地铁颗粒物污染现状和排除技术研究进展

南春子 何冠鸿 麦婵妹#

(1.华南农业大学资源环境学院，广东 广州510642；2.广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510010)

随着世界城市化进程加快和经济繁荣发展，城市人口密度不断增长，公众对快速交通的需求也在持续增长。城市地铁作为大型城市群中最清洁的公共交通之一，能够改善地面交通状况，减少能量消耗和城市污染，带来显著的社会效益和经济效益[1]。近年来，我国各大城市地铁建设逐步进入快速发展的轨道[2]844，截至2018年12月底，我国(含港澳台)建成投运地铁的城市已达36座，运营里程达到5 582 km，运营线路共174条，日均客流超过7 000万人次[3]。

大多数地铁站台位于地下，空间相对封闭，自然通风不足，且人群密集，内部污染源较多。地铁内空气污染物主要包括颗粒物(PM)、芳香烃、金属羰基化合物、悬浮细菌等，其中PM是主要污染物质之一[4]。地铁列车在有限空间里高频率运行，内部产生的PM在地下车站内不断积累，如果没有良好的排除措施，高浓度PM将会影响乘客健康[5]262。鉴于此，国内外许多学者针对城市地铁PM进行了大量研究。欧美的地铁建成很早，欧美学者对地铁PM的关注点更多集中在所含污染物种类及对人体健康的影响上[6-9]。韩国首尔地铁是亚洲最早建成的地铁线路之一，韩国已对地下空间内(包括地铁站台)的空气质量进行立法保护，针对首尔地铁内PM浓度分布和影响因素的研究多有报道[10]740。目前，我国有关地铁内可吸入PM的研究主要集中在北京、上海，其他城市的相关研究较少[11]。本研究通过文献查阅，调研了世界部分城市地铁车站内PM污染现状和分布特征，分析了地铁PM浓度的影响因素，探讨了控制地铁PM的传统技术和新型技术，为未来有效控制地铁空气质量提供了思路和参考。

1 地铁PM的特征和来源

地铁PM与室外大气中的PM在数量、质量、浓度和化学成分等方面都有很大不同[12]。地铁PM外部源是室外环境的污染空气(如汽车尾气等)，由乘客携带或在通风系统作用下进入地下空间。地铁PM内部源主要是隧道内刹车片、车轮、轨道之间机械摩擦和磨损所生成的微粒[13]。COLOMBI等[14]170研究发现，地铁站台内由车轮、轨道和刹车片之间的磨损所产生的Fe、Mn、Sb和Ba的氧化物占粗颗粒(PM10)的40%(质量分数，下同)～73%。这些微粒在隧道中不断积累，在气流的作用下扩散到站台和列车中，使得地铁的空气质量变差。地铁中产生的微粒都有金属特征，其中Fe是最常见的地铁PM金属，此外还混合有其他微量元素，如Ca、Al、Mg、Mn、Zn、Cu、Cr、Ni、Pb等。表1为米兰[14]173及德黑兰[15]主干地铁线路站台的PM10及金属质量浓度检测结果，可以看出两城市地铁站台空气中Fe元素分别占PM10的32.47%、41.14%，说明Fe是组成地铁PM的主要成分。JUNG等[16]2292也测得首尔地铁站内空气中Fe微粒占总微粒的75%～91%。

表1 地铁站台PM10及金属元素平均质量浓度

表2 世界部分城市地铁PM质量浓度

人体暴露在PM中会增加呼吸道和心血管相关疾病的风险，而地铁PM对人们的健康危害较室外大气PM更大，其遗传毒性和引起肺组织氧化压力的可能性分别是室外大气PM的8倍、4倍[17]。频繁搭乘地铁，长时间暴露在地铁空气中，可能引起慢性健康问题[18]720。对于敏感人群(如儿童、老人、有呼吸疾病的人群等)，短时间搭乘地铁也可能受到健康损害[19]。

2 地铁PM的浓度分布

地铁PM浓度变化范围较广，浓度水平与测量地点有关，一般情况下地铁PM分布规律为隧道>站台>站厅>地面，车厢内由于有空调过滤系统，PM浓度小于隧道与站台[20-22],[23]123。我国《地铁设计规范》(GB 50157—2013)规定，地下车站公共区空气中PM10的日平均质量浓度应小于250 μg/m3。目前我国尚没有针对地铁环境中的细颗粒(PM2.5)给出评价标准，本研究以《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)中PM2.5二级标准(75 μg/m3)来评价地铁中PM2.5的污染水平。由表2可以看出，我国城市地铁中PM10浓度尚在允许范围内，但是PM2.5超过75 μg/m3，污染较为严重。MARTINS等[18]715-718研究发现，通风和空调系统对PM10的去除效果更好，使得相对较细的PM2.5留滞在地铁内。樊越胜等[23]123研究发现，空调系统对PM10的过滤效率高于PM2.5，地铁车厢内PM2.5/PM10平均值高于站台，因此地铁PM2.5的防治是未来主要研究方向。

