不同清掃作業方式與道路積塵/揚塵的關系＊

張發闖，熊遠明，杜成松，蔣 宇，汪永東，周 敬，印紅玲

（1.成都市城市管理科學研究院，四川 成都 610015；2.成都信息工程大學資源環境學院，四川成都 610225；3.成都市機動車排氣污染防治技術保障中心，四川 成都 610000）

0 引言

道路揚塵是城市空氣中顆粒物的重要來源［1-3］。我國部分城市PM2.5和PM10源解析結果表明，揚塵源占PM2.5排放的5.0%～23.4%，占PM10排放的11.3%～60.0%［4-6］。從定義來看，道路積塵是指道路表面累積的塵土，揚塵則是指道路上的積塵在一定的動力條件（風力、機動車碾壓以及人群活動［7-9］）下一次或多次被揚起并混合進入環境空氣中形成不同粒徑分布的顆粒物［10-11］。研究表明，道路積塵及揚塵中含有多環芳烴［12-15］、全氟化合物［16］、微塑料［17］、重金屬［18-22］、病原微生物［23-24］等多種危害人體健康的物質。因此，有效降低道路積塵和道路揚塵量是提高城市居民生活品質及幸福感的重要環節。

目前，關于道路揚塵的研究主要集中在道路揚塵排放空間分布特征［25］、來源分析［9］和化學組分特征［26-31］的研究，有關交通［32-34］及施工［35］的研究較多，有關道路清掃保潔方式對道路揚塵的影響研究較少［36-38］。崔華勝等［37］針對北京市背街小巷開展了提升清掃保潔作業水平的方法研究，季明燁［38］分析了道路清掃保潔作業模式及控塵方案，但多限于理論研究，實測數據甚少。

本研究以成都市主城區內位于青羊區的光華北八路附近為研究區域，在充分調研成都市目前道路清掃保潔作業方式的基礎上，根據HJ/T 393—1 km 左右。采樣車均按照正常作業時靠近路沿側以5～10 km/h 的速度進行路面清掃作業。采樣車按照同樣的行使速度在距離路沿約60 cm 處進行采樣。抑塵車外形尺寸10 280 mm×2 520 mm×2 950 mm，2007 防治城市揚塵污染技術規范開展現場模擬實驗實測多種清掃方式下道路積塵負荷（指單位面積道路內篩分粒徑小于75 μm 的積塵的質量）及塵土量（指單位面積路面上殘留的除可見垃圾以外的塵土及雜質的質量）。以模擬實驗前實測的典型氣象條件下的道路積塵負荷和塵土量為基準，計算其清除效率（指道路清掃作業后道路積塵負荷或塵土量/道路清掃作業前道路積塵負荷或塵土量），分析不同清掃保潔作業方式對道路積塵的削減影響，篩選出清潔效果好、對環境影響小的清潔作業方案，并對難清掃的道路積塵提出針對性的建議。同時，測定清潔作業時和清潔作業前后的路邊大氣顆粒物的質量濃度，計算道路清潔作業對周邊環境不同粒徑的大氣顆粒物濃度的貢獻率，即（清掃作業過程中大氣顆粒物濃度-清掃作業前的大氣顆粒物濃度）/清掃作業過程中大氣顆粒物濃度×100%。研究結果可為成都市及其他城市精準治理道路積塵/揚塵提供科學依據，對推薦合適的清掃作業方式有較好的決策參考意義。

1 材料與方法

1.1 實驗方法

采樣系統由車輛、吸塵器、蓄電池、無線GPS 等組成，其中無線GPS 用于測量采樣的道路長度。采樣車在最外側道路邊緣低速（＜5 km/h）行駛，采樣人員用真空吸塵器（伊萊克斯Z1750，吸塵頭寬度約0.26 m）在距人行道1 m 左右的車行道吸塵。真空吸塵器采樣有兩種方式：①真空吸塵器和配套吸塵袋（已編號、采樣前烘干并稱質量）吸取道路積塵用于計算道路積塵負荷，如式（1）所示；②真空吸塵器和配套塑料盒吸取道路積塵用于再懸浮，以便分析道路積塵的粒徑分布。采樣期間使用美國TSI 粉塵測定儀采集大氣顆粒物的質量濃度數據（總懸浮顆粒物TSP、PM10和PM2.5）。采樣后的道路積塵用ZDA-ZXFCY 型顆粒物再懸浮采樣器進行再懸浮得到不同粒徑的顆粒物（PM2.5和PM10）分布。

