隧道污染物處理的設(shè)計(jì)與探究

魏興

摘 要：以深圳某在建工程為例，對隧道的污染物處理方案進(jìn)行介紹，探究隧道內(nèi)污染物排放量以及污染物處理的所需風(fēng)量的計(jì)算方式，并總結(jié)常見的集中污染物處理方案，重點(diǎn)介紹空氣凈化的凈化原理以及組成。研究表明，污染物濃度跟隧道內(nèi)的行車種類、行車速度以及基準(zhǔn)排放量等相關(guān)，隧道的污染物處理方式需要由周邊建筑、隧道洞口的環(huán)境以及環(huán)保部門綜合評估綜合考量。

關(guān)鍵詞：污染物處理方案；污染物濃度；基準(zhǔn)排放量

中圖分類號：U453.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2023）05-0104-03

0 引言

隨著我國汽車保有量持續(xù)升高，城市交通壓力日漸增大，隧道成了城市解決擁堵問題的最有效手段，城市隧道建設(shè)數(shù)量日益增多[1]。隨著人們環(huán)保意識的逐漸提升，對于隧道出口的污染物排放問題的關(guān)注度逐漸提高，對于隧道洞口污染物的處理技術(shù)提出了更高的要求[2]。

污染物處理中，空氣凈化技術(shù)[3]是目前應(yīng)用最為廣泛的污染物處理的技術(shù)，北京、深圳等多地隧道已經(jīng)采用空氣凈化技術(shù)[4，5]。隨著研究深入，污染物排放量[6]的規(guī)律已經(jīng)成為隧道洞口污染物處理的關(guān)鍵問題。在“雙碳”政策背景下，如何選擇隧道污染物處理的方式以及減少污染物排放的手段，成為隧道建設(shè)的關(guān)鍵問題之一。本文以深圳某在建工程為例，為隧道的污染物處理方式選擇提供參考。

1隧道工程概況

為深圳某在建隧道為雙向四車道的城市快速路，小客車專用通道設(shè)計(jì)車速為60 km/h，阻滯工況平均車速為10 km/h，計(jì)算長度不小于2 km，其余路段適當(dāng)加大。設(shè)計(jì)高峰小時交通量分別為2 620 pcu/h（上層）和2 432 pcu/h（下層），隧道為單洞雙層盾構(gòu)隧道，東西走向。上層通風(fēng)區(qū)段4 119 m，其中盾構(gòu)段3 599 m，西側(cè)暗埋段139 m，東側(cè)暗埋段381 m。下層隧道通風(fēng)區(qū)段4 267 m，其中盾構(gòu)段3 599 m，西側(cè)暗埋段287 m，東側(cè)暗埋段381 m。隧道橫斷面積盾構(gòu)段上層54.8㎡，下層41.1㎡，暗埋段（西側(cè)）上層60.5㎡，下層46.3㎡，暗埋段（東側(cè)）上層40.0㎡，下層40.0㎡。隧道內(nèi)CO正常交通下設(shè)計(jì)濃度為70 ppm，阻滯交通下設(shè)計(jì)濃度為100 ppm，養(yǎng)護(hù)維修設(shè)計(jì)濃度為30 ppm。隧道內(nèi)煙霧設(shè)計(jì)濃度在車速60 km/h為0.0065 m-1，車速40 km/h煙霧設(shè)計(jì)濃度為0.0075 m-1，車速為10～20 km/h為0.0090 m-1。當(dāng)煙霧設(shè)計(jì)濃度為0.00120 m-1，應(yīng)采取交通管制等措施。隧道內(nèi)NO2設(shè)計(jì)濃度為1 ppm。隧道換氣次數(shù)≥3次/h。縱向通風(fēng)隧道斷面風(fēng)速≥2.5 m/s，火災(zāi)熱釋放率10 MW。

2隧道污染物需風(fēng)量計(jì)算

《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/TD70/2-02-2014）[7]中，煙霧排放量Qvi計(jì)算公式如式（1）：

（1）

式中，Qvi為隧道的設(shè)計(jì)年份基準(zhǔn)排放量，fa（VI）為煙塵的車況系數(shù)，fd為車密度系數(shù)，fh（VI）為煙塵的海拔高度系數(shù)，fiv（VI）為煙塵的縱坡-車速系數(shù)，L為隧道長度，fm（VI）為煙塵的柴油車車型系數(shù)，nD柴油車車型類別，Nm為相應(yīng)車型的交通量。

