城市大气中PM

简介： 论述了控制城市大气中PM-2.5污染的意义; 在剖析PM-2.5组成与来源的基础上, 分析了控制PM-2.5的途径, 并对今后的研究提出了一点看法。1.1PM-2.5是导致城市人为能见度下降的祸首

光波在大气中传播时, 因受气溶胶和气体分子的散射和吸收而削弱。光的强度按指数律衰减, 对波长为λ的单色光有:

Iλ=Ioλexp[-∫[SUB]o[/SUB]Rbλ(r)dr]

式中Iλ为衰减后的光强度;Ioλ为入射光强度;R为光传播距离;bλ(r)为传播路径上的消光系数。大气消光系数是气溶胶消光系数和气体分子消光系数之和。在低层大气中气溶胶粒子的消光效应远大于空气分子的消光系数。能见度与平均大气消光系数之间有关系式:

R=3.912/b

式中R为水平能见度(公里); b为白光的大气消光系数(公里-

1)。低层大气中影响能见度的大气粒子可分为以下三类模态:

①.核粒模态: 0.005微米—0.1微米③.粗粒模态 : 2.5微米—100微米

在以上三类粒子中,粒径小于2.5微米的粒子(PM-2.

5)的消光作用远大于粒径在2.5微米以上的粒子。在小于2.5微米的粒子中,粒径在可见光波长范围(0.4微米—0.7微米)内的气溶胶粒子的消光作用最强。PM-2.5的化学组分主要包括硫酸铵(亚硫酸铵)、硝酸铵、有机炭、炭黑和灰尘等五类。大气消光系数与这些大气污染物浓度之间的关系可表达为:

be=br + ∑βiCi

式中be为消光系数; br为天然大气分子对光的散射(使天空呈现蓝色 ); βi为i类污染物粒子的消光率(m2/g); CI为I类污染物粒子的浓度(ug/m

3)。研究表明(Malm et al.,19

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6), 上式还可近似地表达为:

be=br + 3f(RH)[硫酸铵浓度] + 3f(RH)[硝酸铵浓度] + 4[有机碳浓度] + [土壤粒子浓度] + 0.6[粗粒子浓度] + ba

式中f(RH)为随相对湿度而变化的散射率; ba为吸光系数(主要是炭黑的吸光作用)。由此可知,在影响大气能见度的粒子中, 二次粒子占有重要的的地位。此外,二次粒子的消光作用与大气的相对湿度密切相关。二次粒子在水滴的作用下能相互凝结成粒径较大的粒子(0.3微米—1.5微米),从而对可见光(波长为0.4微米—0.7微米)的散射作用增强。在大气相对湿度大于70%时,二次粒子散射率增加的现象就更为明显(Rogers and Watson, 19

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1)。二次粒子散射率随相对湿度变化函数可表达为:

f(RH) = bs(RH) /bs(0%)

式中bs(RH)为相对湿度大于0%时的湿散射率; bs(0%)为相对湿度为0%时的干散射率。在美国,由于东部的相对湿度较高(年平均为70%-80%),西部的相对湿度较低(年平均为50%-60%),加上东部地区硫酸铵(亚硫酸铵)的水平较高,结果导致东部地区的能见度明显低于西部地区(OAR,19

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6)。1.2 PM-2.5是城市大气污染物中损害人体健康的元凶PM-2.5中一次粒子与二次粒子的比例因地而异,主要取决于污染源的特征和气象、气侯特征。例如,美国东部的华盛顿地区由于SO2浓度较高(主要由火力发电厂排出),相对湿度较高,所以二次粒子的比例较高。美国西部干旱的菲尼克斯由于有大量与燃烧有关的排放源,所以一次粒子的比例较高(见表

1)。粒子成分硫酸铵粒子硝酸铵粒子土壤尘粒子燃烧产生的粒子<>

华盛顿地区47<>

13535

菲尼克斯1413

1657

2.2 PM-2.5的来源

2.2.1一次粒子

在一次微粒中,尘土性微粒主要来源于道路、建筑和农业产生的扬尘;碳黑粒子主要来源于柴油发动机汽车、锅炉、废物焚烧、露天烧烤、火烧秸杆和居民烧柴等。在一次微粒的各个来源中,PM-2.5所占的比例相差较大,道路扬尘与建筑扬尘以粗颗粒为主,由燃烧产生的颗粒则以PM-2.5为主(见表

