城市地下快速道路空氣凈化技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略研究

許海勇,范益群,倪 丹

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市 200092)

城市地下快速道路空氣凈化技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略研究

許海勇,范益群,倪 丹

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市 200092)

城市地下道路中由機(jī)動(dòng)車(chē)排放的污染氣體,無(wú)論是通過(guò)高風(fēng)塔排放,還是經(jīng)由隧道洞口通風(fēng)排出,都會(huì)對(duì)周邊環(huán)境空氣質(zhì)量造成負(fù)面影響。隨著國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范的出臺(tái)和國(guó)民對(duì)大氣環(huán)境關(guān)注度日益提升,對(duì)城市地下道路中的空氣污染物進(jìn)行凈化處理已經(jīng)成為了大勢(shì)所趨。在綜述國(guó)外隧道污染空氣凈化技術(shù)發(fā)展歷史和應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,分析了我國(guó)新建地下快速道路引進(jìn)空氣凈化技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略。

地下快速道路;空氣凈化技術(shù);發(fā)展戰(zhàn)略

0 引言

城市地下快速道路對(duì)緩解日益擁堵的公共交通起到了積極的作用,同時(shí)也減輕了機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣對(duì)城市大氣環(huán)境的污染。機(jī)動(dòng)車(chē)在交通阻滯情況下污染氣體的排放量是其正常行駛中的數(shù)倍,地下快速道路不僅改善了交通阻滯、擁堵,半封閉的結(jié)構(gòu)也使得其內(nèi)部的污染空氣更容易被集中處理,兩相疊加的環(huán)境效益尤為顯著。反之,也正是由于地下道路均為半封閉結(jié)構(gòu),車(chē)輛行駛產(chǎn)生的污染物如果得不到及時(shí)的排放和處理,將嚴(yán)重影響隧道內(nèi)駕乘人員的行車(chē)安全和身體健康。機(jī)動(dòng)車(chē)污染物主要有一氧化碳(CO)、碳?xì)浠?HC)、氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)、臭氧(O3)以及可吸入顆粒物(PM10,PM2.5)等,其中,高濃度一氧化碳和氮氧化物通過(guò)協(xié)同效應(yīng),容易導(dǎo)致駕駛員生理反應(yīng)能力下降、神志不清、精神渙散乃至昏睡,危急到駕乘人員的健康和交通的安全［1］。近年來(lái)各大城市的霧霾天氣也使得顆粒物成為了全民關(guān)心的空氣質(zhì)量指標(biāo)。

為了應(yīng)對(duì)地下道路內(nèi)空氣污染的問(wèn)題,歐美許多國(guó)家逐步完善大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程中,也對(duì)地下隧道內(nèi)的空氣污染物濃度制定了標(biāo)準(zhǔn),并逐步開(kāi)發(fā)隧道通風(fēng)和空氣凈化技術(shù)以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求［2～5］。國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的長(zhǎng)大隧道必需每隔一定距離設(shè)置一定的高風(fēng)塔,不但影響了景觀,其集中排出的機(jī)動(dòng)車(chē)輛廢氣影響周邊環(huán)境的品質(zhì)。規(guī)劃設(shè)計(jì)中的武漢東湖隧道和上海北橫地下通道,地處國(guó)內(nèi)知名風(fēng)景區(qū)或者是國(guó)際化大都市,無(wú)論出于市容、景觀考慮還是對(duì)于空氣環(huán)境質(zhì)量的要求,都不適宜采用高風(fēng)塔直接排放。因此,國(guó)內(nèi)雖無(wú)地下道路采用空氣凈化系統(tǒng)的先例,但總體趨勢(shì)已經(jīng)明確,開(kāi)展相關(guān)技術(shù)的研究也是十分有必要的。

1 道路隧道空氣凈化技術(shù)的發(fā)展歷程

當(dāng)隧道取消高風(fēng)塔時(shí),為滿足隧道內(nèi)污染物在隧道峒口排放水平,須采用必要的空氣凈化技術(shù)以保障隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量。世界上第一座采用機(jī)械通風(fēng)解決環(huán)境污染問(wèn)題的公路隧道是美國(guó)1927年建成的紐約霍蘭(Holland)隧道［6］。當(dāng)時(shí)采用橫向通風(fēng)設(shè)計(jì)以滿足美國(guó)地礦局推薦的一氧化碳(CO)濃度限值4/1000(400 ppm),此限值目前已逐步被修訂為45～120 ppm。1934 年,英國(guó)在修建莫爾西隧道時(shí),對(duì)減少管道斷面的方式做了研究,首次采用半橫向通風(fēng)系統(tǒng),取得了很好的效果［7］。1976年,日本在修建關(guān)越隧道時(shí),首次將縱向通風(fēng)應(yīng)用于10 km以上的隧道,并對(duì)隧道通風(fēng)編程模擬。

