隧道污染物处理的设计与探究

魏兴

摘 要：以深圳某在建工程为例，对隧道的污染物处理方案进行介绍，探究隧道内污染物排放量以及污染物处理的所需风量的计算方式，并总结常见的集中污染物处理方案，重点介绍空气净化的净化原理以及组成。研究表明，污染物浓度跟隧道内的行车种类、行车速度以及基准排放量等相关，隧道的污染物处理方式需要由周边建筑、隧道洞口的环境以及环保部门综合评估综合考量。

关键词：污染物处理方案；污染物浓度；基准排放量

中图分类号：U453.5                                文献标识码：A                                文章编号：2096-6903（2023）05-0104-03

0 引言

随着我国汽车保有量持续升高，城市交通压力日渐增大，隧道成了城市解决拥堵问题的最有效手段，城市隧道建设数量日益增多[1]。随着人们环保意识的逐渐提升，对于隧道出口的污染物排放问题的關注度逐渐提高，对于隧道洞口污染物的处理技术提出了更高的要求[2]。

污染物处理中，空气净化技术[3]是目前应用最为广泛的污染物处理的技术，北京、深圳等多地隧道已经采用空气净化技术[4，5]。随着研究深入，污染物排放量[6]的规律已经成为隧道洞口污染物处理的关键问题。在“双碳”政策背景下，如何选择隧道污染物处理的方式以及减少污染物排放的手段，成为隧道建设的关键问题之一。本文以深圳某在建工程为例，为隧道的污染物处理方式选择提供参考。

1隧道工程概况

为深圳某在建隧道为双向四车道的城市快速路，小客车专用通道设计车速为60 km/h，阻滞工况平均车速为10 km/h，计算长度不小于2 km，其余路段适当加大。设计高峰小时交通量分别为2 620 pcu/h（上层）和2 432 pcu/h（下层），隧道为单洞双层盾构隧道，东西走向。上层通风区段4 119 m，其中盾构段3 599 m，西侧暗埋段139 m，东侧暗埋段381 m。下层隧道通风区段4 267 m，其中盾构段3 599 m，西侧暗埋段287 m，东侧暗埋段381 m。隧道横断面积盾构段上层54.8㎡，下层41.1㎡，暗埋段（西侧）上层60.5㎡，下层46.3㎡，暗埋段（东侧）上层40.0㎡，下层40.0㎡。隧道内CO正常交通下设计浓度为70 ppm，阻滞交通下设计浓度为100 ppm，养护维修设计浓度为30 ppm。隧道内烟雾设计浓度在车速60 km/h为0.0065 m-1，车速40 km/h烟雾设计浓度为0.0075 m-1，车速为10～20 km/h为0.0090 m-1。当烟雾设计浓度为0.00120 m-1，应采取交通管制等措施。隧道内NO2设计浓度为1 ppm。隧道换气次数≥3次/h。纵向通风隧道断面风速≥2.5 m/s，火灾热释放率10 MW。

2隧道污染物需风量计算

《公路隧道通风设计细则》（JTG/TD70/2-02-2014）[7]中，烟雾排放量Qvi计算公式如式（1）：

（1）

式中，Qvi为隧道的设计年份基准排放量，fa（VI）为烟尘的车况系数，fd为车密度系数，fh（VI）为烟尘的海拔高度系数，fiv（VI）为烟尘的纵坡-车速系数，L为隧道长度，fm（VI）为烟尘的柴油车车型系数，nD柴油车车型类别，Nm为相应车型的交通量。

烟雾排放量Qco公式如式（2）：

（2）

式中，Qco为隧道的设计年份基准排放量，fa为CO的车况系数，fd为车密度系数，fh为CO的海拔高度系数，fm为CO的车型系数，fIV为CI的纵坡-车速系数，n为车类型数，L为隧道长度，Nm为相应车型的交通量。

从式（1）和式（2）中发现，影响污染物排放量的因素为纵坡-车速系数、隧道的年份设计基准排放量以及车型交通量，其中设计基准排放量是随着时间逐年减少的，随着电动车的发展，基准排放量会逐渐变小，而车流量会随着年份增加而逐渐加大，CO的纵坡-车速系数随着纵坡和车速的影响变化不大，而颗粒物的纵坡-车速系数随着纵坡的影响变化很大，有几倍的差距。

