淺談PM2. 5污染監測現狀及控制治理

    PM2. 5是今年媒體曝光率最高的一個名詞,也是環境學術界研究爭議最激烈的課題之一。PM,英文全稱為particulate matter(顆粒物)。PM2. 5是表示空氣動力學粒徑小于或等于2. 5微米的顆粒物。
    白然界會產生PM2. 5,但是PM2. 5主要來白人類排放。這里面包括了直接排放,和排放污染物形成的二次污染物產生PM2. 5。直接排放主要來白燃燒過程,比如煤、汽油、柴油等燃料的燃燒、生物質的燃燒和垃圾焚燒。在空氣中轉化成PM2. 5的氣體污染物主要有二氧化硫、氮氧化物、氨氣、揮發性有機物。其它的人為來源包括:道路揚塵、建筑施工揚塵、工業粉塵、廚房煙氣。白然來源則包括:風揚塵土、火山灰、森林火災、漂浮的海鹽、花粉、真菌抱了、細菌。
    可見,PM2. 5主要來源于人類日常發電、工業生產、汽車尾氣排放等過程中經過燃燒而排放的殘留物,他們大多含有重金屬等有毒物質,其主要成分是元素碳、有機碳化合物、硫酸鹽、硝酸鹽、鉸鹽。2000年有研究人員測定了北京的PM2. 5來源:塵土占20%;由氣態污染物轉化而來的硫酸鹽、硝酸鹽、氨鹽各占17%, 10%, 6%;燒煤產生7%;使用柴油、汽油而排放的廢氣貢獻7%;農作物等生物質貢獻6%;植物碎屑貢獻1%。有趣的是,吸煙也貢獻了1%,當然這只是個粗略的科學估算.該研究中也測定了北京PM2. 5的成分:含碳的顆粒物,硫酸根,硝酸根,鉸根加在一起占了重量了69%。類似地,1999年測定的上海PM2. 5中有41. 6%是硫酸鉸、硝酸鉸,41. 4%是含碳的物質.
    氣象專家和醫學專家認為,由細顆粒物造成的灰霆天氣對人體健康的危害甚至要比沙塵暴更大。PM2. 5不易被阻擋,被吸入人體后會直接進入支氣管,干擾肺部的氣體交換,引發包括哮喘、支氣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。這些顆粒還可以通過支氣管和肺泡進入血液,其中的有害氣體、重金屬等溶解在血液中,對人體健康的傷害更大.
    如果空氣中PM2. 5的濃度長期高于10微克/立方米,死亡風險就開始上升。濃度每增加10微克/立方米,總的死亡風險就上升4%,得心肺疾病的死亡風險上升6%,得肺癌的死亡風險上升8%.從全社會的角度出發,降低PM2. 5這些看似不大的風險,收益卻是很大的美國環保局在2003年做了一個估算:“如果PM2. 5達標,全美國每年可以避免數萬人早死、數萬人上醫院就診、上白萬次的誤工、上白萬兒童得呼吸系統疾病”.相比當前的中國,美國當時的空氣質量已經相當不錯,只有很少的地區存在略微的超標.如果中國的PM2. 5能夠達標,社會收益無疑將會是巨大的。
    白從美國于1997年率先制定PM2. 5的空氣質量標準以來,許多國家都陸續跟進將PM2. 5納入監測指標。如果單純從保護人類健康的目的出發,各國的標準理應一樣,因為制定標準所依據的是相同的科學研究結果。然而,標準的制定還需考慮各國的污染現狀和經濟發展水平,在一個空氣污染嚴重的發展中國家制定極為嚴格的空氣質量標準只能成為一個華麗的擺設,沒有實際意義。根據美國癌癥協會和哈佛大學的研究結果,世界衛生組織(WHO)于2005年制定了PM2. 5的準則值。高于這個值,死亡風險就會顯著上升。WHO同時還設立了三個過渡期目標值,為目前還無法一步到位的地區提供了階段性目標,其中過渡期1的標準最為寬松,過渡期3最嚴格.
世衛及主要國家地區PM2. 5標準一覽表
    表一1列舉了WHO以及兒個有代表性的國家的標準。中國將實施的標準二類區與WHO過渡期1標準相同,一類標準和WHO過渡期3標準基本一致。美國和日本的標準一樣,與過渡期3目標基本一致。歐盟的標準略微寬松,與過渡期2標準一致,澳大利亞的標準最為嚴格,年均標準比WHO的準則值還低。標準的寬嚴程度基本反映了各國的空氣質量情況,空氣質量越好的國家就越有能力制定和實施更為嚴格的標準。
    中國發布的新標準GB 3095-2012中PM2. 5二類標準與WHO過渡期目標1一致,雖然落后于發達國家,但也算是開始了三步走的第一步。然而,即使標準值相同,而評判是否達標的方式不同,約束力是有極大差異的。舉個例了,中國現行的空氣質量標準制定于1996年,其中PM10的日均標準為150微克/立方米,表面上已和美國現行標準一樣嚴格。但是,按照美國的標準,平均每年最多只能有1天超標,否則就算不達標,超標地區需要提交改進方案并加以實施。而在中國的標準文件中,沒有類似的規定。各地區在執行標準時,只是計算每年的“達標天數”和“達標率”。PM10的標準至今已經執行了16年,一個86. 2%的達標率還可以作為正面消息報道.
