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行介紹，探究隧道內污染物排放量以及污染物處理的所需風量的計算方式，并總結常見的集中污染物處理方案，重點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的行車種類、行車速度以及基準排放量等相關，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。

關鍵詞：污染物處理方案；污染物濃度；基準排放量

中圖分類號：U453.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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注度逐漸提高，對于隧道洞口污染物的處理技術提出了更高的要求[2]。

污染物處理中，空氣凈化技術[3]是目前應用最為廣泛的污染物處理的技術，北京、深圳等多地隧道已經采用空氣凈化技術[4，5]。隨著研究深入，污染物排放量[6]的規(guī)律已經成為隧道洞口污染物處理的關鍵問題。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，成為隧道建設的關鍵問題之一。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，小客車專用通道設計車速為60 km/h，阻滯工況平均車速為10 km/h，計算長度不小于2 km，其余路段適當加大。設計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隧道，東西走向。上層通風區(qū)段4 119 m，其中盾構段3 599 m，西側暗埋段139 m，東側暗埋段381 m。下層隧道通風區(qū)段4 267 m，其中盾構段3 599 m，西側暗埋段287 m，東側暗埋段381 m。隧道橫斷面積盾構段上層54.8㎡，下層41.1㎡，暗埋段（西側）上層60.5㎡，下層46.3㎡，暗埋段（東側）上層40.0㎡，下層40.0㎡。隧道內CO正常交通下設計濃度為70 ppm，阻滯交通下設計濃度為100 ppm，養(yǎng)護維修設計濃度為30 ppm。隧道內煙霧設計濃度在車速60 km/h為0.0065 m-1，車速40 km/h煙霧設計濃度為0.0075 m-1，車速為10～20 km/h為0.0090 m-1。當煙霧設計濃度為0.00120 m-1，應采取交通管制等措施。隧道內NO2設計濃度為1 ppm。隧道換氣次數(shù)≥3次/h?？v向通風隧道斷面風速≥2.5 m/s，火災熱釋放率10 MW。

2隧道污染物需風量計算

《公路隧道通風設計細則》（JTG/TD70/2-02-2014）[7]中，煙霧排放量Qvi計算公式如式（1）：

（1）

式中，Qvi為隧道的設計年份基準排放量，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為隧道的設計年份基準排放量，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)、隧道的年份設計基準排放量以及車型交通量，其中設計基準排放量是隨著時間逐年減少的，隨著電動車的發(fā)展，基準排放量會逐漸變小，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。

經過計算，隧道的顆粒物需風量和CO需風量如表1、表2所示。從表1、表2中可以看出，CO的需風量是隨著年份和車速的增加逐漸減小的，而顆粒物的需風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，導致顆粒物需風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 風塔高空排放方案

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

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，將匝道口作為分散排放點，利用匝道火災工況所配置的射流風機可實現(xiàn)機械分散排放，削弱建設高風塔與城市景觀協(xié)調性的矛盾。分散排放方案造價低廉，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轉化為對人體、環(huán)境基本無害的物質。但是由于光觸媒無法去除顆粒物，所以暫時無法替代現(xiàn)有主流空氣凈化設備，只能作為輔助技術應用。

3.5 空氣凈化技術

采用空氣凈化技術是將高濃度的廢氣經凈化設備處理后排至大氣。此種方法造價相對偏高，歐洲、日本等地有較多應用。本工程隧道綜合了各方面要求，使用空氣凈化技術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置在與隧道平行的側面，隧道側壁設有進風口和排風口。污染的空氣經過進風口進入空氣凈化系統(tǒng)內，經過凈化之后通過排風口排回隧道。

4.2 吊頂式空氣凈化裝置

吊頂式空氣凈化裝置設置在隧道的頂部，隧道頂部設有進風口和排風口。污染的空氣經過進風口進入空氣凈化裝置內，經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空氣經過處理后，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量濃度越來越高，在計算達到污染物設計標準的位置設置排風豎井及空氣凈化處理站，隧道內空氣經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)主要包括預過濾器、靜電除塵裝置、碳吸附過濾器、大型軸流風機段、自動清洗裝置、污水處理裝置以及自動控制系統(tǒng)等。

5.1 預過濾器

預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，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速度相同，使靜電除塵系統(tǒng)達到最佳工作狀態(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NO2凈化段。

靜電過濾器由過濾元件組件構成，包括高壓電離和用于收集顆粒物質的帶電集塵板部分。其使用高電壓使需凈化的空氣中包括亞微細粒在內的顆粒物帶電。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、負電離子發(fā)生器雙點板的尖端出現(xiàn)電暈放電。帶電顆粒物捕捉在一連串的平行板上，這些平行板構成該靜電過濾器的帶正、負電荷部分。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，使其各尖端產生電暈點。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。

活性炭吸附物質主要分為物理吸附和化學吸附。物理吸附意味著在活性炭吸附過程中沒有發(fā)生化學變化。活性炭物理吸附往往伴隨著放熱和壓強降低，因此加熱和抽真空會促使活性炭物理吸附－脫附反應向脫附方向發(fā)展，反之，降溫和加壓會促進活性炭物理吸附。

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

浸漬化學品（如酸、堿）的活性炭亦可實現(xiàn)化學吸附，通過化學品和目標物質發(fā)生化學反應，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品負載量的限制。

5.4 大型軸流風機

大型軸流風選擇時與凈化污染物風量相匹配，還需要考慮克服預過濾器、靜電除塵段、氣體處理段、消聲器以及風閥所產生的阻力，運輸以及檢修的高度等問題。在實際工程中應選用大型軸流風機低速運轉，可節(jié)約能耗。

5.5 粉塵清洗裝置

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

5.6 污水處理裝置

污水處理裝置能沉淀雜質分離回收受污染的水，并進行有效殺菌消毒。可以自動化地進行廢水處理和循環(huán)利用，使得水可以循環(huán)使用，有利于保護環(huán)境。

預過濾器、靜電除塵器和后置過濾器清洗廢水使用后含有殘留雜質，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，處理后水質可以達到再次用于靜電除塵的標準，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的靜電除塵器、自動清洗系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、大型風機、組合風閥等設備，實現(xiàn)隧道空氣凈化系統(tǒng)的全自動運行、監(jiān)測和維護。接收并執(zhí)行隧道控制中心的指令，反饋設定的信息，同時可以在觸摸屏上控制、維護、配置和檢查等。

6 結束語

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)進行了分析，得出以下結論：第一，污染物濃度跟隧道內行車種類、行車速度及基準排放量有關，隨著電車的日益增加，污染物排放濃度將進一步下降。第二，隧道的污染物處理方式應該根據(jù)隧道的自身特點決定，應結合周邊環(huán)境要求、地理位置、相關部門要求以及造價決定適合自身特點的處理方式。

參考文獻

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