不同保洁工艺对道路尘负荷与扬尘控制效率差异的影响研究

李 冬，薛占刚，刘善文，高 健，朱健忠，李贤芳，陈建华

1. 中国环境科学研究院，环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012

2. 傲蓝得环境科技有限公司，河南 郑州 451482

3. 山东诺方电子科技有限公司，山东 济南 250001

4. 暨南大学环境与气候研究院，广东 广州 511436

道路扬尘是指道路上的积尘在外力(自然风力、人力等)作用下进入环境中形成的大气污染物,主要来源于城市裸地、渣土车运输引起的散落尘、大气降尘等[1]. 研究[2-4]表明，道路扬尘对城市大气环境PM10浓度的贡献为40%～75%. 道路扬尘中富含多种重金属和多环芳烃等成分，对人体健康具有严重危害[5-7].近年来，道路扬尘因其颗粒物贡献大、污染源多、影响人体健康等特点而被广泛关注[8-10].

统筹落实城市道路保洁工作、从源头控制道路扬尘成为地方政府大气污染治理的工作目标. 国内外学者对道路扬尘排放的检测方法[11-16]、空间分布特征[17-18]、来源解析[19-21]、排放清单[22-23]和人体健康效应[24-25]等开展了大量研究，但关于不同保洁工艺的路面积尘控制效率评估、保洁工艺实施后道路扬尘浓度变化规律及控制的研究较为鲜见[26].

郑州市是京津冀及周边地区“2+26”城市大气污染的重点研究区域. 该研究以郑州市为研究对象，采用激光颗粒物传感器对郑州市典型道路的积尘负荷和道路扬尘浓度进行了测定，计算了城市道路扬尘控制效率，分析了典型湿式保洁工艺实施后扬尘浓度的变化规律，以期为郑州市及其他城市精准治理道路扬尘提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 试验设备

该研究采用山东诺方电子科技有限公司生产的道路积尘-扬尘监测系统，该系统采用基于光散射原理的四核颗粒物传感器感，能够通过4个子传感器的数据交叉校验实现故障自动识别来保证监测数据的准确性、可靠性. 当1个子传感器数据与另外3个子传感器的数据差异明显时，通过集成算法判断传感故障. 用剩余3个子传感器的平均值来代替整个传感器输出数据，消除了传感器故障产生的无效数据.

道路积尘监测设备通过北京市计量检测科学研究院的校准，并取得《道路积尘负荷监测仪》校准证书，示值误差小于±15%，符合相关技术要求规范. 道路积尘监测设备终端核心是自主研发的SDM908-SE工业级监测仪，对道路表面积尘扬起的可悬浮颗粒物(TSP)浓度进行监测. 标定过程严格遵循《城市扬尘污染防治技术规范》(HJ/T 393-2007)规定的人工取样方法进行TSP和积尘负荷数据之间的标定转换，最终得出积尘负荷值，经实测标定后TSP与积尘负荷的相关系数大于0.9.

道路扬尘监测设备采用一款快装式的环境空气连续自动监测微站，可集成监测PM2.5、PM10、TSP等指标，数据终端核心是自主研发的SDS019-TRF颗粒物传感器，传感器已通过CPA (中华人民共和国计量器具批准证书)、CE (符合欧盟《技术协调与标准化新方法》指令的基本要求)、FCC (电子、电气产品的电磁兼容性符合美国联邦通讯委员会认证要求)、RoHs(电子、电气产品中所含6种有害物质符合欧盟标准上限浓度)，单台设备时间分辨率为3 s，定位精度高于10 m.

1.2 数据的获取

该研究采用道路积尘-扬尘监测系统实测道路积尘负荷和道路扬尘排放数据. 通过调研获取试验路段及保洁作业情况. 保洁工艺根据其特点可分为干式作业(如干扫收边、干式吸尘等)、湿式作业(如洗扫收边、洒水、高压冲洗等)和混合作业(指两种及以上保洁工艺综合施用的作业情况).

1.3 数据处理方法

道路扬尘控制效率计算公式：

式中：η表示道路扬尘控制效率，%；sLbefore表示道路在未采取保洁措施前的积尘负荷，g/m2；sLafter表示道路在采取保洁措施后的积尘负荷，g/m2.