式中：SL 為道路積塵負荷，g/m2；W為樣品總質量，g；W20和W200分別為20 目和200 目篩和篩上物質量，g；M20和M200分別為20 目和200 目標準篩的凈質量，g；S為采樣面積，即吸塵長度與吸塵器寬度的乘積，m2。

1.2 實驗方案

為保證所選擇城市道路的典型性和代表性，經多方協商及實地考察后，選取位于成都市青羊區的光華北八路為主要實驗路段，與之平行且條件一致的光華北六路為輔助實驗路段，另外一條輔助實驗路段為垂直的光華西三路。上述3 條路交通流量正常，均為青羊區的城市支路，雙向四車道，路兩側有非機動車道；路旁有綠化帶，無中央隔離帶；兩側均無地面停車位占位，便于樣品采集，車行道材質均為瀝青（圖1）。道路條件可比性強。

圖1 采樣路段作業實況Figure 1 Operation situation of sampling section

采樣期間均為晴天，氣溫32 ℃左右，相對濕度64%，東北風2 m/s。每條路的實驗路段總長度均為整備質量9 800 kg，最大功率180 kW，接近角/離去角為23°/11°，前懸/后懸為1 430 mm/2 855 mm，排量6 200 mL，灑水寬度14 m，灑水炮射程30 m，垂直吸程/自吸高度6.5 m，灑、沖水壓力1.1 MPa，灑水量50 m3/h，揚程110 m，引水時間1.5 min/4 m，流量833 L/min。

在模擬實驗開始前開展了預實驗：在典型氣象條件下，清晨道路未被環衛工人清掃前（表1）和清晨第1 次清掃后日常清掃保潔間隔期內（表2）分別使用自制的移動式道路積塵采樣系統采集樣品3 次，獲得的當日清晨還未清掃時道路的積塵負荷及塵土量均較高，其平均本底值分別為0.121、1.180 g/m2；而道路日常清掃間隔期內的積塵負荷及塵土量較低，其平均本底值分別為0.056、0.601 g/m2。將此數據作為后續計算二次清除效率時的基數。

表1 未清掃前采樣道路的本底值Table 1 The background value of the sampled road before cleaning

表2 日常清掃間隔期內采樣道路的本底值Table 2 The background value of the sampled road during the daily cleaning interval

模擬實驗的作業車輛為常用的高壓水車及洗掃車，其中洗掃車在日常清掃時有干掃及洗掃兩種作業方式。在調研成都市各區域日常清掃作業的基礎上，設計了幾種常用的清掃保潔作業方式，并開展了兩次模擬實驗對比分析道路積塵負荷量較高和較低時兩種情景。根據問卷調查結果，將最常用的方式均在當條路段上進行平行實驗，主要包括8 種方式：①干掃；②洗掃；③沖洗；④干掃+沖洗；⑤洗掃+沖洗；⑥沖洗+干掃；⑦沖洗+洗掃；⑧洗掃+沖洗+干掃。每種方式為清掃作業車使用清掃作業的方式，如“干掃”，僅使用干掃功能；“干掃+ 沖洗”，清掃作業車先使用干掃作業，后用灑水車進行路面沖洗；其他方式類推。每個作業路段的長度約為200 m。

第1 次模擬研究作業方案見圖2，探究了其中5 種清潔方式（①、②、④、⑤、⑦）對道路積塵負荷較高時的影響。

圖2 第1 次模擬實驗研究方案示意Figure 2 Schematic of the study protocol for the first simulated experiment

考慮到道路積塵負荷較低時清掃保潔作業對積塵負荷或塵土量的清除效率可能較難提升，故第2 次模擬研究新加了3 種作業方式探究其對道路積塵負荷較低時的影響，作業方案見圖3。

圖3 第2 次模擬實驗研究方案示意Figure 3 Schematic of the study protocol for the second simulation experiment

2 結果與討論

2.1 不同清掃保潔方式對道路積塵的清除效率

第1 次模擬實驗即道路積塵負荷與塵土量較高的情景下各類清掃作業方式對道路積塵與塵土量的清除效率如圖4 所示。由圖4 可知，清掃后道路的積塵負荷與塵土量均有不同程度的下降。“干掃”和“干掃+沖洗”對道路的積塵負荷清除效率最高，均為86.78%；約為清除效率最低的“洗掃”（51.24%）的1.7 倍；而“洗掃+沖洗”對道路的塵土量清除效率最高，為79.66%，約為清除效率最低的“沖洗+洗掃”（13.56%）的5.9 倍，其中“干掃”的清除效率為66.95%。這與呂振江［39］、齊志強等［40］得出的研究數據類似，故“干掃”“干掃+沖洗”“洗掃+沖洗”皆為較優的清掃保潔作業方式。

