城市地下道路污染物排放控制標(biāo)準(zhǔn)研究

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)

城市地下道路污染物排放控制標(biāo)準(zhǔn)研究

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)由道路隧道排放口通風(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)和人們對(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)成了大勢(shì)所趨?，F(xiàn)著重論述道路隧道排放口污染物排放標(biāo)準(zhǔn)提出的意義、制定方法和指標(biāo),以及其對(duì)地下道路空氣凈化技術(shù)的指導(dǎo)作用等方面內(nèi)容,以供同行探討。

地下快速道路;空氣凈化技術(shù);隧道排放污染物排放標(biāo)準(zhǔn)

0　引言

城市地下道路對(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「1],兩相疊加的環(huán)境效益尤為顯著。

然而,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,危害到駕乘人員的健康和交通的安全「2]。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)家在逐步完善大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí),也對(duì)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。中國(guó)對(duì)公路隧道環(huán)境污染物濃度設(shè)計(jì)限值的研究工作起步較晚,較早規(guī)定公路隧道內(nèi)的污染物濃度設(shè)計(jì)限值較低。按照該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),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)。如規(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)展空氣凈化相關(guān)技術(shù)的研究也是十分有必要的。隧道空氣凈化系統(tǒng)所涉及的研究?jī)?nèi)容主要包括空氣污染物濃度的控制標(biāo)準(zhǔn),隧道空氣凈化技術(shù)、隧道空氣凈化系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)及維護(hù)等,本文將重點(diǎn)討論中心城區(qū)地下道路污染物排放控制標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題。

1　城市地下道路污染物控制標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

1.1道路隧道內(nèi)污染物控制標(biāo)準(zhǔn)

道路隧道內(nèi)污染物濃度設(shè)計(jì)限值,是隧道工程設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要依據(jù)。特長(zhǎng)公路隧道設(shè)計(jì)中采用的污染物濃度設(shè)計(jì)限值的大小,不僅影響隧道環(huán)?；蛲L(fēng)設(shè)施的投資規(guī)模,而且影響到隧道建成后這些環(huán)保設(shè)施的營(yíng)運(yùn)費(fèi)用「3]。

世界上第一座采用機(jī)械通風(fēng)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(jì)60年代初期,考慮到柴油發(fā)動(dòng)機(jī)貨車(chē)和大客車(chē)尾氣排放對(duì)隧道內(nèi)能見(jiàn)度的影響,美國(guó)將CO濃度設(shè)計(jì)限值定在200～250 ppm (250～312.5mg/ m3)之間。1975年,美國(guó)環(huán)境保護(hù)局(EPA)對(duì)公路項(xiàng)目進(jìn)行環(huán)境影響回顧和研究后,頒布了一個(gè)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充文件(導(dǎo)則):對(duì)于低海拔公路隧道,如果暴露時(shí)間不超過(guò)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值,同時(shí)也被美國(guó)聯(lián)邦公路局(FHWA)所采用。到989年,在隧道設(shè)計(jì)中開(kāi)始考慮人在隧道污染環(huán)境中暴露時(shí)間長(zhǎng)短的問(wèn)題,美國(guó)聯(lián)邦公路局和美國(guó)環(huán)境保護(hù)局聯(lián)合頒布一個(gè)根據(jù)暴露時(shí)間對(duì)應(yīng)的CO濃度限值的修訂導(dǎo)則,同時(shí)廢止了1975年的導(dǎo)則。在該新修訂導(dǎo)則中,對(duì)于暴露時(shí)間為15 min時(shí),最大CO濃度允許值為120 ppm,對(duì)于暴露時(shí)間大于15 min時(shí),提出了更嚴(yán)格的限值標(biāo)準(zhǔn),如0 min為65 ppm(81.25 mg/ m3)。

世界道路協(xié)會(huì)(PIARC)推薦的公路隧道內(nèi)污染物濃度限值也經(jīng)歷了不斷嚴(yán)格的過(guò)程。1971年IARC推薦隧道在正常營(yíng)運(yùn)狀態(tài)下,CO允許濃度為50(187.5 mg/ m3)ppm,而到1991年,當(dāng)暴露時(shí)間為15 min時(shí),CO允許濃度為125 ppm(156.25 mg/ m3),而最新規(guī)范根據(jù)交通情況來(lái)區(qū)分,正常交通時(shí)5 ppm(93.75 mg/ m3),交通阻滯時(shí)215 ppm 268.75 mg/ m3)「4]。

