城市大氣中PM-2.5污染控制的意義與途徑

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簡介： 論述了控制城市大氣中PM-2.5污染的意義; 在剖析PM-2.5組成與來源的基礎(chǔ)上, 分析了控制PM-2.5的途徑, 并對今后的研究提出了一點看法。
關(guān)鍵字：城市大氣 PM-2.5 二次粒子 能見度 氣溶膠 PM-2.5是指由固體粒子和液態(tài)粒子混合組成的、粒徑小于2.5微米的細粒子。PM-2.5氣溶膠是典型的大氣累積性的復(fù)合污染形態(tài)。PM-2.5氣溶膠的復(fù)合污染作用往往超過傳統(tǒng)的大氣污染物,日益成為表征城市大氣污染的首要指標(彭應(yīng)登,1999)。剖析PM-2.5的組成與來源、分析PM-2.5控制的有效途徑,對治理城市大氣污染的近期目標和長遠目標均有積極意義。1.PM-2.5控制的意義
1.1PM-2.5是導(dǎo)致城市人為能見度下降的禍首
光波在大氣中傳播時, 因受氣溶膠和氣體分子的散射和吸收而削弱。光的強度按指數(shù)律衰減, 對波長為λ的單色光有:
Iλ=Ioλexp[-∫[SUB]o[/SUB]Rbλ(r)dr]
式中Iλ為衰減后的光強度;Ioλ為入射光強度;R為光傳播距離;bλ(r)為傳播路徑上的消光系數(shù)。大氣消光系數(shù)是氣溶膠消光系數(shù)和氣體分子消光系數(shù)之和。在低層大氣中氣溶膠粒子的消光效應(yīng)遠大于空氣分子的消光系數(shù)。能見度與平均大氣消光系數(shù)之間有關(guān)系式:
R=3.912/b
式中R為水平能見度(公里); b為白光的大氣消光系數(shù)(公里-1)。低層大氣中影響能見度的大氣粒子可分為以下三類模態(tài):
①.核粒模態(tài): 0.005微米—0.1微米
②.積聚模態(tài): 0.1微米—2.5微米
③.粗粒模態(tài) : 2.5微米—100微米
在以上三類粒子中,粒徑小于2.5微米的粒子(PM-2.5)的消光作用遠大于粒徑在2.5微米以上的粒子。在小于2.5微米的粒子中,粒徑在可見光波長范圍(0.4微米—0.7微米)內(nèi)的氣溶膠粒子的消光作用最強。PM-2.5的化學(xué)組分主要包括硫酸銨(亞硫酸銨)、硝酸銨、有機炭、炭黑和灰塵等五類。大氣消光系數(shù)與這些大氣污染物濃度之間的關(guān)系可表達為:
be=br + ∑βiCi
式中be為消光系數(shù); br為天然大氣分子對光的散射(使天空呈現(xiàn)藍色 ); βi為i類污染物粒子的消光率(m2/g); CI為I類污染物粒子的濃度(ug/m3)。研究表明(Malm et al.,1996), 上式還可近似地表達為:
be=br + 3f(RH)[硫酸銨濃度] + 3f(RH)[硝酸銨濃度] + 4[有機碳濃度] + [土壤粒子濃度] + 0.6[粗粒子濃度] + ba
式中f(RH)為隨相對濕度而變化的散射率; ba為吸光系數(shù)(主要是炭黑的吸光作用)。由此可知,在影響大氣能見度的粒子中, 二次粒子占有重要的的地位。此外,二次粒子的消光作用與大氣的相對濕度密切相關(guān)。二次粒子在水滴的作用下能相互凝結(jié)成粒徑較大的粒子(0.3微米—1.5微米),從而對可見光(波長為0.4微米—0.7微米)的散射作用增強。在大氣相對濕度大于70%時,二次粒子散射率增加的現(xiàn)象就更為明顯(Rogers and Watson, 1991)。二次粒子散射率隨相對濕度變化函數(shù)可表達為:
f(RH) = bs(RH) /bs(0%)
式中bs(RH)為相對濕度大于0%時的濕散射率; bs(0%)為相對濕度為0%時的干散射率。在美國,由于東部的相對濕度較高(年平均為70%-80%),西部的相對濕度較低(年平均為50%-60%),加上東部地區(qū)硫酸銨(亞硫酸銨)的水平較高,結(jié)果導(dǎo)致東部地區(qū)的能見度明顯低于西部地區(qū)(OAR,1996)。
由此可知,在影響大氣能見度的粒子中, PM-2.5占有極其重要的主導(dǎo)地位。由于PM-2.5的原因,美國大部分地區(qū)的能見度只有天然能見度的30%。在美國的許多地方(例如國家森林公園和自然保護區(qū)),盡管大氣中常規(guī)的污染物指標均達到規(guī)定的標準,但仍被能見度的問題所困擾。所以在1985年,美國在聯(lián)邦層次建立了保護能見度的多部門監(jiān)測計劃(IMPROVE),并從1987年開始在全國20個一類地區(qū)陸續(xù)采集數(shù)據(jù)。從1991年開始,美國的一些地方政府也加入了能見度的監(jiān)測行列。在這些長期的監(jiān)測計劃中,PM-2.5是核心的監(jiān)測指標。
1.2 PM-2.5是城市大氣污染物中損害人體健康的元兇
我國1996年頒布的空氣質(zhì)量標準規(guī)定中新增加了PM-10(粒徑小于10微米的顆粒物)的標準, 因為PM-10易進入人的呼吸道, 對人體健康構(gòu)成威脅。而美國的大量研究表明, 對人體健康危害最大的顆粒物是PM-2.5, 因為這些細顆粒物可以穿過肺部并存留在肺的深處。PM-2.5除了本身對人體呼吸系統(tǒng)具有刺激作用、致敏作用及其它有害作用外,同時它還可能作為攜帶細菌微生物、病毒和致癌物的載體侵入人體肺部，嚴重危害人體健康。研究資料表明: 北京市城區(qū)顆粒物中近90%的有害有機化學(xué)成分、近80%的有害無機化學(xué)成分分布在徑粒小于3微米的細粒中(葛啟壇,1993)?？晌腩w粒物已成為大氣污染物中對北京市城區(qū)居民健康威脅最大污染物(汪晶,1993)。美國自1987年實施PM-10標準以來, 共有2000多項研究指出:對人體健康危害最大的是PM-2.5。所以, 美國在1997年7月又頒布了PM-2.5標準, 以切實保護人體健康。2. PM-2.5的基本組成與來源2.1 PM-2.5的基本組成 PM-2.5由直接排入空氣中的一次微粒和空氣中的氣態(tài)污染物通過化學(xué)轉(zhuǎn)化生成的二次微粒組成。一次微粒主要由塵土性微粒和由植物和礦物燃料燃燒產(chǎn)生的碳黑(有機碳)粒子兩大類組成。二次微粒主要由硫酸銨和硝酸銨(由大氣中的SO2和NOX與NH3反應(yīng)生成)組成,其形成的主要過程是大氣中的一次氣態(tài)污染物SO2和NOX通過均相或非均相的氧化形成酸性氣溶膠,再和大氣中唯一的偏堿性氣體NH3反應(yīng)生成硫酸銨(亞硫酸銨)和硝酸銨氣溶膠粒子。大氣中的水滴為這些化學(xué)轉(zhuǎn)化過程提供了重要的前提條件。硫酸銨和硝酸銨是水溶性鹽類,在水中的溶解度均較高。所以,大氣中的水滴就易成為二次污染物在1000M以下低空不斷累積的重要媒介。北京在秋、冬季多霧天氣和連陰天氣時產(chǎn)生的“灰鍋蓋”就是這種累積的典型現(xiàn)象。