圖4 第1 次模擬實驗中各清掃方式下道路積塵負荷與塵土量的清除效率Figure 4 The removal efficiency of road dust load and dust volume under different cleaning methods in the first simulation experiment

第2 次模擬實驗的目的是測試不同作業方式在道路經過當日清晨第1 次清掃后日常清掃保潔期間作業時的清除效率，即道路積塵負荷及塵土量較低時的二次清除效率（圖5）。相對應的是，當日模擬實驗前測得的采樣路段的基底值除以預實驗中當日道路還未清掃時獲得的本底值可計算出當日清掃作業的一次清除效率。此次采樣時間為上午10 點半左右，結合當日實地勘察發現，在進行模擬清掃保潔作業之前，光華北八路、光華西三路有明顯的清潔痕跡，并且路面未干；光華北六路未見濕式清潔痕跡，但路面較為干凈。等路面均干燥后采集樣品獲得的光華北八路和光華西三路的積塵負荷本底值分別為0.133、0.098 g/m2，塵土量基底值分別為0.478、0.475 g/m2；而光華北六路的積塵負荷和塵土量基底值分別為0.220、0.957 g/m2。說明一次作業工藝相同時，道路環境基本一致的不同采樣路段的本底值相差較小，其一次清除效率較一致；而道路環境基本一致的不同路段的一次作業工藝不同時，其在清掃保潔間隔期內的本底值和一次清除效率均有明顯差異。這也從另一個角度證明了不同清掃作業工藝對道路積塵負荷及塵土量的清除效率有較大差異，需要通過實驗找到最優的清掃保潔作業方式。

圖5 第2 次模擬實驗中各清掃方式下道路積塵負荷與塵土量的清除效率Figure 5 The removal efficiency of road dust load and dust volume under different cleaning methods in the second simulation experiment

與第1 次模擬實驗時路面積塵負荷和塵土量高的情況相比，第2 次模擬實驗即路面積塵負荷和塵土量較低時得到的二次清除效率的數值相對較低。這與我們假設的路面越干凈即基底值越小時，清掃作業的清除效率越難提高相符。“干掃”“洗掃”“沖洗”3 種單一的清潔方式對積塵負荷的二次清除效率均高于70%，但“干掃”“洗掃”對塵土量的二次清除效率（88.69%和79.53%）顯著高于“沖洗”（30.78%）。組合作業時，多種清掃保潔作業組合方式對道路積塵負荷的二次清除效率均高于40%。其中“洗掃+沖洗”的二次清除效率最高（78.57%）；“沖洗+洗掃”次之（73.21%）；“干掃+沖洗”的二次清除效率最低，僅44.64%，這與沖洗導致部分積塵凝結成塊在路面上有關。“洗掃+沖洗+干掃”雖然效果較好，但與“洗掃+沖洗”“沖洗+洗掃”無較大差距，并且成本較高，不建議推廣應用。

總的來說，不同清掃保潔作業方式對積塵負荷及塵土量的清除效率有顯著差異。當積塵負荷和塵土量較高時，單一的作業方式中“干掃”對積塵負荷及塵土量的清除效率均最高，但人群感官體驗較差；“洗掃”效果次于“干掃”，但人群感官體驗較好。清掃保潔作業組合方式優先選擇“干掃+沖洗”“洗掃+沖洗”。當積塵負荷和塵土量較低時，單一的作業方式中“干掃”對塵土量的清除效率最高，但“洗掃”對積塵負荷的清除效率最高，對塵土量的清除效率略低于“干掃”。清掃保潔作業組合方式優先選擇“沖洗+洗掃”“洗掃+沖洗”，但從能源、資源、人力、物力節約的角度來看，日間保潔采用單一的作業方式“干掃”或“洗掃”即可。另外，通過觀察及實驗發現，即使進行了各種方式的道路清掃，仍然很難清理干凈路沿邊（50～60 cm 寬）的道路積塵以及已被壓實、結成塊且嵌入道路構造里面的老舊塵土，如圖6 所示。建議開展新產品和新技術的應用調研工作，可考慮每隔一段時間結合新型技術或材料處理這些難清理的塵土。如使用市面上成熟的抑塵劑、融合劑等新型材料，在噴水作業時水中加入抑塵劑等其他新型科技方法。