2)。

表2 常见颗粒物污染源中的粒径分布(%)颗粒物污染源道路与土壤扬尘农业燃烧薪柴燃烧柴油车石油燃烧建筑扬尘<1μm

4.581.692.4<>

91.887.44.6<2.5μm<>

>10μm47.7 4.2

4.23.80.8

65.1

在城市的一次粒子中,由燃烧产生的碳黑(有机碳)粒子尽管在大气气溶胶中所占比例一般不超过20%,但其对可见光有着强烈的吸光效应,应给予适当的重视。

2.2.2二次粒子

硫酸铵和硝酸铵的前体物SO2主要来源于燃煤锅炉和燃油锅炉,NOX主要来源于锅炉与机动车,NH3主要来源于化肥生产、动物粪便、焦炭生产、冷冻车间和控制NOX的锅炉(NH3作为降解剂)。NH3是大气中唯一的碱性气体,大气中的NH3溶解在水滴中形成NH+4能加快SO2的氧化速度。SO2与NH3的反应属于不可逆反应,而NOX与NH33的反应属于可逆的反应,其反应易受到温度和湿度的影响。在二次粒子的生成过程中, 大气相对湿度起着至关重要的作用。相对湿度不仅是决定二次粒子的生成和低空的累积的重要条件,而且是决定二次粒子粒径增大与散射率变化的首要条件,应受到我们研究工作者的重视。3.控制PM-2.5的途径分析

3.1一次粒子的控制

一次粒子的成分复杂、来源较广。在常规的大气监测与控制中,细粒子往往被忽视。所以目前一次粒子的控制应从以下几个方面入手:

3.3.1 摸清各种来源中的粒径分布,抓住污染“大户”3.1.3 杜绝城市近郊的秸秆、草木和废物的露天焚烧设备的燃烧状况,减少碳黑和有机碳粒子的排放。我国一些地区特别是经济和农业比较发达的大中城市郊区，田间地头、道路两旁随意焚烧农作物秸秆，造成烟雾弥漫，环境污染，有时还酿成交通事故和飞机不能按时起飞。例如, 成都郊县麦收时由于乱烧秸秆，到处烟雾弥漫，甚至影响了双流机场飞机的起降。所以, 今年麦收到来之际，北京、天津、石家庄、济南、西安、郑州、沈阳、成都、上海、南京10大城市郊区和京津塘、京石、沪宁、济青4条高速公路沿线，已划为秸秆综合利用和禁烧重点地区，严禁在以上城市郊区和公路两侧焚烧农作物秸秆。

农业部与国家环保总局、财政部等单位还联合发布了《秸秆禁烧和综合利用管理办法》的通知，先后与陕西、河北、北京、天津、江苏、河南、上海等7省（市）人民政府签订了“农作物秸秆综合利用和禁烧工作协议书”，并投入3000万元资金，以秸秆腐烂还田技术为突破口，通过对联合收割机的改造等，力求在5年内基本解决焚烧秸秆问题。

3.2 二次粒子的控制

PM-2.5的控制分为一次粒子的控制和二次粒子的控制。目前的大气污染源调查与控制主要是针对一次粒子。而二次粒子是北京上空“灰锅盖”中首要成分, 控制二次粒子可能是目前控制北京市大气中PM-2.5污染的一个最为有效的突破点。控制二次粒子的方法可从两个方面入手:控制二次粒子的前体物(SO

2、NOX和NH

3)和控制二次粒子生成与累积的途径。

3.2.1 控制前体物

二次粒子的前体物中, SO2和NOX在来源的时空分布上、数量上均和NH3有着较大的差别。在时空分布上, SO2和NOX面广而持续;在数量上,SO2和NOX的排放量远远超过NH3。大气中90%以上的NH3来源于动物粪便、化肥的生产与使用,控制起来可能较控制SO2和NOX更为容易些。所以,在控制SO2和NOX的同时,要重视对NH3的控制。

3.2.2控制二次粒子生成与累积的途径

前体物生成二次粒子和二次粒子在低空累积产生累积效应, 需要特定的时空条件和气象条件。控制前体物各自的时空分布和根据不同的气象条件选用不同污染紧急控制措施,可阻断和避免可能对市民造成严重危害的累积性污染。4. 对今后大气污染控制研究的一点思考

4.1 污染源数据的调查与分析中应重视二次微粒的影响因素

我国现有的大气污染源数据调查已开始从酸性气溶胶(酸雨)生成的角度对前体物SO2和NOX进行统计和控制,还应从二次微粒转化的角度对前体物SO

2、NOX和NH3进行调查分析,以进一步完善现有的污染源统计模式。

4.2 在重视单项污染物指标(如SO2的浓度指标与总量控制指标)达标的基础上,同时关注一次污染物转化为二次污染物、以及一次污染物与二次污染物之间产生的对能见度和人体健康的累积效应等综合性指标。

4.3 重视PM-2.5的研究

PM-2.5的研究是我国大气污染研究中的薄弱环节, 今后的研究 应对PM-2.5的基本组成与累积途径等进行系统、细致的分析, 为研究控制PM-2.5的有效途径打下坚实的基础。