智能噴水抑塵系統在城市道路揚塵治理中的試驗研究

劉明瑞，郭慶民，劉 琛，于瑞國，賈傳亭，朱 麗

(1.山東省東阿縣綜合行政執法局，山東 東阿 252200；2.山東省東阿縣污水處理廠，山東 東阿 252200;3.山東省東阿縣環境衛生工作站，山東 東阿 252200;4.山東省山東建筑大學 市政與環境工程學院，山東 濟南 250101)

1 引言

目前城市大氣顆粒物污染十分普遍，特別是PM10、PM2.5污染已成為影響我國大部分城市大氣環境質量的首要污染物，是城市環境空氣污染治理的重點[1，2]。山東省顆粒物污染較為突出，2019年PM2.5和PM10年均濃度分別為94 μg/m3和50 μg/m3，分別為全國平均水平的1.5倍和1.4倍[3]。道路揚塵是大氣顆粒物重要的污染源，城市道路揚塵治理不僅是城市管理的重要內容，也是城市環境質量提升和改善的關鍵影響因素[4，5]。道路灑水降塵是道路濕式保潔的首要工序，傳統的道路灑水降塵是依靠環衛灑水車定時噴水作業，隨著環衛工作標準日趨嚴格，道路沖洗已成常態化，但調配車輛、人員不僅程序繁瑣、應急情況響應滯后，而且作業機制不容易靈活調整，可能導致人力和水資源的浪費以及作業效率、效果難以保證，甚至出現灑水結冰引起交通事故的現象[6～8]。在智能化自動化高度發展的時代，提高道路灑水降塵的智能化水平是必然的趨勢，在節約水資源、人力物力以及保證抑塵效果方面具有重要的現實意義。本研究就是針對道路灑水降塵現狀問題，以山東省東阿縣建成區的城市道路為研究對象，研發并試驗一種道路新型智能噴水控塵新工藝，對比分析其在城區道路的抑塵效果，為城市道路揚塵治理提供一種更為高效可行的技術措施。

2 城市道路揚塵及其污染危害

城市道路揚塵污染的來源主要是機動車尾氣塵、建筑工地施工揚塵、渣土運輸揚塵、市政道路工程施工揚塵以及道路綠化系統不完善和保潔不到位導致的裸土起塵。城市道路揚塵污染的特點是沉降到道路表面的顆粒物在外力作用下反復揚起和沉降，再次或多次進入空氣，造成重復污染，研究表明道路揚塵是PM10的重要貢獻源，其相對貢獻率可達為25%左右[9，10]；同時道路塵載帶多種鉛、汞等金屬元素和有機污染成分，對城市居民的健康產生較大影響[11～13]。道路積塵負荷與所在位置、道路等級、人車流量、工業企業分布、保潔制度等均密切相關，其中道路保潔制度及保潔工藝設備的先進性對道路揚塵污染治理具有至關重要的作用。

3 新型智能噴水系統及降塵試驗

3.1 新型智能噴水系統構成與特點

新型智能噴水系統研制的理念是：以中水水源為中心一定半徑范圍內的城市道路，如果能建設管道輸水系統，并采用智能化控制，就可以解決道路自動沖洗降塵以及靈活調整作業制度，同時減少人力、物力投入和新水消耗量。正是基于這一理念，本研究開發了一種以污水廠出水為水源的管道式新型智能噴淋道路降塵系統，其構成如圖1所示。

圖1 管道式新型智能噴淋道路降塵系統示意

新型智能噴水系統主要由水源系統、管路系統、噴頭與控制閥系統及自動控制系統構成。水源為某污水廠的出水(水質滿足《污水處理廠城市污水再生利用城市雜用水水質》GB/T 18920-2002道路清掃、消防用水標準); 管路系統由DN200-DN100輸水干管、支管構成，安裝在道路原有護欄上；噴頭采用360°高精密微型尖頭噴頭，每隔24～25 m布設一個噴頭，安裝角度可與道路成為90°～180°調整，噴頭距地面5 cm，管道上每50～80 m安裝伸縮補償器1個，以應對管道過長出現的熱脹冷縮問題，同時在管道的上游端和地勢較高或較低位置安裝放氣閥，防治產生空氣聚集影響噴水效果。整套系統采用可編程邏輯控制器(PLC)加時間控制器智能化控制，最多可分18個時段進水噴水，噴水頻次和噴水量具體由道路濕潤情況和天氣情況進行靈活設置，單個噴頭作業距離最大為4 m。

3.2 道路降塵試驗及效果

選取東阿縣建成區省級道路為試驗對象，道路寬度為雙向8車道(寬度24 m)，管道安裝長度為5700 m,安裝噴頭470個，單個噴頭小時噴水量為0.3 m3，每小時可灑水141 m3。由于道路塵對PM10影響較大[14]，因此選取監測指標為PM10，采用嶗應2025B型手持式PM2.5/PM10在線直讀監測儀，分別對灑水前后30 min和60 min的路中心、道路邊界和道路邊界以外20 m的環境空氣1.5 m高處監測PM10，同時記錄溫度和濕度(儀器自帶功能)。試驗時間2020年9月15日，分別監測了未灑水、灑水車作業后30 min、60 min與自動噴水降塵系統作業后30 min、60 min的道路及邊界外高度1.5 m處的空氣PM10瞬時質量濃度，未灑水狀況下以9:00為監測起始時刻，30 min后和60 min后分別進行各點位PM10監測。試驗結果見圖2、圖3和圖4。