PM-2.5中一次粒子與二次粒子的比例因地而異,主要取決于污染源的特征和氣象、氣侯特征。例如,美國東部的華盛頓地區(qū)由于SO2濃度較高(主要由火力發(fā)電廠排出),相對濕度較高,所以二次粒子的比例較高。美國西部干旱的菲尼克斯由于有大量與燃燒有關(guān)的排放源,所以一次粒子的比例較高(見表1)。
表1 華盛頓地區(qū)與菲尼克斯大氣中PM-2.5的組成(%)
粒子成分硫酸銨粒子硝酸銨粒子土壤塵粒子燃燒產(chǎn)生的粒子<>
華盛頓地區(qū)47<>
13535
菲尼克斯1413
1657
2.2 PM-2.5的來源
2.2.1一次粒子
在一次微粒中,塵土性微粒主要來源于道路、建筑和農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的揚塵;碳黑粒子主要來源于柴油發(fā)動機汽車、鍋爐、廢物焚燒、露天燒烤、火燒秸桿和居民燒柴等。在一次微粒的各個來源中,PM-2.5所占的比例相差較大,道路揚塵與建筑揚塵以粗顆粒為主,由燃燒產(chǎn)生的顆粒則以PM-2.5為主(見表2)。
表2 常見顆粒物污染源中的粒徑分布(%)顆粒物污染源道路與土壤揚塵農(nóng)業(yè)燃燒薪柴燃燒柴油車石油燃燒建筑揚塵<1μm
4.581.692.4<>
91.887.44.6<2.5μm<>
10.782.793.192.397.45.8<10μm52.395.895.896.2 99.234.9
>10μm47.7 4.2
4.23.80.8

65.1

在城市的一次粒子中,由燃燒產(chǎn)生的碳黑(有機碳)粒子盡管在大氣氣溶膠中所占比例一般不超過20%,但其對可見光有著強烈的吸光效應(yīng),應(yīng)給予適當(dāng)?shù)闹匾暋?br />2.2.2二次粒子
硫酸銨和硝酸銨的前體物SO2主要來源于燃煤鍋爐和燃油鍋爐,NOX主要來源于鍋爐與機動車,NH3主要來源于化肥生產(chǎn)、動物糞便、焦炭生產(chǎn)、冷凍車間和控制NOX的鍋爐(NH3作為降解劑)。NH3是大氣中唯一的堿性氣體,大氣中的NH3溶解在水滴中形成NH+4能加快SO2的氧化速度。SO2與NH3的反應(yīng)屬于不可逆反應(yīng),而NOX與NH33的反應(yīng)屬于可逆的反應(yīng),其反應(yīng)易受到溫度和濕度的影響。在二次粒子的生成過程中, 大氣相對濕度起著至關(guān)重要的作用。相對濕度不僅是決定二次粒子的生成和低空的累積的重要條件,而且是決定二次粒子粒徑增大與散射率變化的首要條件,應(yīng)受到我們研究工作者的重視。3.控制PM-2.5的途徑分析
3.1一次粒子的控制
一次粒子的成分復(fù)雜、來源較廣。在常規(guī)的大氣監(jiān)測與控制中,細粒子往往被忽視。所以目前一次粒子的控制應(yīng)從以下幾個方面入手:
3.3.1 摸清各種來源中的粒徑分布,抓住污染“大戶”
3.1.2 摸清各種來源的時空分布特征,分區(qū)、分時加以控制