1985年,交通部頒布的《公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》JTJ 073285)規(guī)定公路隧道內(nèi)的CO濃度標(biāo)準(zhǔn)為00 ppm(125 mg/ m3)。那時(shí)的CO設(shè)計(jì)限值已與發(fā)達(dá)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)接近。1990年,中國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 026290)規(guī)定:在公路隧道正常營(yíng)運(yùn)時(shí),CO濃度限值為150 ppm(187.5 mg/ m3);而發(fā)生事故時(shí),短時(shí)間(15 min)內(nèi)CO濃度標(biāo)準(zhǔn)為50 ppm(312.5 mg/ m3)。1999年交通部頒布的《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ026.1-1999) 對(duì)公路隧道內(nèi)CO設(shè)計(jì)濃度作出了規(guī)定:采用橫向或半橫向通風(fēng)時(shí),CO設(shè)計(jì)濃度為250ppm(312.5mg/ m3)長(zhǎng)度≤1 000 m)和200 ppm(長(zhǎng)度≥3 000 m),采用縱向通風(fēng)時(shí)的CO設(shè)計(jì)濃度為300 ppm(375 mg/ m3)長(zhǎng)度≤1 000 m)和250 ppm(長(zhǎng)度≥3 000 m),當(dāng)發(fā)生交通阻滯時(shí),濃度可達(dá)300 ppm(375 mg/ m3)。014年《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則(替代JTJ 026.1-999)》(JTG/T D70/2-01-2014)規(guī)定:CO設(shè)計(jì)濃度為150 ppm(187.5 mg/ m3)(長(zhǎng)度≤1 000 m)和100 ppm長(zhǎng)度≥3 000 m),當(dāng)發(fā)生交通阻滯時(shí),濃度可達(dá)50 ppm(187.5 mg/ m3),同時(shí)經(jīng)歷時(shí)間不超過(guò)20 min。

1.2環(huán)境空氣質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)

目前,在國(guó)際上,加拿大大氣環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)標(biāo)準(zhǔn) CO為 1 h最高1 ppm(38.75 mg/m3),是大氣標(biāo)準(zhǔn)的2.4倍。英國(guó)大氣環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)標(biāo)準(zhǔn)CO為1 d最高42 mg/m3,是大氣標(biāo)準(zhǔn)的4.2倍。澳大利亞大氣環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)標(biāo)準(zhǔn)CO為每2 h最高30 mg/m3,是大氣標(biāo)準(zhǔn)的3倍。亞洲地區(qū),日本大氣環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)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(guó)大氣環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)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(wèi)生組織等也有各自的標(biāo)準(zhǔn)。

道路隧道污染物向大氣中排放將影響隧道周邊的大氣環(huán)境,我國(guó)2012年制定了新的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(DB3095-2012),規(guī)定了NOx、SO2、O3、CO、PM10、PM2.5等污染物的最新環(huán)境濃度標(biāo)準(zhǔn),其中1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)1 h CO、NOx、SO2的要求分別為10 mg/m3、200 μg/m3和 150 μg/m3,對(duì)于顆粒物 PM2.5和PM10的控制要求為 1 d 平均不超過(guò)35 μg/m3和50 μg/m3。

