使用道路抑尘剂控制北京PM2.5、PM10、NOx污染的应用及评价研究

王欣欣,亓学奎,李晋生，孟德发，史静，武晓剑，霍茂清

1.北京市理化分析测试中心，北京 100089 2.中国环境科学研究院，北京 100012 3.北京精诚博桑科技有限公司，北京 100076

近年来，在我国京津冀、华东等地区雾霾天气频发，特别是在2013年一年之中，多地遭遇大范围持续雾霾，仅在1月北京市就有26 d为雾霾天气，为1954年以来同期最多，由此引发的大气污染问题已引起了国内外的广泛关注[1]。有研究[2-5]表明，大气中一些有毒有害物质可对人体呼吸系统、循环系统造成直接影响，大气污染与人口死亡率正相关。严重的大气污染已经对北京乃至全国人民的身心健康产生了严重的影响，因此，治理北京大气污染现状迫在眉睫。

研究[6-8]表明，类似北京的特大型城市环境中，机动车及交通污染是大气污染——尤其是PM2.5污染的主要贡献因素之一，机动车尾气排放及路面扬尘均可产生大量污染。朱先磊等[6]研究发现，机动车尾气排放对PM2.5的直接贡献率为5.6%(PAHs源成分谱拟和法)～15.5%(机动车排放/交通尘源成分谱解析法)，除了直接排放外，二次气溶胶中，机动车尾气排放的NOx与燃煤产生的SO2联合贡献了总气溶胶的9.6%；而机动车尾气排放的有机物光化学反应形成的二次气溶胶也对PM2.5污染有很大贡献；此外，在路面扬尘的18.1%贡献中，交通道路扬尘也是其中的主要因素。综上所述，交通来源污染是城市中大气污染尤其是细颗粒物污染的主要因素之一。目前利用道路抑尘剂降低可吸入颗粒物的应用研究在我国还鲜有报道，而与笔者研制的抑尘剂相似的产品在欧美等发达国家和地区已经得到了应用，但主要集中在高速公路和隧道中[9-10]，对城市道路的应用还很少，伦敦举办奥运会时，曾大规模使用过类似产品。研究[11]表明，抑尘剂有效地减少了机动车排放产生的扬尘，PM10浓度降低了10%～20%。笔者以北京市丰台区看丹桥附近区域为研究对象，通过应用研制的新型道路抑尘剂，抑制北京区域道路扬尘污染及减少机动车尾气在大气中的扩散污染，并通过交通带PM2.5、PM10和NOx及相关参数分析表征其实际效率，以期为解决日益严重的大气污染问题提供新途径。

1 试验

1.1 材料

采用由首创北京精诚博桑科技有限公司提供[12]的，以钙镁络合物为主要组成物质，外加助剂复配而成的一种新型环保抑尘剂。

1.2 道路抑尘剂施工及监测布点方法

选定试验区域为北京市丰台区看丹桥附近交通带，具体位置及抑尘剂喷洒范围如图1所示。施工方法：配置100 g/L抑尘剂溶液，利用环卫洒水车对路面进行喷洒作业。喷洒总面积约40万m2，折合抑尘剂用量为10 g/m2。喷洒只在2013年10月15日凌晨进行一次，并同时用相同水量喷洒对照点周围路面，随后不对区域路面做任何处理，直至监测结束，以便对比空气治理效果。喷洒抑尘剂前2 d即2013年10月13日开始监测，总共监测14 d，于2014年10月26日结束。图1中采样点A(39°50′59″N，116°17′2″E)为未喷洒抑尘剂路段对照点，采样点B(39°51′44″N，116°17′2″E)为喷洒抑尘剂路段监测点，均收集PM2.5、PM10、NOx样品以作对照，布点高度为1.5 m，紧邻马路呼吸带，颗粒物采样时间22 h，NOx采样时间10 h(每间隔2 h采样2 h)。颗粒物采样流速100 L/min，NOx采样流速0.2 L/min，监测过程中每天采集样品1次。气象资料显示，监测过程中气象条件变化较小。测试气象条件：大气压约101.0 kPa，湿度平均为44.0%，风向西南，风力微风或无持续风向。监测期间气温、气象条件及大气污染指数如表1所示。

注：A为对照点；B为喷洒点。图1 抑尘剂喷洒路线及采样点布设Fig.1 Sprayed area sketch & sample point sketch map

采用重量法[13]对PM2.5、PM10进行收集和测定；采用盐酸萘乙二胺分光光度法[14]对NOx进行测定；样品采集所用设备为青岛崂山应用技术研究所生产的2050型多功能采样器，现场工作流量为100 L/min，所用采样滤膜为石英纤维滤膜(Whatman，90 mm)，采样前在马弗炉中500 ℃下灼烧4 h，采样前后用1/105的电子天平准确称量。

