城市地下道路污染物排放控制标准研究

2015-11-28范益群

城市道桥与防洪 2015年12期

关键词：排放口敏感点空气净化

范益群,倪丹

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海市200092)

城市地下道路污染物排放控制标准研究

范益群,倪丹

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海市200092)

城市地下道路中由机动车排放的污染气体,无论是通过高风塔排放,还是经由道路隧道排放口通风排出,都会对周边环境空气质量造成负面影响。随着国内相关规范的出台和人们对大气环境关注度日益提升,对城市地下道路中的空气污染物进行净化处理已经成了大势所趋。现着重论述道路隧道排放口污染物排放标准提出的意义、制定方法和指标,以及其对地下道路空气净化技术的指导作用等方面内容,以供同行探讨。

地下快速道路;空气净化技术;隧道排放污染物排放标准

0　引言

城市地下道路对缓解日益拥堵的公共交通起到了积极的作用,同时也减轻了机动车尾气对城市大气环境的污染。机动车在交通阻滞情况下污染气体的排放量是其正常行驶中的数倍,地下快速道路不仅改善了交通阻滞、拥堵,半封闭的结构也使得其内部的污染空气更容易被集中处理「1],两相叠加的环境效益尤为显著。

然而,也正是由于地下道路均为半封闭结构,车辆行驶产生的污染物如果得不到及时的排放和处理,将严重影响隧道内驾乘人员的行车安全和身体健康。机动车污染物主要有一氧化碳(CO)、碳氢化物(HC)、氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)、臭氧(O3),以及可吸入颗粒物(PM10,PM2.5)等。其中,高浓度一氧化碳和氮氧化物通过协同效应,容易导致驾驶员生理反应能力下降、神志不清、精神涣散乃至昏睡,危害到驾乘人员的健康和交通的安全「2]。近年来各大城市的雾霾天气也使得颗粒物成为了全民关心的空气质量指标。

为了应对地下道路内空气污染的问题,欧美许多国家在逐步完善大气环境质量标准的同时,也对隧道内的空气污染物浓度制定了标准,并逐步开发隧道通风和空气净化技术以达到标准的要求。中国对公路隧道环境污染物浓度设计限值的研究工作起步较晚,较早规定公路隧道内的污染物浓度设计限值较低。按照该标准设计,国内传统的长大隧道必需每隔一定距离设置一定的高风塔,不但影响了景观,其集中排出的机动车辆废气影响周边环境的品质。如规划设计中的武汉东湖隧道和上海北横地下通道,地处国内知名风景区或者是国际化大都市,无论出于市容、景观考虑还是对于空气环境质量的要求,都不适宜采用高风塔直接排放。

因此,国内虽无地下道路采用空气净化系统的先例,但总体趋势已经明确,开展空气净化相关技术的研究也是十分有必要的。隧道空气净化系统所涉及的研究内容主要包括空气污染物浓度的控制标准,隧道空气净化技术、隧道空气净化系统的运营及维护等,本文将重点讨论中心城区地下道路污染物排放控制标准问题。

1　城市地下道路污染物控制标准现状及存在问题

1.1道路隧道内污染物控制标准

道路隧道内污染物浓度设计限值,是隧道工程设计中的一个重要依据。特长公路隧道设计中采用的污染物浓度设计限值的大小,不仅影响隧道环保或通风设施的投资规模,而且影响到隧道建成后这些环保设施的营运费用「3]。

世界上第一座采用机械通风隧道是纽约霍兰(Holland)隧道,采用的CO浓度限值为400 ppm (500 mg/ m3)。20世纪60年代初期,考虑到柴油发动机货车和大客车尾气排放对隧道内能见度的影响,美国将CO浓度设计限值定在200～250 ppm (250～312.5mg/ m3)之间。1975年,美国环境保护局(EPA)对公路项目进行环境影响回顾和研究后,颁布了一个环境标准补充文件(导则):对于低海拔公路隧道,如果暴露时间不超过1 h,采用125 ppm 156.25 mg/ m3)CO浓度限值,之后该值被广泛用作低海拔高度(低于1 500 m)公路隧道设计标准值,同时也被美国联邦公路局(FHWA)所采用。到989年,在隧道设计中开始考虑人在隧道污染环境中暴露时间长短的问题,美国联邦公路局和美国环境保护局联合颁布一个根据暴露时间对应的CO浓度限值的修订导则,同时废止了1975年的导则。在该新修订导则中,对于暴露时间为15 min时,最大CO浓度允许值为120 ppm,对于暴露时间大于15 min时,提出了更严格的限值标准,如0 min为65 ppm(81.25 mg/ m3)。

