城市地下道路污染物排放控制標準研究

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)

城市地下道路污染物排放控制標準研究

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,還是經由道路隧道排放口通風排出,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人們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了大勢所趨。現著重論述道路隧道排放口污染物排放標準提出的意義、制定方法和指標,以及其對地下道路空氣凈化技術的指導作用等方面內容,以供同行探討。

地下快速道路;空氣凈化技術;隧道排放污染物排放標準

0　引言

城市地下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「1],兩相疊加的環境效益尤為顯著。

然而,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,危害到駕乘人員的健康和交通的安全「2]。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,歐美許多國家在逐步完善大氣環境質量標準的同時,也對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。中國對公路隧道環境污染物濃度設計限值的研究工作起步較晚,較早規定公路隧道內的污染物濃度設計限值較低。按照該標準設計,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。如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,開展空氣凈化相關技術的研究也是十分有必要的。隧道空氣凈化系統所涉及的研究內容主要包括空氣污染物濃度的控制標準,隧道空氣凈化技術、隧道空氣凈化系統的運營及維護等,本文將重點討論中心城區地下道路污染物排放控制標準問題。

1　城市地下道路污染物控制標準現狀及存在問題

1.1道路隧道內污染物控制標準

道路隧道內污染物濃度設計限值,是隧道工程設計中的一個重要依據。特長公路隧道設計中采用的污染物濃度設計限值的大小,不僅影響隧道環保或通風設施的投資規模,而且影響到隧道建成后這些環保設施的營運費用「3]。

世界上第一座采用機械通風隧道是紐約霍蘭(Holland)隧道,采用的CO濃度限值為400 ppm (500 mg/ m3)。20世紀60年代初期,考慮到柴油發動機貨車和大客車尾氣排放對隧道內能見度的影響,美國將CO濃度設計限值定在200～250 ppm (250～312.5mg/ m3)之間。1975年,美國環境保護局(EPA)對公路項目進行環境影響回顧和研究后,頒布了一個環境標準補充文件(導則):對于低海拔公路隧道,如果暴露時間不超過1 h,采用125 ppm 156.25 mg/ m3)CO濃度限值,之后該值被廣泛用作低海拔高度(低于1 500 m)公路隧道設計標準值,同時也被美國聯邦公路局(FHWA)所采用。到989年,在隧道設計中開始考慮人在隧道污染環境中暴露時間長短的問題,美國聯邦公路局和美國環境保護局聯合頒布一個根據暴露時間對應的CO濃度限值的修訂導則,同時廢止了1975年的導則。在該新修訂導則中,對于暴露時間為15 min時,最大CO濃度允許值為120 ppm,對于暴露時間大于15 min時,提出了更嚴格的限值標準,如0 min為65 ppm(81.25 mg/ m3)。

世界道路協會(PIARC)推薦的公路隧道內污染物濃度限值也經歷了不斷嚴格的過程。1971年IARC推薦隧道在正常營運狀態下,CO允許濃度為50(187.5 mg/ m3)ppm,而到1991年,當暴露時間為15 min時,CO允許濃度為125 ppm(156.25 mg/ m3),而最新規范根據交通情況來區分,正常交通時5 ppm(93.75 mg/ m3),交通阻滯時215 ppm 268.75 mg/ m3)「4]。

1985年,交通部頒布的《公路養護技術規范》JTJ 073285)規定公路隧道內的CO濃度標準為00 ppm(125 mg/ m3)。那時的CO設計限值已與發達國家標準接近。1990年,中國行業標準《公路隧道設計規范》(JTJ 026290)規定:在公路隧道正常營運時,CO濃度限值為150 ppm(187.5 mg/ m3);而發生事故時,短時間(15 min)內CO濃度標準為50 ppm(312.5 mg/ m3)。1999年交通部頒布的《公路隧道通風照明設計規范》(JTJ026.1-1999) 對公路隧道內CO設計濃度作出了規定:采用橫向或半橫向通風時,CO設計濃度為250ppm(312.5mg/ m3)長度≤1 000 m)和200 ppm(長度≥3 000 m),采用縱向通風時的CO設計濃度為300 ppm(375 mg/ m3)長度≤1 000 m)和250 ppm(長度≥3 000 m),當發生交通阻滯時,濃度可達300 ppm(375 mg/ m3)。014年《公路隧道照明設計細則(替代JTJ 026.1-999)》(JTG/T D70/2-01-2014)規定:CO設計濃度為150 ppm(187.5 mg/ m3)(長度≤1 000 m)和100 ppm長度≥3 000 m),當發生交通阻滯時,濃度可達50 ppm(187.5 mg/ m3),同時經歷時間不超過20 min。