煙霧排放量Qco公式如式（2）：

（2）

式中，Qco為隧道的設(shè)計(jì)年份基準(zhǔn)排放量，fa為CO的車況系數(shù)，fd為車密度系數(shù)，fh為CO的海拔高度系數(shù)，fm為CO的車型系數(shù)，fIV為CI的縱坡-車速系數(shù)，n為車類型數(shù)，L為隧道長度，Nm為相應(yīng)車型的交通量。

從式（1）和式（2）中發(fā)現(xiàn)，影響污染物排放量的因素為縱坡-車速系數(shù)、隧道的年份設(shè)計(jì)基準(zhǔn)排放量以及車型交通量，其中設(shè)計(jì)基準(zhǔn)排放量是隨著時間逐年減少的，隨著電動車的發(fā)展，基準(zhǔn)排放量會逐漸變小，而車流量會隨著年份增加而逐漸加大，CO的縱坡-車速系數(shù)隨著縱坡和車速的影響變化不大，而顆粒物的縱坡-車速系數(shù)隨著縱坡的影響變化很大，有幾倍的差距。

經(jīng)過計(jì)算，隧道的顆粒物需風(fēng)量和CO需風(fēng)量如表1、表2所示。從表1、表2中可以看出，CO的需風(fēng)量是隨著年份和車速的增加逐漸減小的，而顆粒物的需風(fēng)量是隨著年份和車速的增加逐年增加的，其中縱坡－車速系數(shù)起到了很關(guān)鍵的作用，顆粒物的縱坡－車速系數(shù)隨著車速的增加逐漸提高，導(dǎo)致顆粒物需風(fēng)量速度越高的情況下越增加。

3 隧道污染物處理方式

目前，國內(nèi)各城市隧道主要采用的廢氣排放方式有以下5種方案。

3.1 風(fēng)塔高空排放方案

即利用大型集中排風(fēng)機(jī)將隧道內(nèi)大部分污染空氣經(jīng)高風(fēng)塔進(jìn)行高空擴(kuò)散排放，從而使污染物落地濃度滿足環(huán)境要求。此方式應(yīng)用最為廣泛，且可靠性最高，技術(shù)最為成熟，但對城市景觀有所影響，目前在城市隧道中應(yīng)用有所減少。

3.2 分散排放方案

分散排放方案有2種：一是利用隧道上部綠化帶，開設(shè)多個分散排放口，將廢氣排至大氣。二是利用現(xiàn)代城市隧道多匝道特點(diǎn)，將匝道口作為分散排放點(diǎn)，利用匝道火災(zāi)工況所配置的射流風(fēng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)機(jī)械分散排放，削弱建設(shè)高風(fēng)塔與城市景觀協(xié)調(diào)性的矛盾。分散排放方案造價(jià)低廉，目前越來越多的城市隧道采用此種方案。

3.3 洞口直排方案

該方案的廢氣不做任何處理，也無匝道分散分流，直接將廢氣從隧道洞口排出隧道。此種方式適用于車輛尾氣排放狀況較好的隧道，隧道長度通常小于3 km。

3.4 采用光觸媒作為吸收隧道污染物的涂料

光觸媒是一種涂料，將其涂在路面以及墻壁上的一種光催化涂料，可將汽車尾氣中的氮氧化物、CO以及SO2轉(zhuǎn)化為對人體、環(huán)境基本無害的物質(zhì)。但是由于光觸媒無法去除顆粒物，所以暫時無法替代現(xiàn)有主流空氣凈化設(shè)備，只能作為輔助技術(shù)應(yīng)用。

3.5 空氣凈化技術(shù)

采用空氣凈化技術(shù)是將高濃度的廢氣經(jīng)凈化設(shè)備處理后排至大氣。此種方法造價(jià)相對偏高，歐洲、日本等地有較多應(yīng)用。本工程隧道綜合了各方面要求，使用空氣凈化技術(shù)作為本隧道的污染物處理方案。