上世紀(jì)80年代之前,世界上大多數(shù)國(guó)家的隧道內(nèi)空氣指標(biāo)均以一氧化碳(CO)為主要控制對(duì)象和指標(biāo),凈化方式和設(shè)備也基本以加快空氣流通,盡可能將廢氣排出為目標(biāo)。日本多條隧道在CO控制符合標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下,能見(jiàn)度出現(xiàn)了大問(wèn)題,不能滿足隧道內(nèi)部可見(jiàn)距離的要求,于是著手研發(fā)凈化微小顆粒物的凈化方法。1979年日本出現(xiàn)了世界上第一條配備空氣凈化系統(tǒng)的隧道,隨后逐漸出現(xiàn)了介質(zhì)過(guò)濾、靜電除塵、生物過(guò)濾等顆粒物凈化方法以及活性炭吸附、鹽溶液吸附、光催化等氮氧化物凈化技術(shù)。截至2010年,日本、挪威等國(guó)家走在了該項(xiàng)技術(shù)的前沿,世界各地的配備空氣凈化系統(tǒng)的隧道也達(dá)到了60多條。

2 常用道路隧道空氣凈化技術(shù)

2.1 靜電除塵

凈化隧道內(nèi)影響視線以及可吸入顆粒物的主要方法是靜電除塵,它是一種利用高壓靜電力將氣體中的顆粒物與空氣分離的除塵設(shè)備。從原理上分為氣體電離、顆粒物荷電、收塵及清灰等四個(gè)階段［8］。含顆粒物的氣體通過(guò)高壓電場(chǎng)時(shí),氣體電離產(chǎn)生大量的自由電子和正離子,離子和電子會(huì)附著在顆粒物上,見(jiàn)圖1,在電場(chǎng)力的作用下,帶電的顆粒物向其極性相反的方向運(yùn)動(dòng)并附著在電極板上,最后通過(guò)清灰,排除灰塵。

圖1 靜電除塵荷電吸附原理

日前有47條隧道安裝了靜電除塵設(shè)備。主要用于提高縱向通風(fēng)系統(tǒng)的效能和控制隧道排風(fēng)的環(huán)境污染。其中具有代表性的有:東京Aqua-Line、Kan-etsu、Tennozan、隧道等。挪威有Hell、Laerdal、Stomsas等8條隧道采用靜電除塵技術(shù)。此外韓國(guó)也有Chinbu隧道等5條隧道應(yīng)用實(shí)例。

靜電除塵裝置對(duì)可吸入顆粒物的凈化效率較高,歐洲公司的先進(jìn)技術(shù)可以使PM10的凈化效率達(dá)到90%,PM2.5的凈化效率也可以達(dá)到85%以上。

污染物收集網(wǎng)上的顆粒物達(dá)到一定數(shù)量之后,可以通過(guò)水循環(huán)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行沖洗,見(jiàn)圖2,為此,除了配電間之外,還需要一間污水處理間,見(jiàn)圖3。

圖2 設(shè)備清洗

圖3 污水循環(huán)處理裝置

2.2 介質(zhì)過(guò)濾器法

如圖4所示袋式過(guò)濾器早期在日本Tennozan隧道進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)［9］,其材質(zhì)為無(wú)紡布或玻纖,價(jià)格低廉,但阻力大,需要頻繁更換,且凈化效率低于靜電除塵。卷簾式過(guò)濾器最早出現(xiàn)在意大利Cesena隧道和西班牙Calle30隧道中,但因?yàn)橛羞\(yùn)動(dòng)部件有較多維護(hù)需要。該項(xiàng)技術(shù)在幾個(gè)項(xiàng)目上采用后逐漸也被淘汰。

圖4 袋式過(guò)濾器和卷簾式過(guò)濾器

2.3 生物濾床法

生物濾床的原理見(jiàn)圖5,過(guò)濾材料常選用堆肥、土壤、泥炭以及活性炭等多孔、適宜微生物生長(zhǎng)且保持水分能力較強(qiáng)的材料［10］。當(dāng)污染氣體進(jìn)入過(guò)濾池時(shí),污染物從氣相主體擴(kuò)散到介質(zhì)外層的水膜而被介質(zhì)吸收,同時(shí)氧氣也由氣相進(jìn)入水膜,最終介質(zhì)表面附著的微生物消耗氧氣而把污染物分解(轉(zhuǎn)化)為二氧化碳、水和無(wú)機(jī)鹽類(lèi)。該方法凈化CO、NOx及粉塵的效率可以達(dá)到70%,但生化反應(yīng)速度慢,無(wú)法應(yīng)對(duì)隧道中大體積空氣流量的問(wèn)題,同時(shí)濾料要在所需環(huán)境中保證長(zhǎng)時(shí)間的有效暴露,這些都制約了其在隧道中的實(shí)際應(yīng)用。