圖2 未噴水狀況下PM10及濕度監測結果

圖3 灑水車作業后PM10及濕度監測結果

由圖2可知，道路未噴水狀態下PM10由路中心向兩側是呈逐漸降低的態勢，路中心自9:00開始監測30 min后和60 min后的PM10分別為92.2 μg/m3和102.5 μg/m3,而道路處的PM10質量濃度范圍為79.5～89.7 μg/m3，東西邊界外20 m處PM10質量濃度范圍為64.5～78.4 μg/m3，明顯低于路中心和邊界處的濃度，反映了機動車是導致道路PM10濃度較高的主要因素。路中心和邊界處的環境空氣中60 min內的PM10平均質量濃度為88.8 μg/m3；從濕度看，未灑水條件下，路中心到邊界20 m處的濕度在46.4%～54.1%，相對標準偏差為2.3%，表明觀測距離內濕度變化幅度較小。從PM10與濕度相關性看，路中心和邊界處濕度較小的情況下明顯PM10較大。

圖3和圖4分別反映了灑水車作業后和智能噴水系統作業后30 min和60 min后路中心、路邊界和邊界外20 m PM10的監測結果，其中灑水車作業后監測時間由14:00開始，自動噴水系統作業后的監測時間由16:00開始。由圖3可知，灑水車作業30 min后路中心和邊界處的PM10濃度明顯低于60 min后的濃度值，路面上方濕度越大PM10越小。與圖2相比，PM10濃度最大點出現在路邊界60 min后為73.2 μg/m3，遠小于未灑水時的濃度最大值102.5 μg/m3，灑水降塵的效果明顯。圖4和圖3對比分析發現，智能噴水系統作業后的PM10變化幅度較小，濃度范圍在50.8～52.7 μg/m3，相對標準偏差僅為0.87%，而灑水車作業后的PM10濃度的相對標準偏差為10.2%，反映了智能噴水系統降塵效果的穩定性較好。從濕度對比分析看，智能噴水系統作業后的濕度基本小于灑水車作業后的相同點位的濕度(圖6)，主要原因有2個：一是灑水車作業后監測時段為14:00～15:00, 平均氣溫為36.0 ℃，智能噴水系統作業后監測時段為16:00以后,平均氣溫為34.8 ℃，相比午后2:00～3:00時段蒸發弱一些；二是智能噴水系統噴水流量均勻且小于灑水車灑水量，加上溫度偏低所以蒸發量小。由此可見，在濕度較小的情況下，近晚高峰時段智能噴水系統的降塵效果表現得非常穩定和高效。

圖4 智能噴水系統作業后PM10及濕度監測結果

圖5和圖6反映了同一點位未灑水、灑水車作業后和智能噴水降塵作業后的效果對比。在濕度較小和車流量較大的情況下，除道路東邊界外，其余點位均是智能噴水降塵作業后的PM10濃度較低，說明智能噴水系統的降塵效果優于灑水車降塵。

圖5 灑水前后道路PM10監測結果

圖6 灑水前后道路濕度監測結果

3.3 結果討論

根據試驗結果分析，新型智能噴水降塵系統在降低道路PM10方面具有較好的效果和穩定性，并且節省人力，傳統灑水車降塵和新型智能噴水系統降塵的效率對比見圖7。路中心位置新型智能噴水系統平均降塵效率為45.8%，比傳統方法高4.8%；對于路邊界位置，新型智能噴水系統的降塵效率為37.2%，比傳統方法高15.2%。從整個路面平均情況看，新型智能噴水系統作業30 min和60 min后的平均降塵效率為38.9%和44.0%，分別比灑水車作業30 min和60 min后的平均降塵效率高3.8%和16.1%。

圖7 灑水車降塵和新型智能噴水系統的降塵效率

傳統車輛灑水降塵持續時間短，作業車輛容水量有限，同時還存在車輛裝水時間長、單臺車輛作業面積有限以及燃油廢氣污染等問題，高溫時段噴灑后地面迅速干燥，根據實際調查夏季單次灑水保濕時間約為15 min，春秋季單次灑水保濕約為30 min，無法長時間對路面進行保濕降塵。新型智能水噴水系統除了降塵效率高，還具有噴水頻次可視天氣條件和不同季節靈活調整，水量噴灑均勻、保濕時間較長、不影響車輛通行，特別是相對燃油灑水車還具有減少廢氣污染等優點。因此，新型智能噴水降塵技術與傳統車輛灑水降塵技術有機結合，可創新城市道路的高效高質保潔模式，具有較好的應用前景。

4 結論與建議

針對傳統車輛灑水降塵的不足，研制出一種新型智能噴水降塵系統，可充分利用污水處理廠的合格尾水，依托道路護欄安裝管道輸水系統，采用PLC和時間控制器，智能化控制灑水頻次和灑水量，保濕時間長，試驗結果表明該技術不僅具有較好的降低道路PM10的效果和運行效率穩定性，智能噴水系統作業30 min后和60 min后的PM10濃度分別為50.8 μg/m3和52.7 μg/m3，30 min和60 min 的平均降塵效率分別為38.9%和44.0%，分別高出傳統車輛灑水降塵效率3.8%和16.1%。新型智能噴水降塵系統保濕時間長，降塵效果好，克服了傳統方法運行成本較高、降塵效果不理想的弊端，并且易于調整形成靈活的工作制度，對于污水廠較近的城市道路建設方便，節省人力，同時可大大提高城市中水回用率，節約一次水資源。

新型智能噴水降塵系統是一項新技術，實際運行中還有一些問題待解決，如對于超寬道路距噴頭位置(路中心)較遠的路面需要依靠形成的徑流沖洗，如果路面存在由邊界向中心的坡度就會存在徑流無法到達的現象，還有北方冬季結冰期管式輸水系統不能運行，需要排空管中的中水進行閑置或維修，建議在這些方面進一步研究探索。