地鐵顆粒物污染現(xiàn)狀和排除技術(shù)研究進(jìn)展

南春子 何冠鴻 麥嬋妹#

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州510642；2.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010)

隨著世界城市化進(jìn)程加快和經(jīng)濟(jì)繁榮發(fā)展，城市人口密度不斷增長(zhǎng)，公眾對(duì)快速交通的需求也在持續(xù)增長(zhǎng)。城市地鐵作為大型城市群中最清潔的公共交通之一，能夠改善地面交通狀況，減少能量消耗和城市污染，帶來顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[1]。近年來，我國(guó)各大城市地鐵建設(shè)逐步進(jìn)入快速發(fā)展的軌道[2]844，截至2018年12月底，我國(guó)(含港澳臺(tái))建成投運(yùn)地鐵的城市已達(dá)36座，運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到5 582 km，運(yùn)營(yíng)線路共174條，日均客流超過7 000萬人次[3]。

大多數(shù)地鐵站臺(tái)位于地下，空間相對(duì)封閉，自然通風(fēng)不足，且人群密集，內(nèi)部污染源較多。地鐵內(nèi)空氣污染物主要包括顆粒物(PM)、芳香烴、金屬羰基化合物、懸浮細(xì)菌等，其中PM是主要污染物質(zhì)之一[4]。地鐵列車在有限空間里高頻率運(yùn)行，內(nèi)部產(chǎn)生的PM在地下車站內(nèi)不斷積累，如果沒有良好的排除措施，高濃度PM將會(huì)影響乘客健康[5]262。鑒于此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)城市地鐵PM進(jìn)行了大量研究。歐美的地鐵建成很早，歐美學(xué)者對(duì)地鐵PM的關(guān)注點(diǎn)更多集中在所含污染物種類及對(duì)人體健康的影響上[6-9]。韓國(guó)首爾地鐵是亞洲最早建成的地鐵線路之一，韓國(guó)已對(duì)地下空間內(nèi)(包括地鐵站臺(tái))的空氣質(zhì)量進(jìn)行立法保護(hù)，針對(duì)首爾地鐵內(nèi)PM濃度分布和影響因素的研究多有報(bào)道[10]740。目前，我國(guó)有關(guān)地鐵內(nèi)可吸入PM的研究主要集中在北京、上海，其他城市的相關(guān)研究較少[11]。本研究通過文獻(xiàn)查閱，調(diào)研了世界部分城市地鐵車站內(nèi)PM污染現(xiàn)狀和分布特征，分析了地鐵PM濃度的影響因素，探討了控制地鐵PM的傳統(tǒng)技術(shù)和新型技術(shù)，為未來有效控制地鐵空氣質(zhì)量提供了思路和參考。

1 地鐵PM的特征和來源

地鐵PM與室外大氣中的PM在數(shù)量、質(zhì)量、濃度和化學(xué)成分等方面都有很大不同[12]。地鐵PM外部源是室外環(huán)境的污染空氣(如汽車尾氣等)，由乘客攜帶或在通風(fēng)系統(tǒng)作用下進(jìn)入地下空間。地鐵PM內(nèi)部源主要是隧道內(nèi)剎車片、車輪、軌道之間機(jī)械摩擦和磨損所生成的微粒[13]。COLOMBI等[14]170研究發(fā)現(xiàn)，地鐵站臺(tái)內(nèi)由車輪、軌道和剎車片之間的磨損所產(chǎn)生的Fe、Mn、Sb和Ba的氧化物占粗顆粒(PM10)的40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)～73%。這些微粒在隧道中不斷積累，在氣流的作用下擴(kuò)散到站臺(tái)和列車中，使得地鐵的空氣質(zhì)量變差。地鐵中產(chǎn)生的微粒都有金屬特征，其中Fe是最常見的地鐵PM金屬，此外還混合有其他微量元素，如Ca、Al、Mg、Mn、Zn、Cu、Cr、Ni、Pb等。表1為米蘭[14]173及德黑蘭[15]主干地鐵線路站臺(tái)的PM10及金屬質(zhì)量濃度檢測(cè)結(jié)果，可以看出兩城市地鐵站臺(tái)空氣中Fe元素分別占PM10的32.47%、41.14%，說明Fe是組成地鐵PM的主要成分。JUNG等[16]2292也測(cè)得首爾地鐵站內(nèi)空氣中Fe微粒占總微粒的75%～91%。

