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浅谈PM2. 5污染监测现状及控制治理

    PM2. 5是今年媒体曝光率最高的一个名词,也是环境学术界研究争议最激烈的课题之一。PM,英文全称为particulate matter(颗粒物)。PM2. 5是表示空气动力学粒径小于或等于2. 5微米的颗粒物。
    白然界会产生PM2. 5,但是PM2. 5主要来白人类排放。这里面包括了直接排放,和排放污染物形成的二次污染物产生PM2. 5。直接排放主要来白燃烧过程,比如煤、汽油、柴油等燃料的燃烧、生物质的燃烧和垃圾焚烧。在空气中转化成PM2. 5的气体污染物主要有二氧化硫、氮氧化物、氨气、挥发性有机物。其它的人为来源包括:道路扬尘、建筑施工扬尘、工业粉尘、厨房烟气。白然来源则包括:风扬尘土、火山灰、森林火灾、漂浮的海盐、花粉、真菌抱了、细菌。
    可见,PM2. 5主要来源于人类日常发电、工业生产、汽车尾气排放等过程中经过燃烧而排放的残留物,他们大多含有重金属等有毒物质,其主要成分是元素碳、有机碳化合物、硫酸盐、硝酸盐、铰盐。2000年有研究人员测定了北京的PM2. 5来源:尘土占20%;由气态污染物转化而来的硫酸盐、硝酸盐、氨盐各占17%, 10%, 6%;烧煤产生7%;使用柴油、汽油而排放的废气贡献7%;农作物等生物质贡献6%;植物碎屑贡献1%。有趣的是,吸烟也贡献了1%,当然这只是个粗略的科学估算.该研究中也测定了北京PM2. 5的成分:含碳的颗粒物,硫酸根,硝酸根,铰根加在一起占了重量了69%。类似地,1999年测定的上海PM2. 5中有41. 6%是硫酸铰、硝酸铰,41. 4%是含碳的物质.
    气象专家和医学专家认为,由细颗粒物造成的灰霆天气对人体健康的危害甚至要比沙尘暴更大。PM2. 5不易被阻挡,被吸入人体后会直接进入支气管,干扰肺部的气体交换,引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病。老人、小孩以及心肺疾病患者是PM2. 5污染的敏感人群。这些颗粒还可以通过支气管和肺泡进入血液,其中的有害气体、重金属等溶解在血液中,对人体健康的伤害更大.
    如果空气中PM2. 5的浓度长期高于10微克/立方米,死亡风险就开始上升。浓度每增加10微克/立方米,总的死亡风险就上升4%,得心肺疾病的死亡风险上升6%,得肺癌的死亡风险上升8%.从全社会的角度出发,降低PM2. 5这些看似不大的风险,收益却是很大的美国环保局在2003年做了一个估算:“如果PM2. 5达标,全美国每年可以避免数万人早死、数万人上医院就诊、上白万次的误工、上白万儿童得呼吸系统疾病”.相比当前的中国,美国当时的空气质量已经相当不错,只有很少的地区存在略微的超标.如果中国的PM2. 5能够达标,社会收益无疑将会是巨大的。
    白从美国于1997年率先制定PM2. 5的空气质量标准以来,许多国家都陆续跟进将PM2. 5纳入监测指标。如果单纯从保护人类健康的目的出发,各国的标准理应一样,因为制定标准所依据的是相同的科学研究结果。然而,标准的制定还需考虑各国的污染现状和经济发展水平,在一个空气污染严重的发展中国家制定极为严格的空气质量标准只能成为一个华丽的摆设,没有实际意义。根据美国癌症协会和哈佛大学的研究结果,世界卫生组织(WHO)于2005年制定了PM2. 5的准则值。高于这个值,死亡风险就会显著上升。WHO同时还设立了三个过渡期目标值,为目前还无法一步到位的地区提供了阶段性目标,其中过渡期1的标准最为宽松,过渡期3最严格.
世卫及主要国家地区PM2. 5标准一览表
    表一1列举了WHO以及儿个有代表性的国家的标准。中国将实施的标准二类区与WHO过渡期1标准相同,一类标准和WHO过渡期3标准基本一致。美国和日本的标准一样,与过渡期3目标基本一致。欧盟的标准略微宽松,与过渡期2标准一致,澳大利亚的标准最为严格,年均标准比WHO的准则值还低。标准的宽严程度基本反映了各国的空气质量情况,空气质量越好的国家就越有能力制定和实施更为严格的标准。
    中国发布的新标准GB 3095-2012中PM2. 5二类标准与WHO过渡期目标1一致,虽然落后于发达国家,但也算是开始了三步走的第一步。然而,即使标准值相同,而评判是否达标的方式不同,约束力是有极大差异的。举个例了,中国现行的空气质量标准制定于1996年,其中PM10的日均标准为150微克/立方米,表面上已和美国现行标准一样严格。但是,按照美国的标准,平均每年最多只能有1天超标,否则就算不达标,超标地区需要提交改进方案并加以实施。而在中国的标准文件中,没有类似的规定。各地区在执行标准时,只是计算每年的“达标天数”和“达标率”。PM10的标准至今已经执行了16年,一个86. 2%的达标率还可以作为正面消息报道.