圖5 空氣凈化的生物過(guò)濾法

2.4 活性炭吸附技術(shù)

隧道中的氮氧化物主要有一氧化氮(NO)和二氧化氮 (NO2),其中NO2較為容易處理和凈化,而NO處理較為困難［11］。采用如圖6所示的活性碳吸附法可以出去大部分的,但對(duì)NO沒(méi)有吸附作用,如果在污染氣體進(jìn)入活性炭吸附區(qū)之前,加入臭氧使部分NO轉(zhuǎn)化為NO2,那么凈化的效率可以大大提高。其原理是由于活性炭的表面分布有納米級(jí)的細(xì)孔,與氣體接觸的表面積極大,可吸附體積為自身數(shù)倍到數(shù)百倍的氣體?；钚蕴课降男瘦^高,現(xiàn)有活性炭吸附技術(shù)NO2的凈化效率可以達(dá)到80%,而綜合氮氧化物可以達(dá)到60%以上。系統(tǒng)安裝、使用也較為簡(jiǎn)單,目前世界新建的隧道如西班牙M30隧道、澳大利亞M5隧道都采用該方法凈化空氣中的氮氧化物。活性炭的使用周期為2～3 a,早期被替換下的活性炭只能報(bào)廢,近年來(lái)活性炭再生技術(shù)已較為成熟,國(guó)內(nèi)也有正規(guī)的活性炭生產(chǎn)、修復(fù)廠家,整體建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本已有可觀的降低,但仍非廉價(jià)產(chǎn)品。

圖6 活性碳吸附法

2.5 土壤凈化技術(shù)

日本在15年前開(kāi)始采用土壤空氣凈化系統(tǒng)［12］。該系統(tǒng)是由栽培區(qū)、土壤層、通氣區(qū)(通氣層、風(fēng)道)及引風(fēng)機(jī)構(gòu)成,見(jiàn)圖7。土壤以黑土為主,與園林用土混合提高通水通氣率,并可栽培植物。污染空氣由引風(fēng)機(jī)經(jīng)通氣區(qū)進(jìn)入土壤層,其間注入臭氧使一氧化氮氧化成二氧化氮。然后,通過(guò)土壤,經(jīng)土壤顆粒表面的吸附作用、土壤水溶解作用、土壤微生物代謝吸附和分解作用而得到凈化。該方法在上世紀(jì)末日本的大阪、吹田等地廣泛應(yīng)用,但其對(duì)隧道周邊綠化面積的要求較高,隧道結(jié)構(gòu)改造的難度也較大,凈化效率低于活性炭吸附法。

圖7 土壤凈化系統(tǒng)

2.6 溶液吸附法

采用KOH等鹽溶液吸收NO2并產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),吸附后的溶液可以現(xiàn)場(chǎng)再生,最終產(chǎn)生無(wú)害的氮?dú)?N2)及中性的鹽類(lèi),見(jiàn)圖8。該方法吸附效率高,但現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)比較復(fù)雜,占地面積大。每8～10月效率下降10%左右,需要定期再生,對(duì)維護(hù)的要求較高,僅在日本Chuo-Kanjo-Shinjuku隧道有使用。

圖8 溶液吸附法原理

2.7 光催化法

利用紫外線照射隧道墻體的TiO2涂層進(jìn)行氣味分解,將NOx,SO2,CO,C6H6 等轉(zhuǎn)化為無(wú)害成分［13］。TiO2摻入建筑材料后反應(yīng)活性顯著降低,催化活性不能長(zhǎng)久,光催化空氣凈化的功效僅局限于建筑材料的表層,初始效率可以接受,但隨時(shí)間很快失效,NO2的凈化效率很快會(huì)降到20%以下。該方法目前僅有意大利羅馬的Umberto一條隧道使用,沒(méi)有再得到推廣,見(jiàn)圖9。

