地鐵顆粒物污染現狀和排除技術研究進展

南春子 何冠鴻 麥嬋妹#

(1.華南農業大學資源環境學院，廣東 廣州510642；2.廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010)

隨著世界城市化進程加快和經濟繁榮發展，城市人口密度不斷增長，公眾對快速交通的需求也在持續增長。城市地鐵作為大型城市群中最清潔的公共交通之一，能夠改善地面交通狀況，減少能量消耗和城市污染，帶來顯著的社會效益和經濟效益[1]。近年來，我國各大城市地鐵建設逐步進入快速發展的軌道[2]844，截至2018年12月底，我國(含港澳臺)建成投運地鐵的城市已達36座，運營里程達到5 582 km，運營線路共174條，日均客流超過7 000萬人次[3]。

大多數地鐵站臺位于地下，空間相對封閉，自然通風不足，且人群密集，內部污染源較多。地鐵內空氣污染物主要包括顆粒物(PM)、芳香烴、金屬羰基化合物、懸浮細菌等，其中PM是主要污染物質之一[4]。地鐵列車在有限空間里高頻率運行，內部產生的PM在地下車站內不斷積累，如果沒有良好的排除措施，高濃度PM將會影響乘客健康[5]262。鑒于此，國內外許多學者針對城市地鐵PM進行了大量研究。歐美的地鐵建成很早，歐美學者對地鐵PM的關注點更多集中在所含污染物種類及對人體健康的影響上[6-9]。韓國首爾地鐵是亞洲最早建成的地鐵線路之一，韓國已對地下空間內(包括地鐵站臺)的空氣質量進行立法保護，針對首爾地鐵內PM濃度分布和影響因素的研究多有報道[10]740。目前，我國有關地鐵內可吸入PM的研究主要集中在北京、上海，其他城市的相關研究較少[11]。本研究通過文獻查閱，調研了世界部分城市地鐵車站內PM污染現狀和分布特征，分析了地鐵PM濃度的影響因素，探討了控制地鐵PM的傳統技術和新型技術，為未來有效控制地鐵空氣質量提供了思路和參考。

1 地鐵PM的特征和來源

地鐵PM與室外大氣中的PM在數量、質量、濃度和化學成分等方面都有很大不同[12]。地鐵PM外部源是室外環境的污染空氣(如汽車尾氣等)，由乘客攜帶或在通風系統作用下進入地下空間。地鐵PM內部源主要是隧道內剎車片、車輪、軌道之間機械摩擦和磨損所生成的微粒[13]。COLOMBI等[14]170研究發現，地鐵站臺內由車輪、軌道和剎車片之間的磨損所產生的Fe、Mn、Sb和Ba的氧化物占粗顆粒(PM10)的40%(質量分數，下同)～73%。這些微粒在隧道中不斷積累，在氣流的作用下擴散到站臺和列車中，使得地鐵的空氣質量變差。地鐵中產生的微粒都有金屬特征，其中Fe是最常見的地鐵PM金屬，此外還混合有其他微量元素，如Ca、Al、Mg、Mn、Zn、Cu、Cr、Ni、Pb等。表1為米蘭[14]173及德黑蘭[15]主干地鐵線路站臺的PM10及金屬質量濃度檢測結果，可以看出兩城市地鐵站臺空氣中Fe元素分別占PM10的32.47%、41.14%，說明Fe是組成地鐵PM的主要成分。JUNG等[16]2292也測得首爾地鐵站內空氣中Fe微粒占總微粒的75%～91%。

表1 地鐵站臺PM10及金屬元素平均質量濃度

表2 世界部分城市地鐵PM質量濃度

人體暴露在PM中會增加呼吸道和心血管相關疾病的風險，而地鐵PM對人們的健康危害較室外大氣PM更大，其遺傳毒性和引起肺組織氧化壓力的可能性分別是室外大氣PM的8倍、4倍[17]。頻繁搭乘地鐵，長時間暴露在地鐵空氣中，可能引起慢性健康問題[18]720。對于敏感人群(如兒童、老人、有呼吸疾病的人群等)，短時間搭乘地鐵也可能受到健康損害[19]。

2 地鐵PM的濃度分布

地鐵PM濃度變化范圍較廣，濃度水平與測量地點有關，一般情況下地鐵PM分布規律為隧道>站臺>站廳>地面，車廂內由于有空調過濾系統，PM濃度小于隧道與站臺[20-22],[23]123。我國《地鐵設計規范》(GB 50157—2013)規定，地下車站公共區空氣中PM10的日平均質量濃度應小于250 μg/m3。目前我國尚沒有針對地鐵環境中的細顆粒(PM2.5)給出評價標準，本研究以《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)中PM2.5二級標準(75 μg/m3)來評價地鐵中PM2.5的污染水平。由表2可以看出，我國城市地鐵中PM10濃度尚在允許范圍內，但是PM2.5超過75 μg/m3，污染較為嚴重。MARTINS等[18]715-718研究發現，通風和空調系統對PM10的去除效果更好，使得相對較細的PM2.5留滯在地鐵內。樊越勝等[23]123研究發現，空調系統對PM10的過濾效率高于PM2.5，地鐵車廂內PM2.5/PM10平均值高于站臺，因此地鐵PM2.5的防治是未來主要研究方向。

