不同保潔工藝對道路塵負荷與揚塵控制效率差異的影響研究

李 冬，薛占剛，劉善文，高 健，朱健忠，李賢芳，陳建華

1. 中國環境科學研究院，環境基準與風險評估國家重點實驗室，北京 100012

2. 傲藍得環境科技有限公司，河南 鄭州 451482

3. 山東諾方電子科技有限公司，山東 濟南 250001

4. 暨南大學環境與氣候研究院，廣東 廣州 511436

道路揚塵是指道路上的積塵在外力(自然風力、人力等)作用下進入環境中形成的大氣污染物,主要來源于城市裸地、渣土車運輸引起的散落塵、大氣降塵等[1]. 研究[2-4]表明，道路揚塵對城市大氣環境PM10濃度的貢獻為40%～75%. 道路揚塵中富含多種重金屬和多環芳烴等成分，對人體健康具有嚴重危害[5-7].近年來，道路揚塵因其顆粒物貢獻大、污染源多、影響人體健康等特點而被廣泛關注[8-10].

統籌落實城市道路保潔工作、從源頭控制道路揚塵成為地方政府大氣污染治理的工作目標. 國內外學者對道路揚塵排放的檢測方法[11-16]、空間分布特征[17-18]、來源解析[19-21]、排放清單[22-23]和人體健康效應[24-25]等開展了大量研究，但關于不同保潔工藝的路面積塵控制效率評估、保潔工藝實施后道路揚塵濃度變化規律及控制的研究較為鮮見[26].

鄭州市是京津冀及周邊地區“2+26”城市大氣污染的重點研究區域. 該研究以鄭州市為研究對象，采用激光顆粒物傳感器對鄭州市典型道路的積塵負荷和道路揚塵濃度進行了測定，計算了城市道路揚塵控制效率，分析了典型濕式保潔工藝實施后揚塵濃度的變化規律，以期為鄭州市及其他城市精準治理道路揚塵提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 試驗設備

該研究采用山東諾方電子科技有限公司生產的道路積塵-揚塵監測系統，該系統采用基于光散射原理的四核顆粒物傳感器感，能夠通過4個子傳感器的數據交叉校驗實現故障自動識別來保證監測數據的準確性、可靠性. 當1個子傳感器數據與另外3個子傳感器的數據差異明顯時，通過集成算法判斷傳感故障. 用剩余3個子傳感器的平均值來代替整個傳感器輸出數據，消除了傳感器故障產生的無效數據.

道路積塵監測設備通過北京市計量檢測科學研究院的校準，并取得《道路積塵負荷監測儀》校準證書，示值誤差小于±15%，符合相關技術要求規范. 道路積塵監測設備終端核心是自主研發的SDM908-SE工業級監測儀，對道路表面積塵揚起的可懸浮顆粒物(TSP)濃度進行監測. 標定過程嚴格遵循《城市揚塵污染防治技術規范》(HJ/T 393-2007)規定的人工取樣方法進行TSP和積塵負荷數據之間的標定轉換，最終得出積塵負荷值，經實測標定后TSP與積塵負荷的相關系數大于0.9.

道路揚塵監測設備采用一款快裝式的環境空氣連續自動監測微站，可集成監測PM2.5、PM10、TSP等指標，數據終端核心是自主研發的SDS019-TRF顆粒物傳感器，傳感器已通過CPA (中華人民共和國計量器具批準證書)、CE (符合歐盟《技術協調與標準化新方法》指令的基本要求)、FCC (電子、電氣產品的電磁兼容性符合美國聯邦通訊委員會認證要求)、RoHs(電子、電氣產品中所含6種有害物質符合歐盟標準上限濃度)，單臺設備時間分辨率為3 s，定位精度高于10 m.

1.2 數據的獲取

該研究采用道路積塵-揚塵監測系統實測道路積塵負荷和道路揚塵排放數據. 通過調研獲取試驗路段及保潔作業情況. 保潔工藝根據其特點可分為干式作業(如干掃收邊、干式吸塵等)、濕式作業(如洗掃收邊、灑水、高壓沖洗等)和混合作業(指兩種及以上保潔工藝綜合施用的作業情況).