    在發布的PM2. 5新標準中,依然沒有規定多高的達標率才是可接受的。WHO和其他國家是怎么規定的呢?WHO要求每年最多有3天超標(99%的達標率),澳大利亞最多5天,而美國和日本要求的達標率為98%。中國PM2. 5標準的落后不僅是在標準值,更重要的是在約束力上。
    只要讀懂了PM2. 5的定義就不難想到,PM2. 5的測定辦法分兩部走:m把PM2. 5分離出來;(2)測定分離出來的PM2. 5的重量。
    對于PM2. 5的分離來說,2. 5微米是一個踩在邊線上的尺寸。直徑恰好為2. 5微米的顆粒有50%的概率能通過切割器。大于2. 5微米的顆粒并非全被截留,而小于2. 5微米的顆粒也不是全都能通過。例如,按照《環境空氣PM10和PM2. 5的測定重量法》的要求,3. 0微米以上顆粒的通過率需小于16%,而2. 1微米以下顆粒的通過率要大于84%.
    目前,各國環保部門廣泛采用的PM2. 5測定方法有三種:重量法、R射線吸收法和微量振蕩天平法,這三種方法也同樣被我國新頒布的標準所認可。其測定的第一步是一樣的,區別在于第二步如何測定PM2. 5的重量。
    重量法:是指通過恒速抽取定量體積空氣,使環境空氣中PM2. 5被截留在已知質量的濾膜上,根據采樣前后濾膜的重量差和采樣體積,計算出PM2. 5的濃度。該方法最直接、最可靠,是驗證其它方法是否準確的標桿。然而要實現白動監測,就需要用到另外兩種方法。
    R射線吸收法:將PM2. 5樣品氣體的相對濕度調整到35%以下,進入儀器后顆粒物被收集在可以白動更換的濾膜上。濾膜兩側分別設置了R射線源和R射線檢測器。隨著濾膜上收集的顆粒物越來越多,顆粒物質量也隨之增加,R射線檢測器檢測到的R射線強度也會相應地減弱。儀器通過分析R射線檢測器的信號變化得到一定時段內采集的顆粒物質量數值,結合相同時段內采集樣品體積,最終得出采樣時段的顆粒物濃度[10]。美國大使館那臺知名度很高的儀器依據的就是此原理。
    微量振蕩天平法:測量PM2. 5質量的微量振蕩天平傳感器主要部件是一支一端固定、另一端裝有濾膜的空心錐形玻璃管,樣品氣流從固定的粗端進入通過濾膜,顆粒物被收集在濾膜上。在工作時,空心錐形玻璃管處于振蕩狀態,細頭以一定頻率振蕩,該頻率和細頭質量的平方根成反比。儀器通過準確測量頻率變化得到顆粒物的質量,然后根據收集這些顆粒物
時采集的樣品體積計算出樣品的濃度。但是,在測量過程中,為了消除水汽影響,需要加溫,而加溫過程會造成顆粒物中揮發性物質的損失,從而影響數據準確性。知名廠商賽默吃研制出了濾膜動態測量系統(FDMS),可對結果進行校準。
    破解PM2. 5治理難題,產業結構優化、能源結構調整是必由之路。這就需要從改善環境質量出發,嚴格環境準入,推進能源清潔化使用,加快淘汰落后產能,實行多種污染物協同控制,大幅削減污染物排放量,形成環境優化經濟發展的倒逼機制。
    要控制前體物氮氧化物、二氧化硫的排放,控制工業燃料燃燒排放為首要任務。比如火電行業節能減排雖已取得顯著成效,但我國人均裝機容量遠低于發達國家平均水平,我國的能源結構決定了今后相當長的時問內,燃煤機組裝機容量還將不斷增長,火電廠排放的二氧化硫、氮氧化物和煙塵仍將增加。可見工業燃料燃燒排放的大氣污染物的控制成效,將直接
影響我國大氣環境質量改善和工業可持續發展。
    除了火電行業之外,鋼鐵、水泥、燃煤鍋爐等都需要進一步深化二氧化硫、氮氧化物、煙塵等污染物減排。同時,石油化工、有機化工、油漆噴涂等行業也需要加強揮發性有機物的治理工作。
    在PM2. 5的形成過程中,揮發性有機化合物(VOC)發揮了重要作用,因此VOC的監測防治絲毫不亞于工業燃料燃燒排放。但是,與控制二氧化硫、氮氧化物相比,VOC的控制難度更大,因為VOC可能是成白上千種物質,而且分布在許多行業。如化學原料及化學品制造、印刷、石油加工、家具制造、紡織、皮革等行業,都會涉及到VOC的排放問題。因此及早制
定相關的行業標準和控制目標,是控制PM2. 5的關鍵所在。
    機動車尾氣排放也是PM2. 5控制的重點。截至2011年年底,我國機動車保有量達2. 25億輛,巨大保有量的背后是日益嚴重的尾氣污染。環境保護部發布的2011年《中國機動車污染防治年報》顯示,機動車污染“已經是大氣環境污染治理最突出、最緊迫的問題之一’,這需要加大淘汰黃標車的力度,加嚴新車排放標準,以降低機動車排放強度。而對于數量更為龐大的在用車減排,關鍵在于油品升級,可現在油品升級步伐已經嚴重落后于機動車排放標準的提高。數據顯示,到2014年才能在全國范圍內供應滿足國IV排放標準要求的車用汽油,滿足國IV排放標準要求的車用柴油標準目前還處于起草階段。因此加快油品升級,加快汽車尾氣防治步伐刻不容緩
    另外,施工揚塵也成為影響城市環境質量的重要方面。1. 5億平方米的建筑工地所產生的揚塵占PM2. 5排放總量的16%左右。可見施工揚塵監控重要而更容易取得成效。
    由于PM2. 5是典型的區域性污染物,治理PM2. 5需要采用綜合手段,實現多污染環節協同減排,就像密切咬合齒輪,環環相扣,整個減排工作的關鍵在于環境管理和相關配套的監測技術和標準。環境管理工作應服務于環境質量的改善。
 


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