城市地下快速道路空氣凈化技術的發展戰略研究

許海勇,范益群,倪 丹

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司,上海市 200092)

城市地下快速道路空氣凈化技術的發展戰略研究

許海勇,范益群,倪 丹

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司,上海市 200092)

城市地下道路中由機動車排放的污染氣體,無論是通過高風塔排放,還是經由隧道洞口通風排出,都會對周邊環境空氣質量造成負面影響。隨著國內相關規范的出臺和國民對大氣環境關注度日益提升,對城市地下道路中的空氣污染物進行凈化處理已經成為了大勢所趨。在綜述國外隧道污染空氣凈化技術發展歷史和應用現狀的基礎上,分析了我國新建地下快速道路引進空氣凈化技術的發展戰略。

地下快速道路;空氣凈化技術;發展戰略

0 引言

城市地下快速道路對緩解日益擁堵的公共交通起到了積極的作用,同時也減輕了機動車尾氣對城市大氣環境的污染。機動車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倍,地下快速道路不僅改善了交通阻滯、擁堵,半封閉的結構也使得其內部的污染空氣更容易被集中處理,兩相疊加的環境效益尤為顯著。反之,也正是由于地下道路均為半封閉結構,車輛行駛產生的污染物如果得不到及時的排放和處理,將嚴重影響隧道內駕乘人員的行車安全和身體健康。機動車污染物主要有一氧化碳(CO)、碳氫化物(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協同效應,容易導致駕駛員生理反應能力下降、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］。近年來各大城市的霧霾天氣也使得顆粒物成為了全民關心的空氣質量指標。

為了應對地下道路內空氣污染的問題,歐美許多國家逐步完善大氣環境質量標準的過程中,也對地下隧道內的空氣污染物濃度制定了標準,并逐步開發隧道通風和空氣凈化技術以達到標準的要求［2～5］。國內傳統的長大隧道必需每隔一定距離設置一定的高風塔,不但影響了景觀,其集中排出的機動車輛廢氣影響周邊環境的品質。規劃設計中的武漢東湖隧道和上海北橫地下通道,地處國內知名風景區或者是國際化大都市,無論出于市容、景觀考慮還是對于空氣環境質量的要求,都不適宜采用高風塔直接排放。因此,國內雖無地下道路采用空氣凈化系統的先例,但總體趨勢已經明確,開展相關技術的研究也是十分有必要的。

1 道路隧道空氣凈化技術的發展歷程

當隧道取消高風塔時,為滿足隧道內污染物在隧道峒口排放水平,須采用必要的空氣凈化技術以保障隧道內的空氣質量。世界上第一座采用機械通風解決環境污染問題的公路隧道是美國1927年建成的紐約霍蘭(Holland)隧道［6］。當時采用橫向通風設計以滿足美國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,英國在修建莫爾西隧道時,對減少管道斷面的方式做了研究,首次采用半橫向通風系統,取得了很好的效果［7］。1976年,日本在修建關越隧道時,首次將縱向通風應用于10 km以上的隧道,并對隧道通風編程模擬。

上世紀80年代之前,世界上大多數國家的隧道內空氣指標均以一氧化碳(CO)為主要控制對象和指標,凈化方式和設備也基本以加快空氣流通,盡可能將廢氣排出為目標。日本多條隧道在CO控制符合標準要求的情況下,能見度出現了大問題,不能滿足隧道內部可見距離的要求,于是著手研發凈化微小顆粒物的凈化方法。1979年日本出現了世界上第一條配備空氣凈化系統的隧道,隨后逐漸出現了介質過濾、靜電除塵、生物過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。截至2010年,日本、挪威等國家走在了該項技術的前沿,世界各地的配備空氣凈化系統的隧道也達到了60多條。

2 常用道路隧道空氣凈化技術

2.1 靜電除塵

凈化隧道內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備。從原理上分為氣體電離、顆粒物荷電、收塵及清灰等四個階段［8］。含顆粒物的氣體通過高壓電場時,氣體電離產生大量的自由電子和正離子,離子和電子會附著在顆粒物上,見圖1,在電場力的作用下,帶電的顆粒物向其極性相反的方向運動并附著在電極板上,最后通過清灰,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備。主要用于提高縱向通風系統的效能和控制隧道排風的環境污染。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。此外韓國也有Chinbu隧道等5條隧道應用實例。