1.2環境空氣質量的標準

目前,在國際上,加拿大大氣環境標準中1 h CO和NOx的濃度最高分別為13 ppm(16.25 mg/m3)和 240 μg/m3,隧道內標準 CO為 1 h最高1 ppm(38.75 mg/m3),是大氣標準的2.4倍。英國大氣環境標準中1 d CO和1 h NOx的濃度最高分別為10 mg/m3和240μg/m3,隧道內標準CO為1 d最高42 mg/m3,是大氣標準的4.2倍。澳大利亞大氣環境標準中1 d CO和1 h NOx的濃度最高分別為10 mg/ m3和240μg/m3,隧道內標準CO為每2 h最高30 mg/m3,是大氣標準的3倍。亞洲地區,日本大氣環境標準中1 h CO和1 d NOx的濃度最高分別為23 mg/m3和113 μg/m3;韓國大氣環境標準中1 h CO和NOx的濃度最高分別為28 mg/m3和188 μg/m3。此外歐盟、世界衛生組織等也有各自的標準。

道路隧道污染物向大氣中排放將影響隧道周邊的大氣環境,我國2012年制定了新的《環境空氣質量標準》(DB3095-2012),規定了NOx、SO2、O3、CO、PM10、PM2.5等污染物的最新環境濃度標準,其中1級標準對1 h CO、NOx、SO2的要求分別為10 mg/m3、200 μg/m3和 150 μg/m3,對于顆粒物 PM2.5和PM10的控制要求為 1 d 平均不超過35 μg/m3和50 μg/m3。

1.3存在問題

根據前述分析,我國隧道內的污染物濃度控制標準較發達國家明顯寬松(2014年版趨于嚴格)「3],隧道內的污染物直排會影響大氣環境,而高空排放則要設置高風塔破壞景觀環境,這也導致了隧道附近居民和企事業單位的不滿,這方面所產生的社會糾紛問題不勝枚舉。此外,隨著城市人口和機動車保有量的急劇增加,尾氣排放對大氣污染的影響越來越受到人們的重視。根據上海市環保局2015年1月發布的統計資料,上海市城區大氣污染物中,外來污染源占30%,在當地污染源中29.3%為機動車等尾氣排放造成,也即總量的21%左右是由當地機動車等尾氣排放造成的。如果單從數字比例還不足夠說明問題,近年來北京、上海等大城市頻發的霧霾天氣讓每一個普通市民都明顯感覺到了空氣污染的嚴重性,而霧霾正是由于汽車尾氣中的可吸入顆粒物所造成的。

在這種緊迫的形勢下,除了考慮城市道路隧道對路面交通的分流、加速、疏通已經可以起到一定的減排作用之外,進一步將考慮通過在隧道內設置空氣凈化設備,將隧道內空氣凈化后排放到大氣中,對改善城市空氣環境質量的貢獻將是十分巨大的。換一個角度,就我國大型城市的現狀來看,隧道中的污染空氣經凈化系統處理后再經由排風口排出,其質量極有可能還高于排風口周邊的原有大氣質量,對促進社會和諧同樣頗有益處。由此可見,城市道路隧道實施空氣凈化系統從長遠來看,是勢在必行的。