1.3存在問(wèn)題

根據(jù)前述分析,我國(guó)隧道內(nèi)的污染物濃度控制標(biāo)準(zhǔn)較發(fā)達(dá)國(guó)家明顯寬松(2014年版趨于嚴(yán)格)「3],隧道內(nèi)的污染物直排會(huì)影響大氣環(huán)境,而高空排放則要設(shè)置高風(fēng)塔破壞景觀環(huán)境,這也導(dǎo)致了隧道附近居民和企事業(yè)單位的不滿,這方面所產(chǎn)生的社會(huì)糾紛問(wèn)題不勝枚舉。此外,隨著城市人口和機(jī)動(dòng)車(chē)保有量的急劇增加,尾氣排放對(duì)大氣污染的影響越來(lái)越受到人們的重視。根據(jù)上海市環(huán)保局2015年1月發(fā)布的統(tǒng)計(jì)資料,上海市城區(qū)大氣污染物中,外來(lái)污染源占30%,在當(dāng)?shù)匚廴驹粗?9.3%為機(jī)動(dòng)車(chē)等尾氣排放造成,也即總量的21%左右是由當(dāng)?shù)貦C(jī)動(dòng)車(chē)等尾氣排放造成的。如果單從數(shù)字比例還不足夠說(shuō)明問(wèn)題,近年來(lái)北京、上海等大城市頻發(fā)的霧霾天氣讓每一個(gè)普通市民都明顯感覺(jué)到了空氣污染的嚴(yán)重性,而霧霾正是由于汽車(chē)尾氣中的可吸入顆粒物所造成的。

在這種緊迫的形勢(shì)下,除了考慮城市道路隧道對(duì)路面交通的分流、加速、疏通已經(jīng)可以起到一定的減排作用之外,進(jìn)一步將考慮通過(guò)在隧道內(nèi)設(shè)置空氣凈化設(shè)備,將隧道內(nèi)空氣凈化后排放到大氣中,對(duì)改善城市空氣環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)將是十分巨大的。換一個(gè)角度,就我國(guó)大型城市的現(xiàn)狀來(lái)看,隧道中的污染空氣經(jīng)凈化系統(tǒng)處理后再經(jīng)由排風(fēng)口排出,其質(zhì)量極有可能還高于排風(fēng)口周邊的原有大氣質(zhì)量,對(duì)促進(jìn)社會(huì)和諧同樣頗有益處。由此可見(jiàn),城市道路隧道實(shí)施空氣凈化系統(tǒng)從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,是勢(shì)在必行的。

2　城市地下道路污染物排放口控制標(biāo)準(zhǔn)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(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)規(guī)定的環(huán)境濃度標(biāo)準(zhǔn)為落地濃度,而實(shí)際中隧道污染物一定高度排放后經(jīng)過(guò)了在大氣中的擴(kuò)散行為、大氣化學(xué)反應(yīng)過(guò)程才擴(kuò)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(diǎn)位置與排風(fēng)量、排放速率、環(huán)境風(fēng)速有直接關(guān)系。因此,為了合理處理隧道污染物凈化和排放的問(wèn)題,對(duì)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(kuò)散行為、大氣化學(xué)反應(yīng)過(guò)程與《道路隧道空氣污染物凈化設(shè)備凈化效率的評(píng)價(jià)方法》和最新的國(guó)家《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》結(jié)合起來(lái)進(jìn)行分析確定。

2.2城市地下道路污染物排放口控制標(biāo)準(zhǔn)的制定

2.2.1城市地下道路排放口不同污染物擴(kuò)散規(guī)律研究

通過(guò)對(duì)地下道路隧道排放口考慮大氣化學(xué)行為的CO、NOx、PM2.5等污染物擴(kuò)散規(guī)律研究所進(jìn)行的分析、模擬、計(jì)算,對(duì)地下道路的廢氣排放,確定排放口與敏感點(diǎn)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(duì)上海城市中心某越江隧道進(jìn)行分析,在選擇合適的參數(shù)值的情況下,模擬不同環(huán)境風(fēng)速下的CO的擴(kuò)散情況,可以發(fā)現(xiàn)CO最大落地濃度均低于0.850 mg/m3,能達(dá)到空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)且相對(duì)較小,同時(shí)在這種情況下根據(jù)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(nèi)超標(biāo)的情況下,來(lái)反推隧道內(nèi)的最大排放量。從而計(jì)算得到的隧道內(nèi)CO的濃度遠(yuǎn)超過(guò)了隧道內(nèi)的限值,因而,可以認(rèn)為在這種條件下,隧道內(nèi)CO最大濃度符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí),通過(guò)風(fēng)塔排放到地面的CO 落地濃度也是符合環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的。