4空氣凈化站的形式

4.1 旁通式空氣凈化裝置

旁通式空氣凈化裝置設(shè)置在與隧道平行的側(cè)面，隧道側(cè)壁設(shè)有進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口。污染的空氣經(jīng)過進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入空氣凈化系統(tǒng)內(nèi)，經(jīng)過凈化之后通過排風(fēng)口排回隧道。

4.2 吊頂式空氣凈化裝置

吊頂式空氣凈化裝置設(shè)置在隧道的頂部，隧道頂部設(shè)有進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口。污染的空氣經(jīng)過進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入空氣凈化裝置內(nèi)，經(jīng)過凈化再排回隧道中。

4.3 豎井式空氣凈化裝置

將污染的空氣經(jīng)過空氣凈化裝置凈化處理，處理后的干凈空氣通過豎井直接排至大氣。豎井排放空氣凈化方式是指隧道內(nèi)空氣經(jīng)過處理后，通過豎井直接排到大氣中的方式。從人口開始沿隧道長度方向污染物質(zhì)量濃度越來越高，在計(jì)算達(dá)到污染物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的位置設(shè)置排風(fēng)豎井及空氣凈化處理站，隧道內(nèi)空氣經(jīng)凈化處理后直接排到大氣中。

5隧道空氣凈化系統(tǒng)的組成

隧道空氣凈化系統(tǒng)主要包括預(yù)過濾器、靜電除塵裝置、碳吸附過濾器、大型軸流風(fēng)機(jī)段、自動清洗裝置、污水處理裝置以及自動控制系統(tǒng)等。

5.1 預(yù)過濾器

預(yù)過濾器是空氣凈化系統(tǒng)的第一道過濾器，主要功能是去除空氣中的較大雜質(zhì)，避免其破壞靜電除塵的高壓組件。同時讓空氣均勻流通，從而保證空氣在通過靜電除塵器的橫截面時各點(diǎn)速度相同，使靜電除塵系統(tǒng)達(dá)到最佳工作狀態(tài)。

5.2 靜電除塵段

即利用高壓電場將氣體中的污染顆粒物與空氣分離的除塵設(shè)備，由電離段和除塵段組成靜電除塵器對PM10、PM2.5、PM1.0的收集去除，從而提高后續(xù)NO2的凈化效率，保護(hù)NO2凈化段。

靜電過濾器由過濾元件組件構(gòu)成，包括高壓電離和用于收集顆粒物質(zhì)的帶電集塵板部分。其使用高電壓使需凈化的空氣中包括亞微細(xì)粒在內(nèi)的顆粒物帶電。離子發(fā)生器裝置由激光切割板和與接地板交替的齒狀電離板組成，帶正、負(fù)電離子發(fā)生器雙點(diǎn)板的尖端出現(xiàn)電暈放電。帶電顆粒物捕捉在一連串的平行板上，這些平行板構(gòu)成該靜電過濾器的帶正、負(fù)電荷部分。此集塵板包含交流充電板和接地板。

靜電過濾器主要分為以下兩個部分：第1部分是離子發(fā)生器部分。顆粒物通過一個靜電場時受到離子充電（充電區(qū)），在鋸齒離子發(fā)生器上使用高電壓，使其各尖端產(chǎn)生電暈點(diǎn)。第2部分是集塵板部分（集塵區(qū)）。此部分使各交替板帶有與顆粒物相同極性的電荷，從而使顆粒物進(jìn)入帶有相反極性電荷的第二套平板，以吸引并捕捉顆粒物。該部分適用范圍為5 ～7? kV的高直流電壓。

5.3 碳吸附過濾器

碳吸附過濾器主要用于處理隧道中的NO2，通過風(fēng)速0.5 m/s為最佳，接觸時間不宜小于0.1 s。NO2凈化段中采用的去除劑多為活性炭，這主要是由于活性炭表面分布有納米級的細(xì)孔，與氣體接觸的表面積極大，可吸附體積為自身體積數(shù)倍到數(shù)百倍的氣體。

活性炭吸附物質(zhì)主要分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附意味著在活性炭吸附過程中沒有發(fā)生化學(xué)變化?；钚蕴课锢砦酵殡S著放熱和壓強(qiáng)降低，因此加熱和抽真空會促使活性炭物理吸附－脫附反應(yīng)向脫附方向發(fā)展，反之，降溫和加壓會促進(jìn)活性炭物理吸附。