1.3 數據處理方法

道路揚塵控制效率計算公式：

式中：η表示道路揚塵控制效率，%；sLbefore表示道路在未采取保潔措施前的積塵負荷，g/m2；sLafter表示道路在采取保潔措施后的積塵負荷，g/m2.

1.4 研究方法

1.4.1道路揚塵控制效率研究方法

于2020年10月-2021年2月，采用道路積塵-揚塵監測系統對不同保潔工藝作業前、后的積塵負荷和道路揚塵進行測定. 為減少外界環境干擾和保證對同一道路復測的時間有效，選取車流量較少且相鄰的道路為試驗對象. 在新老城區選取的監測路段如圖1所示，包括鄭州市南四環路、紫荊山南路、京深線和中州大道等，涵蓋的道路類型包括快速路、主干道和次干道. 分別測定保潔工藝實施前、后路面上的積塵負荷，各路段及不同工藝的測試頻次不少于2次，復測時間間隔盡可能控制在1～2 h內. 檢測期間同時記錄環境溫度和相對濕度.

圖1 監測路段示意Fig.1 Schematic diagram of the monitoring roads

1.4.2道路揚塵變化規律及控制研究方法

濕式作業是城市常用的控塵或抑塵方法，該研究監測濕式作業后干燥后3 h內道路揚塵濃度變化，以掌握濕式作業效果持續的時間. 路面干燥時間由儀器內置濕度傳感器確定. 為研究不同灑水量對道路揚塵控制的效果，于2020年11月18日-12月11日以宇通路為研究對象研究不同灑水模式對道路揚塵控制的影響，分為“后灑”(大水量保濕作業且肉眼觀測路面有明顯積水)和“后噴霧”(小水量保濕作業)兩種試驗情景. 試驗期間采用宇通路固定微站和十八里河標準站的監測結果相互對比檢校以排除試驗的偶然性. 試驗期間保證濕式作業頻次不變，日平均作業時間間隔為2～3 h.

2 結果與討論

2.1 道路揚塵控制效率研究

2.1.1保潔工藝實施后不同時間內道路揚塵控制效率的變化規律

在保潔工藝作業后，按不同時間間隔測定道路積塵負荷值，按式(1)計算道路揚塵控制效率并取平均值，得到道路揚塵控制效率與保潔時間的關系如圖2所示. 由圖2可見，道路揚塵控制效率與保潔時間的皮爾森相關系數(r)約為-0.75，表明擬合程度較好，剩余25%的擬合差異受道路車流量、城市自然風速變化、道路積塵量不均勻等綜合因素的影響.p值通過0.05顯著性水平，表明由于偶然性造成擬合差異的概率較小，具備統計學意義.

圖2 保潔工藝實施后不同時間內道路揚塵控制效率的變化規律Fig.2 Time series changes of road dust control efficiency after various cleaning measures

由圖2可見：道路揚塵控制效率隨保潔時間的增長呈顯著下降趨勢，在采取保潔作業后1 h內，各保潔工藝的道路揚塵控制效率為23%～47%；在1～2 h內，道路揚塵控制效率為20%～40%；在2～2.5 h內，道路揚塵控制效率為5%～27%；3 h后，路面積塵恢復原有水平. 結果表明，1 h內各保潔工藝對道路揚塵的控制效率均較為顯著，2 h后控塵效果逐漸減弱，3 h后控塵效果甚微. 實地調研發現，保潔工藝實施后，車輛引入的新積塵會導致短時間內路面積塵負荷增加. 研究[27]表明，道路積塵會被沖刷至道路兩側，在行駛車輛的帶動下積塵會再次返回路面. 綜上，城市相關部門在進行道路揚塵治理時，各種保潔工藝在某一路段的工作時間間隔應控制在1～2 h之間. 除塵和抑塵作業應配套進行，清理路面積塵要更加徹底.此外，相關職能部門應嚴格運輸管理，降低物料撒落.運輸車輛進出工地要沖洗輪胎，防止泥沙上路.