表1 监测期间气象条件Table 1 The weather conditions during experiment

2 结果与讨论

采用道路抑尘的方式控制交通带产生的大气污染物，进行连续14 d的监测，对试验结果进行评估，控制效果统一表征方法为同一天喷洒点与未喷洒点浓度之比即为抑尘剂的作用效果。

2.1 对PM10的控制效果分析

图2为喷洒点及对照点PM10浓度变化对照。从图2可以看出，该方法对PM10的控制效果明显。与对照点相比，PM10浓度在14 d内平均减少了25.0%(14 d浓度比值之平均值)，并且随着时间的延长，控制效率逐渐降低，从最初的40.0%(开始喷洒后3天浓度比值之平均值)左右降低至19.6%(最后3天浓度比值之平均值)。另外，在监测的14 d中，空气污染指数不尽相同，由表1可以看出，在第3天，第7天，第12天大气污染情况较好，相应地，喷洒点与对照点的PM10浓度也比较接近。这也从侧面反映出抑尘剂抑尘的主要原理为在大气与抑尘剂的接触面上滞留及吸收大气污染物。所以，随着大气中污染物浓度增加，抑尘剂的效果愈加显著。

注：第3天喷洒抑尘剂。图2 对照点(A)与喷洒点(B)PM10浓度对照Fig.2 PM10 concentration variation comparing between control point(A) and sprayed point (B)

2.2 PM10成分变化分析

以PM10、PM2.5为代表的大气颗粒物被证明含有复杂的化学成分，是包含了诸多有机物、无机物及各种元素的复杂整体。不同区域颗粒物的化学组成、比例也并不相同。而颗粒物的成分组成及变化与它可能造成的人体健康影响有着直接的关系[16]。所以，在试验中除了掌握颗粒物整体浓度变化之外，也据此对颗粒物的成分变化进行了分析，以便更加详实地掌握抑尘剂对污染控制的效果。

试验表明，PM10中水溶性阴离子的变化规律与PM10的浓度变化并不一致。图3为PM10中水溶性阴离子浓度变化。从图3可以看出，阴离子总体浓度降低程度与PM10浓度的降低相比并不显著，14 d内平均降低了9.0%。

注：A为对照点；B为喷洒点。第3天喷洒抑尘剂。图3 PM10水溶性阴离子浓度变化对照Fig.3 PM10 water-soluble anionic concentration variation comparing

图5为PM10中10种元素浓度变化。从图5看出，通过喷洒道路抑尘剂，所测元素浓度总和有明显降低，表明道路抑尘剂对交通污染有较好的抑制效果，14 d内抑尘率平均减低19.2%。另外，值得注意的是，一些金属元素浓度变化可以直接反映出道路抑尘剂对汽车尾气元素排放的吸收效果。图6为PM10中各元素喷洒点与对照点的浓度比。图6表明，Ca等地壳元素浓度的大量降低可以说明抑尘剂对交通扬尘具有很好的抑制作用，另外，Pb、Mn等机动车尾气排放的元素浓度[17-18]的降低也说明抑尘剂对机动车尾气具有一定的吸收作用，避免了其再向大气中扩散。在被测元素中，Cl元素浓度降低最为明显，这和水溶性阴离子分析结果相符。

注：A为对照点；B为喷洒点。第3天喷洒抑尘剂。图5 PM10中10种元素浓度变化Fig.5 PM10 elements concentration variation comparing

注：第3天喷洒抑尘剂。图6 PM10中各元素在喷洒点(B)和对照点(A)的浓度比Fig.6 PM10 elements concentration percentage between sprayed point (B) and control point (A)

2.3 对PM2.5的控制效果分析

抑尘剂对大气中PM2.5具有一定的控制作用，但效果没有PM10明显。PM2.5粒径较小，不容易在近地面抑尘剂层凝滞，且PM2.5的主要来源与PM10有很大差异。以北京市为例，PM2.5中约有30%～40%来自原始排放，20%～30%来自大气中的光化学转化[19]，可以看出，机动车直接排放和路面扬尘只是其中一部分，而较大部分来源于光化学反应产生的二次气溶胶，所以该方法对PM2.5的抑制作用没有PM10明显。对PM2.5抑制效果的表征方法与PM10相同。