世界道路协会(PIARC)推荐的公路隧道内污染物浓度限值也经历了不断严格的过程。1971年IARC推荐隧道在正常营运状态下,CO允许浓度为50(187.5 mg/ m3)ppm,而到1991年,当暴露时间为15 min时,CO允许浓度为125 ppm(156.25 mg/ m3),而最新规范根据交通情况来区分,正常交通时5 ppm(93.75 mg/ m3),交通阻滞时215 ppm 268.75 mg/ m3)「4]。

1985年,交通部颁布的《公路养护技术规范》JTJ 073285)规定公路隧道内的CO浓度标准为00 ppm(125 mg/ m3)。那时的CO设计限值已与发达国家标准接近。1990年,中国行业标准《公路隧道设计规范》(JTJ 026290)规定:在公路隧道正常营运时,CO浓度限值为150 ppm(187.5 mg/ m3);而发生事故时,短时间(15 min)内CO浓度标准为50 ppm(312.5 mg/ m3)。1999年交通部颁布的《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ026.1-1999) 对公路隧道内CO设计浓度作出了规定:采用横向或半横向通风时,CO设计浓度为250ppm(312.5mg/ m3)长度≤1 000 m)和200 ppm(长度≥3 000 m),采用纵向通风时的CO设计浓度为300 ppm(375 mg/ m3)长度≤1 000 m)和250 ppm(长度≥3 000 m),当发生交通阻滞时,浓度可达300 ppm(375 mg/ m3)。014年《公路隧道照明设计细则(替代JTJ 026.1-999)》(JTG/T D70/2-01-2014)规定:CO设计浓度为150 ppm(187.5 mg/ m3)(长度≤1 000 m)和100 ppm长度≥3 000 m),当发生交通阻滞时,浓度可达50 ppm(187.5 mg/ m3),同时经历时间不超过20 min。

1.2环境空气质量的标准

目前,在国际上,加拿大大气环境标准中1 h CO和NOx的浓度最高分别为13 ppm(16.25 mg/m3)和 240 μg/m3,隧道内标准 CO为 1 h最高1 ppm(38.75 mg/m3),是大气标准的2.4倍。英国大气环境标准中1 d CO和1 h NOx的浓度最高分别为10 mg/m3和240μg/m3,隧道内标准CO为1 d最高42 mg/m3,是大气标准的4.2倍。澳大利亚大气环境标准中1 d CO和1 h NOx的浓度最高分别为10 mg/ m3和240μg/m3,隧道内标准CO为每2 h最高30 mg/m3,是大气标准的3倍。亚洲地区,日本大气环境标准中1 h CO和1 d NOx的浓度最高分别为23 mg/m3和113 μg/m3;韩国大气环境标准中1 h CO和NOx的浓度最高分别为28 mg/m3和188 μg/m3。此外欧盟、世界卫生组织等也有各自的标准。

道路隧道污染物向大气中排放将影响隧道周边的大气环境,我国2012年制定了新的《环境空气质量标准》(DB3095-2012),规定了NOx、SO2、O3、CO、PM10、PM2.5等污染物的最新环境浓度标准,其中1级标准对1 h CO、NOx、SO2的要求分别为10 mg/m3、200 μg/m3和 150 μg/m3,对于颗粒物 PM2.5和PM10的控制要求为 1 d 平均不超过35 μg/m3和50 μg/m3。

1.3存在问题

根据前述分析,我国隧道内的污染物浓度控制标准较发达国家明显宽松(2014年版趋于严格)「3],隧道内的污染物直排会影响大气环境,而高空排放则要设置高风塔破坏景观环境,这也导致了隧道附近居民和企事业单位的不满,这方面所产生的社会纠纷问题不胜枚举。此外,随着城市人口和机动车保有量的急剧增加,尾气排放对大气污染的影响越来越受到人们的重视。根据上海市环保局2015年1月发布的统计资料,上海市城区大气污染物中,外来污染源占30%,在当地污染源中29.3%为机动车等尾气排放造成,也即总量的21%左右是由当地机动车等尾气排放造成的。如果单从数字比例还不足够说明问题,近年来北京、上海等大城市频发的雾霾天气让每一个普通市民都明显感觉到了空气污染的严重性,而雾霾正是由于汽车尾气中的可吸入颗粒物所造成的。

在这种紧迫的形势下,除了考虑城市道路隧道对路面交通的分流、加速、疏通已经可以起到一定的减排作用之外,进一步将考虑通过在隧道内设置空气净化设备,将隧道内空气净化后排放到大气中,对改善城市空气环境质量的贡献将是十分巨大的。换一个角度,就我国大型城市的现状来看,隧道中的污染空气经净化系统处理后再经由排风口排出,其质量极有可能还高于排风口周边的原有大气质量,对促进社会和谐同样颇有益处。由此可见,城市道路隧道实施空气净化系统从长远来看,是势在必行的。