1.4 研究方法

1.4.1道路扬尘控制效率研究方法

于2020年10月-2021年2月，采用道路积尘-扬尘监测系统对不同保洁工艺作业前、后的积尘负荷和道路扬尘进行测定. 为减少外界环境干扰和保证对同一道路复测的时间有效，选取车流量较少且相邻的道路为试验对象. 在新老城区选取的监测路段如图1所示，包括郑州市南四环路、紫荆山南路、京深线和中州大道等，涵盖的道路类型包括快速路、主干道和次干道. 分别测定保洁工艺实施前、后路面上的积尘负荷，各路段及不同工艺的测试频次不少于2次，复测时间间隔尽可能控制在1～2 h内. 检测期间同时记录环境温度和相对湿度.

图1 监测路段示意Fig.1 Schematic diagram of the monitoring roads

1.4.2道路扬尘变化规律及控制研究方法

湿式作业是城市常用的控尘或抑尘方法，该研究监测湿式作业后干燥后3 h内道路扬尘浓度变化，以掌握湿式作业效果持续的时间. 路面干燥时间由仪器内置湿度传感器确定. 为研究不同洒水量对道路扬尘控制的效果，于2020年11月18日-12月11日以宇通路为研究对象研究不同洒水模式对道路扬尘控制的影响，分为“后洒”(大水量保湿作业且肉眼观测路面有明显积水)和“后喷雾”(小水量保湿作业)两种试验情景. 试验期间采用宇通路固定微站和十八里河标准站的监测结果相互对比检校以排除试验的偶然性. 试验期间保证湿式作业频次不变，日平均作业时间间隔为2～3 h.

2 结果与讨论

2.1 道路扬尘控制效率研究

2.1.1保洁工艺实施后不同时间内道路扬尘控制效率的变化规律

在保洁工艺作业后，按不同时间间隔测定道路积尘负荷值，按式(1)计算道路扬尘控制效率并取平均值，得到道路扬尘控制效率与保洁时间的关系如图2所示. 由图2可见，道路扬尘控制效率与保洁时间的皮尔森相关系数(r)约为-0.75，表明拟合程度较好，剩余25%的拟合差异受道路车流量、城市自然风速变化、道路积尘量不均匀等综合因素的影响.p值通过0.05显著性水平，表明由于偶然性造成拟合差异的概率较小，具备统计学意义.

图2 保洁工艺实施后不同时间内道路扬尘控制效率的变化规律Fig.2 Time series changes of road dust control efficiency after various cleaning measures

由图2可见：道路扬尘控制效率随保洁时间的增长呈显著下降趋势，在采取保洁作业后1 h内，各保洁工艺的道路扬尘控制效率为23%～47%；在1～2 h内，道路扬尘控制效率为20%～40%；在2～2.5 h内，道路扬尘控制效率为5%～27%；3 h后，路面积尘恢复原有水平. 结果表明，1 h内各保洁工艺对道路扬尘的控制效率均较为显著，2 h后控尘效果逐渐减弱，3 h后控尘效果甚微. 实地调研发现，保洁工艺实施后，车辆引入的新积尘会导致短时间内路面积尘负荷增加. 研究[27]表明，道路积尘会被冲刷至道路两侧，在行驶车辆的带动下积尘会再次返回路面. 综上，城市相关部门在进行道路扬尘治理时，各种保洁工艺在某一路段的工作时间间隔应控制在1～2 h之间. 除尘和抑尘作业应配套进行，清理路面积尘要更加彻底.此外，相关职能部门应严格运输管理，降低物料撒落.运输车辆进出工地要冲洗轮胎，防止泥沙上路.

