全国青少年科技创新大赛
一种新型的土壤空气净化装置的设计与制作
（一）背景与现状
1.背景介绍
随着科学技术的不断发展与人们生活水平的日益提高，对空气的清洁程度的要求也越来越高。目前空气净化器运用得比较广泛，不管是电视广告宣传，街边发放的相关传单，还是实际生活体验，人们对清新空气的迫切需求，空气净化装置的可行化、高效化和环保化已经逐渐成为目前空气净化装置的一个发展趋势。例如，在城市地下停车库令人窒息的高浓度的污染气体，其中，CO，NOx和PM10等污染气体以及固体颗粒物对人体的伤害极大。若是长时间处于这样一个环境中，对人们的生命财产安全的损害也是极大的。但是，如果使用常见的对车库污染气体的处理方式，不仅耗费大量的财力而且效率不高又不够安全环保。因此，如何研究设计出一种切实环保，且经济可行的空气净化装置显得格为重要。
2.现有污染空气处理技术
（1）机械化学吸附技术
机械化学吸附法适合于常温（0℃～40℃）低浓度（0.1～10ppm）NOx废气处治，需要使用吸附剂。吸附剂通常为Cu和Mn的复合氧化物（Cu／MnO2）。机械式化学吸附法处理效率相对较低，能耗较大，会产生二次污染废弃物，且不易管理。机械化学吸附法在日本已有实际应用（如图8-14所示）。
图8-14 机械式化学吸附法
（2）静电除尘技术
静电除尘是一种利用电场产生的静电力使尘粒从气流中分离的技术，目前广泛应用于火力发电、冶金、化学和水泥等工业部门的烟气除尘和物料回收。静电除尘的原理是在带负电的放电极周围的空气电离形成电离区（叫作电晕区），电晕区通常局限于放电极周围几毫米处。电离后，负离子向带正电的正极移动。含尘空气通过静电除尘装置时，获得负电荷，沉积在正极板（因此正极板也叫作集尘板）上，只有少量在电晕区通过（因为电晕区范围很小），沉积在负极板上。当尘粒在集尘板上达到一定数量后由清灰机构来完成清洗工作，将尘粒清洗掉或做固化处理，完成清尘工作。静电除尘装置如图8-15所示。
图8-15 静电除尘装置原理图
静电吸尘装置的吸尘效率（净化率）随着集尘极板有效长度的增加、极板间隔的减少而增大，但同时空气流动的阻力也增加。静电除尘装置内气流速度降低，除尘效率则升高，但风速过低，静电除尘装置体积增大，投资增加。根据经验，一般工业除尘中电场风速不超过2m／s，除尘效率要求高的电除尘机不宜超过1.5m／s。但作为隧道通风用的静电除尘装置，由于处理风量很大、电场风速高，对除尘效率的要求也高。隧道中使用的静电除尘装置处理风速和除尘效率都在不断提高，目前已能达到90%。
（3）高压脉冲电晕技术
高压脉冲电晕放电技术是20世纪80年代发展起来的一门技术，主要应用于工业废气的治理。脉冲电晕放电是利用上升前沿陡、窄脉冲的高压电源与负载-电晕电极系统组合，在电晕反应器电极的气隙间产生流光电晕等离子体。由于离子的迁移率比电子小约3个数量级，高压脉冲放电更有效地使电子获得了能量，能使电子加速到5～20eV，这些高能电子使周围气体分子辐射分解和电离，生成大量的氧化性极强的OH、O、HO2、O3等自由基、离子和电子等活性物种，从而达到对污染物质的氧化、去除。
脉冲电晕等离子体技术在治理NOx和SO2方面已十分成熟，在治理粉尘方面也优于静电除尘器，因其不会像发生直流电晕的“反电晕现象”。脉冲电晕在治理隧道废气治理尤其是CO治理方面的研究相对较晚，在20世纪90年代才陆续开展相关研究。目前，高压脉冲电晕放电技术尚未实际应用于公路隧道废气治理。
（4）光触媒技术
