臭氧污染控制應(yīng)盡快提上日程
第七次全國環(huán)境保護(hù)大會于近日召開，會議的重要議程之一，就是對“十二五”環(huán)境保護(hù)工作進(jìn)行總體部署。展望“十二五”環(huán)境保護(hù)工作，改善大氣環(huán)境質(zhì)量是重要內(nèi)容之一。隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和機(jī)動車使用量的大幅攀升，一些大型城市發(fā)生光化學(xué)煙霧污染的幾率顯著提高。那么，光化學(xué)煙霧是怎樣形成的？臭氧對光化學(xué)煙霧生成有哪些貢獻(xiàn)？如何防治臭氧及光化學(xué)煙霧？本報(bào)今日刊登北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院朱彤的文章，以饗讀者。
光化學(xué)煙霧是指氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)物等一次排放的污染物通過大氣光化學(xué)反應(yīng)，生成較高濃度的臭氧和二次細(xì)顆粒物而形成的一種大氣污染。在世界各地的一些大城市，有時即使天空是晴朗的，天際也會出現(xiàn)灰蒙蒙的現(xiàn)象。如果靜穩(wěn)天氣維持?jǐn)?shù)天，大氣能見度會降低很多。這樣的現(xiàn)象主要是大氣出現(xiàn)光化學(xué)煙霧的結(jié)果。
大氣臭氧是導(dǎo)致光化學(xué)煙霧的主要污染物，控制大氣臭氧是現(xiàn)代城市保障空氣質(zhì)量的重要措施之一。作為最早發(fā)現(xiàn)光化學(xué)煙霧污染的城市，美國洛杉磯市經(jīng)過幾十年努力，采取了最嚴(yán)格的控制措施，但是洛杉磯市臭氧污染控制效果還是不能令人滿意。
大氣中的臭氧存在于大氣平流層和對流層中，是在光化學(xué)反應(yīng)下形成和參與反應(yīng)的氣體。在平流層大氣中，臭氧可起到保護(hù)地球、抵御紫外輻射的作用；但在近地面的對流層，卻因?yàn)槲：θ梭w健康被列為大氣污染物。
空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的臭氧限值
■閱讀提示
我國環(huán)境空氣質(zhì)量臭氧二級標(biāo)準(zhǔn)為:時均值200微克/立方米或0.200毫克/立方米，標(biāo)準(zhǔn)值高于歐盟臭氧通報(bào)閾值和WHO臭氧中期標(biāo)準(zhǔn)。
臭氧作為大氣中的主要二次污染物和氧化性物種，對呼吸系統(tǒng)有著嚴(yán)重的急性效應(yīng)，會刺激眼睛和呼吸道，使眼肌平衡失調(diào)，視覺敏感度和暗適應(yīng)下降；使呼吸道阻力增加、咳嗽、頭痛、思維能力下降，嚴(yán)重時導(dǎo)致肺氣腫和肺水腫，引起肺功能顯著下降。已有研究表明，短時間高濃度臭氧暴露，可引發(fā)肺部、呼吸道和眼睛的損傷，同時增加肌體對吸入性過敏源的敏感性，加重已有的呼吸系統(tǒng)疾病(如哮喘)，導(dǎo)致日住院率和急診率增加。而長時間的低濃度臭氧暴露，則可導(dǎo)致肺功能減退，并導(dǎo)致人群死亡率增加。
根據(jù)《WHO空氣質(zhì)量全球指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)2005更新版》，世界衛(wèi)生組織提出了空氣質(zhì)量臭氧指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)為每日最大8小時均值100微克/立方米，過渡性的中期標(biāo)準(zhǔn)為每日最大8小時均值160微克/立方米。美國環(huán)保局制定的臭氧環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為1小時均值0.120ppm(即百萬分之0.12)，8小時均值為0.08ppm(即百萬分之0.08)。歐盟《大氣環(huán)境臭氧指令((2002/3/EC)》規(guī)定的臭氧每日最大8小時均值為120微克/立方米，要求每年平均不超過25天(取3年平均)。這一指令同時規(guī)定了臭氧通報(bào)閾值和警報(bào)閾值兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，其中臭氧通報(bào)閾值為時均值180微克/立方米，臭氧警報(bào)閾值為時均值240微克/立方米。要求一旦出現(xiàn)臭氧超過這些閾值，地方政府應(yīng)立刻向公眾通報(bào)臭氧濃度(逐時或逐日)。歐盟各國應(yīng)每月向歐盟環(huán)保署報(bào)告全部超標(biāo)情況。我國環(huán)境空氣質(zhì)量臭氧二級標(biāo)準(zhǔn)為:時均值200微克/立方米或0.200毫克/立方米，標(biāo)準(zhǔn)值高于歐盟臭氧通報(bào)閾值和WHO臭氧中期標(biāo)準(zhǔn)。
