水运行业PM2.5污染研究综述

林 宇，杨 莹，刘长兵，李美玲

（交通运输部天津水运工程科学研究所水路交通环境保护技术交通行业重点实验室，天津 300456）

水运行业PM2.5污染研究综述

林 宇，杨 莹，刘长兵，李美玲

（交通运输部天津水运工程科学研究所水路交通环境保护技术交通行业重点实验室，天津 300456）

细粒子PM2.5造成严峻的大气环境污染问题逐渐引起社会的广泛关注，水运行业排放的PM2.5污染是大气颗粒物污染的来源之一，在大宗散货港口地区该问题较为凸显。文章综合分析了国内外水运行业PM2.5的研究进展，从港口干散货堆场堆存和作业、船舶废气、港口非道路作业机械、集疏港及港区道路等几个方面总结分析了水运行业PM2.5的来源、排放现状及其控制技术，并对水运行业PM2.5污染研究发展进行了展望。

PM2.5；水运行业；大气污染

PM2.5的科学定义是：粒径≤2.5 μm的细颗粒物，通常用质量浓度表示，其中粒径最大的差不多是头发丝的二十分之一。它是造成灰霾天气的“元凶”之一，能负载大量污染物和病菌，直接进入肺部，严重危害人体健康。

细颗粒物PM2.5来源十分广泛，既有火电、钢铁、水泥、燃煤锅炉等工业源的排放，又有机动车、船舶、飞机、工程机械、农机等移动源的排放，还有餐饮油烟、装修装潢等量大面广的面源排放［1］。随着水路交通行业的发展，其排放的PM2.5在大气环境中的扩散迁移构成港口城市大气细颗粒物污染的成份之一。研究显示，2006年天津港运输船舶排放的大气污染物总量约为5 360 t，其中可吸入颗粒物排放量约为190 t［2］；2010年上海港船舶排放的PM2.5约为3 700 t，与全上海市排放清单总量相比，分担率达5.3%［3］。目前我国半数以上港口货物吞吐量都是由分布在京津冀、长三角、珠三角等大气重污染区域的港口完成［4］。大宗干散货中矿石、煤炭等在堆存、装卸、运输过程中的尘源扩散影响了附近居民生活环境、港口工作环境和周围生态资源环境，随着近年来铁矿石、煤炭等易起尘货种吞吐量的快速增长，作业量大幅度增加，污染控制的难度和压力进一步加大。

尽管水路运输创造了显著的经济效益，但是也给港口地区带来了不可忽视的环境空气质量影响。并且无论是在环境立法和环境执法方面，还是在管理技术、控制水平方面，我国港口、船舶等的污染控制都与国外发达港口城市相比均存在较大的差距［5-7］。因此研究水运行业PM2.5来源、排放及其控制技术对开展重点区域大气污染综合防治具有重要的意义。

1 水运行业主要PM2.5排放源

水运行业PM2.5污染的主要排放源包括干散货堆场堆存和作业扬尘、船舶废气、港口非道路作业机械废气、集疏港车辆尾气、以及集疏港道路扬尘等。主要可分为两类，即粉尘类和废气类。粉尘类主要包括散货堆场扬尘、装卸作业过程中扬尘和港内道路扬尘等，废气（尾气）类主要包括运输船舶进出港及在港期间主机、辅机和锅炉废气排放，港口机械设备发动机废气排放，港内工作船发动机废气排放以及集疏运车辆发动机尾气排放等［8］。

粉尘类PM2.5排放源以港口区域散货堆场的静态起尘和动态起尘为主，集疏港道路扬尘为辅。散货堆场粉尘污染多数来自于煤场和矿石等散货类堆场，主要原因是煤炭以及矿石等堆放及装卸过程中粒径较小的粉尘在风力作用下漂移，对其下风向大气环境造成不同程度的污染［9］。

船舶机械等废气类PM2.5的来源则较为复杂，美国国家环保署（EPA）对2000年以来美国23个港口污染物排放清单的核算结果进行统计，结果发现港口内海船/深水船舶、货物装卸设备、港内工作船、重型卡车和火车机车的颗粒物排放的平均分担率分别为51%、18%、14%、12%和5%。对美国圣佩德罗湾港区的洛杉矶港和长滩港的相关研究显示，远洋轮船、货物装卸设备、港内工作船、重型卡车和火车机车对港区内柴油颗粒物排放的分担率分别为59%、14%、11%、10%和6%［10］。