工作日乘客人数和列车发车频率与周末差异较大，导致不同时段地铁PM污染情况也有所差异。以斯德哥尔摩[29]和巴黎[30]地铁线路为例，两城市在不同时段的地铁PM浓度见表3。可以看出，周末地铁站台内PM浓度比工作日更低，且运行高峰期比非高峰期浓度更高。

表3 不同测量时段的PM10质量浓度

不同季节地铁站台PM浓度测量结果汇总见表4。可以看出，冬季地铁PM浓度最高，秋季次之，夏季最低。这是由于夏季空调系统开启运行，通风换气强度增大，PM排除效率较高[33-34]。

表4 不同季节的地铁PM质量浓度

3 地铁PM影响因素

地铁中PM的浓度和化学成分取决于多种因素，如室外大气污染水平、地铁站的深度、站台和隧道设计、隧道长度以及车轮、轨道、刹车片等材料的成分，乘客密度、屏蔽门形式、通风和空调系统、清洁频率、使用年限以及操作条件等也会对PM产生影响[31]295-296。

3.1 室外大气PM污染水平的影响

WOO等[10]744-748测量了首尔地铁隧道内的PM浓度，发现PM1主要受到室外环境空气的影响，而PM2.5、PM10受室外环境空气的影响相对较小，机械通风很难降低PM10、PM2.5浓度。LEE等[25]研究发现，首尔地铁站内PM10浓度和室外大气环境中的PM10浓度几乎不相关，主要受到内部污染源的影响。另外一些学者的研究结果则与上述结论不同。KWON等[31]298-300认为室外环境中的PM10是控制地铁内PM浓度的最重要因素，需要在室外空气进入地铁最少化和地铁内空气净化之间保持平衡。程刚[5]263-265选取北京、上海和广州3个城市10条地铁线路作为研究对象，发现决定地铁车厢内PM2.5浓度的主要因素是大气环境中PM2.5水平。樊越胜等[23]121-123监测分析了西安地铁2号线车站的PM污染水平，发现PM10与室外环境有强烈的相关性，PM2.5与室外环境有较弱的相关性。

3.2 客流量的影响

卓思华等[27]测量了北京4条地铁线路的PM浓度，发现不同线路车厢内PM2.5、PM10浓度存在组间差异，地铁通风空调系统和客运量是产生组间差异的主要原因。然而，程刚[5]265认为客流量对地铁车厢内PM2.5的影响并不显著。

3.3 屏蔽门的影响

部分学者认为屏蔽门能阻止隧道空气进入站台，从而降低站台上平均PM浓度，对改善地铁空气质量有利[2]846-847。KIM等[35]研究发现，屏蔽门可使站台PM10浓度减少16%。JUNG等[16]2288研究发现，隧道内产生的含铁颗粒在屏蔽门安装后大幅减少。然而，还有一些学者认为地铁内安装屏蔽门对隧道PM的排除和地铁空气质量改善不利。KWON等[31]300研究发现，即使地铁站安装了全高屏蔽门，仍然无法避免隧道内的PM10扩散到站台。SON等[36]41-42研究发现，地铁屏蔽门安装后，PM和气流被限制在隧道内，地铁线路车厢内的PM10浓度增加了29.9%～103.0%。

3.4 地铁车站埋深、站台设计及通风系统的影响

地铁站越小、越深，其与外界空气的交流就越困难，污染物缺少有效的扩散和排除途径，地铁PM浓度越高。MORENO等[37]发现，地铁站台PM浓度最大值在站台的两端，而不是站台中间，并且地铁入口布置对站台PM浓度分布有较大影响。乘客进入地铁时将外面更洁净的空气带入地铁站，稀释了站台PM浓度，地铁入口布置在站台两端比布置在站台中间的稀释效果好，而且地铁入口布置在列车驶入端比布置在列车驶离端的稀释效果更好，说明地铁车站的设计对于PM浓度的高低有很大的影响。

4 地铁PM的排除方法

目前有关地铁PM的研究主要集中在PM的污染程度、PM组成以及对健康的损害上。为了更有效地控制地铁PM，有必要研究PM的分布特征，寻找有效排除地铁内PM的方法。

4.1 通风系统

地铁内的空气质量受到通风系统的极大影响，高效的通风能保持良好的室内空气质量。新建地铁基本都采用机械通风方式，地铁隧道中风井和风口的大小、形式、位置等是影响机械通风效果的因素[38]。SON等[36]43-44研究发现，在机械通风系统作用下，隧道中PM10质量浓度能降低到150 μg/m3以下(韩国室内空气质量标准上限)。HONG[39]研究发现，每当风机的空气流速增加10 000 m3/h，隧道中PM10质量浓度就会降低6 μg/m3；当空气流速达到340 000 m3/h，PM10质量浓度可保持在150～170 μg/m3。