对已排放到大气中的机动车尾气，特别是大城市中峡谷式的街道和隧道等大气扩散条件较差的地带，为了降低NOx等污染物质浓度，有研究者提出利用TiO2作为触媒，通过300～400μm波长的紫外线照射，使其表面产生电子和质子，由此产生羟基自由基和活性氧，从而对有害环境的有机物实施氧化、分解，达到净化空气的目的。光融媒反应机理如图8-16所示。该法对污染空气净化效果好，但费用昂贵。此外，由于公路隧道、城市交通要道等区域的灰尘较多，具备催化作用的TiO2涂层表面很容易因为被大量灰尘覆盖而失效，且酸性物质，湿度、光照强度对其效能的影响也很大，长期使用难以保证效果。例如，2004年3月—2006年9月，日本东京大板桥交叉点工程招标记录表明，该方式工作效果较不稳定，一个月后基本失效。
图8-16 光触媒反应机理图
（5）土壤净化法
土壤净化法是一种生态型大气污染治理新技术，是将污染空气由引风机经通气区进入土壤层，经土壤颗粒表面吸附、土壤水溶解、土壤微生物代谢以及植物吸收而得到净化。该法在去除氮氧化物（NOx）的同时，还能去除颗粒物、CO、苯等污染物。与机械式的低浓度脱氮技术不同，土壤净化法易于管理，处理过程不产生二次污染物，同时还能长期运行（至少7年）。简单而言，土壤净化法是一种对自然界恢复能力和自净能力的一种强化的生物处理法。土壤空气净化反应机理如图8-17所示。
图8-17 土壤空气净化反应机理图
（二）理论分析
污染空气土壤净化系统对氮氧化合物的去除主要采用强氧化剂（如臭氧）进行灭菌和氧化预处理，土壤基质和植物进行吸附吸收，净化机理如图8-18所示。
图8-18 土壤净化污染大气的原理
1.强氧化剂预处理——通过将污染气体与强氧化剂进行混合，将有害菌类杀灭，同时将NOx氧化成NO2。
2.土壤基质和植物的吸附吸收——土壤颗粒包括土壤中所含水分可以将气体中的NO2等吸收溶解生成，土壤中的微生物和植物可以直接对其进行消化吸收，混合气体中的SPM也可被土壤过滤而去除。
3.污染空气传递到附着在滤料表面的生物膜中，微生物经代谢作用后将污染物转化或降解成为初级产物、代谢物质或合成新的物质。如土壤中的硝化菌、反硝化菌的代谢转换作用可将土壤中的NO-转化生成土壤有机物，再经过生物还原转化、分解脱氮，最后排出的是无害N2。
对CO的净化原理尚不十分清楚。已有文献报道表明，土壤中天然存在的嗜甲烷菌、硝化细菌、一氧化碳营养菌、贫营养菌、真菌及藻类等将CO氧化成CO2。日本的土壤空气净化系统也仅是在工程应用时观察到系统对CO有良好的净化效果，但并未对CO的净化及净化机理进行深入研究。
4.污染治理技术土壤是一种天然的多孔材料，污染气体中的颗粒物在随着气流通过土壤层时，被土壤吸附过滤而达到净化。
土壤净化技术是集物理、化学和生化反应为一体的一种空气污染治理技术，既可吸附废气中的污染物质，又可通过微生物代谢降解污染物。该技术最初来源于土壤净化废水，但与处理污水不同，在处理废气的土壤床中，水只是滞留在微生物膜的表面和内层中，没有形成贯穿整个土壤床的连续流动形态，为固／液混合形态。废气在土壤床中的净化过程可认为是介质与生化反应的串联过程，而传质方向是气态污染物向固／液混合形态传输。一般认为传质速率要比生化反应速率快，所以生化反应，即微生物代谢过程是整个过程的控制步骤。同时，由于土壤具有较高的吸附能力，可使微生物胞外酶在土壤和微生物膜界面浓缩，从而提高了生化反应速率，并使系统整体净化效率得以提高。从长期来看，土壤系统净化性能取决于微生物对污染物的代谢能力而不是吸附能力。