表1 地鐵站臺(tái)PM10及金屬元素平均質(zhì)量濃度

表2 世界部分城市地鐵PM質(zhì)量濃度

人體暴露在PM中會(huì)增加呼吸道和心血管相關(guān)疾病的風(fēng)險(xiǎn)，而地鐵PM對(duì)人們的健康危害較室外大氣PM更大，其遺傳毒性和引起肺組織氧化壓力的可能性分別是室外大氣PM的8倍、4倍[17]。頻繁搭乘地鐵，長(zhǎng)時(shí)間暴露在地鐵空氣中，可能引起慢性健康問題[18]720。對(duì)于敏感人群(如兒童、老人、有呼吸疾病的人群等)，短時(shí)間搭乘地鐵也可能受到健康損害[19]。

2 地鐵PM的濃度分布

地鐵PM濃度變化范圍較廣，濃度水平與測(cè)量地點(diǎn)有關(guān)，一般情況下地鐵PM分布規(guī)律為隧道>站臺(tái)>站廳>地面，車廂內(nèi)由于有空調(diào)過濾系統(tǒng)，PM濃度小于隧道與站臺(tái)[20-22],[23]123。我國(guó)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50157—2013)規(guī)定，地下車站公共區(qū)空氣中PM10的日平均質(zhì)量濃度應(yīng)小于250 μg/m3。目前我國(guó)尚沒有針對(duì)地鐵環(huán)境中的細(xì)顆粒(PM2.5)給出評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本研究以《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)中PM2.5二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(75 μg/m3)來評(píng)價(jià)地鐵中PM2.5的污染水平。由表2可以看出，我國(guó)城市地鐵中PM10濃度尚在允許范圍內(nèi)，但是PM2.5超過75 μg/m3，污染較為嚴(yán)重。MARTINS等[18]715-718研究發(fā)現(xiàn)，通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)對(duì)PM10的去除效果更好，使得相對(duì)較細(xì)的PM2.5留滯在地鐵內(nèi)。樊越勝等[23]123研究發(fā)現(xiàn)，空調(diào)系統(tǒng)對(duì)PM10的過濾效率高于PM2.5，地鐵車廂內(nèi)PM2.5/PM10平均值高于站臺(tái)，因此地鐵PM2.5的防治是未來主要研究方向。

工作日乘客人數(shù)和列車發(fā)車頻率與周末差異較大，導(dǎo)致不同時(shí)段地鐵PM污染情況也有所差異。以斯德哥爾摩[29]和巴黎[30]地鐵線路為例，兩城市在不同時(shí)段的地鐵PM濃度見表3?？梢钥闯觯苣┑罔F站臺(tái)內(nèi)PM濃度比工作日更低，且運(yùn)行高峰期比非高峰期濃度更高。

表3 不同測(cè)量時(shí)段的PM10質(zhì)量濃度

不同季節(jié)地鐵站臺(tái)PM濃度測(cè)量結(jié)果匯總見表4?？梢钥闯?，冬季地鐵PM濃度最高，秋季次之，夏季最低。這是由于夏季空調(diào)系統(tǒng)開啟運(yùn)行，通風(fēng)換氣強(qiáng)度增大，PM排除效率較高[33-34]。