圖9 光催化法

2.1 ～2.3節(jié)中介紹的空氣凈化技術(shù)適用于顆粒物的凈化,2.4～2.7節(jié)則適用于有害氣體的去除,兩類(lèi)技術(shù)的設(shè)備須在隧道中合理布置,才能達(dá)到應(yīng)有的效果,如圖10所示即為典型的空氣凈化系統(tǒng)組合設(shè)備。一般污染空氣首先經(jīng)過(guò)粗過(guò)濾,阻攔廢紙、塑料瓶等隧道內(nèi)的雜物垃圾,繼而進(jìn)行顆粒物的凈化,風(fēng)速經(jīng)衰減器降低后,可進(jìn)行有害氣體(如NOx)的凈化,最后凈化空氣經(jīng)通風(fēng)系統(tǒng)排出,設(shè)備間中安置包括圖3污水循環(huán)處理裝置在內(nèi)的輔助設(shè)備。由于顆粒物會(huì)迅速破壞活性炭等凈化設(shè)備,該套系統(tǒng)中的凈化順序不可調(diào)動(dòng)。

圖10 組合空氣凈化設(shè)備

圖10所示的設(shè)備一般可以安放在隧道的側(cè)線、頂部來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部空氣的循環(huán),或者通過(guò)豎井將凈化后的空氣排出隧道。

3 我國(guó)城市地下快速道路引進(jìn)空氣凈化技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略

3.1 空氣凈化技術(shù)的選擇

國(guó)內(nèi)一些空氣凈化的新技術(shù)的研發(fā)已經(jīng)起步:重慶大學(xué)應(yīng)用脈沖電暈放電技術(shù),除能對(duì)一氧化碳(CO)進(jìn)行脫除外,對(duì)其它污染物質(zhì)如NOx、SO2等也能進(jìn)行有效脫除,使隧道內(nèi)空氣質(zhì)量達(dá)到環(huán)保要求。上海納米技術(shù)及應(yīng)用國(guó)家工程研究中心牽頭的多單位共同開(kāi)發(fā)了實(shí)現(xiàn)了集高效靜電除塵- CO常溫催化NOx和THC吸附凈化為一體的技術(shù),并建立了1萬(wàn)m3/h 風(fēng)量中試模擬平臺(tái)。這些技術(shù)目前都還停留在試驗(yàn)室階段,距離實(shí)際應(yīng)用還有不小差距。

面對(duì)國(guó)內(nèi)規(guī)劃設(shè)計(jì)中的多個(gè)地下快速路項(xiàng)目亟需配備空氣凈化系統(tǒng)的問(wèn)題,引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)是目前較為理想的選擇。國(guó)內(nèi)外隧道除塵和脫銷(xiāo)技術(shù)的必選見(jiàn)表1和表2,結(jié)合第2章的分析來(lái)看,靜電除塵是顆粒物凈化的首選,其應(yīng)用成熟、效率明顯高于其它方法。至于NOx等污染氣體的凈化,活性炭吸附在效率和設(shè)備安裝的方便程度上都強(qiáng)于土壤凈化法及溶液吸附法。最理想的方案即如圖10所示,通過(guò)風(fēng)機(jī)引導(dǎo)污染氣體首先經(jīng)過(guò)靜電除塵去除顆粒物,再經(jīng)由活性炭吸附區(qū)凈化氣體,最后再由風(fēng)機(jī)引導(dǎo)循環(huán)至隧道內(nèi)或排放,排放氣體可以達(dá)到我國(guó)大氣環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 發(fā)展戰(zhàn)略

再先進(jìn)的技術(shù)也是一步一步從無(wú)到有發(fā)展過(guò)來(lái),在日本和挪威,空氣凈化系統(tǒng)都經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展過(guò)程,我國(guó)項(xiàng)目實(shí)施時(shí),是將最新技術(shù)全盤(pán)引進(jìn)?還是先部分引進(jìn)解決目前空氣污染最為棘手的顆粒物問(wèn)題,通過(guò)務(wù)實(shí)研究實(shí)現(xiàn)空氣全面凈化的國(guó)有技術(shù)?這是必須仔細(xì)考量的。從實(shí)際需要來(lái)看,每條隧道需配置2～3套處理能力在300m3/s的風(fēng)機(jī)和凈化設(shè)備,根據(jù)歐洲和日本的經(jīng)驗(yàn),每套這樣的設(shè)備籌建費(fèi)用在三千萬(wàn)人民幣左右,而后續(xù)每年的運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用也要近三百萬(wàn)。如果將整套設(shè)備全部引進(jìn),初期投資高,適合條件允許的城市和地區(qū)采用。而如果先引進(jìn)靜電除塵的設(shè)備,就可以去處90%以上顆粒物,完全可以解決隧道內(nèi)的視距、清晰度問(wèn)題和人們關(guān)于PM2.5指標(biāo)的擔(dān)心。這樣初期投資可以減少50%而運(yùn)營(yíng)費(fèi)用更大幅減少80%。在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,解決問(wèn)題,并結(jié)合我國(guó)實(shí)際研發(fā)空氣全面凈化的技術(shù),未來(lái)實(shí)現(xiàn)大型設(shè)備、配件以及替換材料的國(guó)產(chǎn)化,推動(dòng)空氣凈化裝置在國(guó)內(nèi)的全面使用并降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用,也不失為可持續(xù)發(fā)展的可行方案。