图7为喷洒点及对照点PM2.5的浓度变化对比。从图7可以看出，该方法对PM2.5的控制效果没有PM10明显，可能的原因是PM2.5颗粒粒径较小，在大气中不易沉降与抑尘剂喷洒面接触。尽管效果没有PM10明显，但其浓度变化规律与PM10是相同的。同样在第3天、第7天、第12天污染较轻的天气喷洒点与对照点的浓度也比较接近，而在第4天和第9天等污染较重的天气2个试验点差值较大。PM2.5在14 d内平均减少了12.0%，随着时间的延长，抑尘率逐渐降低，从最初的24.2%(开始喷洒后3 d浓度比值之平均值)降至9.4%(最后3 d浓度比值之平均值)。

注：第3天喷洒抑尘剂。图7 对照点(A)与喷洒点(B)PM2.5浓度变化Fig.7 PM2.5 concentration variation comparing between control point (A) and sprayed point (B)

2.4 PM2.5成分变化分析

图8为PM2.5中总水溶性阴离子的浓度变化对比，图9为PM2.5中各水溶性阴离子在喷洒点与对照点的浓度比。从图8和图9看出，受制于试验精度影响，与第1天和第2天的对照点相比，喷洒抑尘剂后，水溶性阴离子未发现明显变化，阴离子合计浓度降低约3%～5%。但与PM10试验结果一样的是，Cl-浓度下降最为明显，12 d平均降低19.5%。

图10为PM2.5颗粒中10种元素的浓度变化，图11为PM2.5颗粒中10种元素在喷洒点与对照点的浓度比。从图10和图11可以看出，相比于PM2.5浓度，PM2.5元素成分变化比较明显，所测10种元素浓度平均降低了16.8%。Cl元素降低最为明显，为27.8%。抑尘剂对地面扬尘产生的Ca元素及汽车尾气可能排放的Pb、Mn元素均有很好的控制效果，它们的浓度分别降低了18.4%、16.8%和14.3%。这些指示性元素浓度的明显降低说明了通过在地面喷洒抑尘剂，可以有效地阻止汽车尾气中有害元素及路面扬尘物质向大气中迁移扩散，从而防治交通源产生的大气污染。

注：A为对照点；B为喷洒点。第3天喷洒抑尘剂。图8 PM2.5中水溶性阴离子浓度变化对照Fig.8 PM2.5 water-soluble anionic concentration variation comparing

注：第3天喷洒抑尘剂。图9 PM2.5中水溶性阴离子在喷洒点(B)与对照点(A)的浓度比Fig.9 PM2.5 water-soluble anionic concentration percentage between sprayed point (B) and control point (A)

PM2.5监测评价结果说明PM2.5相对于PM10较难抑制，但可通过这种喷洒抑尘剂的方式最大限度限制地面扬尘及吸收一定的汽车尾气排放，减少细颗粒凝结核及二次气溶胶前体物，从而间接减少PM2.5在大气中的浓度。

注：A为对照点；B为喷洒点。第3天喷洒抑尘剂。图10 PM2.5中各元素浓度变化对照Fig.10 PM2.5 elements concentration variation comparing

注：第3天喷洒抑尘剂。图11 PM2.5中各元素在喷洒点(B)与对照点(A)的浓度比Fig.11 PM2.5 elements concentration percentage between sprayed point (B) and control point (A)

2.5 NOx控制效果分析

对照点与喷洒点NOx浓度变化如图12所示。由图12可见，抑尘处理对NOx在短时间内具有一定的效果，前6 d NOx浓度平均降低20.1%，但随着时间的延长，在随后的监测过程中并未发现明显效果。

根据以上分析结果，12 d内抑尘剂喷洒对大气污染物的控制效果如表2所示。

注：第3天喷洒抑尘剂。图12 对照点(A)与喷洒点(B)NOx浓度变化Fig.12 NOx concentration variation comparing between control point (A) and sprayed point (B)

表2 抑尘剂对3种污染物的综合处理效果Table 2 The results of dust-suppressant agent effection for atmospheric pollution in the research %

3 结论

通过喷洒道路抑尘剂可以在一定范围内改善大气污染状况，其对PM10的控制作用最为明显，PM2.5次之，对NOx在短期内较为有效。

道路抑尘剂的使用根据目前监测的指标来看，未给大气带来新的污染物，随后可在大气污染较严重的交通区域进行更大规模的试验，获得更为丰富的数据进行环境生态及效果评估，以弥补该项研究的不足。

考虑到空气的流动性，大气污染具有较强的区域作用，单纯的控制一小段公路并不能在很大程度上影响空气质量。推断随着喷洒面积的扩大或与其他控制手段联合作用，可使其效果增倍，最终实际效果好于该次评估结果。

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