（三）新型的土壤空气净化装置的设计制作
1.作品论述
本净化系统旨在提供一种兼具景观效果的生态型城市车库空气净化系统，该系统可避免气体污染物的直接排放，实现车库污染物高效吸收和利用，且维护和制造简单，同时为车库通风竖井出口提供良好的景观设计。
2.方案设计
本净化系统将生态型空气净化系统与喷泉景观效果结合起来，污染气体经过臭氧强氧化作用和喷泉水池过滤溶解，再利用土壤、植物和微生物分解吸收作用，处理过程中充分考虑了污染物的降解吸收，同时对净化效率提高了要求，从而真正实现了生态型高效率、高效益的空气净化目标。
该系统主要由三个子系统组成，分别是集气与预处理子系统、气体净化子系统、喷泉景观子系统，如图8-19所示。集气与预处理子系统包括臭氧发生器、引风机。气体净化子系统包括由下至上依次设置的喷泉溶解池、透气罩、土壤支撑层、土壤净化层和净化植物。喷泉池包括潜水泵、喷泉管道和喷头，喷泉池设置给水管、溢水管和排水管。
图8-19 净化系统整体设计
（1）土壤净化层介质设计
土壤净化系统净化性能的好坏主要取决于所用土壤介质的特性。不同的土壤介质具有不同的特性。若土壤介质选用不合理，则不仅难以达到既定的使用目标，甚至可导致整个生物处理过程失败。因此，选用合适的土壤介质至关重要。
理想的土壤基质必须具备以下八个条件。
①应具有一定的结构强度及耐腐蚀、耐摩擦的能力；
②应具有较大的比表面积，可给微生物提供充分的附着及与污染气体接触的面积，提高生物量，从而尽可能地提高单位体积的降解量；
③应具有较好的表面性质，要有亲水性，便于微生物和水附着，通常表明粗糙的填料易挂膜，适合微生物生长；
④具有较高的有机成分，可为微生物生长提供必备的碳源和能源；
⑤应具有一定的孔隙率，以利于气体流通和水分下渗；
⑥应具有较低的体密度，减轻对承托层的结构要求；
⑦无毒，化学性质稳定；
⑧材料易得，价格合理。
根据处理系统经济简单的特点，考虑取材方便及土壤介质特点，初步选择以下几种土壤介质。
①黑土
通过实验分析各种基质材料对NOx的去除效率分别为：黑土87.7%、紫色土57.7%、冷砂黄泥18.7%，所以拟采用黑土为主要基质成分，且其取材容易、因其有机质含量高、结构性能好，比表面积大。
②腐殖土
腐殖土虽然净化效果不如黑土，但有机组成含量高，可提高土壤的有机物含量，为微生物的生长提供养分，有利于系统长期运行。
③酸性红土
研究表明酸性红土中硝化菌和反硝化细菌的含量较大，有利于基质对氮氧化物的吸收处理。
④蛭石
蛭石净化效果相对较差，但可用作土壤改良剂，由于其具有良好的阳离子交换性和吸附性，可改善土壤的结构，有效避免土壤板结，储水保水，提高土壤的透气性和含水性，使酸性土壤变为中性土壤；蛭石还可起到缓冲作用，阻碍p H值的迅速变化，使肥料在作物生长介质中缓慢释放，且允许稍过量地使用肥料而对植物没有危害；蛭石还可向净化植物提供自身含有的K、Mg、Ca、Fe以及微量的Mn、Cu、Zn等元素。蛭石的吸水性、阳离子交换性及化学成分特性，使其起着保肥、保水、储水、透气和矿物肥料等多重作用。
⑤功能材料
人工沸石、煤渣等功能材料通常是利用其吸附性能达到对污染物的去除，吸附过程通常分为物理吸附和化学吸附。人工沸石对NO2不仅有靠范德华力的物理吸附，而且有Na型人工沸石与NO2反应生成NaNO2的化学吸附。日本研究人员在标准气源下的试验是：当混合率达到20%时。净化率即可达90%以上，混合率再高，净化率提高变缓。所以在净化层基质中参入适量Na型人工沸石与煤渣有利于提高基质对氮氧化物的净化作用。