表1 國(guó)內(nèi)外隧道除塵技術(shù)比選表

表2 國(guó)內(nèi)外隧道脫硝技術(shù)比選表

4 結(jié)論

上海已經(jīng)提出了未來(lái)五年的清潔空氣行動(dòng)計(jì)劃,目標(biāo)是將PM2.5年平均值降低20%,而城市地下快速道路正是緩解交通擁堵以及減少空氣污染物排放的理想交通形式。本文介紹了包括顆粒物在內(nèi)的城市地下道路主要空氣污染物及其通用的凈化、處理方法?？v觀各種空氣凈化技術(shù)和設(shè)備,采用靜電除塵去除地下通道內(nèi)的顆粒物以及活性炭吸附NOx等有害氣體的綜合治理方法不僅是國(guó)際主流,而且凈化效率較高。面對(duì)嚴(yán)峻的空氣環(huán)境污染問(wèn)題以及緊迫的形勢(shì),我國(guó)在自主研發(fā)空氣凈化技術(shù)的同時(shí),必須通過(guò)合理引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)技術(shù)來(lái)盡快改善城市的空氣質(zhì)量。在制定地下道路空氣凈化方案時(shí),可以根據(jù)地方的實(shí)際需要、主要矛盾、實(shí)施條件和運(yùn)營(yíng)能力來(lái)決定引進(jìn)技術(shù)的可能性并預(yù)留可持續(xù)發(fā)展的空間。

本論文得到上海市科技委員會(huì)科研計(jì)劃項(xiàng)目“中心城區(qū)地下快速路空氣凈化標(biāo)準(zhǔn)研究(12231201001)”資助。

［1］ 紀(jì)亮，袁盈，李剛，等.我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)的大氣污染物減排系效果研究［J］.環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)，2011 (3):237-242.

［2］ The treatment of air in road tunnels［Z］. Tunnels study centre of France.

［3］ Air Quality in and Around Traffic Tunnels［Z］. National health and medical research council of Australian government，2008.

［4］ Road tunnels: vehicle emissions and air demand for ventilation［Z］. World road association，2012.

［5］ The Air Quality Standards Regulations 2010［Z］. The Secretary of State，2010.

［6］ Zhang， Y.，Novick， D.，Hadavi， A.，etc.ife-Cycle Cost Analysis of Bridges and Tunnels［J］. Construction Research Congress，California，United States，2005:1-9.

［7］ 韓星，張旭.靜電除塵裝置在公路隧道通風(fēng)中的使用條件研究［J］.公路交通技術(shù)，2007(1):124-126.

［8］ Kyung H.Y.，Joon S. L.，Myung D.O.Charging and Collection of Submicron Particles in Two-Stage Parallel-Plate Electrostatic Precipitators［J］.Aerosol Science and Technology，27(3):308-323.

［9］ Managing air outside of tunnels，report for The Rijkswaterstaat Department of Road and Hydraulic Engineering［R］. The Netherlands，Arnold Dix-Counsel at Law，Adj. Professor of Engineering，2006.

［10］ 陳建孟，馬建鋒，王家德，等.生物濾床中一氧化氮的好氧去除過(guò)程研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25(11):1436-1442.

［11］ Tang Y.M.，John C.K.，Eric G.G.Agglomerated activated carbon air filter［Z］.United States Patent，NO. 5332426，1994.

［12］ 王士盛.土壤空氣凈化系統(tǒng)［J］.環(huán)境保護(hù)，2001(3):14-17.

［13］ 肖勁松，訾學(xué)紅，尹雪云，等.納TiO2涂料光催化清除空氣中主要污染物的研究［J］.暖通空調(diào)，2002，32(5):23-25.

TU834.8

A

1009-7716(2015)03-0175-05

2014-10-28

許海勇(1985-),男,上海人,博士,工程師,從事地下空間防災(zāi)救援方面的研究工作。