靜電除塵裝置對可吸入顆粒物的凈化效率較高,歐洲公司的先進技術可以使PM10的凈化效率達到90%,PM2.5的凈化效率也可以達到85%以上。

污染物收集網上的顆粒物達到一定數量之后,可以通過水循環系統對其進行沖洗,見圖2,為此,除了配電間之外,還需要一間污水處理間,見圖3。

圖2 設備清洗

圖3 污水循環處理裝置

2.2 介質過濾器法

如圖4所示袋式過濾器早期在日本Tennozan隧道進行過試驗［9］,其材質為無紡布或玻纖,價格低廉,但阻力大,需要頻繁更換,且凈化效率低于靜電除塵。卷簾式過濾器最早出現在意大利Cesena隧道和西班牙Calle30隧道中,但因為有運動部件有較多維護需要。該項技術在幾個項目上采用后逐漸也被淘汰。

圖4 袋式過濾器和卷簾式過濾器

2.3 生物濾床法

生物濾床的原理見圖5,過濾材料常選用堆肥、土壤、泥炭以及活性炭等多孔、適宜微生物生長且保持水分能力較強的材料［10］。當污染氣體進入過濾池時,污染物從氣相主體擴散到介質外層的水膜而被介質吸收,同時氧氣也由氣相進入水膜,最終介質表面附著的微生物消耗氧氣而把污染物分解(轉化)為二氧化碳、水和無機鹽類。該方法凈化CO、NOx及粉塵的效率可以達到70%,但生化反應速度慢,無法應對隧道中大體積空氣流量的問題,同時濾料要在所需環境中保證長時間的有效暴露,這些都制約了其在隧道中的實際應用。

圖5 空氣凈化的生物過濾法

2.4 活性炭吸附技術

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NO沒有吸附作用,如果在污染氣體進入活性炭吸附區之前,加入臭氧使部分NO轉化為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的細孔,與氣體接觸的表面積極大,可吸附體積為自身數倍到數百倍的氣體。活性炭吸附的效率較高,現有活性炭吸附技術NO2的凈化效率可以達到80%,而綜合氮氧化物可以達到60%以上。系統安裝、使用也較為簡單,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廢,近年來活性炭再生技術已較為成熟,國內也有正規的活性炭生產、修復廠家,整體建設和運營成本已有可觀的降低,但仍非廉價產品。

圖6 活性碳吸附法

2.5 土壤凈化技術

日本在15年前開始采用土壤空氣凈化系統［12］。該系統是由栽培區、土壤層、通氣區(通氣層、風道)及引風機構成,見圖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。污染空氣由引風機經通氣區進入土壤層,其間注入臭氧使一氧化氮氧化成二氧化氮。然后,通過土壤,經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。該方法在上世紀末日本的大阪、吹田等地廣泛應用,但其對隧道周邊綠化面積的要求較高,隧道結構改造的難度也較大,凈化效率低于活性炭吸附法。

圖7 土壤凈化系統

2.6 溶液吸附法

采用KOH等鹽溶液吸收NO2并產生化學反應,吸附后的溶液可以現場再生,最終產生無害的氮氣(N2)及中性的鹽類,見圖8。該方法吸附效率高,但現場的系統比較復雜,占地面積大。每8～10月效率下降10%左右,需要定期再生,對維護的要求較高,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涂層進行氣味分解,將NOx,SO2,CO,C6H6 等轉化為無害成分［13］。TiO2摻入建筑材料后反應活性顯著降低,催化活性不能長久,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,但隨時間很快失效,NO2的凈化效率很快會降到20%以下。該方法目前僅有意大利羅馬的Umberto一條隧道使用,沒有再得到推廣,見圖9。

