不同清扫作业方式与道路积尘/扬尘的关系＊

张发闯，熊远明，杜成松，蒋 宇，汪永东，周 敬，印红玲

（1.成都市城市管理科学研究院，四川 成都 610015；2.成都信息工程大学资源环境学院，四川成都 610225；3.成都市机动车排气污染防治技术保障中心，四川 成都 610000）

0 引言

道路扬尘是城市空气中颗粒物的重要来源［1-3］。我国部分城市PM2.5和PM10源解析结果表明，扬尘源占PM2.5排放的5.0%～23.4%，占PM10排放的11.3%～60.0%［4-6］。从定义来看，道路积尘是指道路表面累积的尘土，扬尘则是指道路上的积尘在一定的动力条件（风力、机动车碾压以及人群活动［7-9］）下一次或多次被扬起并混合进入环境空气中形成不同粒径分布的颗粒物［10-11］。研究表明，道路积尘及扬尘中含有多环芳烃［12-15］、全氟化合物［16］、微塑料［17］、重金属［18-22］、病原微生物［23-24］等多种危害人体健康的物质。因此，有效降低道路积尘和道路扬尘量是提高城市居民生活品质及幸福感的重要环节。

目前，关于道路扬尘的研究主要集中在道路扬尘排放空间分布特征［25］、来源分析［9］和化学组分特征［26-31］的研究，有关交通［32-34］及施工［35］的研究较多，有关道路清扫保洁方式对道路扬尘的影响研究较少［36-38］。崔华胜等［37］针对北京市背街小巷开展了提升清扫保洁作业水平的方法研究，季明烨［38］分析了道路清扫保洁作业模式及控尘方案，但多限于理论研究，实测数据甚少。

本研究以成都市主城区内位于青羊区的光华北八路附近为研究区域，在充分调研成都市目前道路清扫保洁作业方式的基础上，根据HJ/T 393—1 km 左右。采样车均按照正常作业时靠近路沿侧以5～10 km/h 的速度进行路面清扫作业。采样车按照同样的行使速度在距离路沿约60 cm 处进行采样。抑尘车外形尺寸10 280 mm×2 520 mm×2 950 mm，2007 防治城市扬尘污染技术规范开展现场模拟实验实测多种清扫方式下道路积尘负荷（指单位面积道路内筛分粒径小于75 µm 的积尘的质量）及尘土量（指单位面积路面上残留的除可见垃圾以外的尘土及杂质的质量）。以模拟实验前实测的典型气象条件下的道路积尘负荷和尘土量为基准，计算其清除效率（指道路清扫作业后道路积尘负荷或尘土量/道路清扫作业前道路积尘负荷或尘土量），分析不同清扫保洁作业方式对道路积尘的削减影响，筛选出清洁效果好、对环境影响小的清洁作业方案，并对难清扫的道路积尘提出针对性的建议。同时，测定清洁作业时和清洁作业前后的路边大气颗粒物的质量浓度，计算道路清洁作业对周边环境不同粒径的大气颗粒物浓度的贡献率，即（清扫作业过程中大气颗粒物浓度-清扫作业前的大气颗粒物浓度）/清扫作业过程中大气颗粒物浓度×100%。研究结果可为成都市及其他城市精准治理道路积尘/扬尘提供科学依据，对推荐合适的清扫作业方式有较好的决策参考意义。

1 材料与方法

1.1 实验方法

采样系统由车辆、吸尘器、蓄电池、无线GPS 等组成，其中无线GPS 用于测量采样的道路长度。采样车在最外侧道路边缘低速（＜5 km/h）行驶，采样人员用真空吸尘器（伊莱克斯Z1750，吸尘头宽度约0.26 m）在距人行道1 m 左右的车行道吸尘。真空吸尘器采样有两种方式：①真空吸尘器和配套吸尘袋（已编号、采样前烘干并称质量）吸取道路积尘用于计算道路积尘负荷，如式（1）所示；②真空吸尘器和配套塑料盒吸取道路积尘用于再悬浮，以便分析道路积尘的粒径分布。采样期间使用美国TSI 粉尘测定仪采集大气颗粒物的质量浓度数据（总悬浮颗粒物TSP、PM10和PM2.5）。采样后的道路积尘用ZDA-ZXFCY 型颗粒物再悬浮采样器进行再悬浮得到不同粒径的颗粒物（PM2.5和PM10）分布。