工作日乘客人數和列車發車頻率與周末差異較大，導致不同時段地鐵PM污染情況也有所差異。以斯德哥爾摩[29]和巴黎[30]地鐵線路為例，兩城市在不同時段的地鐵PM濃度見表3。可以看出，周末地鐵站臺內PM濃度比工作日更低，且運行高峰期比非高峰期濃度更高。

表3 不同測量時段的PM10質量濃度

不同季節地鐵站臺PM濃度測量結果匯總見表4。可以看出，冬季地鐵PM濃度最高，秋季次之，夏季最低。這是由于夏季空調系統開啟運行，通風換氣強度增大，PM排除效率較高[33-34]。

表4 不同季節的地鐵PM質量濃度

3 地鐵PM影響因素

地鐵中PM的濃度和化學成分取決于多種因素，如室外大氣污染水平、地鐵站的深度、站臺和隧道設計、隧道長度以及車輪、軌道、剎車片等材料的成分，乘客密度、屏蔽門形式、通風和空調系統、清潔頻率、使用年限以及操作條件等也會對PM產生影響[31]295-296。

3.1 室外大氣PM污染水平的影響

WOO等[10]744-748測量了首爾地鐵隧道內的PM濃度，發現PM1主要受到室外環境空氣的影響，而PM2.5、PM10受室外環境空氣的影響相對較小，機械通風很難降低PM10、PM2.5濃度。LEE等[25]研究發現，首爾地鐵站內PM10濃度和室外大氣環境中的PM10濃度幾乎不相關，主要受到內部污染源的影響。另外一些學者的研究結果則與上述結論不同。KWON等[31]298-300認為室外環境中的PM10是控制地鐵內PM濃度的最重要因素，需要在室外空氣進入地鐵最少化和地鐵內空氣凈化之間保持平衡。程剛[5]263-265選取北京、上海和廣州3個城市10條地鐵線路作為研究對象，發現決定地鐵車廂內PM2.5濃度的主要因素是大氣環境中PM2.5水平。樊越勝等[23]121-123監測分析了西安地鐵2號線車站的PM污染水平，發現PM10與室外環境有強烈的相關性，PM2.5與室外環境有較弱的相關性。

3.2 客流量的影響

卓思華等[27]測量了北京4條地鐵線路的PM濃度，發現不同線路車廂內PM2.5、PM10濃度存在組間差異，地鐵通風空調系統和客運量是產生組間差異的主要原因。然而，程剛[5]265認為客流量對地鐵車廂內PM2.5的影響并不顯著。

3.3 屏蔽門的影響

部分學者認為屏蔽門能阻止隧道空氣進入站臺，從而降低站臺上平均PM濃度，對改善地鐵空氣質量有利[2]846-847。KIM等[35]研究發現，屏蔽門可使站臺PM10濃度減少16%。JUNG等[16]2288研究發現，隧道內產生的含鐵顆粒在屏蔽門安裝后大幅減少。然而，還有一些學者認為地鐵內安裝屏蔽門對隧道PM的排除和地鐵空氣質量改善不利。KWON等[31]300研究發現，即使地鐵站安裝了全高屏蔽門，仍然無法避免隧道內的PM10擴散到站臺。SON等[36]41-42研究發現，地鐵屏蔽門安裝后，PM和氣流被限制在隧道內，地鐵線路車廂內的PM10濃度增加了29.9%～103.0%。

3.4 地鐵車站埋深、站臺設計及通風系統的影響

地鐵站越小、越深，其與外界空氣的交流就越困難，污染物缺少有效的擴散和排除途徑，地鐵PM濃度越高。MORENO等[37]發現，地鐵站臺PM濃度最大值在站臺的兩端，而不是站臺中間，并且地鐵入口布置對站臺PM濃度分布有較大影響。乘客進入地鐵時將外面更潔凈的空氣帶入地鐵站，稀釋了站臺PM濃度，地鐵入口布置在站臺兩端比布置在站臺中間的稀釋效果好，而且地鐵入口布置在列車駛入端比布置在列車駛離端的稀釋效果更好，說明地鐵車站的設計對于PM濃度的高低有很大的影響。