2.2.1.2PM2.5

類(lèi)似的,PM2.5的最大落地濃度僅為2 μg/m3左右,幾乎對(duì)周?chē)h(huán)境沒(méi)有影響。反推隧道內(nèi)的最大PM2.5排放量,計(jì)算得到的隧道內(nèi)PM2.5的濃度也很大,若隧道內(nèi)PM2.5最大濃度符合標(biāo)準(zhǔn)的話,那么通過(guò)風(fēng)塔排放到地面的PM2.5落地濃度也不會(huì)很大。

2.2.1.3NOX

對(duì)于氮氧化物來(lái)說(shuō),由于存在大氣化學(xué)反應(yīng),考慮經(jīng)風(fēng)塔排放出來(lái)的NOX會(huì)與周?chē)諝膺M(jìn)行反應(yīng),因而在模擬時(shí)要把背景濃度值計(jì)算進(jìn)去,且認(rèn)為隧道內(nèi)NO2占NOX比重在10%～30%之間。在一定的污染源、環(huán)境背景以及氣象條件下,得知NOX的最大落地濃度符合環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)或存在一定范圍內(nèi)的超標(biāo)時(shí),隧道內(nèi)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(shí)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?？梢?jiàn)在NOX接近或超過(guò)限值時(shí), NO2是符合標(biāo)準(zhǔn)的,雖然在環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有NO的規(guī)定值,但也可以認(rèn)為此時(shí)的NO濃度也是過(guò)高的。

2.2.1.4討論

從CO和顆粒物的落地濃度來(lái)看,采用低風(fēng)塔的高度時(shí),也是符合標(biāo)準(zhǔn)的。但是,兩者的區(qū)別在于周?chē)h(huán)境產(chǎn)生的PM2.5濃度相對(duì)較大(在監(jiān)測(cè)的24日16:00～25日13:00的均值就為80 μg/m3,高峰值則達(dá)到了150 μg/m3),尤其是在冬春季節(jié),日均值時(shí)常超度二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值,而在正常情況下通過(guò)隧道風(fēng)塔排放的PM2.5對(duì)周?chē)h(huán)境的影響較小,所以對(duì)于這一區(qū)域PM2.5濃度要符合標(biāo)準(zhǔn)的話,不僅僅是考慮隧道內(nèi)排放的對(duì)外的影響,更要考慮到周?chē)h(huán)境的產(chǎn)生量。

當(dāng)降低風(fēng)塔的高度時(shí),NOX在隧道內(nèi)的最大排放量約為1.5 g/s,隧道內(nèi)的濃度在8 ppm(17.14 mg/m3)左右,經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算該情況下隧道內(nèi)NO的濃度也在8 ppm(16.25 mg/m3)左右。這一濃度限值顯然已遠(yuǎn)超隧道內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2城市地下道路污染物排放口控制標(biāo)準(zhǔn)的制定

通過(guò)以上計(jì)算分析得出不同排放口高度和不同敏感點(diǎn)與排放口的距離下的隧道排放口空氣污染物值。在實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)上述數(shù)值需要乘以一定的系數(shù)。選擇系數(shù)所要考慮的因素為:(1)減少排放口的排污數(shù)量,控制排污總量;(2)敏感點(diǎn)位于近距離時(shí)的排放口可排量可適當(dāng)加大,敏感點(diǎn)位于遠(yuǎn)距離時(shí)的排放口可排污量可適當(dāng)減小。據(jù)此,得出隧道排放口空氣污染物控制值如下「3]:

(1)當(dāng)敏感點(diǎn)與排放口的距離為20 m時(shí),不同高度的排放口允許的排放量見(jiàn)表1所列。

(2)當(dāng)敏感點(diǎn)與排放口的距離為50 m時(shí),不同高度的排放口允許的排放量見(jiàn)表2所列。

(3)當(dāng)敏感點(diǎn)與排放口的距離為80 m時(shí),不同高度的排放口允許的排放量見(jiàn)表3所列。

表1　當(dāng)敏感點(diǎn)與排放口的距離為20 m時(shí),不同高度的排放口允許排放量一覽表

表2　當(dāng)敏感點(diǎn)與排放口的距離為50 m時(shí),不同高度的排放口允許排放量一覽表

表3　當(dāng)敏感點(diǎn)與排放口的距離為80 m時(shí),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(diǎn)與排放口的距離為20 m即表示允許在排放口周?chē)?0 m范圍內(nèi)的空氣質(zhì)量超標(biāo);排風(fēng)口等效面積4 m×4 m、排風(fēng)量為100 m3/s、排風(fēng)口氣體溫度為25oC,環(huán)境風(fēng)速為1 m/s。