    在发布的PM2. 5新标准中,依然没有规定多高的达标率才是可接受的。WHO和其他国家是怎么规定的呢?WHO要求每年最多有3天超标(99%的达标率),澳大利亚最多5天,而美国和日本要求的达标率为98%。中国PM2. 5标准的落后不仅是在标准值,更重要的是在约束力上。
    只要读懂了PM2. 5的定义就不难想到,PM2. 5的测定办法分两部走:m把PM2. 5分离出来;(2)测定分离出来的PM2. 5的重量。
    对于PM2. 5的分离来说,2. 5微米是一个踩在边线上的尺寸。直径恰好为2. 5微米的颗粒有50%的概率能通过切割器。大于2. 5微米的颗粒并非全被截留,而小于2. 5微米的颗粒也不是全都能通过。例如,按照《环境空气PM10和PM2. 5的测定重量法》的要求,3. 0微米以上颗粒的通过率需小于16%,而2. 1微米以下颗粒的通过率要大于84%.
    目前,各国环保部门广泛采用的PM2. 5测定方法有三种:重量法、R射线吸收法和微量振荡天平法,这三种方法也同样被我国新颁布的标准所认可。其测定的第一步是一样的,区别在于第二步如何测定PM2. 5的重量。
    重量法:是指通过恒速抽取定量体积空气,使环境空气中PM2. 5被截留在已知质量的滤膜上,根据采样前后滤膜的重量差和采样体积,计算出PM2. 5的浓度。该方法最直接、最可靠,是验证其它方法是否准确的标杆。然而要实现白动监测,就需要用到另外两种方法。
    R射线吸收法:将PM2. 5样品气体的相对湿度调整到35%以下,进入仪器后颗粒物被收集在可以白动更换的滤膜上。滤膜两侧分别设置了R射线源和R射线检测器。随着滤膜上收集的颗粒物越来越多,颗粒物质量也随之增加,R射线检测器检测到的R射线强度也会相应地减弱。仪器通过分析R射线检测器的信号变化得到一定时段内采集的颗粒物质量数值,结合相同时段内采集样品体积,最终得出采样时段的颗粒物浓度[10]。美国大使馆那台知名度很高的仪器依据的就是此原理。
    微量振荡天平法:测量PM2. 5质量的微量振荡天平传感器主要部件是一支一端固定、另一端装有滤膜的空心锥形玻璃管,样品气流从固定的粗端进入通过滤膜,颗粒物被收集在滤膜上。在工作时,空心锥形玻璃管处于振荡状态,细头以一定频率振荡,该频率和细头质量的平方根成反比。仪器通过准确测量频率变化得到颗粒物的质量,然后根据收集这些颗粒物
时采集的样品体积计算出样品的浓度。但是,在测量过程中,为了消除水汽影响,需要加温,而加温过程会造成颗粒物中挥发性物质的损失,从而影响数据准确性。知名厂商赛默吃研制出了滤膜动态测量系统(FDMS),可对结果进行校准。
    破解PM2. 5治理难题,产业结构优化、能源结构调整是必由之路。这就需要从改善环境质量出发,严格环境准入,推进能源清洁化使用,加快淘汰落后产能,实行多种污染物协同控制,大幅削减污染物排放量,形成环境优化经济发展的倒逼机制。
    要控制前体物氮氧化物、二氧化硫的排放,控制工业燃料燃烧排放为首要任务。比如火电行业节能减排虽已取得显著成效,但我国人均装机容量远低于发达国家平均水平,我国的能源结构决定了今后相当长的时问内,燃煤机组装机容量还将不断增长,火电厂排放的二氧化硫、氮氧化物和烟尘仍将增加。可见工业燃料燃烧排放的大气污染物的控制成效,将直接
影响我国大气环境质量改善和工业可持续发展。
    除了火电行业之外,钢铁、水泥、燃煤锅炉等都需要进一步深化二氧化硫、氮氧化物、烟尘等污染物减排。同时,石油化工、有机化工、油漆喷涂等行业也需要加强挥发性有机物的治理工作。
    在PM2. 5的形成过程中,挥发性有机化合物(VOC)发挥了重要作用,因此VOC的监测防治丝毫不亚于工业燃料燃烧排放。但是,与控制二氧化硫、氮氧化物相比,VOC的控制难度更大,因为VOC可能是成白上千种物质,而且分布在许多行业。如化学原料及化学品制造、印刷、石油加工、家具制造、纺织、皮革等行业,都会涉及到VOC的排放问题。因此及早制
定相关的行业标准和控制目标,是控制PM2. 5的关键所在。
    机动车尾气排放也是PM2. 5控制的重点。截至2011年年底,我国机动车保有量达2. 25亿辆,巨大保有量的背后是日益严重的尾气污染。环境保护部发布的2011年《中国机动车污染防治年报》显示,机动车污染“已经是大气环境污染治理最突出、最紧迫的问题之一’,这需要加大淘汰黄标车的力度,加严新车排放标准,以降低机动车排放强度。而对于数量更为庞大的在用车减排,关键在于油品升级,可现在油品升级步伐已经严重落后于机动车排放标准的提高。数据显示,到2014年才能在全国范围内供应满足国IV排放标准要求的车用汽油,满足国IV排放标准要求的车用柴油标准目前还处于起草阶段。因此加快油品升级,加快汽车尾气防治步伐刻不容缓
    另外,施工扬尘也成为影响城市环境质量的重要方面。1. 5亿平方米的建筑工地所产生的扬尘占PM2. 5排放总量的16%左右。可见施工扬尘监控重要而更容易取得成效。
    由于PM2. 5是典型的区域性污染物,治理PM2. 5需要采用综合手段,实现多污染环节协同减排,就像密切咬合齿轮,环环相扣,整个减排工作的关键在于环境管理和相关配套的监测技术和标准。环境管理工作应服务于环境质量的改善。
 


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