楊 茗

(重慶新天地環(huán)境檢測技術(shù)有限公司，重慶 401121)

近年來，隨著城市化發(fā)展，城市隧道工程不斷修建完善，但由于隧道是相對密閉空間，空氣流通不暢，氣體污染物不易于擴散[1]。隧道空氣污染物為行駛機動車排放的尾氣和揚塵，種類繁多，主要成份包括一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)、碳?xì)浠衔?HC)、氮氧化物(NOx)、臭氧(O3)、揮發(fā)性有機化合物(VOCs)、PM2.5、PM10、數(shù)量不一的重?zé)N和微量稀有氣體等[2]。

CO和SO2通過協(xié)同效應(yīng)，影響人體神經(jīng)細(xì)胞正常工作，導(dǎo)致頭暈和胸悶等不良反應(yīng)；HC和NOx會損害視覺，同時造成光化學(xué)煙霧；PM2.5和PM10是燃料燃燒不完全的產(chǎn)物，其內(nèi)含有大量粒徑小的黑色碳顆粒會降低隧道內(nèi)能見度，造成交通安全隱患[3]。

1 隧道空氣凈化系統(tǒng)處置技術(shù)現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外對于隧道空氣污染物處置通常是采用增加豎井的自然通風(fēng)以及安裝廢氣凈化設(shè)備的方式。自然通風(fēng)法是設(shè)置高空風(fēng)塔或地面風(fēng)塔從隧道外部引進(jìn)新鮮空氣，然后將污染空氣排出隧道外，但這種方式只能稀釋污染物濃度，無法從根本上去除污染[4]；廢氣凈化設(shè)備是通過測量及計算后根據(jù)實際情況在隧道內(nèi)設(shè)計安裝空氣處置設(shè)施去除隧道內(nèi)氣體污染物。

挪威奧斯陸Festning隧道為三車道，全長1800 m，采用豎井式空氣凈化系統(tǒng)安裝方式，從1989年開始施工到1990年建成，處理風(fēng)量為600 m3/s，是國內(nèi)外第一批安裝空氣凈化系統(tǒng)的隧道。

韓國Chinbu隧道為兩車道，全長2800 m，采用旁通式空氣凈化系統(tǒng)安裝方式，于1999年完工，處理風(fēng)量285 m3/s。該空氣凈化系統(tǒng)很好地保護(hù)了隧道一側(cè)的動植物保護(hù)園區(qū)免予來自另一側(cè)城市的空氣污染。

西班牙馬德里市M30隧道為兩車道，全長2000 m，位于城市內(nèi)環(huán)，采用豎井式空氣凈化系統(tǒng)安裝方式，2007年完工通車，風(fēng)量分別為694 m3/s和400 m3/s，為當(dāng)時國內(nèi)外最大的單體隧道空氣處理站。

國內(nèi)最常采用的是“豎(斜)井送排式+射流風(fēng)機+ESP”系統(tǒng)凈化隧道空氣。

香港中環(huán)及灣仔繞道是我國隧道空氣凈化系統(tǒng)的首次實踐運用，隧道空氣通風(fēng)凈化裝置采用半橫向系統(tǒng)，分布在東、西、中三個方向的通風(fēng)大樓內(nèi)，隧道配備了抽風(fēng)扇電動氣閘以及靜音器，另有感應(yīng)器從溫度、CO、NO2、風(fēng)速和能見度等多方位監(jiān)測空氣質(zhì)量水平[5]。凈化系統(tǒng)包括靜電除塵器和NO2過濾器兩部分，每小時處理空氣量達(dá)到540萬m3，電動氣閘將隧道內(nèi)風(fēng)扇帶動的廢氣帶入凈化裝置，處理后從通風(fēng)大樓的排氣口排出，由通風(fēng)大樓排放的顆粒物及NO2可被過濾掉80%以上[6]。為保證設(shè)施的正常運行，香港路政署隨時通過監(jiān)控設(shè)備了解活性炭使用情況，定期更換過濾器裝置，靜電除塵器配備有自動高壓噴水裝置，用來清洗集塵器，清洗廢水經(jīng)過污水處置設(shè)施處理合格后循環(huán)使用。

長沙南湖路湘江隧道穿過湘江底部和瀟湘大道，全長約2000 m，分為南面和北面兩條線，建設(shè)有7條匝道和主隧道相連。湘江隧道采用全射流縱向式空氣凈化方式，采取多匝道出口來有效分散排放隧道污染物，不僅可以減少工程和運營費用，而且不會因為安裝高排風(fēng)塔影響到城市景觀[7]。