3.1.3 杜絕城市近郊的秸稈、草木和廢物的露天焚燒設(shè)備的燃燒狀況,減少碳黑和有機碳粒子的排放。我國一些地區(qū)特別是經(jīng)濟和農(nóng)業(yè)比較發(fā)達的大中城市郊區(qū)，田間地頭、道路兩旁隨意焚燒農(nóng)作物秸稈，造成煙霧彌漫，環(huán)境污染，有時還釀成交通事故和飛機不能按時起飛。例如, 成都郊縣麥收時由于亂燒秸稈，到處煙霧彌漫，甚至影響了雙流機場飛機的起降。所以, 今年麥收到來之際，北京、天津、石家莊、濟南、西安、鄭州、沈陽、成都、上海、南京10大城市郊區(qū)和京津塘、京石、滬寧、濟青4條高速公路沿線，已劃為秸稈綜合利用和禁燒重點地區(qū)，嚴禁在以上城市郊區(qū)和公路兩側(cè)焚燒農(nóng)作物秸稈。
農(nóng)業(yè)部與國家環(huán)?？偩?、財政部等單位還聯(lián)合發(fā)布了《秸稈禁燒和綜合利用管理辦法》的通知，先后與陜西、河北、北京、天津、江蘇、河南、上海等7省（市）人民政府簽訂了“農(nóng)作物秸稈綜合利用和禁燒工作協(xié)議書”，并投入3000萬元資金，以秸稈腐爛還田技術(shù)為突破口，通過對聯(lián)合收割機的改造等，力求在5年內(nèi)基本解決焚燒秸稈問題。
3.2 二次粒子的控制
PM-2.5的控制分為一次粒子的控制和二次粒子的控制。目前的大氣污染源調(diào)查與控制主要是針對一次粒子。而二次粒子是北京上空“灰鍋蓋”中首要成分, 控制二次粒子可能是目前控制北京市大氣中PM-2.5污染的一個最為有效的突破點?？刂贫瘟Ｗ拥姆椒蓮膬蓚€方面入手:控制二次粒子的前體物(SO2、NOX和NH3)和控制二次粒子生成與累積的途徑。
3.2.1 控制前體物
二次粒子的前體物中, SO2和NOX在來源的時空分布上、數(shù)量上均和NH3有著較大的差別。在時空分布上, SO2和NOX面廣而持續(xù);在數(shù)量上,SO2和NOX的排放量遠遠超過NH3。大氣中90%以上的NH3來源于動物糞便、化肥的生產(chǎn)與使用,控制起來可能較控制SO2和NOX更為容易些。所以,在控制SO2和NOX的同時,要重視對NH3的控制。
3.2.2控制二次粒子生成與累積的途徑
前體物生成二次粒子和二次粒子在低空累積產(chǎn)生累積效應(yīng), 需要特定的時空條件和氣象條件?？刂魄绑w物各自的時空分布和根據(jù)不同的氣象條件選用不同污染緊急控制措施,可阻斷和避免可能對市民造成嚴重危害的累積性污染。4. 對今后大氣污染控制研究的一點思考
4.1 污染源數(shù)據(jù)的調(diào)查與分析中應(yīng)重視二次微粒的影響因素
我國現(xiàn)有的大氣污染源數(shù)據(jù)調(diào)查已開始從酸性氣溶膠(酸雨)生成的角度對前體物SO2和NOX進行統(tǒng)計和控制,還應(yīng)從二次微粒轉(zhuǎn)化的角度對前體物SO2、NOX和NH3進行調(diào)查分析,以進一步完善現(xiàn)有的污染源統(tǒng)計模式。
4.2 在重視單項污染物指標(如SO2的濃度指標與總量控制指標)達標的基礎(chǔ)上,同時關(guān)注一次污染物轉(zhuǎn)化為二次污染物、以及一次污染物與二次污染物之間產(chǎn)生的對能見度和人體健康的累積效應(yīng)等綜合性指標。
4.3 重視PM-2.5的研究
PM-2.5的研究是我國大氣污染研究中的薄弱環(huán)節(jié), 今后的研究 應(yīng)對PM-2.5的基本組成與累積途徑等進行系統(tǒng)、細致的分析, 為研究控制PM-2.5的有效途徑打下堅實的基礎(chǔ)。