楊承伯

（福建省環(huán)境保護(hù)股份公司，福建 福州 350000）

城市空氣污染由懸浮顆粒（顆粒物：Particulate Matter，簡(jiǎn)稱PM）、氣態(tài)污染物（包括氮氧化物（NOx）、臭氧（O3））和其他污染物的復(fù)雜混合物組成。汽車尾氣和工業(yè)排放導(dǎo)致環(huán)境中的空氣污染水平升高，因此減少空氣污染物的工作意義重大。

植物生物過(guò)濾技術(shù)從植物修復(fù)的概念延伸發(fā)展而來(lái)，通常采用活性綠墻的形式。此過(guò)濾系統(tǒng)中的植物沿垂直窗格排列，并使用“主動(dòng)氣流”以機(jī)械力迫使污染氣流通過(guò)植物的葉片和生長(zhǎng)基質(zhì)，然后排到空氣中。在此過(guò)程中，PM被植物生長(zhǎng)基質(zhì)過(guò)濾，氣態(tài)污染物如VOC，O3和NO2可以被生長(zhǎng)基質(zhì)中所含的微生物天然降解，或通過(guò)粘附在基質(zhì)吸附劑上從氣流中去除[1]。

本次調(diào)查首先評(píng)估了植物生物過(guò)濾技術(shù)對(duì)交通空氣污染的單次去除效率(SPRE)。其次，通過(guò)評(píng)估污染去除效率和氣流特性，確定三種生物過(guò)濾設(shè)計(jì)系統(tǒng)中產(chǎn)生的清潔空氣及原位試驗(yàn)下系統(tǒng)的清潔空氣輸送率(CADR)，探討了每種污染物的去除效率與環(huán)境污染物濃度之間的關(guān)系。綜合研究結(jié)果表明，實(shí)施這項(xiàng)新技術(shù)可以促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展，改善城市的公共衛(wèi)生。

1 植物生物過(guò)濾技術(shù)的實(shí)施方法

1.1 場(chǎng)地描述和植物生物過(guò)濾器定位

站點(diǎn)1設(shè)在廈門中山路。兩個(gè)生物過(guò)濾器陣列安裝在廈門中山路邊，緊鄰北行交通，保證生物過(guò)濾器陣列與最靠近道路的交通屏障齊平。為了提供空間獨(dú)立性，現(xiàn)場(chǎng)的生物過(guò)濾器陣列彼此分開(kāi)30 m。抽樣時(shí)間為2021年3月至2021年8月。

站點(diǎn)2設(shè)在林后路口高速公路。林后路口地點(diǎn)位于G324國(guó)道處，廈門島至漳州方向。三個(gè)生物過(guò)濾器陣列緊鄰東南方向的交通，位于林后路口高速公路的東南方向車道的緊鄰邊緣。在此地點(diǎn)，生物過(guò)濾器陣列之間至少有50 m的距離，以確保每一個(gè)生物過(guò)濾器陣列的效果不會(huì)混淆其他生物過(guò)濾器陣列的測(cè)量。抽樣時(shí)間為2021年8月至2022年1月。

假設(shè)環(huán)境污染情況和濃度會(huì)影響過(guò)濾效率[2]，因此選擇這兩個(gè)地點(diǎn)是因?yàn)樗鼈兊奈廴咎卣鞑煌?。林后路口高速公路相?duì)較開(kāi)放（即與道路相鄰的城市開(kāi)發(fā)較少），因此該站點(diǎn)的污染物擴(kuò)散可能不會(huì)受到與更發(fā)達(dá)的中山路相同程度的阻礙。

1.2 植物生物過(guò)濾器介紹

五個(gè)生物過(guò)濾器陣列（1×5 m的壁表面積）中各有五個(gè)獨(dú)立的1 m2增壓室，增壓室中可以容納20個(gè)生物過(guò)濾器模塊，每個(gè)模塊（0.5×0.5×0.15 m）由可回收的低密度聚乙烯制成，正面面積為0.25 m2，包含16個(gè)可供植物生長(zhǎng)的孔。生物過(guò)濾器陣列包含以下植物種類：迷迭香、桃金娘、和天堂竹，選擇這些物種是因?yàn)樗鼈冊(cè)诼愤叚h(huán)境中的生存能力較強(qiáng)。模塊內(nèi)的內(nèi)部空間充滿了以椰子殼為基礎(chǔ)的植物生長(zhǎng)基質(zhì)，模塊的內(nèi)表面襯著一塊高密度聚乙烯遮光布，用來(lái)將植物根部和生長(zhǎng)基質(zhì)固定在模塊內(nèi)[3]。每個(gè)模塊的背面在其中心有一個(gè)開(kāi)口（63.6 cm2橫截面積），用于拉動(dòng)氣流通過(guò)開(kāi)口和植物生長(zhǎng)基質(zhì)，之后氣流再通過(guò)這個(gè)開(kāi)口退出生物過(guò)濾器模塊。每2天通過(guò)滴管用約11升水灌溉每個(gè)生物過(guò)濾器陣列。除了這種形式的灌溉，生物過(guò)濾器陣列也暴露在雨水中，通過(guò)自然降雨獲得雨水灌溉。另外每個(gè)生物過(guò)濾器模塊都包含排水孔，如果灌溉量超過(guò)其容量，多余的水會(huì)從模塊中排出。