四川省連接綿竹市河阿壩州茂縣的綿茂公路籃家?guī)r隧道，全長約8000 m，利用平導(dǎo)進(jìn)行半橫向式通風(fēng)，對橫通道設(shè)置進(jìn)行了調(diào)整，使隧道前后兩段回路更均勻，對風(fēng)機布置進(jìn)行了優(yōu)化，更加合理分配了風(fēng)量和風(fēng)壓。通過分析，選擇最有利通風(fēng)的位置，使運行過程中需風(fēng)量、風(fēng)壓差、風(fēng)機功率降到最低，達(dá)到節(jié)能降耗的目的[8]。

2 隧道空氣凈化技術(shù)

隧道空氣凈化系統(tǒng)主要分為污染物預(yù)處理、除塵器、風(fēng)機、設(shè)備清洗裝置、廢水處理設(shè)施和自動控制終端六個部分[9]。

預(yù)處理器采用機械過濾器，通常為網(wǎng)格式或迷宮式結(jié)構(gòu)，利用慣性原理從空氣中分離2 μm以上顆粒，處理效率到達(dá)98%以上。低速運轉(zhuǎn)的大型軸流風(fēng)機抽取隧道中的污染氣體，通過凈化單元處理后均勻地排放出去。設(shè)備自動清洗系統(tǒng)包括水箱、清洗劑罐、加熱罐、泵閥系統(tǒng)以及清洗過濾器的管路碰嘴系統(tǒng)，自動清洗后的水存放在污水槽內(nèi)供循環(huán)凈化使用。廢水處理裝置在遠(yuǎn)程監(jiān)控下完全自動運行，能沉淀雜質(zhì)分離回收受污染的水，并進(jìn)行有效殺菌消毒?？梢宰詣踊剡M(jìn)行廢水處理和循環(huán)利用。自動控制終端包括電源柜和主控制柜，根據(jù)不同隧道需求進(jìn)行定制。

國內(nèi)外對于隧道空氣凈化主要是以去除煙塵和NOx為目的，常用的處置方式為生物凈化器、布袋過濾器、活性炭過濾器和靜電除塵器。

2.1 生物凈化器

生物凈化系統(tǒng)是利用微生物處置降解的方式去除隧道空氣污染物CO、NOx和粉塵，主要由加濕器和微生物濾池組成。生物凈化器不使用有害及危險的化學(xué)藥劑，而是通過生物自身的新陳代謝，使環(huán)境中的污染物數(shù)量減少、濃度下降、有害成分轉(zhuǎn)化及分解。

生物凈化器凈化隧道空氣主要有三個階段。第一階段：水溶滲透，污染物從氣相轉(zhuǎn)移到液相和固體表面液膜；第二階段：生物吸收，液相或固體表面液膜的污染物被填料上附著的微生物吸附、吸收；第三階段：生物降解，進(jìn)入微生物細(xì)胞的污染物成分作為營養(yǎng)物質(zhì)被微生物分解、利用，從而被去除。

隧道廢氣開始經(jīng)過氣體加濕裝置去除大部分顆粒物質(zhì)，同時進(jìn)行溫度和濕度的調(diào)節(jié)，接著通過氣體分布器使通入的廢氣均勻地分布在濾床上，氣體污染物與濾床微生物發(fā)生酶催化生化反應(yīng)，分解轉(zhuǎn)化為無害的二氧化碳、水和無機鹽后排放回隧道中[10]。

生物凈化器有是效的生物反應(yīng)環(huán)境控制技術(shù)，處理方式簡單、對能源的需求少、運行成本較低、維修保養(yǎng)方便，過濾用的濾料源于自然界，處理過程中不排出有害物質(zhì)，最后的產(chǎn)物也是良性的，無二次污染，工程的實施安全可靠。因此生物凈化器較其它技術(shù)有更廣泛的影響力和適應(yīng)性。

但生物凈化器系統(tǒng)內(nèi)部微生物活性受環(huán)境影響較大，處理效果不穩(wěn)定，同時需要較長的氣體停留時間，容易造成填料堵塞，因此生物凈化器依舊處于研究階段，暫時未投入實際運用。

2.2 布袋過濾器

布袋過濾器是分離、碰撞、截留和擴散等幾種機制相互協(xié)作的結(jié)果，主要包括袋式濾芯、導(dǎo)流板、進(jìn)氣口和排氣口，廢氣流通過濾料層來達(dá)到分離氣體污染物的目的[11]。氣體通過過濾器下部進(jìn)入進(jìn)氣管后，通過導(dǎo)流板進(jìn)入灰斗，由于導(dǎo)流板的碰撞和氣體速度的降低，一些粗粒的灰塵落入灰斗中，粒徑大于濾布纖維孔隙的顆粒物被攔截下來，細(xì)小的顆粒粉塵繼續(xù)隨著氣體進(jìn)入濾袋室，因為濾袋是纖維制的，通過纖維及織物的慣性、靜電、擴散等作用，粉塵被阻流在濾袋內(nèi)，凈化后的氣體從排氣口出去。布袋過濾器中包括清灰裝置，濾袋上的灰塵采用氣體逆洗法以及噴吹脈沖氣流等方式將灰塵清除掉。