2.1.2环境温度和相对湿度对道路扬尘控制效率的影响

环境温度和相对湿度可能是影响道路扬尘排放的因素. 该研究试验期间环境温度的变化范围为1～20 ℃，相对湿度的变化范围为20%～84%. 道路扬尘控制效率随环境温度和相对湿度变化关系如图3所示. 由图3可见：道路扬尘控制效率与环境温度呈弱负相关，与相对湿度呈弱正相关，其皮尔森相关系数(r)分别为-0.20和0.19 (p均小于0.05).道路扬尘排放受环境温度、相对湿度的影响，且受环境温度影响更强. 日气温较高时，会加速路面水分蒸发，进而导致湿式作业后的控制效率较低. 由图3可见，当环境温度大于9 ℃时，平均扬尘控制效率低于0，表明此时应适当加大保洁措施的频次.较高的相对湿度有利于延缓保洁工艺控制积尘的效果，然而由于试验时间处于郑州市秋冬季，无高湿(相对湿度＞90%)情况，若出现高湿情况时，应适当减少湿式作业等保洁工艺频次，以避免颗粒物的吸湿增长.

图3 道路扬尘控制效率随温度和相对湿度的变化情况Fig.3 Relationship between dust control efficiency and temperature and relative humidity

2.1.3不同保洁工艺的道路扬尘控制效率

分析各类型保洁工艺在实施后1 h内的道路扬尘控制效率，结果如图4所示. 由图4可见，混合作业在1 h时的道路扬尘控制效率(37%～51%)最高，湿式作业的道路扬尘控制效率 (11%～48%)次之，干式作业的道路扬尘控制效率(5%～19%)最低. 结果表明，混合作业和湿式作业对城市道路扬尘治理的效果更好，原因在于各类保洁工艺的除尘和抑尘能力不同. 混合作业综合各种湿式或干式工艺，清扫更彻底，抑尘时间更长；湿式作业通过洒水方式使抑尘时间较长，但除尘效果并不如混合作业；干式作业仅能除去路面较大粒径的尘土，却无水抑尘，所以控制效率最低.

图4 不同类型道路保洁工艺的道路扬尘控制效率Fig.4 Road dust control efficiency of different types of cleaning measures

目前，评估保洁工艺积尘控制效率的研究较少，彭康[28]基于路面吸尘测定积尘负荷的方式评估了珠三角地区“水洗+清扫”保洁工艺的路面积尘控制效率为30.4%～78.7%(平均值为61%)，与笔者研究结果一致，说明混合保洁工艺的路面积尘控制效率较高，但尚不能完全控制扬尘.

对试验路段同一作业模式(洗扫收边)在1 h内的扬尘控制效率分析发现，洗扫收边作业对紫荆山南路北段、中州大道等路段的道路扬尘控制效率较高(见图5). 紫荆山南路北段积尘较多，中州大道为物流通道，行驶的大货车较多、路面有破损，导致路面积尘较多. 这说明该保洁工艺对积尘污染较重路段的积尘改善效果更明显. 由于金港大道、亳都路和新港大道等道路为老城区道路，所以保洁前后道路积尘改善效果较小，导致扬尘控制效率较低. 而其中一些路段的车流量较大，会夹带尘土或排放尾气颗粒物使路面积尘重新恢复或略超过原有水平，导致扬尘控制效率为0或负值. 因此，应加强主要干道的养护和清洗，落实好城市绿化工作，避免绿化带成为扬尘积累灰沙带. 应了解和掌握城市道路的污染状况，对污染较重路段实施混合保洁工艺.

图5 基于不同路段的道路扬尘控制效率分析Fig.5 Analysis of road dust control efficiency on different roads

2.2 湿式作业实施后道路扬尘浓度变化规律及其控制效果

2.2.1湿式作业路面干燥后道路扬尘变化规律

郑州市普遍采用湿式保洁工艺控制道路扬尘. 湿式作业路面干燥后道路积尘负荷值和扬尘浓度随路面干燥后的时间变化规律如图6所示. 由图6可见：道路积尘负荷与扬尘浓度的变化规律呈较好的一致性，在湿式作业路面干燥后约1 h内道路积尘和道路扬尘均得到有效控制，积尘负荷和道路扬尘浓度平均值的变化规律较为稳定且呈下降趋势；湿式作业路面干燥1.1 h后，道路积尘和扬尘浓度平均值均发生显著变化，湿式作业对道路积尘和扬尘的控制效果减弱.