城市空氣中臭氧產(chǎn)生原理
■閱讀提示
空氣中的臭氧不是污染源直接排放的一次污染物，而是通過污染源排放的氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)物在大氣中通過光化學(xué)反應(yīng)生成的。為控制臭氧污染，需要控制其前體物氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物排放。
與二氧化硫、一氧化碳等氣態(tài)污染物不同，空氣中的臭氧不是污染源直接排放的一次污染物，而是通過污染源排放的氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)物在大氣中通過光化學(xué)反應(yīng)生成的，因此臭氧又被歸納為空氣中的二次污染物。
空氣中的臭氧生成過程較為復(fù)雜，在太陽光的作用下，大氣中的二氧化氮首先光解生成一個氧原子和一個一氧化氮分子，一個氧原子和一個氧氣分子結(jié)合生成一個臭氧分子。由于臭氧可以和一氧化氮進(jìn)一步反應(yīng)，分別生成一個氧氣分子和一個二氧化氮分子，因此空氣中的一氧化氮濃度高時，臭氧會被一氧化氮消耗掉，濃度不會積累增加。
而一旦空氣中同時出現(xiàn)揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)和氮氧化物時，揮發(fā)性有機(jī)物在大氣中的反應(yīng)可以將一氧化氮迅速轉(zhuǎn)化為二氧化氮，這樣就避免了一氧化氮對臭氧的消耗，同時生成的二氧化氮通過光解增加臭氧的生成。因此，在空氣中產(chǎn)生較高臭氧濃度的前提是需要有較高濃度的氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物，后兩者又被稱為臭氧的前體物。但當(dāng)空氣中揮發(fā)性有機(jī)物濃度非常高的時候，臭氧又會和揮發(fā)性有機(jī)物反應(yīng)而被消耗。
作為臭氧前體物，氮氧化物主要來自燃燒過程，其排放源主要包括電廠、機(jī)動車尾氣和工業(yè)及民用鍋爐。臭氧的另一前體物——揮發(fā)性有機(jī)物的來源就復(fù)雜得多，除了機(jī)動車尾氣排放外，加油站油氣揮發(fā)、燃煤、建筑工地油漆、工業(yè)噴涂、餐飲烹飪等均是城市空氣中揮發(fā)性有機(jī)物的主要來源。此外，樹木、花卉等在光合作用和高溫下，也會釋放出化學(xué)活性很高的揮發(fā)性有機(jī)物，對空氣中臭氧的生成發(fā)揮重要的作用。
適合的氣象條件也是城市產(chǎn)生臭氧污染的重要因素，足夠的陽光促進(jìn)臭氧生成的光化學(xué)反應(yīng)。在光照和較高溫度條件下，臭氧由前體污染物氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物快速反應(yīng)生成，因此臭氧濃度隨著季節(jié)和時間變化，高值往往存在于夏季和每日中午時分。而靜穩(wěn)的大氣可以使生成的臭氧不斷積累起來。因此，在少云、無風(fēng)的天氣條件下容易出現(xiàn)臭氧污染。
為了控制臭氧污染，需要控制其前體物氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物排放。但由于臭氧前體物既通過光化學(xué)反應(yīng)生成臭氧，又通過和臭氧的反應(yīng)消耗臭氧，因此前體物的濃度與臭氧的濃度存在復(fù)雜的非線性關(guān)系。這一關(guān)系，由每個城市所處的地理環(huán)境和污染源排放狀況決定。
臭氧與細(xì)顆粒物的聯(lián)系
■閱讀提示