圖9 光催化法

2.1 ～2.3節中介紹的空氣凈化技術適用于顆粒物的凈化,2.4～2.7節則適用于有害氣體的去除,兩類技術的設備須在隧道中合理布置,才能達到應有的效果,如圖10所示即為典型的空氣凈化系統組合設備。一般污染空氣首先經過粗過濾,阻攔廢紙、塑料瓶等隧道內的雜物垃圾,繼而進行顆粒物的凈化,風速經衰減器降低后,可進行有害氣體(如NOx)的凈化,最后凈化空氣經通風系統排出,設備間中安置包括圖3污水循環處理裝置在內的輔助設備。由于顆粒物會迅速破壞活性炭等凈化設備,該套系統中的凈化順序不可調動。

圖10 組合空氣凈化設備

圖10所示的設備一般可以安放在隧道的側線、頂部來實現內部空氣的循環,或者通過豎井將凈化后的空氣排出隧道。

3 我國城市地下快速道路引進空氣凈化技術的發展戰略

3.1 空氣凈化技術的選擇

國內一些空氣凈化的新技術的研發已經起步:重慶大學應用脈沖電暈放電技術,除能對一氧化碳(CO)進行脫除外,對其它污染物質如NOx、SO2等也能進行有效脫除,使隧道內空氣質量達到環保要求。上海納米技術及應用國家工程研究中心牽頭的多單位共同開發了實現了集高效靜電除塵- CO常溫催化NOx和THC吸附凈化為一體的技術,并建立了1萬m3/h 風量中試模擬平臺。這些技術目前都還停留在試驗室階段,距離實際應用還有不小差距。

面對國內規劃設計中的多個地下快速路項目亟需配備空氣凈化系統的問題,引進國外先進技術是目前較為理想的選擇。國內外隧道除塵和脫銷技術的必選見表1和表2,結合第2章的分析來看,靜電除塵是顆粒物凈化的首選,其應用成熟、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備安裝的方便程度上都強于土壤凈化法及溶液吸附法。最理想的方案即如圖10所示,通過風機引導污染氣體首先經過靜電除塵去除顆粒物,再經由活性炭吸附區凈化氣體,最后再由風機引導循環至隧道內或排放,排放氣體可以達到我國大氣環境標準。

3.2 發展戰略

再先進的技術也是一步一步從無到有發展過來,在日本和挪威,空氣凈化系統都經歷了數十年的發展過程,我國項目實施時,是將最新技術全盤引進?還是先部分引進解決目前空氣污染最為棘手的顆粒物問題,通過務實研究實現空氣全面凈化的國有技術?這是必須仔細考量的。從實際需要來看,每條隧道需配置2～3套處理能力在300m3/s的風機和凈化設備,根據歐洲和日本的經驗,每套這樣的設備籌建費用在三千萬人民幣左右,而后續每年的運營維護費用也要近三百萬。如果將整套設備全部引進,初期投資高,適合條件允許的城市和地區采用。而如果先引進靜電除塵的設備,就可以去處90%以上顆粒物,完全可以解決隧道內的視距、清晰度問題和人們關于PM2.5指標的擔心。這樣初期投資可以減少50%而運營費用更大幅減少80%。在實際運營中發現問題,解決問題,并結合我國實際研發空氣全面凈化的技術,未來實現大型設備、配件以及替換材料的國產化,推動空氣凈化裝置在國內的全面使用并降低運營維護費用,也不失為可持續發展的可行方案。

表1 國內外隧道除塵技術比選表

表2 國內外隧道脫硝技術比選表

4 結論

上海已經提出了未來五年的清潔空氣行動計劃,目標是將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。縱觀各種空氣凈化技術和設備,采用靜電除塵去除地下通道內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際主流,而且凈化效率較高。面對嚴峻的空氣環境污染問題以及緊迫的形勢,我國在自主研發空氣凈化技術的同時,必須通過合理引進國際先進技術來盡快改善城市的空氣質量。在制定地下道路空氣凈化方案時,可以根據地方的實際需要、主要矛盾、實施條件和運營能力來決定引進技術的可能性并預留可持續發展的空間。

本論文得到上海市科技委員會科研計劃項目“中心城區地下快速路空氣凈化標準研究(12231201001)”資助。

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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,從事地下空間防災救援方面的研究工作。