根据人工沸石晶格中存在的金属阳离子的不同可分为Na型人工沸石、Ca型人工沸石、Fe型人工沸石三种，不同种类人工沸石的净化性能会因其自身化学特性差异而存在差别。虽然经过改性，但上述三种类型的人工沸石内部微孔结构无明显差异，其物理吸附性能应无明显区别。但三者的化学吸附性能则取决于自身与NO2的反应能力，反应能力越强，则吸附性能越强。因NO2为酸性物质，因此碱性越强的吸附剂对NO2的吸附性能越强。故其吸附能力的大小依次为：Na型＞Ca型＞Fe型。因此，研究中确定采用Na型人工沸石。
废气生物处理根据填料大致可以分为两类：一类是以堆肥、泥炭、轻质矿物为填料的生物滤床，这类滤床大多是从生活污水处理厂采集的活性污泥，从中驯化可以处理目标污染物的菌种；另一类是以土壤为基本基质，再辅以泥炭、珍珠岩等物质调节营养物质和空隙率，这类滤床直接利用土壤中天然存在的细菌，无须对微生物进行引种驯化。因土壤中天然存在可以净化处理NOX和CO的菌种，加之日本的土壤空气净化系统是迄今为止应用最为成功的机动车尾气净化系统，因此，我们也选择了直接利用土壤中微生物的方式。根据处理系统经济简单的特点，考虑取材方便，初步选择黑土、腐殖土、酸性红土、蛭石、煤渣、Na型人工沸石6种基质。
在初步筛选的基础上，确定所选用土壤介质黑土、腐殖土、酸性红土、蛭石、煤渣、Na型人工沸石的体积比为3∶3∶2∶2∶1∶1，即以黑土、酸性红土为主要基础，再添加一定的腐殖土为微生物的生长提供养分，添加一定份额的蛭石调节土壤基质结构和调节水分，最后在已有土壤基质净化的基础上，增加人工沸石、煤渣等功能性材料的使用，以进一步优化系统的净化性能。
（2）土壤支撑层介质设计
土壤支撑层具有均匀布气和承托基质层两个方面的作用，应具有良好的机械强度和化学稳定性。一般采用粒径为60～100mm的碎石和浮石，厚度约15～20cm，均匀分布于整个床宽。
浮石因孔隙多、质量轻、容重小于1g／cm3，能浮于水面而得名。它的特点是质量轻、强度高、耐酸碱、耐腐蚀，且无污染、无放射性等，是理想的天然、绿色、环保的产品。此外，为了调整级配与孔隙率便于布气，保证整个系统的透气能力，拟参入等比例的碎石。
开孔泡沫具有密度低，质轻，强度较高，其强度随密度增加而增大，有吸收冲击载荷的能力，有优良的缓冲减震性能，热导率低，隔热性能好，具有耐腐蚀、耐霉菌性能，软质泡沫塑料具有弹性优良等性能。用于承托层不仅能够均匀布气，还能够调节基质层重量，避免导致净化系统过重，影响净化系统的结构稳定性。
综合土壤支撑层功能需求，初步确定浮石、碎石和开孔塑料泡沫体积比为2∶2∶1。
（3）净化植物设计
植物一方面可吸收污染物质，另一方面可保证土壤净化系统具有良好的景观效果。因此，在选择植物物种时，应根据耐污性、生长适应能力、根性的发达程度、经济价值和美观要求确定。
经分析比对适用于该土壤净化系统且生长能力强的净化植物，包括铁线蕨、一叶兰、虎尾兰、滴水观音、龙舌兰等，在实际运用中可以根据地理条件，因地制宜地选择以上一种或几种进行种植。
3.本方案的创新
目前对于污染空气处理技术有很多种，本设计在原有的方法中进行研究，与现有的技术比较有以下创新。
（1）土壤净化层的填料层中黑土、腐殖土、酸性红土、蛭石、煤渣、Na型人工沸石的体积比为3∶3∶2∶2∶1∶1；以上配比能够保证土壤层具有一定的结构强度及耐腐蚀、耐摩擦的能力，并能保证较高的有机成分，便于微生物的生长和水的附和，同时该配比具有较高的孔隙率和低体密度，以利于气体流通和水分下渗，减轻对土壤支撑层的结构要求。