化學(xué)吸附則表示活性炭吸附物質(zhì)過程中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，被吸附物分子已經(jīng)經(jīng)由吸附轉(zhuǎn)化為其他分子。例如，活性炭對自來水中余氯的吸附即為化學(xué)吸附，次氯酸與活性炭骨架反應(yīng)生成HCl和CO2。

浸漬化學(xué)品（如酸、堿）的活性炭亦可實(shí)現(xiàn)化學(xué)吸附，通過化學(xué)品和目標(biāo)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以增加活性炭的吸附能力。通常這種情況下，活性炭吸附能力受到化學(xué)品負(fù)載量的限制。

5.4 大型軸流風(fēng)機(jī)

大型軸流風(fēng)選擇時與凈化污染物風(fēng)量相匹配，還需要考慮克服預(yù)過濾器、靜電除塵段、氣體處理段、消聲器以及風(fēng)閥所產(chǎn)生的阻力，運(yùn)輸以及檢修的高度等問題。在實(shí)際工程中應(yīng)選用大型軸流風(fēng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，可節(jié)約能耗。

5.5 粉塵清洗裝置

自動清洗系統(tǒng)為預(yù)過濾器、靜電除塵器提供清洗服務(wù)，能夠完全地自動化運(yùn)行，自動清洗系統(tǒng)與預(yù)過濾器、靜電除塵器和后置過濾器的支撐構(gòu)架相結(jié)合。水洗過程在過濾器前后方同時進(jìn)行，自動清洗系統(tǒng)的附加節(jié)式支架按常規(guī)操作適應(yīng)支撐構(gòu)架。清洗程序開始，會防止清洗廢水飛濺弄臟墻壁，保護(hù)過濾器。

5.6 污水處理裝置

污水處理裝置能沉淀雜質(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，使得水可以循環(huán)使用，有利于保護(hù)環(huán)境。

預(yù)過濾器、靜電除塵器和后置過濾器清洗廢水使用后含有殘留雜質(zhì)，主要成分為淤泥、道路粉塵和碳粉顆粒。這些殘留物使用廢水處理系統(tǒng)去除，處理后水質(zhì)可以達(dá)到再次用于靜電除塵的標(biāo)準(zhǔn)，清洗廢水不需要排放至外部。

5.7 自動控制系統(tǒng)

空氣凈化控制系統(tǒng)用于控制空氣凈化站內(nèi)的靜電除塵器、自動清洗系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、大型風(fēng)機(jī)、組合風(fēng)閥等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)隧道空氣凈化系統(tǒng)的全自動運(yùn)行、監(jiān)測和維護(hù)。接收并執(zhí)行隧道控制中心的指令，反饋設(shè)定的信息，同時可以在觸摸屏上控制、維護(hù)、配置和檢查等。

6 結(jié)束語

本文以深圳市某新建隧道工程為例，對隧道空氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：第一，污染物濃度跟隧道內(nèi)行車種類、行車速度及基準(zhǔn)排放量有關(guān)，隨著電車的日益增加，污染物排放濃度將進(jìn)一步下降。第二，隧道的污染物處理方式應(yīng)該根據(jù)隧道的自身特點(diǎn)決定，應(yīng)結(jié)合周邊環(huán)境要求、地理位置、相關(guān)部門要求以及造價(jià)決定適合自身特點(diǎn)的處理方式。

參考文獻(xiàn)

[1] 《中國公路學(xué)報(bào)》編輯部.中國隧道工程學(xué)術(shù)研究綜述·2015[J].中國公路學(xué)報(bào)，2015，28（5）：1-65.

[2] 張迪.盾構(gòu)法道路隧道運(yùn)營通風(fēng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2014，34（11）：1062-1070.

[3] GB18352.6—2016，環(huán)境保護(hù)部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2016.

[4] 林炎頃，常軍，李雁，等.公路隧道旁通式凈化站氣流組織數(shù)值模擬及凈化效果分析[J].隧道建設(shè)，2017，37（6）：684-690.

[5] 王平，楊嘉楠.城市隧道運(yùn)營通風(fēng)與凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討[J].現(xiàn)代交通技術(shù)，2021，18（6）：71-76.

[6] 劉曉陽.隧道空氣凈化系統(tǒng)技術(shù)綜述[J].市政技術(shù)，2019，37（3）： 112-116.