上述結(jié)果來(lái)源于建設(shè)的上海市北橫通道工程的研究成果,要強(qiáng)調(diào)的是這里“25及以上”是將25 m以上排放口統(tǒng)一用25 m的排放口標(biāo)準(zhǔn)控制,主要是為了限制城市中心區(qū)高風(fēng)塔的設(shè)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(duì)相類(lèi)似的工程有借鑒意義。對(duì)于尚在方案設(shè)計(jì)階段的工程來(lái)說(shuō),可以指導(dǎo)進(jìn)行廢氣排放方式的選擇;而當(dāng)工程進(jìn)入到設(shè)計(jì)階段時(shí),由于各工程的差異性,必須進(jìn)行有效的模擬方可對(duì)廢氣的擴(kuò)散分布有較深入的了解,所以設(shè)計(jì)階段的環(huán)境評(píng)價(jià)是必須的。

3　標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地下道路空氣凈化技術(shù)的指導(dǎo)

3.1空氣凈化效率設(shè)計(jì)

道路隧道內(nèi)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(biāo)準(zhǔn),因此排放口的標(biāo)準(zhǔn)與道路隧道空氣凈化效率有一直接的關(guān)系。

采用道路隧道空氣凈化系統(tǒng)所涉及的因素包括隧道排風(fēng)量、空氣凈化裝置的效率和隧道排放口的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。它們構(gòu)成了一個(gè)隧道排放口的污染物排放的動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中,隧道內(nèi)污染物濃度控制指標(biāo)決定了隧道內(nèi)的排風(fēng)量;隧道外敏感點(diǎn)與洞口的距離、環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(即污染物最大落地濃度)決定了隧道口排放標(biāo)準(zhǔn);隧道內(nèi)污染物濃度與隧道口排放控制標(biāo)準(zhǔn)的差值決定了所需空氣凈化設(shè)備的效率。由此可見(jiàn),隧道排風(fēng)量、空氣凈化裝置的效率和隧道排放口的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)之間存在一個(gè)函數(shù)關(guān)系,隧道空氣凈化優(yōu)化設(shè)計(jì)即要確定了隧道排放口的污染物排放標(biāo)準(zhǔn),隧道排風(fēng)量和空氣凈化效率所構(gòu)成三維坐標(biāo)系中的最優(yōu)點(diǎn),見(jiàn)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(fēng)量、空氣凈化裝置的效率和隧道洞口的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系示意圖

3.2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,如重慶大學(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)「5]。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)目巫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。

目前國(guó)際上應(yīng)用比較成熟的空氣凈化技術(shù)以靜電除塵+吸收(或吸附)技術(shù)為主。一般而言,靜電除塵可以去除90%以上的顆粒物,對(duì)PM2.5的去除率也在80%左右。顆粒物的去除提高了能見(jiàn)度,為地下道路安全行車(chē)提供了良好的視距。吸收(或吸附)技術(shù)對(duì)地下道路內(nèi)的NOx和有機(jī)揮發(fā)物等有一定的效果,尤其對(duì)NO2的效果可達(dá)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(shù)后,可有效地減少地下道路汽車(chē)排放對(duì)周邊環(huán)境的影響,降低周邊居民對(duì)地下道路建設(shè)的敏感度。

國(guó)際上將空氣凈化設(shè)施應(yīng)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(dá)爾隧道,靜電除塵的效率可達(dá)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(wèn)題。萊達(dá)爾隧道在設(shè)計(jì)過(guò)程中很好地貫徹了方案階段的思路,氣流很順暢地經(jīng)過(guò)空氣凈化裝置得以凈化;而M30在工程實(shí)施過(guò)程中碰到了一些比較復(fù)雜的問(wèn)題,為了工程的可實(shí)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(dá)到了80%以上,后期降到55%左右,經(jīng)過(guò)設(shè)備的維護(hù)改造,又將效率提高到80%以上。究其原因,主要是隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),設(shè)備在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的一些問(wèn)題得以暴露,一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的瑕疵導(dǎo)致污染空氣從旁通道未經(jīng)凈化而流出。