表4 不同季節(jié)的地鐵PM質(zhì)量濃度

3 地鐵PM影響因素

地鐵中PM的濃度和化學(xué)成分取決于多種因素，如室外大氣污染水平、地鐵站的深度、站臺(tái)和隧道設(shè)計(jì)、隧道長(zhǎng)度以及車輪、軌道、剎車片等材料的成分，乘客密度、屏蔽門形式、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)、清潔頻率、使用年限以及操作條件等也會(huì)對(duì)PM產(chǎn)生影響[31]295-296。

3.1 室外大氣PM污染水平的影響

WOO等[10]744-748測(cè)量了首爾地鐵隧道內(nèi)的PM濃度，發(fā)現(xiàn)PM1主要受到室外環(huán)境空氣的影響，而PM2.5、PM10受室外環(huán)境空氣的影響相對(duì)較小，機(jī)械通風(fēng)很難降低PM10、PM2.5濃度。LEE等[25]研究發(fā)現(xiàn)，首爾地鐵站內(nèi)PM10濃度和室外大氣環(huán)境中的PM10濃度幾乎不相關(guān)，主要受到內(nèi)部污染源的影響。另外一些學(xué)者的研究結(jié)果則與上述結(jié)論不同。KWON等[31]298-300認(rèn)為室外環(huán)境中的PM10是控制地鐵內(nèi)PM濃度的最重要因素，需要在室外空氣進(jìn)入地鐵最少化和地鐵內(nèi)空氣凈化之間保持平衡。程剛[5]263-265選取北京、上海和廣州3個(gè)城市10條地鐵線路作為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)決定地鐵車廂內(nèi)PM2.5濃度的主要因素是大氣環(huán)境中PM2.5水平。樊越勝等[23]121-123監(jiān)測(cè)分析了西安地鐵2號(hào)線車站的PM污染水平，發(fā)現(xiàn)PM10與室外環(huán)境有強(qiáng)烈的相關(guān)性，PM2.5與室外環(huán)境有較弱的相關(guān)性。

3.2 客流量的影響

卓思華等[27]測(cè)量了北京4條地鐵線路的PM濃度，發(fā)現(xiàn)不同線路車廂內(nèi)PM2.5、PM10濃度存在組間差異，地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)和客運(yùn)量是產(chǎn)生組間差異的主要原因。然而，程剛[5]265認(rèn)為客流量對(duì)地鐵車廂內(nèi)PM2.5的影響并不顯著。

3.3 屏蔽門的影響

部分學(xué)者認(rèn)為屏蔽門能阻止隧道空氣進(jìn)入站臺(tái)，從而降低站臺(tái)上平均PM濃度，對(duì)改善地鐵空氣質(zhì)量有利[2]846-847。KIM等[35]研究發(fā)現(xiàn)，屏蔽門可使站臺(tái)PM10濃度減少16%。JUNG等[16]2288研究發(fā)現(xiàn)，隧道內(nèi)產(chǎn)生的含鐵顆粒在屏蔽門安裝后大幅減少。然而，還有一些學(xué)者認(rèn)為地鐵內(nèi)安裝屏蔽門對(duì)隧道PM的排除和地鐵空氣質(zhì)量改善不利。KWON等[31]300研究發(fā)現(xiàn)，即使地鐵站安裝了全高屏蔽門，仍然無法避免隧道內(nèi)的PM10擴(kuò)散到站臺(tái)。SON等[36]41-42研究發(fā)現(xiàn)，地鐵屏蔽門安裝后，PM和氣流被限制在隧道內(nèi)，地鐵線路車廂內(nèi)的PM10濃度增加了29.9%～103.0%。