（2）土壤支撑层中浮石、碎石和开孔塑料泡沫体积比为2∶2∶1，能够保证均匀布气和支撑土壤净化层。
（3）喷泉池通过净化装置侧壁下部的连通口与喷泉溶解池连接，净化系统与喷泉池自成一体，具备良好的景观效果；在净化过程中循环用水，体现了经济实用的设计理念；连通口设置毛细滤网，用于过滤泥沙等杂质，保证喷泉池的干净清洁。
（4）污染气体通入喷泉溶解池，可去除其中的颗粒污染物；吸收溶解部分可溶性气体污染物，如NO2等；确保在污染空气进入土壤系统之前除去多余的O3，避免O3对土壤系统中的微生物产生危害和避免多余的O3进入大气中产生二次污染；保证污染气体湿度，避免气体从土壤基质中带走过多水分。
（5）在喷泉溶解池上方设置透气罩，有利于在土壤层下方形成一定体积的布气空腔，保证污染气体均匀分布进入土壤系统，同时调节污染气体湿度，避免过多水分进入土壤系统，导致填料湿度过大，土壤板结不透气。
（6）净化植物为铁线蕨、一叶兰、虎尾兰、滴水观音、龙舌兰中的一种或几种，与喷泉池组合在一起，具备较好的景观效果。
（四）实验结果
1.理化条件对土壤基质净化性能的影响研究
（1）土壤p H对基质净化性能的影响
一般情况下，土壤p H过酸或过碱都不利于微生物的生长。为研究土壤p H对基质净化性能的影响，采用NaOH溶液和HCl溶液配制了p H4、p H5、p H6、p H7、p H8、p H9和p H10等不同p H值的稀溶液，对土壤基质（H=10cm）进行淋洗，得到土壤p H与土壤基质净化性能变化关系曲线图（如图8-20所示）。
图8-20 不同p H条件下基质对NOx的净化效果
由图看出，p H6～p H9＞p H10＞p H4、p H5，过酸或过碱均会导致净化效率下降。p H6～p H9之间无明显差异，表明土壤基质本身具有较强的缓冲能力。根据土壤基质对NOx降解原理可知，随着系统运营时间的推移，土壤基质将会因大量NO-3离子的不断积累而发生酸化，影响基质中微生物的生存，从而影响土壤净化效率。因此，应注意添加碱性物质对基质p H进行调节。
（2）水分对基质净化性能的影响
湿度可能是影响土壤净化系统净化效率和决定其能否正常运行的一个最重要的理化参数。土壤水分对基质净化性能的影响如图8-21所示（黑土）。
图8-21 不同水分含量的黑土对NOx的净化效果
由图中可知，含水量为14.8%的黑土对NOx的净化效率最高，土壤水分（湿度）过高或过低均会造成净化效率下降。这是因为基质湿度过高时，虽然有利于NO2溶解于土壤中，但水分子也会占据气体分子的吸附场所，使气体中的NO2等污染物质难以被土壤吸附，从而影响传质效率；同时，因气体穿过阻力增大，还可能造成局部厌氧而影响污染物质的氧化。水分过低，则不利于NO2及时进入液相溶解于土壤中，且造成基质干燥不利于土壤微生物生长繁殖，既影响整体净化效率，又使得代谢产物不易排出土壤系统。
同时，对不同季节进出口气体湿度进行的分析（如图8-22所示）。可知，冬季进气湿度平均为89.5%、出气湿度平均为85.1%；春季进气湿度平均为86.0%，出气湿度平均为85.0%，在冬、春二季，进出口气体湿度变化不大。可见，冬春二季，空气湿度较大，气体通过基质时，因其自身湿度较高，不会从土壤系统中带走大量的水分。然而，进入夏季，气温较高，空气相对湿度较小，进气平均湿度仅为47.1%，而出气平均湿度可达78.7%，可见，气体从基质中带走了大量的水分。基质水分损失过快，容易发生土壤层局部风干，使微生物活性下降，从而降低基质净化效果。可见，在夏季，及时地给基质补充适宜的水分是十分必要的。因此，在系统运行中，应特别注意蒸发、蒸腾的失水量对夏季处理效果的影响。