臭氧污染與顆粒物污染通過光化學(xué)煙霧密切聯(lián)系。為解決城市大氣細(xì)顆粒物及能見度降低的問題，必須解決空氣臭氧的生成問題。
大氣光化學(xué)煙霧的主要污染物除了臭氧外，細(xì)顆粒物也是危害人體健康、降低大氣能見度的主要原因。我國經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集的主要區(qū)域(華北、珠三角、長三角)近年來臭氧濃度和灰霾出現(xiàn)的頻率逐年攀升。臭氧作為一種氧化性很強(qiáng)的分子，在大氣中也作為一種氧化劑；姻蔡鞖獾念l繁出現(xiàn)，與這些區(qū)域大氣氧化性增強(qiáng)有著明顯的關(guān)系。以高濃度臭氧為代表的氧化性物種導(dǎo)致大氣二氧化硫、揮發(fā)性有機(jī)物等一次污染物快速向二次粒子轉(zhuǎn)化，生成硫酸鹽、有機(jī)物等。因此，大氣重污染期間通常為大氣二次污染，主要污染物為臭氧和二次顆粒物。
而大氣中出現(xiàn)的高濃度臭氧與顆粒物有著密切的相互聯(lián)系。這一聯(lián)系表現(xiàn)在以下過程:在夏季天空晴朗、風(fēng)速低時，空氣中的氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物在陽光的驅(qū)動下很快生成高濃度臭氧；高臭氧濃度增強(qiáng)大氣氧化性，使得二氧化硫、氮氧化物、有機(jī)物等迅速轉(zhuǎn)化為細(xì)顆粒物，表現(xiàn)為大氣能見度開始下降；如果大氣維持靜穩(wěn)，大氣細(xì)顆粒物濃度將持續(xù)積累，大氣能見度會繼續(xù)惡化；一旦以上條件維持一段時間，則累積的污染不能消散，直到一次新的天氣過程，通過降水或大風(fēng)來驅(qū)散污染物；如果天空晴朗、天氣靜穩(wěn)，則很快又會重復(fù)以上過程。
因此，臭氧污染與顆粒物污染是通過光化學(xué)煙霧密切聯(lián)系的。為解決城市大氣細(xì)顆粒物及能見度降低的問題，必須解決空氣臭氧的生成問題。
區(qū)域輸送可導(dǎo)致臭氧污染
■閱讀提示
除了光化學(xué)反應(yīng)本身的非線性特征，區(qū)域大氣污染輸送即來自上風(fēng)向的一次和二次污染物的輸送，也是導(dǎo)致高臭氧濃度污染的一個重要原因。
在城市空氣污染中，臭氧控制的難度很大，主要原因是臭氧污染成因很復(fù)雜。除了光化學(xué)反應(yīng)本身的非線性特征，區(qū)域大氣污染輸送即來自上風(fēng)向的一次和二次污染物輸送，也是導(dǎo)致高臭氧濃度污染的一個重要原因。臭氧大氣壽命較長，可以是數(shù)天甚至數(shù)月，因此可以在大氣中被輸送至幾百甚至上千公里。
在局地和區(qū)域大氣環(huán)流的帶動下，上風(fēng)向城市排放的臭氧前體物及產(chǎn)生的臭氧會被輸送到下風(fēng)向的城市，從而增加下風(fēng)向城市空氣中臭氧的濃度。例如，北京夏季盛行西南和東南風(fēng)，來自河北省、天津市的臭氧前體物和臭氧會在西南和東南風(fēng)的驅(qū)動下被輸送到北京，從而對北京的臭氧污染造成一定的貢獻(xiàn)。在特定條件下，周邊地區(qū)對北京市臭氧濃度的貢獻(xiàn)可高達(dá)30％，因此，為保障奧運(yùn)期間北京市空氣中臭氧的濃度符合要求，需要周邊地區(qū)與北京市密切配合，共同采取嚴(yán)格的控制措施。
臭氧及光化學(xué)煙霧防治重點(diǎn)
■閱讀提示
臭氧及光化學(xué)煙霧的防治重點(diǎn)包括:控制揮發(fā)性有機(jī)物、控制氮氧化物、區(qū)域聯(lián)合控制光化學(xué)煙霧等。
目前我國很多大城市臭氧的大氣濃度呈現(xiàn)上升趨勢，表現(xiàn)為我國傳統(tǒng)的煤煙型大氣污染已隨著燃煤污染控制力度加大、城市機(jī)動車數(shù)量急劇增加而轉(zhuǎn)化為以機(jī)動車排放為主導(dǎo)的光化學(xué)煙霧污染？諝馕廴镜闹饕芤延扇济何廴巨D(zhuǎn)變到光化學(xué)煙霧污染。臭氧污染控制應(yīng)該盡快提上日程。
臭氧濃度與其前體物排放的變化存在著復(fù)雜的響應(yīng)關(guān)系，研究臭氧對其前體物排放變化的敏感性，對于認(rèn)識光化學(xué)反應(yīng)體系的動力學(xué)作用機(jī)制、掌握臭氧對于前體物排放變化的響應(yīng)規(guī)律、制定有效的污染源排放控制措施具有重要意義。在我國很多城市，氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物濃度很高。臭氧及光化學(xué)煙霧的防治重點(diǎn)包括以下幾個方面:
控制揮發(fā)性有機(jī)物:揮發(fā)性有機(jī)物的主要來源包括機(jī)動車尾氣、加油站油氣揮發(fā)、涂料、工業(yè)生產(chǎn)排放等。除了控制機(jī)動車尾氣排放外，需要加強(qiáng)涂料、工業(yè)生產(chǎn)排放的控制。我國揮發(fā)性有機(jī)物的排放情況與美國上世紀(jì)80年代的城市相當(dāng)。在此條件下，控制揮發(fā)性有機(jī)物的排放可以立即達(dá)到降低空氣中臭氧濃度的效果。
控制氮氧化物:氮氧化物的主要來源包括機(jī)動車尾氣、發(fā)電廠等燃燒裝置。在城市，機(jī)動車的排放是氮氧化物的主要來源，需要制定更加嚴(yán)格的機(jī)動車氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)；在區(qū)域范圍，燃煤、燃?xì)怆姀S的排放是區(qū)域大氣氮氧化物的主要來源，應(yīng)盡快要求在建和新建的這類電廠安裝和運(yùn)行脫硝設(shè)施。
區(qū)域聯(lián)合控制光化學(xué)煙霧:我國多個區(qū)域大氣污染排放一直在快速上升，使得大氣污染由點(diǎn)狀連成片狀，臭氧及其前體物(氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)物)在區(qū)域內(nèi)城市間的相互輸送形成了典型的區(qū)域污染特征。控制大氣中臭氧的濃度，必須通過光化學(xué)煙霧的區(qū)域聯(lián)合控制來根本控制臭氧和光化學(xué)煙霧。
首先，構(gòu)建臭氧及其前體物的監(jiān)測網(wǎng)和光化學(xué)污染預(yù)報(bào)、預(yù)警體系。構(gòu)建臭氧及其前體物特別是揮發(fā)性有機(jī)物的監(jiān)測網(wǎng)，建立和完善光化學(xué)煙霧預(yù)報(bào)模式；參照歐盟的臭氧通報(bào)閾值和警報(bào)閾值，制定臭氧濃度超標(biāo)情況下應(yīng)急控制措施預(yù)案。
其次，鼓勵技術(shù)創(chuàng)新，大力推廣低排放和零排放機(jī)動車。機(jī)動車尾氣排放是現(xiàn)代超大城市空氣污染的主要來源。目前主要通過逐步提高機(jī)動車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)來控制。但隨著機(jī)動車數(shù)量的大量增加，城市空氣污染問題的根本性解決需要依賴低排放和零排放的機(jī)動車。以混合動力和電動車為代表的低排放和零排放的機(jī)動車是未來機(jī)動車技術(shù)發(fā)展的方向。
第三，大力發(fā)展城市公共交通，優(yōu)化公交線路。優(yōu)良、便捷、舒適的公交系統(tǒng)可以縮短城市居民汽車的出行距離，從而達(dá)到減少機(jī)動車尾氣排放的目的。目前我國很多城市的公交系統(tǒng)存在著線路混亂、公交汽車運(yùn)行效率有待提高等問題。各城市應(yīng)根據(jù)自身的特點(diǎn)，利用科學(xué)的規(guī)劃手段，優(yōu)化公共汽車線路，以達(dá)到提高運(yùn)行效率、降低污染排放的目的。
第四，推動低碳城市建設(shè)，實(shí)現(xiàn)碳減排和空氣污染控制的共同效益。城市和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展及社會活動都需要消耗大量能源。由于這些能源主要來自于化石燃料，同時排放二氧化碳等溫室氣體及大量的一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫和顆粒物等空氣污染物，帶來了嚴(yán)重的空氣污染問題，并對氣候變化有較大的貢獻(xiàn)。在低碳城市建設(shè)中，通過提高能源效率、改善能源結(jié)構(gòu)以及采取嚴(yán)格的污染控制措施，可以同時減少空氣污染和溫室氣體排放，在保護(hù)人體健康、減緩氣候變化方面取得更大的共同效益。
作者單位:北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
