmavirrasta sähkökentän synnyttämän voiman avulla. Sähkösuodatin ei käytännössä aiheuta juuri lainkaan painehäviötä. Sähkösuodattimen erotuskyky riippuu vain vähän hiukkaskoosta, mutta virtausnopeus vaikuttaa erotuskykyyn ratkaisevasti. Joissain tapauksissa sähköisen suodatustekniikan luotettavuus on puutteellista, ongelmia esiintyy erityisesti silloin jos laitteen huolto on laiminlyöty. Myös koronapurkauksen synnyttämä otsoni on luettava sähkösuodattimen heikkoudeksi, tosin se on suhteellisen helppo poistaa ilmasta aktiivihiilisuodattimen avulla. Kuitusuodattimeen verrattuna sähkösuodattimen hankintahinta on korkea.

Sähköisillä kuitusuodattimilla tarkoitetaan yhdistelmäsuodattimia, jossa hyödynnetään sekä mekaanisen kuitusuodattimen että sähköisen suodatuksen edut. Käytännössä ratkaisut perustuvat useimmiten varaajan käyttöön, mutta keruuosana on kuitusuodatinmateriaali, johon on järjestetty sähkökenttä. Näillä ratkaisuilla on mahdollista saavuttaa erittäin korkea erotusaste kaikille hiukkaskokoluokille ilman korkeaa painehäviötä.

Myös ns. elektreettisuodattimet ovat eräänlaisia sähköisiä kuitusuodattimia, sillä niiden kuiduissa oleva varaus muodostaa kuitumatriisiin hiukkasten erottumista tehostavia sähkökenttiä. Elektreettisuodattimien ei-toivottu ominaisuus on sähköisen suodatusvaikutuksen heikkeneminen käytön aikana. Suodattimeen kertyvät hiukkaset heikentävät kuitujen välisten sähkökenttien voimakkuutta suodattimen sisällä, jolloin sen erotusaste saattaa heikentyä merkittävästi. 

Tulevaisuuden näkymiä

Korkean erotusasteen ja alhaisen painehäviön yhdistäviä suodatinratkaisuita on jo alettu kehittää, ja seuraava haaste onkin saada niiden käyttö leviämään mahdollisimman laajasti. Tämä edellyttää ihmisten tietoisuuden lisäämistä pienhiukkasten terveyshaitoista ja niiden mahdollisista torjuntaratkaisuista. Suomesta tehdään runsaasti kansainvälisesti tunnustettua pienhiukkastutkimusta, ja jatkossa poikkitieteellistä yhteistyötä mm. terveystutkijoiden kanssa on tarkoitus tiivistää mahdollisimman selkeiden näyttöjen hankkimiseksi suodatustekniikan mahdollisuuksista vähentää pienhiukkasten terveyshaittoja.

Aimo Taipale

tutkija

VTT Ilmanpuhdistustekniikka

 

Lähteitä

 

Dockery DW, Pope CA III, XU X, Spengler JD, Ware JH, Fay ME, Ferris BG, Speizer FA. An association between air pollution and mortality in six US cities. N Engl J Med 1993;329:1753-1759.

Lanki T ja Pekkanen J. Kaupunki-ilman hiukkaset ja sydänsairaudet. Suomen Lääkärilehti 2008;63(11):1059-1065.

Lehtimäki M, Taipale A, Säämänen A. Investigation of Mechanisms and Operating Environments that Impact the Filtration Efficiency of Charged Air Filtration Media (1189-RP). ASHRAE 2005

Pope CA, Dockery DW. Health effects of fine particulate air pollution: lines that connect. J air Waste Manage Assoc 2006;56:709-742.

Salonen RO ja Pennanen A (toim. Paukku T). Pienhiukkasten vaikutus terveyteen. Tuloksia ja päätelmiä teknologiaohjelmasta FINE Pienhiukkaset - Teknologia, ympäristö ja terveys. Helsinki: Tekes, 2006. Internet: www.tekes.fi/julkaisut/Fine_Terveys.pdf

Tainio, Marko. Methods and uncertainties in the assessment of the health effects of fine particulate matter (PM 2.5) air pollution. Väitöskirja. Helsinki 2009.

Watkiss P, Pye S, Holland M. CAFÉ CBA: Baseline analysis 2000 to 2020. report AEAT/ED51014/Baseline issue 5. AEA Technology Environment: Oxon, UK 2005.