图8-22 气体水分含量对基质净化效率的影响
此外，在土壤基质运行过程中，新陈代谢产生的热量、阳光辐射、辐射热转移、传导热转移以及降雨等均会影响基质含水量，因此，应特别注意对进入土壤基质的气体和对土壤基质进行及时的、适当的湿度调节，使其土壤基质保持适宜的水分含量以保证系统正常运行。
（3）温度对基质净化性能的影响
温度是影响微生物生长和代谢的最重要因素之一。它对微生物的影响主要表现在两个方面：一方面隧道温度的升高，生物化学反应速率加快；另一方面，微生物的重要组成如蛋白质、核酸等对温度较敏感，随着温度的提高而可能遭到不可逆破坏。土壤中大多数微生物可在5℃～30℃的范围内生存，但不同温度条件下，微生物的活性差别较大。对于硝化菌和反硝化菌而言，最适宜的温度范围为20℃～30℃。图8-23为设计的土壤净化层在环境温度为10℃、15℃、20℃、25℃和30℃时，对NOx的净化效果。由图中可知，在10℃～30℃范围内，NO2的净化效率均保持在90%以上。当环境温度在10℃～20℃时，NO的净化效率随着温度的升高而升高，但在20℃～30℃时，没有明显差异。温度与NOx的净化效率变化趋势与NO一致，这是因为隧道内NOx主要由NO组成。总体而言，温度的升高对于提高NOx的净化效果和延长基质的有效使用时间是有利的。这是因为，虽然低温更有利于气体在液体中溶解，故对单纯的吸收过程来说，温度升高对于水吸收NOx是不利的。但温度升高能够使土壤微生物更加活跃，氮素转化速度加快。比较而言，在通常的温度范围内，温度变化对微生物活性的影响要比对吸收过程的影响大。因此，总的来看，温度的升高有利于对NOx的净化。
图8-23 不同环境温度条件下基质对NOx净化效率
（4）基质厚度对基质净化性能的影响
基质厚度大小决定土壤净化系统的经济性。土壤厚度越大，所需基质越多成本就越高，此外，厚度越大，废气通过系统所受的阻力越大，会制约通气线速度的大小。图8-24为在一定通气线速度条件下（30mm／s），黑土厚度为20cm、40cm和60cm时，对NOx的净化效果图。由图可知，当通气线速度为30mm／s时，20cm、40cm、60cm厚度的黑土对NOx的净化效率分别为17.2%、63.9%、71.6%。可见，基质厚度越大，净化效率越高。但基质厚度为40cm和60cm时，二者对NOx的净化效率差异不明显。因此，从经济实用的角度考虑，认为基质厚度为40cm是比较合适的，而且40cm土壤厚度完全可以满足草本类和灌木类植物的生长。
图8-24 不同厚度基质对NOx的净化效率
2.污染负荷对土壤基质净化性能的影响研究
（1）通气线速度对基质净化性能的影响
通气线速度是反应土壤系统净化能力的一个重要操作参数。不太通气线速度决定了系统具有不同的负荷，因此，通气线速度的大小直接决定着单位面积土壤基质处理能力的大小，直接关系土壤系统的经济性。本研究分别考察了10mm／s、20mm／s和30mm／s条件下，基质A、基质B和基质C对NOx的净化效率（如图8-25所示），拟采用的土壤基质配比为：黑土／酸性红土∶腐殖土∶蛭石∶人工沸石／煤渣=3∶2∶2∶1。
A：黑土+腐殖土+蛭石+人工沸石