经过计算，隧道的颗粒物需风量和CO需风量如表1、表2所示。从表1、表2中可以看出，CO的需风量是随着年份和车速的增加逐渐减小的，而颗粒物的需风量是随着年份和车速的增加逐年增加的，其中纵坡－车速系数起到了很关键的作用，颗粒物的纵坡－车速系数随着车速的增加逐渐提高，导致颗粒物需风量速度越高的情况下越增加。

3 隧道污染物处理方式

目前，国内各城市隧道主要采用的废气排放方式有以下5种方案。

3.1 风塔高空排放方案

即利用大型集中排风机将隧道内大部分污染空气经高风塔进行高空扩散排放，从而使污染物落地浓度满足环境要求。此方式应用最为广泛，且可靠性最高，技术最为成熟，但对城市景观有所影响，目前在城市隧道中应用有所减少。

3.2 分散排放方案

分散排放方案有2种：一是利用隧道上部绿化带，开设多个分散排放口，将废气排至大气。二是利用现代城市隧道多匝道特点，将匝道口作为分散排放点，利用匝道火灾工况所配置的射流风机可实现机械分散排放，削弱建设高风塔与城市景观协调性的矛盾。分散排放方案造价低廉，目前越来越多的城市隧道采用此种方案。

3.3 洞口直排方案

该方案的废气不做任何处理，也无匝道分散分流，直接将废气从隧道洞口排出隧道。此种方式适用于车辆尾气排放状况较好的隧道，隧道长度通常小于3 km。

3.4 采用光触媒作为吸收隧道污染物的涂料

光触媒是一种涂料，将其涂在路面以及墙壁上的一种光催化涂料，可将汽车尾气中的氮氧化物、CO以及SO2转化为对人体、环境基本无害的物质。但是由于光触媒无法去除颗粒物，所以暂时无法替代现有主流空气净化设备，只能作为辅助技术应用。

3.5 空气净化技术

采用空气净化技术是将高浓度的废气经净化设备处理后排至大气。此种方法造价相对偏高，欧洲、日本等地有较多应用。本工程隧道综合了各方面要求，使用空气净化技术作为本隧道的污染物处理方案。

4空气净化站的形式

4.1 旁通式空气净化装置

旁通式空气净化装置设置在与隧道平行的侧面，隧道侧壁设有进风口和排风口。污染的空气经过进风口进入空气净化系统内，经过净化之后通过排风口排回隧道。

4.2 吊顶式空气净化装置

吊顶式空气净化装置设置在隧道的顶部，隧道顶部设有进风口和排风口。污染的空气经过进风口进入空气净化装置内，经过净化再排回隧道中。

4.3 竖井式空气净化装置

将污染的空气经过空气净化装置净化处理，处理后的干净空气通过竖井直接排至大气。竖井排放空气净化方式是指隧道内空气经过处理后，通过竖井直接排到大气中的方式。从人口开始沿隧道长度方向污染物质量浓度越来越高，在计算达到污染物设计标准的位置设置排风竖井及空气净化处理站，隧道内空气经净化处理后直接排到大气中。

5隧道空气净化系统的组成

隧道空气净化系统主要包括预过滤器、静电除尘装置、碳吸附过濾器、大型轴流风机段、自动清洗装置、污水处理装置以及自动控制系统等。

5.1 预过滤器

预过滤器是空气净化系统的第一道过滤器，主要功能是去除空气中的较大杂质，避免其破坏静电除尘的高压组件。同时让空气均匀流通，从而保证空气在通过静电除尘器的横截面时各点速度相同，使静电除尘系统达到最佳工作状态。

5.2 静电除尘段

即利用高压电场将气体中的污染颗粒物与空气分离的除尘设备，由电离段和除尘段组成静电除尘器对PM10、PM2.5、PM1.0的收集去除，从而提高后续NO2的净化效率，保护NO2净化段。

静电过滤器由过滤元件组件构成，包括高压电离和用于收集颗粒物质的带电集尘板部分。其使用高电压使需净化的空气中包括亚微细粒在内的颗粒物带电。离子发生器装置由激光切割板和与接地板交替的齿状电离板组成，带正、负电离子发生器双点板的尖端出现电晕放电。带电颗粒物捕捉在一连串的平行板上，这些平行板构成该静电过滤器的带正、负电荷部分。此集尘板包含交流充电板和接地板。