2　城市地下道路污染物排放口控制標準的提出

2.1提出源由

隧道排放口的污染物排放控制一般依照《環境空氣質量標準》(GB3095-2012)規定的環境濃度標準為落地濃度,而實際中隧道污染物一定高度排放后經過了在大氣中的擴散行為、大氣化學反應過程才擴散到地面,此外,污染物落地最大濃度,以及最大濃度的落地點位置與排風量、排放速率、環境風速有直接關系。因此,為了合理處理隧道污染物凈化和排放的問題,對地下道路污染物(尤其是CO)排放的控制要求,需要將其在大氣中的擴散行為、大氣化學反應過程與《道路隧道空氣污染物凈化設備凈化效率的評價方法》和最新的國家《環境空氣質量標準》結合起來進行分析確定。

2.2城市地下道路污染物排放口控制標準的制定

2.2.1城市地下道路排放口不同污染物擴散規律研究

通過對地下道路隧道排放口考慮大氣化學行為的CO、NOx、PM2.5等污染物擴散規律研究所進行的分析、模擬、計算,對地下道路的廢氣排放,確定排放口與敏感點之間的距離、排放口的高度是決定地下道路排放口允許排放量的主要因素。

2.2.1.1CO

對上海城市中心某越江隧道進行分析,在選擇合適的參數值的情況下,模擬不同環境風速下的CO的擴散情況,可以發現CO最大落地濃度均低于0.850 mg/m3,能達到空氣質量二級標準且相對較小,同時在這種情況下根據CO在不同的最大落地濃度值以及一定范圍(等效面積為直徑為30～50 m的圓)內超標的情況下,來反推隧道內的最大排放量。從而計算得到的隧道內CO的濃度遠超過了隧道內的限值,因而,可以認為在這種條件下,隧道內CO最大濃度符合標準時,通過風塔排放到地面的CO 落地濃度也是符合環境空氣質量標準的。

2.2.1.2PM2.5

類似的,PM2.5的最大落地濃度僅為2 μg/m3左右,幾乎對周圍環境沒有影響。反推隧道內的最大PM2.5排放量,計算得到的隧道內PM2.5的濃度也很大,若隧道內PM2.5最大濃度符合標準的話,那么通過風塔排放到地面的PM2.5落地濃度也不會很大。

2.2.1.3NOX

對于氮氧化物來說,由于存在大氣化學反應,考慮經風塔排放出來的NOX會與周圍空氣進行反應,因而在模擬時要把背景濃度值計算進去,且認為隧道內NO2占NOX比重在10%～30%之間。在一定的污染源、環境背景以及氣象條件下,得知NOX的最大落地濃度符合環境空氣質量標準或存在一定范圍內的超標時,隧道內的最大排放率在4～4.6 g/s,濃度約為20 ppm(42.86 mg/m3),而此時隧道外NO2和 NO的最大落地濃度在 0.120 mg/m3和0.130 mg/m3左右。可見在NOX接近或超過限值時, NO2是符合標準的,雖然在環境空氣質量標準中沒有NO的規定值,但也可以認為此時的NO濃度也是過高的。

2.2.1.4討論

從CO和顆粒物的落地濃度來看,采用低風塔的高度時,也是符合標準的。但是,兩者的區別在于周圍環境產生的PM2.5濃度相對較大(在監測的24日16:00～25日13:00的均值就為80 μg/m3,高峰值則達到了150 μg/m3),尤其是在冬春季節,日均值時常超度二級標準限值,而在正常情況下通過隧道風塔排放的PM2.5對周圍環境的影響較小,所以對于這一區域PM2.5濃度要符合標準的話,不僅僅是考慮隧道內排放的對外的影響,更要考慮到周圍環境的產生量。

當降低風塔的高度時,NOX在隧道內的最大排放量約為1.5 g/s,隧道內的濃度在8 ppm(17.14 mg/m3)左右,經過模擬計算該情況下隧道內NO的濃度也在8 ppm(16.25 mg/m3)左右。這一濃度限值顯然已遠超隧道內的標準。