B：黑土+腐殖土+蛭石+煤渣
C：酸性红土+腐殖土+蛭石+煤渣
图8-25 不同通气线速度条件下基质对污染物的去除效率
由研究结果可知，随着通气线速度的增加，土壤基质对污染物的净化效率逐渐降低，其中，基质B和基质C净化效率随通气线速度的增加下降较基质A明显。这是因为土壤系统对污染气体的净化主要靠吸附和微生物降解两个作用。一般情况下，吸附速度要快于生化反应速度，因此，生物降解是整个系统的控制过程。如果通气线速度过大，污染气体在土壤系统内停留时间不够，则没有足够的污染气体分子穿过生物膜，也就没有足够的污染物被微生物氧化分解，导致去除率下降。同时还观察到，通气线速度越大，土壤基质层压降增大，导致传质阻力增大，易在基质内形成厌氧区域，不利于微生物氧化分解反应进行；同时基质水分蒸发速度越快，容易发生土壤层局部风干，使微生物活性下降，系统净化效果降低。因此，在系统运行过程中，保持适宜的通气线速度是十分重要的。
（2）污染物浓度对基质净化性能的影响
基质对污染物的耐受能力决定了基质实际应用的可行性和经济性。在实验中，利用柴油发动机补充污染物浓度，以基质A为基础，在30mm／s的通气线速度条件下开展了浓度试验研究（如图8-26所示）。在实验过程中，同时加入臭氧（O3）对NO进行氧化预处理。由图中可知，增加NOx浓度时，在用O3进行预处理氧化NO的情况下，可以保证NOx去除率达90%以上；增高CO浓度时，CO绝对去除量有显著提高，但去除效率有所降低。这是因为O3可将NO氧化为NO2。相对于NO而言，NO2更易被土壤吸附而被去除。而在室温且没有催化剂条件下，O3难以将CO氧化为CO2，从而CO的去除仅靠基质中微生物的氧化作用。当CO浓度过高，超过基质自身的耐受能力后，多余的CO难以被基质吸附、氧化，从而是去除效率下降。
图8-26 不同污染物浓度对基质净化效率的影响
3.NO→NO2转化效率研究
O3作为一种强氧化剂，已广泛应用于水处理等领域，同时在O3氧化氮氧化物和碳氢等有害气体方面也有一些研究。前人的研究表明，当［O3］／［NO］=1时，反应时间为3s，O3对NO的氧化率即可达到100%。当［O3］／［NO］＜1时，NO不能被完全氧化；当［O3］／［NO］＞1时，NO可被完全氧化，但会造成O3过剩。同时，O3对NO的氧化反应在常温至200℃温区范围内受温度影响很小。因此，本研究未对O3与NO二者间反应比例、反应温度等对氧化效率的影响进行实验。仅以基质A为基础，观察了O3对NO的氧化效果（如图8-27所示）。
图8-27 臭氧对NOx和CO的氧化效率
由图中可知，臭氧对NO的氧化效果十分明显，在保证臭氧量足够的条件下（NO∶O3=1∶1），基质对NOx的去除率可达95%以上。实验中，未能观察到O3对CO的氧化。这是因为在常温没有催化剂存在的情况下，该氧化反应很难进行。一氧化碳的常温催化氧化是一个世界性难题。目前研究较多的催化剂一类是由40%CuO～60%MnO2组成的Hopcalite催化剂；另一类是担载的贵金属Pt、Pd催化剂，如7%Pt～41%SnO2／SiO2、担载PdCl2-CuCl2等。它们均可使CO在较低的温度下完全氧化成CO2，但前一类催化剂只能在干燥的条件下使用，而后一类催化剂价格昂贵，对制备工艺要求相当苛刻，且对水蒸气较敏感，在一定湿度的条件下只能维持短时间内的高催化活性，同时易受硫化物、氯化物和二氧化碳等影响导致中毒失活等不足之处，基本上停留在实验室研究阶段。同时，隧道高风速、低浓度的治理环境将严重影响一氧化碳常温催化氧化效率，同时空气中含有大量的水、二氧化硫、二氧化碳等，这容易导致催化剂失活。