图6 道路积尘负荷和扬尘浓度随路面干燥后的时间变化规律Fig.6 Variation of the silt loading and dust concentrations with time after road surface drought

2.2.2湿式作业洒水量对道路扬尘浓度变化的影响

分别采用“后洒”和“后喷雾”两种作业模式进行道路扬尘控制试验，并将2个试验获得的道路扬尘浓度进行对比，结果如图7所示. 由图7可见：“后洒”作业期间，道路扬尘浓度较低，变化趋势平缓且稳定，表明日常洒水抑尘措施能取得良好的保洁效果；“后喷雾”作业期间，道路扬尘浓度在11:00-12:00(午高峰)以及17:00后(晚高峰)出现高值. 笔者研究结果与任建宁等[27]在渭南市研究的道路环境颗粒物污染物特征结果近似，其发现高峰时段机动车加速、减速、怠速转换频繁，导致道路环境空气扰动强烈，当道路硬化率低及路面尘土较多时，极易造成道路扬尘浓度升高. 而秦孝良等[29]在济南市的研究显示，道路环境颗粒物在早高峰和夜间(21:00-翌日02:00)排放浓度较高，推测可能与夜间柴油车运输和工地施工的颗粒物排放有关. 与其相比，宇通路为非夜间车辆行驶的主要道路，清晨时段车流量相对较少，且周边未发现施工工地.

图7 湿式作业中“后洒”和“后喷雾”作业模式下道路扬尘浓度变化Fig.7 Variations of road dust concentrations under‘post-scattering’ and ‘post-spraying’ operation modes in wet cleaning measures

该研究消除2次试验中环境背景的PM10浓度，对比宇通路固定微站和十八里河标准站在“后洒”试验和“后喷雾”试验中的道路扬尘浓度，发现两站点采用“后洒”方式可使扬尘控制效率分别提高约28%和36%， “后洒”措施能够实现对道路扬尘排放的有效控制，而“后喷雾”措施控尘效果较差. 道路扬尘浓度在午高峰和晚高峰时段排放较为明显，主要受城市午高峰和晚高峰期间车流量较大的影响. 从环卫部门角度看，为有效治理冬季道路扬尘，郑州市在5 ℃以上(防止局部道路结冰)时宜适当加大午高峰和晚高峰时段的“后喷雾”作业频次、增加日常干式除尘作业频次.

3 结论

a)道路扬尘控制效率受保洁工艺时间、环境温度和相对湿度影响. 1 h内道路扬尘控制效率的平均值为23%～47%；在1～2 h内，道路扬尘控制效率为20%～40%；在2～2.5 h内，道路扬尘控制效率为5%～27%；3 h后，路面积尘基本恢复到原有水平. 道路扬尘控制效率与环境温度和相对湿度均呈弱相关性，受环境温度影响稍明显，且当环境温度大于9 ℃时，道路扬尘控制效率的平均值为负.

b)不同类型保洁工艺在1 h时的扬尘控制效率表现为混合作业的道路扬尘控制效率 (37%～51%)最高，湿式作业的道路扬尘控制效率 (11%～48%)次之，干式作业的道路扬尘控制效率 (5%～19%)最低.各保洁工艺对积尘污染较重路段的积尘改善效果最佳.

c)湿式作业路面干燥后约1 h内道路积尘和扬尘浓度均得到有效控制，二者平均值变化稳定且呈下降趋势. 冬季降低洒水量对道路扬尘控制效果较差.

d)从道路扬尘的源头治理角度，相关职能部门应严格运输管理，降低物料撒落；运输车辆进出工地要冲洗轮胎，防止泥沙上路；加强主要干道的养护和清洗，落实好城市绿化工作. 从道路扬尘的末端治理角度，环卫部门应了解和掌握城市道路污染状况，对污染较重路段实施混合保洁工艺；实施各种保洁工艺的时间间隔应控制在1～2 h为宜，除尘和抑尘作业应配套进行. 对于冬季，环卫部门宜在5 ℃以上(防止局部道路结冰)时适当加大午高峰和晚高峰时段的“后洒”和“后喷雾”作业频次，并增加日常干式作业频次.