式中：SL 为道路积尘负荷，g/m2；W为样品总质量，g；W20和W200分别为20 目和200 目筛和筛上物质量，g；M20和M200分别为20 目和200 目标准筛的净质量，g；S为采样面积，即吸尘长度与吸尘器宽度的乘积，m2。

1.2 实验方案

为保证所选择城市道路的典型性和代表性，经多方协商及实地考察后，选取位于成都市青羊区的光华北八路为主要实验路段，与之平行且条件一致的光华北六路为辅助实验路段，另外一条辅助实验路段为垂直的光华西三路。上述3 条路交通流量正常，均为青羊区的城市支路，双向四车道，路两侧有非机动车道；路旁有绿化带，无中央隔离带；两侧均无地面停车位占位，便于样品采集，车行道材质均为沥青（图1）。道路条件可比性强。

图1 采样路段作业实况Figure 1 Operation situation of sampling section

采样期间均为晴天，气温32 ℃左右，相对湿度64%，东北风2 m/s。每条路的实验路段总长度均为整备质量9 800 kg，最大功率180 kW，接近角/离去角为23°/11°，前悬/后悬为1 430 mm/2 855 mm，排量6 200 mL，洒水宽度14 m，洒水炮射程30 m，垂直吸程/自吸高度6.5 m，洒、冲水压力1.1 MPa，洒水量50 m3/h，扬程110 m，引水时间1.5 min/4 m，流量833 L/min。

在模拟实验开始前开展了预实验：在典型气象条件下，清晨道路未被环卫工人清扫前（表1）和清晨第1 次清扫后日常清扫保洁间隔期内（表2）分别使用自制的移动式道路积尘采样系统采集样品3 次，获得的当日清晨还未清扫时道路的积尘负荷及尘土量均较高，其平均本底值分别为0.121、1.180 g/m2；而道路日常清扫间隔期内的积尘负荷及尘土量较低，其平均本底值分别为0.056、0.601 g/m2。将此数据作为后续计算二次清除效率时的基数。

表1 未清扫前采样道路的本底值Table 1 The background value of the sampled road before cleaning

表2 日常清扫间隔期内采样道路的本底值Table 2 The background value of the sampled road during the daily cleaning interval

模拟实验的作业车辆为常用的高压水车及洗扫车，其中洗扫车在日常清扫时有干扫及洗扫两种作业方式。在调研成都市各区域日常清扫作业的基础上，设计了几种常用的清扫保洁作业方式，并开展了两次模拟实验对比分析道路积尘负荷量较高和较低时两种情景。根据问卷调查结果，将最常用的方式均在当条路段上进行平行实验，主要包括8 种方式：①干扫；②洗扫；③冲洗；④干扫+冲洗；⑤洗扫+冲洗；⑥冲洗+干扫；⑦冲洗+洗扫；⑧洗扫+冲洗+干扫。每种方式为清扫作业车使用清扫作业的方式，如“干扫”，仅使用干扫功能；“干扫+ 冲洗”，清扫作业车先使用干扫作业，后用洒水车进行路面冲洗；其他方式类推。每个作业路段的长度约为200 m。

第1 次模拟研究作业方案见图2，探究了其中5 种清洁方式（①、②、④、⑤、⑦）对道路积尘负荷较高时的影响。

图2 第1 次模拟实验研究方案示意Figure 2 Schematic of the study protocol for the first simulated experiment

考虑到道路积尘负荷较低时清扫保洁作业对积尘负荷或尘土量的清除效率可能较难提升，故第2 次模拟研究新加了3 种作业方式探究其对道路积尘负荷较低时的影响，作业方案见图3。

图3 第2 次模拟实验研究方案示意Figure 3 Schematic of the study protocol for the second simulation experiment

2 结果与讨论

2.1 不同清扫保洁方式对道路积尘的清除效率

第1 次模拟实验即道路积尘负荷与尘土量较高的情景下各类清扫作业方式对道路积尘与尘土量的清除效率如图4 所示。由图4 可知，清扫后道路的积尘负荷与尘土量均有不同程度的下降。“干扫”和“干扫+冲洗”对道路的积尘负荷清除效率最高，均为86.78%；约为清除效率最低的“洗扫”（51.24%）的1.7 倍；而“洗扫+冲洗”对道路的尘土量清除效率最高，为79.66%，约为清除效率最低的“冲洗+洗扫”（13.56%）的5.9 倍，其中“干扫”的清除效率为66.95%。这与吕振江［39］、齐志强等［40］得出的研究数据类似，故“干扫”“干扫+冲洗”“洗扫+冲洗”皆为较优的清扫保洁作业方式。