布袋過濾器具備防腐蝕、耐高溫、吸濕率低等特點，而且結(jié)構(gòu)新穎、體積小、操作簡便靈活、節(jié)能、高效、密閉工作、適用性強。在實際運用中操作簡單，使用時只需將所需要細(xì)度等級的濾袋安裝在濾筒內(nèi)，檢查O型密封圈是否完好，然后旋緊濾筒蓋環(huán)形螺栓，即可投入工作。

但由于隧道空氣污染物的特點是粒子濃度比較低、細(xì)顆粒物的粒徑分布比較廣，在實際運用中容易造成布袋過濾器的阻塞，而且傳統(tǒng)的袋式過濾器，在經(jīng)過長時間的使用后，清洗次數(shù)過多，使用的壽命也會減少，因此限制了布袋過濾器在隧道空氣凈化技術(shù)中的應(yīng)用。

2.3 活性炭過濾器

活性炭過濾器是一種干式隧道空氣處理設(shè)備，主要材質(zhì)為顆粒炭、纖維炭和粉炭三類?；钚蕴窟^濾器工作包括了三個階段：第一階段是外擴散，即隧道污染氣體擴散到活性炭外部；第二階段是內(nèi)擴散，即隧道污染氣體在活性炭微孔中擴散到內(nèi)部；第三階段是附著吸附，即隧道污染氣體在活性炭內(nèi)表面被附著，NO2去除率可達(dá)到80%～85%[12]。

活性炭過濾器安裝方便，占地面積?。晃絾卧谠O(shè)備箱體內(nèi)分層抽屜式安裝，能夠非常方便從兩側(cè)的檢查門取出，檢查門開啟方便、密封嚴(yán)密；適合處理常溫、大風(fēng)量、中、低濃度的隧道廢氣；裝置比表面積大(1000～1500 m2/g)，微孔結(jié)構(gòu)均勻的活性炭纖維為吸附材料，凈化效率高，吸附材料填充量少；產(chǎn)品吸附、脫附時間短、速度快，回收的溶劑品質(zhì)好；不產(chǎn)生二次污染，設(shè)備投資及運行費用低；吸附劑選用蜂窩狀或柱狀活性炭，具有使用壽命長、運行阻力低、凈化效率高的特點；設(shè)備運行穩(wěn)定，可靠，活動件少，檢修系統(tǒng)配備完善，操作維修方便；整個運行過程中實現(xiàn)全自動化PLC控制，同時具備手動、自動兩種操作方式，方便可靠；系統(tǒng)安全設(shè)施完善，配有阻火器，泄爆口，運行時出現(xiàn)的異常情況將報警并自動停機。

活性炭過濾器通常處理分子量大的氣體、沸點高的氣體或揮發(fā)性有機氣體，吸附容量受到設(shè)備組成材料、吸附氣體種類及濃度、氣體在過濾器滯留時間、環(huán)境溫度及適度的變化而影響，因此不適宜處理隧道空氣。

2.4 靜電除塵器

靜電除塵器是運用較為廣泛的隧道空氣凈化方式，是隧道空氣經(jīng)過高壓靜電場時粉塵等顆粒物被電分離，從而達(dá)到凈化氣體的目的[13]。靜電除塵器簡稱ESP，使用模塊化設(shè)計，可以滿足不同截面下的風(fēng)速和效率需求。ESP分為一段式和二段式，通常采用的是二段式ESP。

二段式ESP分為帶電部和集塵部兩個部分，分別由放電電極和高電壓平板電極與接地平板電極交替排列構(gòu)成[14]。隧道污染氣體首先通過濾網(wǎng)被攔截粒徑較大的顆粒；然后進(jìn)入電極板，通在過兩電極間加直流高壓電形成電場[15]，電暈放電產(chǎn)生電暈區(qū)和電暈外區(qū)，污染氣體分子被電離為正離子和負(fù)離子，少部分顆粒物與正離子結(jié)合進(jìn)入電暈區(qū)沉積于放電極上，大部分顆粒物與負(fù)離子結(jié)合進(jìn)入電暈外區(qū)，向陽極表面放電而沉積；當(dāng)集塵板達(dá)到一定負(fù)荷時，清洗裝置會自行啟動洗凈水泵，廢水泵將清洗廢水輸送至安裝好加壓過濾設(shè)施的污水池，加壓過濾設(shè)施將污水處理成達(dá)標(biāo)廢水和泥餅，廢水回用，泥餅外運處置[16]。