2　城市地下道路污染物排放口控制标准的提出

2.1提出源由

隧道排放口的污染物排放控制一般依照《环境空气质量标准》(GB3095-2012)规定的环境浓度标准为落地浓度,而实际中隧道污染物一定高度排放后经过了在大气中的扩散行为、大气化学反应过程才扩散到地面,此外,污染物落地最大浓度,以及最大浓度的落地点位置与排风量、排放速率、环境风速有直接关系。因此,为了合理处理隧道污染物净化和排放的问题,对地下道路污染物(尤其是CO)排放的控制要求,需要将其在大气中的扩散行为、大气化学反应过程与《道路隧道空气污染物净化设备净化效率的评价方法》和最新的国家《环境空气质量标准》结合起来进行分析确定。

2.2城市地下道路污染物排放口控制标准的制定

2.2.1城市地下道路排放口不同污染物扩散规律研究

通过对地下道路隧道排放口考虑大气化学行为的CO、NOx、PM2.5等污染物扩散规律研究所进行的分析、模拟、计算,对地下道路的废气排放,确定排放口与敏感点之间的距离、排放口的高度是决定地下道路排放口允许排放量的主要因素。

2.2.1.1CO

对上海城市中心某越江隧道进行分析,在选择合适的参数值的情况下,模拟不同环境风速下的CO的扩散情况,可以发现CO最大落地浓度均低于0.850 mg/m3,能达到空气质量二级标准且相对较小,同时在这种情况下根据CO在不同的最大落地浓度值以及一定范围(等效面积为直径为30～50 m的圆)内超标的情况下,来反推隧道内的最大排放量。从而计算得到的隧道内CO的浓度远超过了隧道内的限值,因而,可以认为在这种条件下,隧道内CO最大浓度符合标准时,通过风塔排放到地面的CO 落地浓度也是符合环境空气质量标准的。

2.2.1.2PM2.5

类似的,PM2.5的最大落地浓度仅为2 μg/m3左右,几乎对周围环境没有影响。反推隧道内的最大PM2.5排放量,计算得到的隧道内PM2.5的浓度也很大,若隧道内PM2.5最大浓度符合标准的话,那么通过风塔排放到地面的PM2.5落地浓度也不会很大。

2.2.1.3NOX

对于氮氧化物来说,由于存在大气化学反应,考虑经风塔排放出来的NOX会与周围空气进行反应,因而在模拟时要把背景浓度值计算进去,且认为隧道内NO2占NOX比重在10%～30%之间。在一定的污染源、环境背景以及气象条件下,得知NOX的最大落地浓度符合环境空气质量标准或存在一定范围内的超标时,隧道内的最大排放率在4～4.6 g/s,浓度约为20 ppm(42.86 mg/m3),而此时隧道外NO2和 NO的最大落地浓度在 0.120 mg/m3和0.130 mg/m3左右。可见在NOX接近或超过限值时, NO2是符合标准的,虽然在环境空气质量标准中没有NO的规定值,但也可以认为此时的NO浓度也是过高的。

2.2.1.4讨论

从CO和颗粒物的落地浓度来看,采用低风塔的高度时,也是符合标准的。但是,两者的区别在于周围环境产生的PM2.5浓度相对较大(在监测的24日16:00～25日13:00的均值就为80 μg/m3,高峰值则达到了150 μg/m3),尤其是在冬春季节,日均值时常超度二级标准限值,而在正常情况下通过隧道风塔排放的PM2.5对周围环境的影响较小,所以对于这一区域PM2.5浓度要符合标准的话,不仅仅是考虑隧道内排放的对外的影响,更要考虑到周围环境的产生量。

当降低风塔的高度时,NOX在隧道内的最大排放量约为1.5 g/s,隧道内的浓度在8 ppm(17.14 mg/m3)左右,经过模拟计算该情况下隧道内NO的浓度也在8 ppm(16.25 mg/m3)左右。这一浓度限值显然已远超隧道内的标准。

2.2.2城市地下道路污染物排放口控制标准的制定

通过以上计算分析得出不同排放口高度和不同敏感点与排放口的距离下的隧道排放口空气污染物值。在实际应用中,对上述数值需要乘以一定的系数。选择系数所要考虑的因素为:(1)减少排放口的排污数量,控制排污总量;(2)敏感点位于近距离时的排放口可排量可适当加大,敏感点位于远距离时的排放口可排污量可适当减小。据此,得出隧道排放口空气污染物控制值如下「3]:

(1)当敏感点与排放口的距离为20 m时,不同高度的排放口允许的排放量见表1所列。

(2)当敏感点与排放口的距离为50 m时,不同高度的排放口允许的排放量见表2所列。

(3)当敏感点与排放口的距离为80 m时,不同高度的排放口允许的排放量见表3所列。

表1　当敏感点与排放口的距离为20 m时,不同高度的排放口允许排放量一览表

表2　当敏感点与排放口的距离为50 m时,不同高度的排放口允许排放量一览表

表3　当敏感点与排放口的距离为80 m时,不同高度的排放口允许排放量一览表

在表1～表3中,敏感点与排放口的距离为20 m即表示允许在排放口周围20 m范围内的空气质量超标;排风口等效面积4 m×4 m、排风量为100 m3/s、排风口气体温度为25oC,环境风速为1 m/s。

上述结果来源于建设的上海市北横通道工程的研究成果,要强调的是这里“25及以上”是将25 m以上排放口统一用25 m的排放口标准控制,主要是为了限制城市中心区高风塔的设置以及为了限制污染物的排放总量和排放口污染物的影响范围,这对相类似的工程有借鉴意义。对于尚在方案设计阶段的工程来说,可以指导进行废气排放方式的选择;而当工程进入到设计阶段时,由于各工程的差异性,必须进行有效的模拟方可对废气的扩散分布有较深入的了解,所以设计阶段的环境评价是必须的。

3　标准对地下道路空气净化技术的指导

3.1空气净化效率设计

道路隧道内污染空气处理到何种程度才可以直接排放,决定于排放口的控制标准,因此排放口的标准与道路隧道空气净化效率有一直接的关系。

采用道路隧道空气净化系统所涉及的因素包括隧道排风量、空气净化装置的效率和隧道排放口的污染物排放标准。它们构成了一个隧道排放口的污染物排放的动态平衡系统。在这个系统中,隧道内污染物浓度控制指标决定了隧道内的排风量;隧道外敏感点与洞口的距离、环境空气质量标准(即污染物最大落地浓度)决定了隧道口排放标准;隧道内污染物浓度与隧道口排放控制标准的差值决定了所需空气净化设备的效率。由此可见,隧道排风量、空气净化装置的效率和隧道排放口的污染物排放标准之间存在一个函数关系,隧道空气净化优化设计即要确定了隧道排放口的污染物排放标准,隧道排风量和空气净化效率所构成三维坐标系中的最优点,见图1所示,而空气净化效率则决定了道路隧道空气净化装置的选型。

图1　道路隧道排放口排风量、空气净化装置的效率和隧道洞口的污染物排放标准关系示意图

3.2空气净化技术的选择

国内一些空气净化的新技术的研发已经起步,如重庆大学应用脉冲电晕放电技术,除能对一氧化碳(CO)进行脱除外,对其它污染物质如NOx、SO2等也能进行有效脱除,使隧道内空气质量达到环保要求;上海纳米技术及应用国家工程研究中心牵头的多单位共同开发了实现了集高效静电除尘- CO常温催化NOx和THC吸附净化为一体的技术,并建立了1万m3/h 风量中试模拟平台「5]。这些技术目前都还停留在试验室阶段,距离实际应用还有不小差距。面对国内规划设计中的多个地下快速路项目巫需配备空气净化系统的问题,引进国外先进技术是目前较为理想的选择。

目前国际上应用比较成熟的空气净化技术以静电除尘+吸收(或吸附)技术为主。一般而言,静电除尘可以去除90%以上的颗粒物,对PM2.5的去除率也在80%左右。颗粒物的去除提高了能见度,为地下道路安全行车提供了良好的视距。吸收(或吸附)技术对地下道路内的NOx和有机挥发物等有一定的效果,尤其对NO2的效果可达80%左右。

地下道路采用静电除尘+吸收(或吸附)的空气净化技术后,可有效地减少地下道路汽车排放对周边环境的影响,降低周边居民对地下道路建设的敏感度。

国际上将空气净化设施应用在工程的事例不少,但效果却并不完全相同。例如在挪威的莱达尔隧道,静电除尘的效率可达90%以上,而西班牙M30 隧道采用的静电除尘效率在70%～80%不等。究其原因,主要是工程初期的筹划及方案的落地等问题。莱达尔隧道在设计过程中很好地贯彻了方案阶段的思路,气流很顺畅地经过空气净化装置得以净化;而M30在工程实施过程中碰到了一些比较复杂的问题,为了工程的可实施性牺牲了一部分的净化效率。而澳大利亚M5隧道的NO2去除率在初期达到了80%以上,后期降到55%左右,经过设备的维护改造,又将效率提高到80%以上。究其原因,主要是随着设备运行时间的延长,设备在结构设计上的一些问题得以暴露,一些结构设计的瑕疵导致污染空气从旁通道未经净化而流出。