4 地鐵PM的排除方法

目前有關地鐵PM的研究主要集中在PM的污染程度、PM組成以及對健康的損害上。為了更有效地控制地鐵PM，有必要研究PM的分布特征，尋找有效排除地鐵內PM的方法。

4.1 通風系統

地鐵內的空氣質量受到通風系統的極大影響，高效的通風能保持良好的室內空氣質量。新建地鐵基本都采用機械通風方式，地鐵隧道中風井和風口的大小、形式、位置等是影響機械通風效果的因素[38]。SON等[36]43-44研究發現，在機械通風系統作用下，隧道中PM10質量濃度能降低到150 μg/m3以下(韓國室內空氣質量標準上限)。HONG[39]研究發現，每當風機的空氣流速增加10 000 m3/h，隧道中PM10質量濃度就會降低6 μg/m3；當空氣流速達到340 000 m3/h，PM10質量濃度可保持在150～170 μg/m3。

然而，機械通風系統能耗占地鐵運行總能耗的14%～35%，QUAN等[40]在首爾地鐵站的通風機上安裝了變速發動機，根據地鐵內歷史環境數據以及室外天氣預報預測地鐵內的PM濃度，從而決定風機的變速操作。各種人工智能和自動控制系統已被用來降低地鐵通風系統的能量消耗[41]1054-1055。人工智能通風系統考慮了外界空氣、列車操作等環境因素，能在改善地鐵空氣質量的同時減少能耗。

4.2 清洗車和吸塵車

通過隧道噴霧清洗地鐵列車可使PM迅速沉淀，對粒徑小的PM有一定的移除效果。然而，清洗地鐵列車只能在晚上短時間運作，費用較高(水費、運費以及人工費)[42]，且經過噴霧清洗后，空氣干燥時粒徑小的PM還會因為列車運行和工作人員的活動而再次分散。KIM等[43]認為，即使每天清洗，該項措施對降低PM10濃度的效果仍然有限，性價比較低。

吸塵車不僅能將PM吸走，而且可把塑料袋、易拉罐、煙頭等垃圾吸走。但吸塵車造價較貴，并且清潔時間有限，只能在地鐵列車停運時操作，不能長時間連續用于PM清除。

4.3 過濾器

過濾器能顯著降低地鐵內粒徑小的PM的濃度，常用的過濾器有織物面板過濾器、纖維束過濾器、纖維過濾器等。部分研究利用地鐵PM含鐵量高的特征，用電磁鐵和永磁體來排除地鐵PM[44]。SON等[41]1056-1058研究發現，當使用雙磁鐵過濾器時，PM10、PM2.5、PM1的排除效率分別是52%、46%、38%，并且粒徑小的PM的排除效率是由磁鐵過濾器的層數和通風機的頻率決定的。目前，磁鐵過濾器是通過高壓噴霧進行PM清潔的，如果磁鐵過濾器的磁力太強，含鐵粉塵就很難清除。因此，有必要開發一種可根據需要開啟磁性的過濾系統。

4.4 射流風機及除塵器

依賴自然通風的地鐵隧道在排除污染物上具有局限性，射流風機常被用來輔助解決這一問題[45]。將射流風機安裝在自然通風口，地下空間的空氣在射流風的作用下排出到室外，由射流風機噴出來的空氣體積增加，可使地下空間內部的PM10濃度大幅降低。

SIM等[46]提出在地鐵列車底部安裝一個擋板式除塵器來收集由列車車輪和地鐵軌道之間摩擦產生的PM，進入除塵器的空氣流量與列車速度有關。

5 結論與展望

(1) PM是地鐵車站內的主要空氣污染物，剎車、車輪、軌道及其他部件之間的磨損是PM的主要來源，Fe元素是組成PM的主要組分。地鐵PM濃度高于室外大氣，這對乘客及工作人員的身體健康不利。由于通風和空調系統對PM2.5的排除效率低，導致粒徑相對較小的PM留滯在地鐵內，PM2.5的防治是今后地鐵PM控制的主要研究方向。

(2) 影響地鐵PM濃度的因素有地鐵站埋深、站臺設計、隧道長度、通風和空調系統等。對于室外大氣PM污染水平、客流量、屏蔽門等因素的影響，不同學者得出的結論有不同之處。目前針對地鐵內部源PM產生運移機理的研究很少，如何獲得地鐵隧道PM產生運移機理，定量分析影響地鐵PM濃度的關鍵因素，有待進一步研究。

(3) 地鐵內的空氣質量受到通風系統的極大影響，通風耗能在地鐵運行總耗能中占比較大。地鐵通風設計主要考慮溫度、濕度等因素，極少考慮PM，在地鐵實際運營中PM排除效率較低。以降低地鐵PM為目標，提出行之有效的通風優化策略，是地鐵環境污染控制需迫切解決的重要問題。

(4) 目前關于地鐵PM的研究主要集中在地鐵PM的濃度分布和組成上，對地鐵PM濃度的時空分布規律以及關鍵影響因素的認識還停留在定性描述水平，對如何有效降低地鐵PM濃度的研究還不夠深入，仍需積極探索有效排除PM的方法。現有的地鐵PM排除方法都存在一定缺陷，未來應重點研發變頻風機、地鐵PM預測模型、除塵器、射流風機、自動控制系統和人工智能系統等，在實驗室或試驗點研究的基礎上，逐步開展地鐵PM防控的實地研究。