為了隔離濾出的氣流，模塊被固定在鋼制通風(fēng)系統(tǒng)上，并裝有風(fēng)扇以產(chǎn)生氣流。每個(gè)增壓室為11 m×0.15 m（1m2正面面積），并裝有四個(gè)植物生物過(guò)濾器模塊。氣流通過(guò)增壓室前面的四個(gè)開(kāi)口進(jìn)入增壓室；這些開(kāi)口對(duì)應(yīng)于每個(gè)模塊背面上的開(kāi)口。兩個(gè)風(fēng)扇，內(nèi)徑為120 mm，體積流量為186.70 m3/hat0.00Pa靜壓，額定功耗為4.32 W，平行布置在增壓室的背面。通風(fēng)口與風(fēng)扇出口相匹配，并使用百葉窗來(lái)防止雨水進(jìn)入增壓室。這些生物過(guò)濾器陣列支撐在框架上，使墻的底部距地面約1m（見(jiàn)圖1)。

圖1 植物生物過(guò)濾器

1.3 植物生物過(guò)濾器設(shè)計(jì)比較

由于本研究為首次評(píng)估植物生物過(guò)濾器對(duì)室外環(huán)境中交通污染的去除效果，因此尚不清楚某些系統(tǒng)（例如氣流的變化）將如何影響整體性能。因此，使用了三種不同的設(shè)計(jì)迭代，來(lái)研究其與整體性能之間的關(guān)系。除了上述設(shè)計(jì)迭代之外，每個(gè)生物過(guò)濾器陣列上的一個(gè)增壓室包含4個(gè)顆?；钚蕴?GAC)暗盒，安裝在增壓室正面的四個(gè)開(kāi)口內(nèi)。在該設(shè)計(jì)中，氣流將首先通過(guò)生物過(guò)濾器模塊，然后通過(guò)包含GAC（活性炭；EA10004 mm）的小圓柱體（內(nèi)半徑44 mm，深度20 mm）[4]。

1.4 空氣質(zhì)量測(cè)量

本研究用通過(guò)每個(gè)百葉窗的空氣速度，乘以百葉窗開(kāi)口的面積，以計(jì)算通過(guò)每個(gè)增壓室的體積流量；使用風(fēng)速儀9545測(cè)量通過(guò)每個(gè)增壓室的氣流；使用一系列AQY1-微型空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量NO2、O3和PM2.5的濃度。盡管廈門被認(rèn)為具有相對(duì)“良好”的空氣質(zhì)量，但PM2.5和O3仍是最常出現(xiàn)的高濃度空氣污染物。在每個(gè)生物過(guò)濾器陣列的兩端分別安裝兩個(gè)AQY1儀器，為每個(gè)生物過(guò)濾器陣列提供近端環(huán)境空氣質(zhì)量的測(cè)量值。為了評(píng)估空氣污染物的去除效率，AQY1儀器被放置在每個(gè)增壓室中，檢測(cè)被隔離的流出氣流中NO2、O3和PM2.5的濃度。盡管這些儀器具有很高的檢測(cè)分辨率，并且在使用前進(jìn)行了工廠校準(zhǔn)，但是每個(gè)機(jī)器也存在系統(tǒng)差異，可能會(huì)影響環(huán)境中的空氣和過(guò)濾后排放空氣的空氣污染濃度的準(zhǔn)確性。因此，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，儀器的位置在增壓室和環(huán)境空氣檢測(cè)位置之間隨機(jī)旋轉(zhuǎn)了幾次。實(shí)驗(yàn)平均每5分鐘計(jì)算一次空氣的污染濃度，使用時(shí)間從早上6:00至下午6:00；且在此12個(gè)小時(shí)內(nèi)，在無(wú)風(fēng)扇通風(fēng)的情況下，提供每個(gè)時(shí)間段污染物濃度的數(shù)據(jù)。