2.2 清掃前后道路邊大氣顆粒物的濃度分布變化

進行道路清掃作業會引起揚塵，影響路人感官體驗，且揚塵對于空氣污染有重要貢獻，因此本研究利用美國TSI 粉塵測定儀采集了清掃前后各粒徑顆粒物的濃度，計算出不同清掃保潔方式作業時路邊顆粒物實測濃度的變化倍數，獲得其對未清掃時該路段大氣顆粒物濃度的貢獻率，結果見表3。

表3 清掃作業時路邊顆粒物實測濃度的變化倍數及貢獻率Table 3 Multiple factors and contribution rate of the measured concentration of roadside particulate matter during the cleaning operation

道路在清掃保潔作業時揚起的道路揚塵會影響其附近大氣中顆粒物的濃度，使TSP、PM2.5、PM10濃度均有不同程度的上升。其中，不同清掃方式作業時揚起的大氣中TSP 濃度是未作業時的1.12～1.26 倍，PM10為1.13～1.26 倍，PM2.5為1.14～1.23 倍。清掃作業時揚起的TSP 對當時周邊環境大氣中TSP 的平均貢獻率為21.98%，PM10的平均貢獻率為20.76%，PM2.5的貢獻率為18.03%。這與費學峰［41］、Gertler 等［42］報道的道路清掃時顆粒物略有增加的研究結果一致。

在清掃作業完成后5～10 min 再次測定了道路邊大氣顆粒物的濃度，發現路邊大氣中TSP、PM10、PM2.5在清掃前后無明顯的變化。作業后，僅在光華北八路PM2.5濃度上升了0.003 mg/m3；在光華西三路TSP 濃度下降了0.006 mg/m3，PM10、PM2.5分別下降了0.001、0.002 mg/m3。說明清掃作業停止5～10 min 后基本對周邊大氣中顆粒物濃度無顯著影響。

2.3 清掃保潔作業方式對道路積塵粒徑分布的影響

將篩分好的樣品（200 目）再懸浮到已稱量的石英膜上，將附著了PM2.5、PM10的石英膜再平衡、稱量，用差值法計算濾膜上顆粒物的質量，結果見圖7。由圖7 可知，相較于預實驗得到的該道路未清掃時本底樣品進行再懸浮獲得的粒徑分布（PM2.5/PM10平均值為74.43%），本次模擬實驗所采用的8 種清掃保潔作業對道路積塵中的粒徑分布均有不同程度的影響。“干掃”“洗掃+沖洗”“干掃+沖洗”后，積塵樣品再懸浮后得到的PM2.5/PM10降低，表明這3 種清掃保潔作業方式對積塵中的細顆粒物PM2.5有較好的去除效果，其中“干掃+沖洗”這一方式去除效果最顯著，PM2.5/PM10下降到18.36%。而其余5 種清掃保潔作業方式使PM2.5/PM10大幅上升，表明這5 種方式雖然可有效去除道路積塵，但卻增加了細顆粒物的比例，其中“沖洗”可使PM2.5/PM10上升到307.53%，這與其噴成細水霧卷帶了細顆粒物有關；另外3 種清掃保潔作業組合方式均使PM2.5/PM10保持在200% 以上，它們在作業時對周邊大氣環境中的細顆粒物濃度的增加有相對更大的貢獻。

圖7 8 種清掃保潔作業方式下積塵中PM2.5/PM10的分布Figure 7 Distribution of PM2.5/PM10in dust under 8 cleaning methods

3 結論

通過模擬實驗比較了多種清掃作業方式下道路積塵負荷及塵土量的變化，結果發現：

1）當積塵負荷和塵土量較高時，“干掃”“干掃+沖洗”“洗掃+沖洗”3 種清潔方式對道路積塵和塵土量的清除效率較好。當積塵負荷和塵土量較低時，單一的作業方式“干掃”或“洗掃”即可。雖然進行“干掃”作業時引起的道路揚塵影響人群感官體驗，但其清除效率高，故建議制造道路清掃作業車輛時可考慮在清掃車的側面增加揚塵擋板或收集罩等設計。

2）各種清掃作業方式在作業時揚起的塵土對當時周邊環境大氣中TSP 的平均貢獻率為21.98%，對PM10的平均貢獻率為20.76%，對PM2.5的貢獻率為18.03%。在清掃完成5～10 min 后對周邊大氣中顆粒物濃度的影響就會消除。不同清掃作業方式對周圍大氣顆粒物粒徑分布有一定影響，其中“干掃”“洗掃+沖洗”“干掃+沖洗”3 種清掃保潔作業方式對道路積塵中的細顆粒物PM2.5有較好的去除效果。