城市大氣中PM-2.5污染控制的意義與途徑
摘要：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。
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合污染形態(tài)。PM-2.5氣溶膠的復合污染作用往往超過傳統的大氣污染物,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。光的強度按指數律衰減, 對波長為λ的單色光有:
Iλ=Ioλexp[-∫oRbλ(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。大氣消光系數是氣溶膠消光系數和氣體分子消光系數之和。在低層大氣中氣溶膠粒子的消光效應遠大于空氣分子的消光系數。能見度與平均大氣消光系數之間有關系式:
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(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)內的氣溶膠粒子的消光作用最強。PM-2.5的化學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。大氣消光系數與這些大氣污染物濃度之間的關系可表達為:
be=br + ∑βiCi
式中be為消光系數; br為天然大氣分子對光的散射(使天空呈現藍色 ); 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(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。二次粒子在水滴的作用下能相互凝結成粒徑較大的粒子(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,結果導致東部地區(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)采集數據。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%的有害有機化學成分、近80%的有害無機化學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)污染物通過化學轉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轉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onclick="g(‘二次污染‘);">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生的“灰鍋蓋”就是這種累積的典型現象。
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(%)
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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、建筑和農業(yè)產生的揚塵;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(%)
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在城市的一次粒子中,由燃燒產生的碳黑(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,應給予適當的重視。
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、動物糞便、焦炭生產、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的反應屬于不可逆反應,而NOX與NH33的反應屬于可逆的反應,其反應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)特別是經濟和農業(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)和公路兩側焚燒農作物秸稈。
農業(yè)部與國家環(huán)？偩、財政部等單位還聯合發(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“農作物秸稈綜合利用和禁燒工作協議書”，并投入3000 萬元資金，以秸稈腐爛還田技術為突破口，通過對聯合收割機的改造等，力求在5年內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ǹ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生累積效應, 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 污染源數據的調查與分析中應重視二次微粒的影響因素
我國現有的大氣污染源數據調查已開始從酸性氣溶膠(酸雨)生成的角度對前體物SO2和NOX進行統計和控制,還應從二次微粒轉化的角度對前體物SO2、NOX和NH3進行調查分析,以進一步完善現有的污染源統計模式。
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)達標的基礎上,同時關注一次污染物轉化為onclick="g(‘二次污染‘);">二次污染物、以及一次污染物與onclick="g(‘二次污染‘);">二次污染物之間產生的對能見度和人體健康的累積效應等綜合性指標。
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 應對PM-2.5的基本組成與累積途徑等進行系統、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。
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