2.2.2城市地下道路污染物排放口控制標準的制定

通過以上計算分析得出不同排放口高度和不同敏感點與排放口的距離下的隧道排放口空氣污染物值。在實際應用中,對上述數值需要乘以一定的系數。選擇系數所要考慮的因素為:(1)減少排放口的排污數量,控制排污總量;(2)敏感點位于近距離時的排放口可排量可適當加大,敏感點位于遠距離時的排放口可排污量可適當減小。據此,得出隧道排放口空氣污染物控制值如下「3]:

(1)當敏感點與排放口的距離為20 m時,不同高度的排放口允許的排放量見表1所列。

(2)當敏感點與排放口的距離為50 m時,不同高度的排放口允許的排放量見表2所列。

(3)當敏感點與排放口的距離為80 m時,不同高度的排放口允許的排放量見表3所列。

表1　當敏感點與排放口的距離為20 m時,不同高度的排放口允許排放量一覽表

表2　當敏感點與排放口的距離為50 m時,不同高度的排放口允許排放量一覽表

表3　當敏感點與排放口的距離為80 m時,不同高度的排放口允許排放量一覽表

在表1～表3中,敏感點與排放口的距離為20 m即表示允許在排放口周圍20 m范圍內的空氣質量超標;排風口等效面積4 m×4 m、排風量為100 m3/s、排風口氣體溫度為25oC,環境風速為1 m/s。

上述結果來源于建設的上海市北橫通道工程的研究成果,要強調的是這里“25及以上”是將25 m以上排放口統一用25 m的排放口標準控制,主要是為了限制城市中心區高風塔的設置以及為了限制污染物的排放總量和排放口污染物的影響范圍,這對相類似的工程有借鑒意義。對于尚在方案設計階段的工程來說,可以指導進行廢氣排放方式的選擇;而當工程進入到設計階段時,由于各工程的差異性,必須進行有效的模擬方可對廢氣的擴散分布有較深入的了解,所以設計階段的環境評價是必須的。

3　標準對地下道路空氣凈化技術的指導

3.1空氣凈化效率設計

道路隧道內污染空氣處理到何種程度才可以直接排放,決定于排放口的控制標準,因此排放口的標準與道路隧道空氣凈化效率有一直接的關系。

采用道路隧道空氣凈化系統所涉及的因素包括隧道排風量、空氣凈化裝置的效率和隧道排放口的污染物排放標準。它們構成了一個隧道排放口的污染物排放的動態平衡系統。在這個系統中,隧道內污染物濃度控制指標決定了隧道內的排風量;隧道外敏感點與洞口的距離、環境空氣質量標準(即污染物最大落地濃度)決定了隧道口排放標準;隧道內污染物濃度與隧道口排放控制標準的差值決定了所需空氣凈化設備的效率。由此可見,隧道排風量、空氣凈化裝置的效率和隧道排放口的污染物排放標準之間存在一個函數關系,隧道空氣凈化優化設計即要確定了隧道排放口的污染物排放標準,隧道排風量和空氣凈化效率所構成三維坐標系中的最優點,見圖1所示,而空氣凈化效率則決定了道路隧道空氣凈化裝置的選型。

圖1　道路隧道排放口排風量、空氣凈化裝置的效率和隧道洞口的污染物排放標準關系示意圖

3.2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,如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「5]。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巫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。

目前國際上應用比較成熟的空氣凈化技術以靜電除塵+吸收(或吸附)技術為主。一般而言,靜電除塵可以去除90%以上的顆粒物,對PM2.5的去除率也在80%左右。顆粒物的去除提高了能見度,為地下道路安全行車提供了良好的視距。吸收(或吸附)技術對地下道路內的NOx和有機揮發物等有一定的效果,尤其對NO2的效果可達80%左右。

