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城市大氣中PM-2.5污染控制的意義與途徑
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(xì)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(biāo)(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(duì)治理城市大氣污染的近期目標(biāo)和長遠(yuǎn)目標(biāo)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?zhǔn)?br />光波在大氣中傳播時(shí), 因受氣溶膠和氣體分子的散射和吸收而削弱。光的強(qiáng)度按指數(shù)律衰減, 對(duì)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(qiáng)度;Ioλ為入射光強(qiáng)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(yuǎn)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(yuǎn)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。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(jī)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(dá)為:
be=br + ∑βiCi
式中be為消光系數(shù); br為天然大氣分子對(duì)光的散射(使天空呈現(xiàn)藍(lán)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(dá)為:
be=br + 3f(RH)[硫酸銨濃度] + 3f(RH)[硝酸銨濃度] + 4[有機(jī)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(duì)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(duì)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(duì)可見光(波長為0.4微米—0.7微米)的散射作用增強(qiáng)。在大氣相對(duì)濕度大于70%時(shí),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(duì)濕度變化函數(shù)可表達(dá)為:
f(RH) = bs(RH) /bs(0%)
式中bs(RH)為相對(duì)濕度大于0%時(shí)的濕散射率; bs(0%)為相對(duì)濕度為0%時(shí)的干散射率。在美國,由于東部的相對(duì)濕度較高(年平均為70%-80%),西部的相對(duì)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(hù)區(qū)),盡管大氣中常規(guī)的污染物指標(biāo)均達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn),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(hù)能見度的多部門監(jiān)測計(jì)劃(IMPROVE),并從1987年開始在全國20個(gè)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(jì)劃中,PM-2.5是核心的監(jiān)測指標(biāo)。
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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中新增加了PM-10(粒徑小于10微米的顆粒物)的標(biāo)準(zhǔn), 因?yàn)镻M-10易進(jìn)入人的呼吸道, 對(duì)人體健康構(gòu)成威脅。而美國的大量研究表明, 對(duì)人體健康危害大的顆粒物是PM-2.5, 因?yàn)檫@些細(xì)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(duì)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(shí)它還可能作為攜帶細(xì)菌微生物、病毒和致癌物的載體侵入人體肺部，嚴(yán)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(jī)化學(xué)成分、近80%的有害無機(jī)化學(xué)成分分布在徑粒小于3微米的細(xì)粒中(葛啟壇,1993)。可吸入顆粒物已成為大氣污染物中對(duì)北京市城區(qū)居民健康威脅大污染物(汪晶,1993)。美國自1987年實(shí)施PM-10標(biāo)準(zhǔn)以來, 共有2000多項(xiàng)研究指出:對(duì)人體健康危害大的是PM-2.5。所以, 美國在1997年7月又頒布了PM-2.5標(biāo)準(zhǔn), 以切實(shí)保護(hù)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(jī)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(shí)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(duì)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)。