隧道空气净化系统处置技术现状及进展*

2023-10-20杨茗

广州化工 2023年10期

杨茗

(重庆新天地环境检测技术有限公司，重庆 401121)

近年来，随着城市化发展，城市隧道工程不断修建完善，但由于隧道是相对密闭空间，空气流通不畅，气体污染物不易于扩散[1]。隧道空气污染物为行驶机动车排放的尾气和扬尘，种类繁多，主要成份包括一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)、臭氧(O3)、挥发性有机化合物(VOCs)、PM2.5、PM10、数量不一的重烃和微量稀有气体等[2]。

CO和SO2通过协同效应，影响人体神经细胞正常工作，导致头晕和胸闷等不良反应；HC和NOx会损害视觉，同时造成光化学烟雾；PM2.5和PM10是燃料燃烧不完全的产物，其内含有大量粒径小的黑色碳颗粒会降低隧道内能见度，造成交通安全隐患[3]。

1 隧道空气净化系统处置技术现状

目前，国内外对于隧道空气污染物处置通常是采用增加竖井的自然通风以及安装废气净化设备的方式。自然通风法是设置高空风塔或地面风塔从隧道外部引进新鲜空气，然后将污染空气排出隧道外，但这种方式只能稀释污染物浓度，无法从根本上去除污染[4]；废气净化设备是通过测量及计算后根据实际情况在隧道内设计安装空气处置设施去除隧道内气体污染物。

挪威奥斯陆Festning隧道为三车道，全长1800 m，采用竖井式空气净化系统安装方式，从1989年开始施工到1990年建成，处理风量为600 m3/s，是国内外第一批安装空气净化系统的隧道。

韩国Chinbu隧道为两车道，全长2800 m，采用旁通式空气净化系统安装方式，于1999年完工，处理风量285 m3/s。该空气净化系统很好地保护了隧道一侧的动植物保护园区免予来自另一侧城市的空气污染。

西班牙马德里市M30隧道为两车道，全长2000 m，位于城市内环，采用竖井式空气净化系统安装方式，2007年完工通车，风量分别为694 m3/s和400 m3/s，为当时国内外最大的单体隧道空气处理站。

国内最常采用的是“竖(斜)井送排式+射流风机+ESP”系统净化隧道空气。

香港中环及湾仔绕道是我国隧道空气净化系统的首次实践运用，隧道空气通风净化装置采用半横向系统，分布在东、西、中三个方向的通风大楼内，隧道配备了抽风扇电动气闸以及静音器，另有感应器从温度、CO、NO2、风速和能见度等多方位监测空气质量水平[5]。净化系统包括静电除尘器和NO2过滤器两部分，每小时处理空气量达到540万m3，电动气闸将隧道内风扇带动的废气带入净化装置，处理后从通风大楼的排气口排出，由通风大楼排放的颗粒物及NO2可被过滤掉80%以上[6]。为保证设施的正常运行，香港路政署随时通过监控设备了解活性炭使用情况，定期更换过滤器装置，静电除尘器配备有自动高压喷水装置，用来清洗集尘器，清洗废水经过污水处置设施处理合格后循环使用。

长沙南湖路湘江隧道穿过湘江底部和潇湘大道，全长约2000 m，分为南面和北面两条线，建设有7条匝道和主隧道相连。湘江隧道采用全射流纵向式空气净化方式，采取多匝道出口来有效分散排放隧道污染物，不仅可以减少工程和运营费用，而且不会因为安装高排风塔影响到城市景观[7]。

四川省连接绵竹市河阿坝州茂县的绵茂公路篮家岩隧道，全长约8000 m，利用平导进行半横向式通风，对横通道设置进行了调整，使隧道前后两段回路更均匀，对风机布置进行了优化，更加合理分配了风量和风压。通过分析，选择最有利通风的位置，使运行过程中需风量、风压差、风机功率降到最低，达到节能降耗的目的[8]。

2 隧道空气净化技术

隧道空气净化系统主要分为污染物预处理、除尘器、风机、设备清洗装置、废水处理设施和自动控制终端六个部分[9]。

预处理器采用机械过滤器，通常为网格式或迷宫式结构，利用惯性原理从空气中分离2 μm以上颗粒，处理效率到达98%以上。低速运转的大型轴流风机抽取隧道中的污染气体，通过净化单元处理后均匀地排放出去。设备自动清洗系统包括水箱、清洗剂罐、加热罐、泵阀系统以及清洗过滤器的管路碰嘴系统，自动清洗后的水存放在污水槽内供循环净化使用。废水处理装置在远程监控下完全自动运行，能沉淀杂质分离回收受污染的水，并进行有效杀菌消毒。可以自动化地进行废水处理和循环利用。自动控制终端包括电源柜和主控制柜，根据不同隧道需求进行定制。