地下道路采用靜電除塵+吸收(或吸附)的空氣凈化技術后,可有效地減少地下道路汽車排放對周邊環境的影響,降低周邊居民對地下道路建設的敏感度。

國際上將空氣凈化設施應用在工程的事例不少,但效果卻并不完全相同。例如在挪威的萊達爾隧道,靜電除塵的效率可達90%以上,而西班牙M30 隧道采用的靜電除塵效率在70%～80%不等。究其原因,主要是工程初期的籌劃及方案的落地等問題。萊達爾隧道在設計過程中很好地貫徹了方案階段的思路,氣流很順暢地經過空氣凈化裝置得以凈化;而M30在工程實施過程中碰到了一些比較復雜的問題,為了工程的可實施性犧牲了一部分的凈化效率。而澳大利亞M5隧道的NO2去除率在初期達到了80%以上,后期降到55%左右,經過設備的維護改造,又將效率提高到80%以上。究其原因,主要是隨著設備運行時間的延長,設備在結構設計上的一些問題得以暴露,一些結構設計的瑕疵導致污染空氣從旁通道未經凈化而流出。

4　工程應用示范

某地下道路工程,暗埋段長2.0 km,高峰小時車流量3 600 pcu/h,大型車比例13.1%。全線雙孔4車道,排風口面積約16 m2。

根據初步模擬計算,地下道路總排放量見表4所列。

表4　某地下道路總排放量一覽表

根據上文提出的排放口污染物控制指標,排放口高度以3m計,敏感點與排放口距離不同,污染物的排放標準也不相同(見表5)。

表5　敏感點與排放口距離不同的排放標準一覽表

由表4、表5兩表可以很明顯地看出,CO排放遠遠低于排放口標準,顆粒物在不考慮本底濃度的情況下,排放的量也是達標的,但NOx的排放量顯然已遠遠超出了排放標準,因此,NOx的凈化是風塔高度降低的必要條件;為保證NOx的凈化,需對空氣中的顆粒物先行凈化,由此又可降低顆粒物的排放,凈化排放口的空氣。

空氣凈化裝置的選擇包括對凈化效率的選擇,可以根據敏感點與排放口的距離,提出對凈化效率的要求:當排放口高度為3 m時,如敏感據距排放口80 m,則NOx的凈化效率需大于73%;如敏感據距排放口20 m,則NOx的凈化效率需大于87%,當凈化效率達不到要求時,必須增加風塔高度。

根據工程的實際情況,選擇NOx凈化效率為85%的凈化裝置,其顆粒物的凈化效率為90%。由此,該凈化裝置一年可凈化NOx總量為31.45 t,可凈化顆粒物總量為1.51 t(以該凈化裝置全年運行,每天高峰運行4 h計)。

5　小結

通過本文對道路隧道排放口污染物排放標準、標準對地下道路空氣凈化技術的指導及工程應用的討論,可得到下列結論:

第一、道路隧道排放口污染物排放標準是聯系隧道內污染物排放控制標準和大氣環境質量控制標準的中間控制標準,有助于合理處理隧道污染物凈化和排放的問題;

第二、道路隧道排放口污染物排放標準制定,有助于將道路隧道排放口污染物排放標準在大氣中的擴散行為、大氣化學反應過程與《道路隧道空氣污染物凈化設備凈化效率的評價方法》和最新的國家《環境空氣質量標準》結合考慮,合理處理隧道污染物凈化和排放的問題;

第三、道路隧道排放口污染物排放標準的建立有助于指導隧道空氣凈化設計和隧道空氣凈化設備的選型。

「1] 錢七虎.建設特大城市地下快速路和地下物流系統——解決中國特大城市交通問題的新思路「J].科技導報,2004,(4).

「2] 紀亮，袁盈，李剛，等. 我國機動車排放標準的大氣污染物減排系效果研究「J]. 環境工程技術學報， 2011， 1(3): 237-242.

「3] 上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司.中心城區地下快速路空氣凈化標準研究「R].2014.

「4] 世界道路協會.Road tunnels: vehicle emissions and air demand for ventilation「R]. PIARC Technical Committee on Road Tunnels Operation(c4)， 2012.

「5] 上海市浦江橋隧營運管理有限公司,等.隧道排風脫硝技術工程試驗研究報告「R].2006.

TU921、X-651

B

1009-7716(2015)12-0194-05

2015-08-05

范益群(1969-)，男,江蘇揚州人,博士研究生,教授級高級工程師,從事隧道與地下工程設計與研究工作。