3.4 地鐵車站埋深、站臺(tái)設(shè)計(jì)及通風(fēng)系統(tǒng)的影響

地鐵站越小、越深，其與外界空氣的交流就越困難，污染物缺少有效的擴(kuò)散和排除途徑，地鐵PM濃度越高。MORENO等[37]發(fā)現(xiàn)，地鐵站臺(tái)PM濃度最大值在站臺(tái)的兩端，而不是站臺(tái)中間，并且地鐵入口布置對(duì)站臺(tái)PM濃度分布有較大影響。乘客進(jìn)入地鐵時(shí)將外面更潔凈的空氣帶入地鐵站，稀釋了站臺(tái)PM濃度，地鐵入口布置在站臺(tái)兩端比布置在站臺(tái)中間的稀釋效果好，而且地鐵入口布置在列車駛?cè)攵吮炔贾迷诹熊囻傠x端的稀釋效果更好，說明地鐵車站的設(shè)計(jì)對(duì)于PM濃度的高低有很大的影響。

4 地鐵PM的排除方法

目前有關(guān)地鐵PM的研究主要集中在PM的污染程度、PM組成以及對(duì)健康的損害上。為了更有效地控制地鐵PM，有必要研究PM的分布特征，尋找有效排除地鐵內(nèi)PM的方法。

4.1 通風(fēng)系統(tǒng)

地鐵內(nèi)的空氣質(zhì)量受到通風(fēng)系統(tǒng)的極大影響，高效的通風(fēng)能保持良好的室內(nèi)空氣質(zhì)量。新建地鐵基本都采用機(jī)械通風(fēng)方式，地鐵隧道中風(fēng)井和風(fēng)口的大小、形式、位置等是影響機(jī)械通風(fēng)效果的因素[38]。SON等[36]43-44研究發(fā)現(xiàn)，在機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)作用下，隧道中PM10質(zhì)量濃度能降低到150 μg/m3以下(韓國(guó)室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)上限)。HONG[39]研究發(fā)現(xiàn)，每當(dāng)風(fēng)機(jī)的空氣流速增加10 000 m3/h，隧道中PM10質(zhì)量濃度就會(huì)降低6 μg/m3；當(dāng)空氣流速達(dá)到340 000 m3/h，PM10質(zhì)量濃度可保持在150～170 μg/m3。

然而，機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)能耗占地鐵運(yùn)行總能耗的14%～35%，QUAN等[40]在首爾地鐵站的通風(fēng)機(jī)上安裝了變速發(fā)動(dòng)機(jī)，根據(jù)地鐵內(nèi)歷史環(huán)境數(shù)據(jù)以及室外天氣預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)地鐵內(nèi)的PM濃度，從而決定風(fēng)機(jī)的變速操作。各種人工智能和自動(dòng)控制系統(tǒng)已被用來降低地鐵通風(fēng)系統(tǒng)的能量消耗[41]1054-1055。人工智能通風(fēng)系統(tǒng)考慮了外界空氣、列車操作等環(huán)境因素，能在改善地鐵空氣質(zhì)量的同時(shí)減少能耗。

4.2 清洗車和吸塵車

通過隧道噴霧清洗地鐵列車可使PM迅速沉淀，對(duì)粒徑小的PM有一定的移除效果。然而，清洗地鐵列車只能在晚上短時(shí)間運(yùn)作，費(fèi)用較高(水費(fèi)、運(yùn)費(fèi)以及人工費(fèi))[42]，且經(jīng)過噴霧清洗后，空氣干燥時(shí)粒徑小的PM還會(huì)因?yàn)榱熊囘\(yùn)行和工作人員的活動(dòng)而再次分散。KIM等[43]認(rèn)為，即使每天清洗，該項(xiàng)措施對(duì)降低PM10濃度的效果仍然有限，性價(jià)比較低。

吸塵車不僅能將PM吸走，而且可把塑料袋、易拉罐、煙頭等垃圾吸走。但吸塵車造價(jià)較貴，并且清潔時(shí)間有限，只能在地鐵列車停運(yùn)時(shí)操作，不能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)用于PM清除。