4　工程應(yīng)用示范

某地下道路工程,暗埋段長(zhǎng)2.0 km,高峰小時(shí)車(chē)流量3 600 pcu/h,大型車(chē)比例13.1%。全線雙孔4車(chē)道,排風(fēng)口面積約16 m2。

根據(jù)初步模擬計(jì)算,地下道路總排放量見(jiàn)表4所列。

表4　某地下道路總排放量一覽表

根據(jù)上文提出的排放口污染物控制指標(biāo),排放口高度以3m計(jì),敏感點(diǎn)與排放口距離不同,污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)也不相同(見(jiàn)表5)。

表5　敏感點(diǎn)與排放口距離不同的排放標(biāo)準(zhǔn)一覽表

由表4、表5兩表可以很明顯地看出,CO排放遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于排放口標(biāo)準(zhǔn),顆粒物在不考慮本底濃度的情況下,排放的量也是達(dá)標(biāo)的,但NOx的排放量顯然已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了排放標(biāo)準(zhǔn),因此,NOx的凈化是風(fēng)塔高度降低的必要條件;為保證NOx的凈化,需對(duì)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(duì)凈化效率的選擇,可以根據(jù)敏感點(diǎn)與排放口的距離,提出對(duì)凈化效率的要求:當(dāng)排放口高度為3 m時(shí),如敏感據(jù)距排放口80 m,則NOx的凈化效率需大于73%;如敏感據(jù)距排放口20 m,則NOx的凈化效率需大于87%,當(dāng)凈化效率達(dá)不到要求時(shí),必須增加風(fēng)塔高度。

根據(jù)工程的實(shí)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(yùn)行,每天高峰運(yùn)行4 h計(jì))。

5　小結(jié)

通過(guò)本文對(duì)道路隧道排放口污染物排放標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地下道路空氣凈化技術(shù)的指導(dǎo)及工程應(yīng)用的討論,可得到下列結(jié)論:

第一、道路隧道排放口污染物排放標(biāo)準(zhǔn)是聯(lián)系隧道內(nèi)污染物排放控制標(biāo)準(zhǔn)和大氣環(huán)境質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)的中間控制標(biāo)準(zhǔn),有助于合理處理隧道污染物凈化和排放的問(wèn)題;

第二、道路隧道排放口污染物排放標(biāo)準(zhǔn)制定,有助于將道路隧道排放口污染物排放標(biāo)準(zhǔn)在大氣中的擴(kuò)散行為、大氣化學(xué)反應(yīng)過(guò)程與《道路隧道空氣污染物凈化設(shè)備凈化效率的評(píng)價(jià)方法》和最新的國(guó)家《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》結(jié)合考慮,合理處理隧道污染物凈化和排放的問(wèn)題;

第三、道路隧道排放口污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的建立有助于指導(dǎo)隧道空氣凈化設(shè)計(jì)和隧道空氣凈化設(shè)備的選型。

「1] 錢(qián)七虎.建設(shè)特大城市地下快速路和地下物流系統(tǒng)——解決中國(guó)特大城市交通問(wèn)題的新思路「J].科技導(dǎo)報(bào),2004,(4).

「2] 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， 1(3): 237-242.

「3] 上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司.中心城區(qū)地下快速路空氣凈化標(biāo)準(zhǔn)研究「R].2014.

「4] 世界道路協(xié)會(huì).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(yíng)運(yùn)管理有限公司,等.隧道排風(fēng)脫硝技術(shù)工程試驗(yàn)研究報(bào)告「R].2006.

TU921、X-651

B

1009-7716(2015)12-0194-05

2015-08-05

范益群(1969-)，男,江蘇揚(yáng)州人,博士研究生,教授級(jí)高級(jí)工程師,從事隧道與地下工程設(shè)計(jì)與研究工作。