国内外对于隧道空气净化主要是以去除烟尘和NOx为目的，常用的处置方式为生物净化器、布袋过滤器、活性炭过滤器和静电除尘器。

2.1 生物净化器

生物净化系统是利用微生物处置降解的方式去除隧道空气污染物CO、NOx和粉尘，主要由加湿器和微生物滤池组成。生物净化器不使用有害及危险的化学药剂，而是通过生物自身的新陈代谢，使环境中的污染物数量减少、浓度下降、有害成分转化及分解。

生物净化器净化隧道空气主要有三个阶段。第一阶段：水溶渗透，污染物从气相转移到液相和固体表面液膜；第二阶段：生物吸收，液相或固体表面液膜的污染物被填料上附着的微生物吸附、吸收；第三阶段：生物降解，进入微生物细胞的污染物成分作为营养物质被微生物分解、利用，从而被去除。

隧道废气开始经过气体加湿装置去除大部分颗粒物质，同时进行温度和湿度的调节，接着通过气体分布器使通入的废气均匀地分布在滤床上，气体污染物与滤床微生物发生酶催化生化反应，分解转化为无害的二氧化碳、水和无机盐后排放回隧道中[10]。

生物净化器有是效的生物反应环境控制技术，处理方式简单、对能源的需求少、运行成本较低、维修保养方便，过滤用的滤料源于自然界，处理过程中不排出有害物质，最后的产物也是良性的，无二次污染，工程的实施安全可靠。因此生物净化器较其它技术有更广泛的影响力和适应性。

但生物净化器系统内部微生物活性受环境影响较大，处理效果不稳定，同时需要较长的气体停留时间，容易造成填料堵塞，因此生物净化器依旧处于研究阶段，暂时未投入实际运用。

2.2 布袋过滤器

布袋过滤器是分离、碰撞、截留和扩散等几种机制相互协作的结果，主要包括袋式滤芯、导流板、进气口和排气口，废气流通过滤料层来达到分离气体污染物的目的[11]。气体通过过滤器下部进入进气管后，通过导流板进入灰斗，由于导流板的碰撞和气体速度的降低，一些粗粒的灰尘落入灰斗中，粒径大于滤布纤维孔隙的颗粒物被拦截下来，细小的颗粒粉尘继续随着气体进入滤袋室，因为滤袋是纤维制的，通过纤维及织物的惯性、静电、扩散等作用，粉尘被阻流在滤袋内，净化后的气体从排气口出去。布袋过滤器中包括清灰装置，滤袋上的灰尘采用气体逆洗法以及喷吹脉冲气流等方式将灰尘清除掉。

布袋过滤器具备防腐蚀、耐高温、吸湿率低等特点，而且结构新颖、体积小、操作简便灵活、节能、高效、密闭工作、适用性强。在实际运用中操作简单，使用时只需将所需要细度等级的滤袋安装在滤筒内，检查O型密封圈是否完好，然后旋紧滤筒盖环形螺栓，即可投入工作。

但由于隧道空气污染物的特点是粒子浓度比较低、细颗粒物的粒径分布比较广，在实际运用中容易造成布袋过滤器的阻塞，而且传统的袋式过滤器，在经过长时间的使用后，清洗次数过多，使用的寿命也会减少，因此限制了布袋过滤器在隧道空气净化技术中的应用。

2.3 活性炭过滤器

活性炭过滤器是一种干式隧道空气处理设备，主要材质为颗粒炭、纤维炭和粉炭三类。活性炭过滤器工作包括了三个阶段：第一阶段是外扩散，即隧道污染气体扩散到活性炭外部；第二阶段是内扩散，即隧道污染气体在活性炭微孔中扩散到内部；第三阶段是附着吸附，即隧道污染气体在活性炭内表面被附着，NO2去除率可达到80%～85%[12]。

活性炭过滤器安装方便，占地面积小；吸附单元在设备箱体内分层抽屉式安装，能够非常方便从两侧的检查门取出，检查门开启方便、密封严密；适合处理常温、大风量、中、低浓度的隧道废气；装置比表面积大(1000～1500 m2/g)，微孔结构均匀的活性炭纤维为吸附材料，净化效率高，吸附材料填充量少；产品吸附、脱附时间短、速度快，回收的溶剂品质好；不产生二次污染，设备投资及运行费用低；吸附剂选用蜂窝状或柱状活性炭，具有使用寿命长、运行阻力低、净化效率高的特点；设备运行稳定，可靠，活动件少，检修系统配备完善，操作维修方便；整个运行过程中实现全自动化PLC控制，同时具备手动、自动两种操作方式，方便可靠；系统安全设施完善，配有阻火器，泄爆口，运行时出现的异常情况将报警并自动停机。