1.5 數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)比較環(huán)境空氣中污染物濃度的平均值，與在每個(gè)生物過(guò)濾器隔離流出氣流中檢測(cè)到的平均空氣污染濃度平均值，計(jì)算出每種污染物的SPRE。

空氣污染的植物修復(fù)效果，通常以去除的污染物質(zhì)量來(lái)衡量，而在植物生物過(guò)濾中使用主動(dòng)氣流，可以將去除率表示為清潔空氣輸送率(CADR)。每種污染物的CADR描述了生物過(guò)濾器產(chǎn)生的“清潔”空氣量，通常被認(rèn)為是評(píng)估空氣清潔潛力的最佳指標(biāo)。此外，將每種污染物的SPRE轉(zhuǎn)換為CADR，有助于對(duì)不同氣流速率的處理進(jìn)行有效比較。通過(guò)ANOVA方差分析(IBMSPSSStatisticVer25)，對(duì)植物過(guò)濾中CADR的差異進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)比較。此外，每種污染物的SPRE被認(rèn)為是環(huán)境污染物濃度的函數(shù)，以評(píng)估去除效率和污染物濃度之間的關(guān)系。每次樣本中兩個(gè)地點(diǎn)的平均污染物濃度和生物過(guò)濾器SPRE都包含在此相關(guān)性中，從而確保每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的雙變量正態(tài)性。

2 結(jié)果

在站點(diǎn)采樣過(guò)程中，中山路的平均每日（早6:00至晚6:00）交通量為33 267輛汽車和1 175輛卡車；與生物過(guò)濾器陣列相鄰的林后路口高速公路路段，該地點(diǎn)在采樣過(guò)程中，平均每日交通量（早6:00至晚6:00）為70 985輛汽車和4 691輛卡車。

研究發(fā)現(xiàn)站點(diǎn)污染物濃度都與交通密切相關(guān)。在中山路，每15分鐘間隔的平均每日環(huán)境PM2.5濃度與汽車（r=0.372，p=0.012，n=48）和卡車（r=0.625，p=0.000，n=48）的數(shù)量關(guān)系很大；而每15分鐘間隔的每日環(huán)境PM2.5濃度與林后路口高速公路上過(guò)往卡車的數(shù)量顯著相關(guān)（r=0.550，p=0.000，n=48）。交通量及其變化，導(dǎo)致污染物濃度普遍較高，并且波動(dòng)較大（見(jiàn)圖2，圖3）。

圖2 2021年3月至2021年8月試驗(yàn)期間每個(gè)時(shí)間點(diǎn)，中山路環(huán)境空氣中污染物平均濃度與過(guò)濾后污染物平均濃度對(duì)比。

圖3 2021年8月至2022年1月試驗(yàn)期間每個(gè)時(shí)間點(diǎn)，林后路口高速公路環(huán)境空氣中污染物平均濃度與過(guò)濾后污染物平均濃度對(duì)比。

所有生物過(guò)濾處理后物質(zhì)中檢測(cè)到的三種污染物的平均濃度，均低于環(huán)境空氣中污染物濃度，因此生物過(guò)濾與所有污染物的SPRE均為正相關(guān)（見(jiàn)圖2、圖3），表明在兩種不同的路邊環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境空氣中PM2.5、NO2和O3的過(guò)濾。

使用120 mm風(fēng)扇通過(guò)每個(gè)增壓室的平均氣流為169.02±4.37 m3/h；通過(guò)含有GAC的增壓室的平均氣流為169.01±11.17m3/h；而使用140 mm風(fēng)扇通過(guò)增壓室的平均氣流為178.41±22.68 m3/h。

SPREs作為氣流速率的函數(shù)來(lái)計(jì)算每個(gè)處理的CADR。具有較大風(fēng)扇并因此具有最高體積流量的增壓室實(shí)現(xiàn)了O3和PM2.5的最高CADR；而結(jié)合GAC的生物過(guò)濾器產(chǎn)生了最高的NO2CARD，然而，所有污染物的CADR在生物過(guò)濾器處理或站點(diǎn)之間無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

利用皮爾遜相關(guān)性分析結(jié)果，評(píng)估三種污染物的環(huán)境濃度與每種處理方式的SPRE之間的關(guān)聯(lián)，表明幾乎所有生物過(guò)濾處理，在去除效率和污染物濃度之間都表現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯著的正相關(guān)關(guān)系。隨著所有污染物的環(huán)境濃度增加，所有處理的SPRE也增加，在所有生物過(guò)濾器處理中，O3的這種趨勢(shì)表現(xiàn)的尤為突出。