2.1.2環境溫度和相對濕度對道路揚塵控制效率的影響

環境溫度和相對濕度可能是影響道路揚塵排放的因素. 該研究試驗期間環境溫度的變化范圍為1～20 ℃，相對濕度的變化范圍為20%～84%. 道路揚塵控制效率隨環境溫度和相對濕度變化關系如圖3所示. 由圖3可見：道路揚塵控制效率與環境溫度呈弱負相關，與相對濕度呈弱正相關，其皮爾森相關系數(r)分別為-0.20和0.19 (p均小于0.05).道路揚塵排放受環境溫度、相對濕度的影響，且受環境溫度影響更強. 日氣溫較高時，會加速路面水分蒸發，進而導致濕式作業后的控制效率較低. 由圖3可見，當環境溫度大于9 ℃時，平均揚塵控制效率低于0，表明此時應適當加大保潔措施的頻次.較高的相對濕度有利于延緩保潔工藝控制積塵的效果，然而由于試驗時間處于鄭州市秋冬季，無高濕(相對濕度＞90%)情況，若出現高濕情況時，應適當減少濕式作業等保潔工藝頻次，以避免顆粒物的吸濕增長.

圖3 道路揚塵控制效率隨溫度和相對濕度的變化情況Fig.3 Relationship between dust control efficiency and temperature and relative humidity

2.1.3不同保潔工藝的道路揚塵控制效率

分析各類型保潔工藝在實施后1 h內的道路揚塵控制效率，結果如圖4所示. 由圖4可見，混合作業在1 h時的道路揚塵控制效率(37%～51%)最高，濕式作業的道路揚塵控制效率 (11%～48%)次之，干式作業的道路揚塵控制效率(5%～19%)最低. 結果表明，混合作業和濕式作業對城市道路揚塵治理的效果更好，原因在于各類保潔工藝的除塵和抑塵能力不同. 混合作業綜合各種濕式或干式工藝，清掃更徹底，抑塵時間更長；濕式作業通過灑水方式使抑塵時間較長，但除塵效果并不如混合作業；干式作業僅能除去路面較大粒徑的塵土，卻無水抑塵，所以控制效率最低.

圖4 不同類型道路保潔工藝的道路揚塵控制效率Fig.4 Road dust control efficiency of different types of cleaning measures

目前，評估保潔工藝積塵控制效率的研究較少，彭康[28]基于路面吸塵測定積塵負荷的方式評估了珠三角地區“水洗+清掃”保潔工藝的路面積塵控制效率為30.4%～78.7%(平均值為61%)，與筆者研究結果一致，說明混合保潔工藝的路面積塵控制效率較高，但尚不能完全控制揚塵.

對試驗路段同一作業模式(洗掃收邊)在1 h內的揚塵控制效率分析發現，洗掃收邊作業對紫荊山南路北段、中州大道等路段的道路揚塵控制效率較高(見圖5). 紫荊山南路北段積塵較多，中州大道為物流通道，行駛的大貨車較多、路面有破損，導致路面積塵較多. 這說明該保潔工藝對積塵污染較重路段的積塵改善效果更明顯. 由于金港大道、亳都路和新港大道等道路為老城區道路，所以保潔前后道路積塵改善效果較小，導致揚塵控制效率較低. 而其中一些路段的車流量較大，會夾帶塵土或排放尾氣顆粒物使路面積塵重新恢復或略超過原有水平，導致揚塵控制效率為0或負值. 因此，應加強主要干道的養護和清洗，落實好城市綠化工作，避免綠化帶成為揚塵積累灰沙帶. 應了解和掌握城市道路的污染狀況，對污染較重路段實施混合保潔工藝.

圖5 基于不同路段的道路揚塵控制效率分析Fig.5 Analysis of road dust control efficiency on different roads

2.2 濕式作業實施后道路揚塵濃度變化規律及其控制效果

2.2.1濕式作業路面干燥后道路揚塵變化規律

鄭州市普遍采用濕式保潔工藝控制道路揚塵. 濕式作業路面干燥后道路積塵負荷值和揚塵濃度隨路面干燥后的時間變化規律如圖6所示. 由圖6可見：道路積塵負荷與揚塵濃度的變化規律呈較好的一致性，在濕式作業路面干燥后約1 h內道路積塵和道路揚塵均得到有效控制，積塵負荷和道路揚塵濃度平均值的變化規律較為穩定且呈下降趨勢；濕式作業路面干燥1.1 h后，道路積塵和揚塵濃度平均值均發生顯著變化，濕式作業對道路積塵和揚塵的控制效果減弱.