活性炭过滤器通常处理分子量大的气体、沸点高的气体或挥发性有机气体，吸附容量受到设备组成材料、吸附气体种类及浓度、气体在过滤器滞留时间、环境温度及适度的变化而影响，因此不适宜处理隧道空气。

2.4 静电除尘器

静电除尘器是运用较为广泛的隧道空气净化方式，是隧道空气经过高压静电场时粉尘等颗粒物被电分离，从而达到净化气体的目的[13]。静电除尘器简称ESP，使用模块化设计，可以满足不同截面下的风速和效率需求。ESP分为一段式和二段式，通常采用的是二段式ESP。

二段式ESP分为带电部和集尘部两个部分，分别由放电电极和高电压平板电极与接地平板电极交替排列构成[14]。隧道污染气体首先通过滤网被拦截粒径较大的颗粒；然后进入电极板，通在过两电极间加直流高压电形成电场[15]，电晕放电产生电晕区和电晕外区，污染气体分子被电离为正离子和负离子，少部分颗粒物与正离子结合进入电晕区沉积于放电极上，大部分颗粒物与负离子结合进入电晕外区，向阳极表面放电而沉积；当集尘板达到一定负荷时，清洗装置会自行启动洗净水泵，废水泵将清洗废水输送至安装好加压过滤设施的污水池，加压过滤设施将污水处理成达标废水和泥饼，废水回用，泥饼外运处置[16]。

3 隧道空气净化系统安装方式

国外隧道空气净化系统运用较为广泛，按照安装方式不同，主要分为吊顶式、旁通式和烟井式[17]。

3.1 吊顶式隧道空气净化系统

隧道上方空间结构通常是半圆柱面形，受顶部截面影响，要达到较好的净化效果，如果采用传统长方体结构净化器的方式，需要沿着隧道的中轴线安装多台净化设备，占用隧道空间较大且不利于设备维护和检修。

吊顶式安装是将隧道上部不规则结构隔离成净化室，射流风机与净化室接通，下面开设进风口和出风口，安装处理风量足够大的净化设备，净化设备的阻力较小，能够利用隧道低压力、大风量的射流风机，实现隧道内良好的空气净化循环效果[18]。

吊顶式隧道空气净化系统的特点主要是：(1)不占用额外空间，降低施工费用；(2)利用隧道原有射流风机风量，提高效率的同时降低风机能耗；(3)可根据实际要求在旁通隧道内设置相应数量净化设备单元；(4)留有设备维护和检修空间。

3.2 旁通式隧道空气净化系统

旁通式安装是通过在隧道行车主干道旁建造月牙镰刀形侧线通道，将空气净化装置安装在隧道旁路中，在隧道侧壁设置进风口和出风口，轴流风机装置将污染空气强制引入旁侧空气净化系统进行净化处理，然后回灌至隧道内，在不影响隧道内部空间的前提下提高空气质量、增加能见度[19]。

旁通式隧道空气净化系统的特点主要是：(1)气体净化后回流至隧道内，对风量的需求降低；(2)净化设备与隧道同层，有足够的空间便于安装；(3)维护和检修期间不影响隧道内汽车正常通行；(4)不需要单独设置竖井，减少了隧道建设中的施工量[20]。

3.3 烟井式隧道空气净化系统

烟井式隧道空气净化系统适用于长隧道，通常在长隧道中设计中，如果没有安装净化系统，需要建设较高的排风井，只有大于25 m/s以上的风速，才能达到有效扩散气体污染物的效果，但这种设计会大量增加风机能源消耗。若采用烟井式隧道空气净化系统，经计算，排风口高度设置在距离地面1 m以上，风速约为8 m/s就可达到排放标准。

隧道气体污染物质量浓度会随着纵向深入越来越高，在设计中，计算达到污染物设计标准的位置预留通风竖井，将空气净化设备安装在竖井的横截面上，烟气通过竖井向外排放的过程中经净化单元达标处理，减小对周边环境的污染[21]。

竖井式隧道空气净化系统的特点主要是：(1)避免烟气净化工程安装对现有隧道空间的影响，根据排放要求的不同灵活配置；(2)相同排风量下，可通过增加配置从而提高净化效率；(3)对隧道内设计格局影响较小，风机能源消耗较低；(4)出风口高度下降，从而减小净化后空气排放速度；(5)取消排风井，降低工程造价，利于工程实施。