图4 第1 次模拟实验中各清扫方式下道路积尘负荷与尘土量的清除效率Figure 4 The removal efficiency of road dust load and dust volume under different cleaning methods in the first simulation experiment

第2 次模拟实验的目的是测试不同作业方式在道路经过当日清晨第1 次清扫后日常清扫保洁期间作业时的清除效率，即道路积尘负荷及尘土量较低时的二次清除效率（图5）。相对应的是，当日模拟实验前测得的采样路段的基底值除以预实验中当日道路还未清扫时获得的本底值可计算出当日清扫作业的一次清除效率。此次采样时间为上午10 点半左右，结合当日实地勘察发现，在进行模拟清扫保洁作业之前，光华北八路、光华西三路有明显的清洁痕迹，并且路面未干；光华北六路未见湿式清洁痕迹，但路面较为干净。等路面均干燥后采集样品获得的光华北八路和光华西三路的积尘负荷本底值分别为0.133、0.098 g/m2，尘土量基底值分别为0.478、0.475 g/m2；而光华北六路的积尘负荷和尘土量基底值分别为0.220、0.957 g/m2。说明一次作业工艺相同时，道路环境基本一致的不同采样路段的本底值相差较小，其一次清除效率较一致；而道路环境基本一致的不同路段的一次作业工艺不同时，其在清扫保洁间隔期内的本底值和一次清除效率均有明显差异。这也从另一个角度证明了不同清扫作业工艺对道路积尘负荷及尘土量的清除效率有较大差异，需要通过实验找到最优的清扫保洁作业方式。

图5 第2 次模拟实验中各清扫方式下道路积尘负荷与尘土量的清除效率Figure 5 The removal efficiency of road dust load and dust volume under different cleaning methods in the second simulation experiment

与第1 次模拟实验时路面积尘负荷和尘土量高的情况相比，第2 次模拟实验即路面积尘负荷和尘土量较低时得到的二次清除效率的数值相对较低。这与我们假设的路面越干净即基底值越小时，清扫作业的清除效率越难提高相符。“干扫”“洗扫”“冲洗”3 种单一的清洁方式对积尘负荷的二次清除效率均高于70%，但“干扫”“洗扫”对尘土量的二次清除效率（88.69%和79.53%）显著高于“冲洗”（30.78%）。组合作业时，多种清扫保洁作业组合方式对道路积尘负荷的二次清除效率均高于40%。其中“洗扫+冲洗”的二次清除效率最高（78.57%）；“冲洗+洗扫”次之（73.21%）；“干扫+冲洗”的二次清除效率最低，仅44.64%，这与冲洗导致部分积尘凝结成块在路面上有关。“洗扫+冲洗+干扫”虽然效果较好，但与“洗扫+冲洗”“冲洗+洗扫”无较大差距，并且成本较高，不建议推广应用。

总的来说，不同清扫保洁作业方式对积尘负荷及尘土量的清除效率有显著差异。当积尘负荷和尘土量较高时，单一的作业方式中“干扫”对积尘负荷及尘土量的清除效率均最高，但人群感官体验较差；“洗扫”效果次于“干扫”，但人群感官体验较好。清扫保洁作业组合方式优先选择“干扫+冲洗”“洗扫+冲洗”。当积尘负荷和尘土量较低时，单一的作业方式中“干扫”对尘土量的清除效率最高，但“洗扫”对积尘负荷的清除效率最高，对尘土量的清除效率略低于“干扫”。清扫保洁作业组合方式优先选择“冲洗+洗扫”“洗扫+冲洗”，但从能源、资源、人力、物力节约的角度来看，日间保洁采用单一的作业方式“干扫”或“洗扫”即可。另外，通过观察及实验发现，即使进行了各种方式的道路清扫，仍然很难清理干净路沿边（50～60 cm 宽）的道路积尘以及已被压实、结成块且嵌入道路构造里面的老旧尘土，如图6 所示。建议开展新产品和新技术的应用调研工作，可考虑每隔一段时间结合新型技术或材料处理这些难清理的尘土。如使用市面上成熟的抑尘剂、融合剂等新型材料，在喷水作业时水中加入抑尘剂等其他新型科技方法。