圖6 道路積塵負荷和揚塵濃度隨路面干燥后的時間變化規律Fig.6 Variation of the silt loading and dust concentrations with time after road surface drought

2.2.2濕式作業灑水量對道路揚塵濃度變化的影響

分別采用“后灑”和“后噴霧”兩種作業模式進行道路揚塵控制試驗，并將2個試驗獲得的道路揚塵濃度進行對比，結果如圖7所示. 由圖7可見：“后灑”作業期間，道路揚塵濃度較低，變化趨勢平緩且穩定，表明日常灑水抑塵措施能取得良好的保潔效果；“后噴霧”作業期間，道路揚塵濃度在11:00-12:00(午高峰)以及17:00后(晚高峰)出現高值. 筆者研究結果與任建寧等[27]在渭南市研究的道路環境顆粒物污染物特征結果近似，其發現高峰時段機動車加速、減速、怠速轉換頻繁，導致道路環境空氣擾動強烈，當道路硬化率低及路面塵土較多時，極易造成道路揚塵濃度升高. 而秦孝良等[29]在濟南市的研究顯示，道路環境顆粒物在早高峰和夜間(21:00-翌日02:00)排放濃度較高，推測可能與夜間柴油車運輸和工地施工的顆粒物排放有關. 與其相比，宇通路為非夜間車輛行駛的主要道路，清晨時段車流量相對較少，且周邊未發現施工工地.

圖7 濕式作業中“后灑”和“后噴霧”作業模式下道路揚塵濃度變化Fig.7 Variations of road dust concentrations under‘post-scattering’ and ‘post-spraying’ operation modes in wet cleaning measures

該研究消除2次試驗中環境背景的PM10濃度，對比宇通路固定微站和十八里河標準站在“后灑”試驗和“后噴霧”試驗中的道路揚塵濃度，發現兩站點采用“后灑”方式可使揚塵控制效率分別提高約28%和36%， “后灑”措施能夠實現對道路揚塵排放的有效控制，而“后噴霧”措施控塵效果較差. 道路揚塵濃度在午高峰和晚高峰時段排放較為明顯，主要受城市午高峰和晚高峰期間車流量較大的影響. 從環衛部門角度看，為有效治理冬季道路揚塵，鄭州市在5 ℃以上(防止局部道路結冰)時宜適當加大午高峰和晚高峰時段的“后噴霧”作業頻次、增加日常干式除塵作業頻次.

3 結論

a)道路揚塵控制效率受保潔工藝時間、環境溫度和相對濕度影響. 1 h內道路揚塵控制效率的平均值為23%～47%；在1～2 h內，道路揚塵控制效率為20%～40%；在2～2.5 h內，道路揚塵控制效率為5%～27%；3 h后，路面積塵基本恢復到原有水平. 道路揚塵控制效率與環境溫度和相對濕度均呈弱相關性，受環境溫度影響稍明顯，且當環境溫度大于9 ℃時，道路揚塵控制效率的平均值為負.

b)不同類型保潔工藝在1 h時的揚塵控制效率表現為混合作業的道路揚塵控制效率 (37%～51%)最高，濕式作業的道路揚塵控制效率 (11%～48%)次之，干式作業的道路揚塵控制效率 (5%～19%)最低.各保潔工藝對積塵污染較重路段的積塵改善效果最佳.

c)濕式作業路面干燥后約1 h內道路積塵和揚塵濃度均得到有效控制，二者平均值變化穩定且呈下降趨勢. 冬季降低灑水量對道路揚塵控制效果較差.

d)從道路揚塵的源頭治理角度，相關職能部門應嚴格運輸管理，降低物料撒落；運輸車輛進出工地要沖洗輪胎，防止泥沙上路；加強主要干道的養護和清洗，落實好城市綠化工作. 從道路揚塵的末端治理角度，環衛部門應了解和掌握城市道路污染狀況，對污染較重路段實施混合保潔工藝；實施各種保潔工藝的時間間隔應控制在1～2 h為宜，除塵和抑塵作業應配套進行. 對于冬季，環衛部門宜在5 ℃以上(防止局部道路結冰)時適當加大午高峰和晚高峰時段的“后灑”和“后噴霧”作業頻次，并增加日常干式作業頻次.