3 隧道空氣凈化系統(tǒng)安裝方式

國外隧道空氣凈化系統(tǒng)運用較為廣泛，按照安裝方式不同，主要分為吊頂式、旁通式和煙井式[17]。

3.1 吊頂式隧道空氣凈化系統(tǒng)

隧道上方空間結(jié)構(gòu)通常是半圓柱面形，受頂部截面影響，要達(dá)到較好的凈化效果，如果采用傳統(tǒng)長方體結(jié)構(gòu)凈化器的方式，需要沿著隧道的中軸線安裝多臺凈化設(shè)備，占用隧道空間較大且不利于設(shè)備維護(hù)和檢修。

吊頂式安裝是將隧道上部不規(guī)則結(jié)構(gòu)隔離成凈化室，射流風(fēng)機與凈化室接通，下面開設(shè)進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，安裝處理風(fēng)量足夠大的凈化設(shè)備，凈化設(shè)備的阻力較小，能夠利用隧道低壓力、大風(fēng)量的射流風(fēng)機，實現(xiàn)隧道內(nèi)良好的空氣凈化循環(huán)效果[18]。

吊頂式隧道空氣凈化系統(tǒng)的特點主要是：(1)不占用額外空間，降低施工費用；(2)利用隧道原有射流風(fēng)機風(fēng)量，提高效率的同時降低風(fēng)機能耗；(3)可根據(jù)實際要求在旁通隧道內(nèi)設(shè)置相應(yīng)數(shù)量凈化設(shè)備單元；(4)留有設(shè)備維護(hù)和檢修空間。

3.2 旁通式隧道空氣凈化系統(tǒng)

旁通式安裝是通過在隧道行車主干道旁建造月牙鐮刀形側(cè)線通道，將空氣凈化裝置安裝在隧道旁路中，在隧道側(cè)壁設(shè)置進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，軸流風(fēng)機裝置將污染空氣強制引入旁側(cè)空氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行凈化處理，然后回灌至隧道內(nèi)，在不影響隧道內(nèi)部空間的前提下提高空氣質(zhì)量、增加能見度[19]。

旁通式隧道空氣凈化系統(tǒng)的特點主要是：(1)氣體凈化后回流至隧道內(nèi)，對風(fēng)量的需求降低；(2)凈化設(shè)備與隧道同層，有足夠的空間便于安裝；(3)維護(hù)和檢修期間不影響隧道內(nèi)汽車正常通行；(4)不需要單獨設(shè)置豎井，減少了隧道建設(shè)中的施工量[20]。

3.3 煙井式隧道空氣凈化系統(tǒng)

煙井式隧道空氣凈化系統(tǒng)適用于長隧道，通常在長隧道中設(shè)計中，如果沒有安裝凈化系統(tǒng)，需要建設(shè)較高的排風(fēng)井，只有大于25 m/s以上的風(fēng)速，才能達(dá)到有效擴散氣體污染物的效果，但這種設(shè)計會大量增加風(fēng)機能源消耗。若采用煙井式隧道空氣凈化系統(tǒng)，經(jīng)計算，排風(fēng)口高度設(shè)置在距離地面1 m以上，風(fēng)速約為8 m/s就可達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

隧道氣體污染物質(zhì)量濃度會隨著縱向深入越來越高，在設(shè)計中，計算達(dá)到污染物設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的位置預(yù)留通風(fēng)豎井，將空氣凈化設(shè)備安裝在豎井的橫截面上，煙氣通過豎井向外排放的過程中經(jīng)凈化單元達(dá)標(biāo)處理，減小對周邊環(huán)境的污染[21]。

豎井式隧道空氣凈化系統(tǒng)的特點主要是：(1)避免煙氣凈化工程安裝對現(xiàn)有隧道空間的影響，根據(jù)排放要求的不同靈活配置；(2)相同排風(fēng)量下，可通過增加配置從而提高凈化效率；(3)對隧道內(nèi)設(shè)計格局影響較小，風(fēng)機能源消耗較低；(4)出風(fēng)口高度下降，從而減小凈化后空氣排放速度；(5)取消排風(fēng)井，降低工程造價，利于工程實施。

4 結(jié) 語

從經(jīng)驗來看，隧道空氣凈化系統(tǒng)處置技術(shù)在提高隧道空氣質(zhì)量的同時也會降低氣體污染物排放濃度及總量，對于隧道及周邊生態(tài)環(huán)境改善具有重大意義。我們可以學(xué)習(xí)國外日趨成熟的技術(shù)手段、先進(jìn)的管理方法和成功的案例，結(jié)合我國隧道空氣凈化系統(tǒng)處置技術(shù)的現(xiàn)狀，把隧道空氣凈化系統(tǒng)在國內(nèi)推廣開來。