3 討論

3.1 NO2過(guò)濾

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論環(huán)境中的NO2濃度如何，過(guò)濾的流出空氣中NO2的濃度都大大低于環(huán)境空氣中NO2的濃度，所有采樣的平均SPRE范圍為57.81%～75.63%，具體數(shù)值取決于處理方法。雖然兩個(gè)站點(diǎn)之間的污染物的環(huán)境濃度存在明顯差異，但NO2的平均每日時(shí)間模式，在兩個(gè)站點(diǎn)都未顯示出NO2的濃度波動(dòng)與交通量或日照強(qiáng)度有明顯關(guān)系。另外，本實(shí)驗(yàn)中使用的GAC增強(qiáng)生物過(guò)濾處理并未顯著降低氣流速率，因此不會(huì)影響CADR，使用不同的、基于活性炭的輔助過(guò)濾器設(shè)計(jì)，還需要進(jìn)一步探索。這項(xiàng)工作未對(duì)VOC的環(huán)境或過(guò)濾濃度進(jìn)行測(cè)量，但這仍然是未來(lái)研究的重要考慮因素。此外，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)生物組件任何可能的VOC排放也很重要，因?yàn)閂OC有可能與NO2發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致形成O3。

3.2 O3過(guò)濾

雖然中山路分布點(diǎn)NO2的濃度高于林后路口高速公路站點(diǎn)，但是林后路口高速路站點(diǎn)的O3濃度高于中山路分布點(diǎn)，這可能反映了兩個(gè)站點(diǎn)之間采樣周期的季節(jié)性差異。在實(shí)驗(yàn)下，生物過(guò)濾器過(guò)濾氣流中的O3濃度，通常和早上6點(diǎn)環(huán)境空氣中的初始O3濃度相同，并保持在該水平，但是環(huán)境空氣中的O3濃度會(huì)全天持續(xù)上升。NO2和O3在陽(yáng)光條件下都具有光化學(xué)敏感性，由于增壓室攔截了陽(yáng)光，因此很難確定增壓室是否會(huì)對(duì)這些污染物產(chǎn)生什么影響，但是由于廢氣在增壓室中停留時(shí)間短，故本研究忽略這種情況帶來(lái)的影響。

3.3 PM2.5過(guò)濾

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)植物生物過(guò)濾器過(guò)濾后的PM2.5的平均值低于環(huán)境空氣中的氣體污染物。在本研究中使用不同氣流速率處理PM2.5，CADR無(wú)顯著差異，PM2.5濃度衰減的速率常數(shù)通常會(huì)隨著通過(guò)過(guò)濾器的體積流量而增加，直到達(dá)到閾值氣流速率，但由于不同處理之間的氣流速率差異相對(duì)較小，因此在該實(shí)驗(yàn)中未觀察到類似效果。目前的研究結(jié)果還表明，PM2.5SPRE將全天變化，因?yàn)榱鞒鰵饬髦械腜M2.5濃度密切反映了兩個(gè)站點(diǎn)PM2.5入口濃度的波動(dòng)模式。

3.4 融入城市設(shè)計(jì)和未來(lái)發(fā)展

本文證明了植物生物過(guò)濾的可行性，并表明植物生物過(guò)濾器是幫助減輕空氣污染暴露的有效解決方案。然而，對(duì)于經(jīng)過(guò)測(cè)試的生物過(guò)濾器系統(tǒng)，污染物減少效果不太可能影響緊鄰生物過(guò)濾器陣列的區(qū)域之外的環(huán)境空氣質(zhì)量，因此需要在目標(biāo)位置實(shí)施更大的陣列才能產(chǎn)生這種效果。雖然CADR和墻壁尺寸之間的關(guān)系很清楚，但在現(xiàn)階段，墻壁尺寸和環(huán)境空氣質(zhì)量效應(yīng)之間的關(guān)系仍未得到檢驗(yàn)。實(shí)施大型綠化墻有相當(dāng)大的潛力，因?yàn)榇祟惢A(chǔ)設(shè)施在街道上占用的空間相對(duì)較少。

4 結(jié)語(yǔ)

本文證明了植物生物過(guò)濾器的潛力和作用，從路邊空氣環(huán)境中，過(guò)濾交通排氣污染物—NO2、O3和PM2.5。三種污染物的活性綠墻生物濾池分別達(dá)到了121 m3/h、50 m3/h和40 m3/h的潔凈空氣輸送率，綠墻生物過(guò)濾器對(duì)污染物去除效率與其環(huán)境濃度呈正相關(guān)，活性綠墻對(duì)空氣過(guò)濾有積極的作用。因此，建議對(duì)該技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以推動(dòng)城市可持續(xù)發(fā)展及公共衛(wèi)生的改善。