静电过滤器主要分为以下两个部分：第1部分是离子发生器部分。颗粒物通过一个静电场时受到离子充电（充电区），在锯齿离子发生器上使用高电压，使其各尖端产生电晕点。第2部分是集尘板部分（集尘区）。此部分使各交替板带有与颗粒物相同极性的电荷，从而使颗粒物进入带有相反极性电荷的第二套平板，以吸引并捕捉颗粒物。该部分适用范围为5 ～7  kV的高直流电压。

5.3 碳吸附过滤器

碳吸附过滤器主要用于处理隧道中的NO2，通过风速0.5 m/s为最佳，接触时间不宜小于0.1 s。NO2净化段中采用的去除剂多为活性炭，这主要是由于活性炭表面分布有纳米级的细孔，与气体接触的表面积极大，可吸附体积为自身体积数倍到数百倍的气体。

活性炭吸附物质主要分为物理吸附和化学吸附。物理吸附意味着在活性炭吸附过程中没有发生化学变化。活性炭物理吸附往往伴随着放热和压强降低，因此加热和抽真空会促使活性炭物理吸附－脱附反应向脱附方向发展，反之，降温和加压会促进活性炭物理吸附。

化学吸附则表示活性炭吸附物质过程中发生了化学反应，被吸附物分子已经经由吸附转化为其他分子。例如，活性炭对自来水中余氯的吸附即为化学吸附，次氯酸与活性炭骨架反应生成HCl和CO2。

浸渍化学品（如酸、碱）的活性炭亦可实现化学吸附，通过化学品和目标物质发生化学反应，以增加活性炭的吸附能力。通常这种情况下，活性炭吸附能力受到化学品负载量的限制。

5.4 大型轴流风机

大型轴流风选择时与净化污染物风量相匹配，还需要考虑克服预过滤器、静电除尘段、气体处理段、消声器以及风阀所产生的阻力，运输以及检修的高度等问题。在实际工程中应选用大型轴流风机低速运转，可节约能耗。

5.5 粉尘清洗装置

自动清洗系统为预过滤器、静电除尘器提供清洗服务，能够完全地自动化运行，自动清洗系统与预过滤器、静电除尘器和后置过滤器的支撑构架相结合。水洗过程在过滤器前后方同时进行，自动清洗系统的附加节式支架按常规操作适应支撑构架。清洗程序开始，会防止清洗废水飞溅弄脏墙壁，保护过滤器。

5.6 污水处理装置

污水处理装置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，使得水可以循环使用，有利于保护环境。

预过滤器、静电除尘器和后置过滤器清洗废水使用后含有残留杂质，主要成分为淤泥、道路粉尘和碳粉颗粒。这些残留物使用废水处理系统去除，处理后水质可以达到再次用于静电除尘的标准，清洗废水不需要排放至外部。

5.7 自动控制系统

空气净化控制系统用于控制空气净化站内的静电除尘器、自动清洗系统、废水处理系统、大型风机、组合风阀等设备，实现隧道空气净化系统的全自动运行、监测和维护。接收并执行隧道控制中心的指令，反馈设定的信息，同时可以在触摸屏上控制、维护、配置和检查等。

6 结束语

本文以深圳市某新建隧道工程为例，对隧道空气净化系统进行了分析，得出以下结论：第一，污染物浓度跟隧道内行车种类、行车速度及基准排放量有关，随着电车的日益增加，污染物排放浓度将进一步下降。第二，隧道的污染物处理方式应该根据隧道的自身特点决定，应结合周边环境要求、地理位置、相关部门要求以及造价决定适合自身特点的处理方式。

参考文献

[1] 《中国公路学报》编辑部.中国隧道工程学术研究综述·2015[J].中国公路学报，2015，28（5）：1-65.

[2] 张迪.盾构法道路隧道运营通风设计关键技术[J].隧道建设，2014，34（11）：1062-1070.

[3] GB18352.6—2016，环境保护部，国家质量监督检验检疫总局.轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[S].北京：中国环境科学出版社，2016.

[4] 林炎顷，常军，李雁，等.公路隧道旁通式净化站气流组织数值模拟及净化效果分析[J].隧道建设，2017，37（6）：684-690.

[5] 王平，杨嘉楠.城市隧道运营通风与净化系统设计探讨[J].现代交通技术，2021，18（6）：71-76.

[6] 刘晓阳.隧道空气净化系统技术综述[J].市政技术，2019，37（3）： 112-116.