4.3 過濾器

過濾器能顯著降低地鐵內(nèi)粒徑小的PM的濃度，常用的過濾器有織物面板過濾器、纖維束過濾器、纖維過濾器等。部分研究利用地鐵PM含鐵量高的特征，用電磁鐵和永磁體來排除地鐵PM[44]。SON等[41]1056-1058研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用雙磁鐵過濾器時(shí)，PM10、PM2.5、PM1的排除效率分別是52%、46%、38%，并且粒徑小的PM的排除效率是由磁鐵過濾器的層數(shù)和通風(fēng)機(jī)的頻率決定的。目前，磁鐵過濾器是通過高壓噴霧進(jìn)行PM清潔的，如果磁鐵過濾器的磁力太強(qiáng)，含鐵粉塵就很難清除。因此，有必要開發(fā)一種可根據(jù)需要開啟磁性的過濾系統(tǒng)。

4.4 射流風(fēng)機(jī)及除塵器

依賴自然通風(fēng)的地鐵隧道在排除污染物上具有局限性，射流風(fēng)機(jī)常被用來輔助解決這一問題[45]。將射流風(fēng)機(jī)安裝在自然通風(fēng)口，地下空間的空氣在射流風(fēng)的作用下排出到室外，由射流風(fēng)機(jī)噴出來的空氣體積增加，可使地下空間內(nèi)部的PM10濃度大幅降低。

SIM等[46]提出在地鐵列車底部安裝一個(gè)擋板式除塵器來收集由列車車輪和地鐵軌道之間摩擦產(chǎn)生的PM，進(jìn)入除塵器的空氣流量與列車速度有關(guān)。

5 結(jié)論與展望

(1) PM是地鐵車站內(nèi)的主要空氣污染物，剎車、車輪、軌道及其他部件之間的磨損是PM的主要來源，F(xiàn)e元素是組成PM的主要組分。地鐵PM濃度高于室外大氣，這對(duì)乘客及工作人員的身體健康不利。由于通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)對(duì)PM2.5的排除效率低，導(dǎo)致粒徑相對(duì)較小的PM留滯在地鐵內(nèi)，PM2.5的防治是今后地鐵PM控制的主要研究方向。

(2) 影響地鐵PM濃度的因素有地鐵站埋深、站臺(tái)設(shè)計(jì)、隧道長(zhǎng)度、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)等。對(duì)于室外大氣PM污染水平、客流量、屏蔽門等因素的影響，不同學(xué)者得出的結(jié)論有不同之處。目前針對(duì)地鐵內(nèi)部源PM產(chǎn)生運(yùn)移機(jī)理的研究很少，如何獲得地鐵隧道PM產(chǎn)生運(yùn)移機(jī)理，定量分析影響地鐵PM濃度的關(guān)鍵因素，有待進(jìn)一步研究。

(3) 地鐵內(nèi)的空氣質(zhì)量受到通風(fēng)系統(tǒng)的極大影響，通風(fēng)耗能在地鐵運(yùn)行總耗能中占比較大。地鐵通風(fēng)設(shè)計(jì)主要考慮溫度、濕度等因素，極少考慮PM，在地鐵實(shí)際運(yùn)營(yíng)中PM排除效率較低。以降低地鐵PM為目標(biāo)，提出行之有效的通風(fēng)優(yōu)化策略，是地鐵環(huán)境污染控制需迫切解決的重要問題。

(4) 目前關(guān)于地鐵PM的研究主要集中在地鐵PM的濃度分布和組成上，對(duì)地鐵PM濃度的時(shí)空分布規(guī)律以及關(guān)鍵影響因素的認(rèn)識(shí)還停留在定性描述水平，對(duì)如何有效降低地鐵PM濃度的研究還不夠深入，仍需積極探索有效排除PM的方法。現(xiàn)有的地鐵PM排除方法都存在一定缺陷，未來應(yīng)重點(diǎn)研發(fā)變頻風(fēng)機(jī)、地鐵PM預(yù)測(cè)模型、除塵器、射流風(fēng)機(jī)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)等，在實(shí)驗(yàn)室或試驗(yàn)點(diǎn)研究的基礎(chǔ)上，逐步開展地鐵PM防控的實(shí)地研究。