2.2 清扫前后道路边大气颗粒物的浓度分布变化

进行道路清扫作业会引起扬尘，影响路人感官体验，且扬尘对于空气污染有重要贡献，因此本研究利用美国TSI 粉尘测定仪采集了清扫前后各粒径颗粒物的浓度，计算出不同清扫保洁方式作业时路边颗粒物实测浓度的变化倍数，获得其对未清扫时该路段大气颗粒物浓度的贡献率，结果见表3。

表3 清扫作业时路边颗粒物实测浓度的变化倍数及贡献率Table 3 Multiple factors and contribution rate of the measured concentration of roadside particulate matter during the cleaning operation

道路在清扫保洁作业时扬起的道路扬尘会影响其附近大气中颗粒物的浓度，使TSP、PM2.5、PM10浓度均有不同程度的上升。其中，不同清扫方式作业时扬起的大气中TSP 浓度是未作业时的1.12～1.26 倍，PM10为1.13～1.26 倍，PM2.5为1.14～1.23 倍。清扫作业时扬起的TSP 对当时周边环境大气中TSP 的平均贡献率为21.98%，PM10的平均贡献率为20.76%，PM2.5的贡献率为18.03%。这与费学峰［41］、Gertler 等［42］报道的道路清扫时颗粒物略有增加的研究结果一致。

在清扫作业完成后5～10 min 再次测定了道路边大气颗粒物的浓度，发现路边大气中TSP、PM10、PM2.5在清扫前后无明显的变化。作业后，仅在光华北八路PM2.5浓度上升了0.003 mg/m3；在光华西三路TSP 浓度下降了0.006 mg/m3，PM10、PM2.5分别下降了0.001、0.002 mg/m3。说明清扫作业停止5～10 min 后基本对周边大气中颗粒物浓度无显著影响。

2.3 清扫保洁作业方式对道路积尘粒径分布的影响

将筛分好的样品（200 目）再悬浮到已称量的石英膜上，将附着了PM2.5、PM10的石英膜再平衡、称量，用差值法计算滤膜上颗粒物的质量，结果见图7。由图7 可知，相较于预实验得到的该道路未清扫时本底样品进行再悬浮获得的粒径分布（PM2.5/PM10平均值为74.43%），本次模拟实验所采用的8 种清扫保洁作业对道路积尘中的粒径分布均有不同程度的影响。“干扫”“洗扫+冲洗”“干扫+冲洗”后，积尘样品再悬浮后得到的PM2.5/PM10降低，表明这3 种清扫保洁作业方式对积尘中的细颗粒物PM2.5有较好的去除效果，其中“干扫+冲洗”这一方式去除效果最显著，PM2.5/PM10下降到18.36%。而其余5 种清扫保洁作业方式使PM2.5/PM10大幅上升，表明这5 种方式虽然可有效去除道路积尘，但却增加了细颗粒物的比例，其中“冲洗”可使PM2.5/PM10上升到307.53%，这与其喷成细水雾卷带了细颗粒物有关；另外3 种清扫保洁作业组合方式均使PM2.5/PM10保持在200% 以上，它们在作业时对周边大气环境中的细颗粒物浓度的增加有相对更大的贡献。

图7 8 种清扫保洁作业方式下积尘中PM2.5/PM10的分布Figure 7 Distribution of PM2.5/PM10in dust under 8 cleaning methods

3 结论

通过模拟实验比较了多种清扫作业方式下道路积尘负荷及尘土量的变化，结果发现：

1）当积尘负荷和尘土量较高时，“干扫”“干扫+冲洗”“洗扫+冲洗”3 种清洁方式对道路积尘和尘土量的清除效率较好。当积尘负荷和尘土量较低时，单一的作业方式“干扫”或“洗扫”即可。虽然进行“干扫”作业时引起的道路扬尘影响人群感官体验，但其清除效率高，故建议制造道路清扫作业车辆时可考虑在清扫车的侧面增加扬尘挡板或收集罩等设计。

2）各种清扫作业方式在作业时扬起的尘土对当时周边环境大气中TSP 的平均贡献率为21.98%，对PM10的平均贡献率为20.76%，对PM2.5的贡献率为18.03%。在清扫完成5～10 min 后对周边大气中颗粒物浓度的影响就会消除。不同清扫作业方式对周围大气颗粒物粒径分布有一定影响，其中“干扫”“洗扫+冲洗”“干扫+冲洗”3 种清扫保洁作业方式对道路积尘中的细颗粒物PM2.5有较好的去除效果。