4.系统净化效率研究
在上述研究的基础上，在最优理化条件和添加臭氧对NO进行氧化的条件下，观察了基质A对实体运营隧道废气的净化效率（如图8-28所示）。优化整合结果显示，在30mm／s条件下，基质A对NOx的去除效率可达90%以上，此外，对CO的去除效率可达50%以上，对PM 10的去除效率可达90%以上。净化后“出气”能满足国家《环境空气质量标准》中的二级标准，完全能解决隧道尤其是城市隧道口废气排放对周围居民区的空气污染问题，使城市建设和环境保护达到双赢的结果。5.耐久性试验研究
图8-28 30mm／s条件下系统对不同污染物的净化效
基质的耐久性决定了基质的使用年限，是基质能否成功应用于实际的重要性能指标。在不添加臭氧进行氧化预处理、通气线速度为30mm／s条件下，对基质A的净化效率进行了为期56天的连续观测（如图8-29所示）。
图8-29 基质A对污染物的净化效率的耐久性
观测结果显示：在不添加臭氧进行氧化的情况下，基质A在第1天对NOx最初的净化效率为77.5%，在第7d净化效果略有下降，为74.2%，第14d时上升至77.8%，随着时间推移，净化效率又略有下降，但在整个观测期内，基质A对NOx的净化效率可稳定在70%以上。
在整个实验周期内，进气CO和出气CO浓度变化趋势一致。基质A对CO的净化效率在整个实验周期内相对稳定。实验初期，对CO最初的净化效率为47.3%，第7d上升至50.6%，第14d为49.3%，略有下降，但不明显。随后，即稳定在52%以上。这可能是实验初期，基质A中微生物尚未稳定，经过为期21d的污染气体驯化后，微生物逐渐适应了污染气体，系统对CO的净化效率才逐渐稳定下来。与NOx和CO相比，基质A对PM10的去除效率更稳定。在第1d，基质A对PM10的净化效率为85.0%，第7d略有上升，为86.1%，在第14d即上升至91.9%，随后即稳定在90%以上。这是因为系统对PM10的净化主要靠基质中土壤粒子的吸附、拦截。在填装初期，基质A的空隙尚未稳定、均匀，存在部分大孔隙，因此在实验初期对PM10的净化效率仅为85.0%。经过2周的运行，在气体的压力下，系统逐渐压实、均匀、稳定，因此，对PM10的净化效率出现攀升，并稳定在90%以上。在整个实验周期，系统通气线速度相对稳定，没有观察到基质A出现过紧压实而导致气流不畅的情况。
但土壤净化系统长期运营后，由于NO-3离子的不断积累，系统会发生酸化，影响微生物的生长。因此，应及时加入碱性物质（如石灰）进行调节p H值或更换基质。同时，随着运营时间的推移，污染空气中的颗粒物会不断阻塞土壤基质孔隙。日本已建成的土壤净化系统的观测显示，一般运营7年后应更换基质或将现有基质取出进行疏松并调节p H值后再进行填充。当然，在污染空气进入土壤系统前对其进行预降尘，也可延缓基质更换时间。
附 录
（一）主要试验仪器（如表8-2所示）
表8-2 主要试验仪器
续表
2.作品结构示意图（如图8-30所示）
图8-30
注：1隧道通风竖井 2集气罩 3臭氧发生器 4送气管 5风机 6充气口 7喷泉溶解池 8透气罩 9透气口 10透气承板 11土壤支撑层 12土壤净化层 13净化植物 14连通口 15喷泉池 16潜水泵 17喷泉管道 18喷头 19溢水管 20给水管 21排水管
3.作品照片（如图8-31所示）
图8-31 第一代原理模型