然而，机械通风系统能耗占地铁运行总能耗的14%～35%，QUAN等[40]在首尔地铁站的通风机上安装了变速发动机，根据地铁内历史环境数据以及室外天气预报预测地铁内的PM浓度，从而决定风机的变速操作。各种人工智能和自动控制系统已被用来降低地铁通风系统的能量消耗[41]1054-1055。人工智能通风系统考虑了外界空气、列车操作等环境因素，能在改善地铁空气质量的同时减少能耗。

4.2 清洗车和吸尘车

通过隧道喷雾清洗地铁列车可使PM迅速沉淀，对粒径小的PM有一定的移除效果。然而，清洗地铁列车只能在晚上短时间运作，费用较高(水费、运费以及人工费)[42]，且经过喷雾清洗后，空气干燥时粒径小的PM还会因为列车运行和工作人员的活动而再次分散。KIM等[43]认为，即使每天清洗，该项措施对降低PM10浓度的效果仍然有限，性价比较低。

吸尘车不仅能将PM吸走，而且可把塑料袋、易拉罐、烟头等垃圾吸走。但吸尘车造价较贵，并且清洁时间有限，只能在地铁列车停运时操作，不能长时间连续用于PM清除。

4.3 过滤器

过滤器能显著降低地铁内粒径小的PM的浓度，常用的过滤器有织物面板过滤器、纤维束过滤器、纤维过滤器等。部分研究利用地铁PM含铁量高的特征，用电磁铁和永磁体来排除地铁PM[44]。SON等[41]1056-1058研究发现，当使用双磁铁过滤器时，PM10、PM2.5、PM1的排除效率分别是52%、46%、38%，并且粒径小的PM的排除效率是由磁铁过滤器的层数和通风机的频率决定的。目前，磁铁过滤器是通过高压喷雾进行PM清洁的，如果磁铁过滤器的磁力太强，含铁粉尘就很难清除。因此，有必要开发一种可根据需要开启磁性的过滤系统。

4.4 射流风机及除尘器

依赖自然通风的地铁隧道在排除污染物上具有局限性，射流风机常被用来辅助解决这一问题[45]。将射流风机安装在自然通风口，地下空间的空气在射流风的作用下排出到室外，由射流风机喷出来的空气体积增加，可使地下空间内部的PM10浓度大幅降低。

SIM等[46]提出在地铁列车底部安装一个挡板式除尘器来收集由列车车轮和地铁轨道之间摩擦产生的PM，进入除尘器的空气流量与列车速度有关。

5 结论与展望

(1) PM是地铁车站内的主要空气污染物，刹车、车轮、轨道及其他部件之间的磨损是PM的主要来源，Fe元素是组成PM的主要组分。地铁PM浓度高于室外大气，这对乘客及工作人员的身体健康不利。由于通风和空调系统对PM2.5的排除效率低，导致粒径相对较小的PM留滞在地铁内，PM2.5的防治是今后地铁PM控制的主要研究方向。

(2) 影响地铁PM浓度的因素有地铁站埋深、站台设计、隧道长度、通风和空调系统等。对于室外大气PM污染水平、客流量、屏蔽门等因素的影响，不同学者得出的结论有不同之处。目前针对地铁内部源PM产生运移机理的研究很少，如何获得地铁隧道PM产生运移机理，定量分析影响地铁PM浓度的关键因素，有待进一步研究。

(3) 地铁内的空气质量受到通风系统的极大影响，通风耗能在地铁运行总耗能中占比较大。地铁通风设计主要考虑温度、湿度等因素，极少考虑PM，在地铁实际运营中PM排除效率较低。以降低地铁PM为目标，提出行之有效的通风优化策略，是地铁环境污染控制需迫切解决的重要问题。

(4) 目前关于地铁PM的研究主要集中在地铁PM的浓度分布和组成上，对地铁PM浓度的时空分布规律以及关键影响因素的认识还停留在定性描述水平，对如何有效降低地铁PM浓度的研究还不够深入，仍需积极探索有效排除PM的方法。现有的地铁PM排除方法都存在一定缺陷，未来应重点研发变频风机、地铁PM预测模型、除尘器、射流风机、自动控制系统和人工智能系统等，在实验室或试验点研究的基础上，逐步开展地铁PM防控的实地研究。