2 港口干散货堆场PM2.5污染研究

港口大宗干散货中矿石、煤炭等易起尘货种在堆存、装卸、运输过程中的尘源扩散是构成港口粉尘类PM2.5污染的主体，其产生的粉尘和扩散现象相当复杂，与装卸堆存转运物料的种类及含水量、堆放方式、粒径大小、周边地形以及气象条件等诸多因素有关。现有干散货大多为露天堆场，属于开放性尘源，产尘点多、涉及面广，粉尘受到风力和机械力时会产生很大浓度［9］。

国外已通过数值模拟方法对PM2.5的传输过程及沉降过程进行了很多研究，但是露天的矿石和煤堆场等属于开放性尘源，具有源强不确定性，因此对其动力学过程以及PM2.5排放的源强分布特征研究则相对较少。PM2.5这种细颗粒物的起尘过程非常复杂，其机理目前主要通过一些风洞模拟实验，了解平均风速、湿度、粒径等对其的影响程度［11］。

我国对干散货装卸、堆放起尘规律及扩散规律的研究起步较晚，但在进行了大量理论和试验方面的研究后也取得了很大进展。刘海玉、冯杰等人对煤堆场二次扬尘的计算方法及其应用进行了研究，认为煤堆场在堆放过程中的起尘量主要与堆放的形状、堆场排列顺序以及堆场堆与风向夹角和风速、物料堆的含水率和风速密切以及气象条件密切相关［12］。也有一些研究在环境风洞中通过模拟煤炭和矿粉堆放和装卸条件，研究其起尘和扩散规律，王宝章等人分别利用环境风洞，在不同风速下，对各种湿度各种粒径的煤堆进行了起尘和扩散的试验并对所得试验数据进行回归分析和一般分析［13］。虽然国内外对于港口散货堆场等开放源类的PM2.5起尘量的估算和起尘特性及扩散模式已有相关报道，但目前所做的研究工作是不够的，远远不能满足治理需要，还需进行进一步的研究。

3 船舶废气排放PM2.5污染研究

船舶多使用含硫率较高的重油，并采用柴油机作为推动力，因此船舶废气中的PM2.5污染物成分复杂，包括一次排放的BC、重金属等，以及大气中转化生成的硫酸盐、硝酸盐和二次有机物等［14］。美国国家环保局将柴油机排放物中的40余种化合物列为危险污染物，这些污染物多吸附于排放废气中的细颗粒物（PM2.5）中，长期漂浮于空气中。在船舶航行于离岸较近的水域时，船舶废气中PM2.5排放的广泛性和分散性会对沿海及内河区域的空气质量造成极大的影响，并且其中包含了不少对人体健康有害的物质，尤其是重金属成分，对健康构成巨大威胁。相关研究表明，与船舶相关的PM排放，每年约导致60 000例心血管疾病和肺癌死亡［15］。

国外对船舶废气排放的PM2.5污染进行了大量的研究，美国国家海洋和大气管理局的科研人员对多条航线的两百多艘商船进行了污染物排放的检测。对检测结果分析表明，全球海上船舶每年排放的颗粒污染物可达220万磅，每年全球海上船舶排放的颗粒污染物总量相当于全球汽车所排放颗粒污染物的一半。纽约市曾经开展的研究认为船舶排放对Elizabeth港周边大气PM2.5浓度的贡献约为4.8%［16］；俄勒冈西北部频繁的船舶活动也被认为对该州西南部地区大气PM2.5浓度有所贡献［17］；Hulda Winners等人提出油轮燃料的含硫率高于渡轮，油轮排放的废气中PM2.5浓度高于渡轮尾气［18］。Cengiz Deniz等人对土耳其钱达尔勒海湾7 520艘船的废气进行排放量估算，得出PM的年排放量为57.4 t［19］。国外对船舶细颗粒物排放的研究主要集中在排放清单、分担率等方面，而且许多研究并未对船舶实际航行中的排放进行测试，排放因子均仅是对USEPA（美国国家环境保护局）、IPCC（世界气象组织）、EMEP（欧洲监控评估项目）、EEA（欧盟环境署）等组织及机构所提供数据的修正。对船舶发动机尾气颗粒物粒径分布研究也相对较少，仅有部分研究显示：船舶正常航行时，主机尾气中PM2.5占PM10浓度（质量浓度，下同）的比例平均为72%，辅机尾气中PM2.5占PM10浓度的比例平均为76%［20］；船舶进出港时，辅机尾气中PM2.5约占PM10浓度的78%和总颗粒物浓度的70%［21］。

国内对于船舶废气PM2.5的研究还相对较少，全国范围的排放清单也尚未完成。如金圣陶等对天津港运输船舶排放的大气污染物排放进行研究，得出其总量约为5 360 t，其中可吸入颗粒物排放量约为190 t［2］；伏晴艳等计算得出2010年上海港船舶排放的PM2.5约为3 700 t，与全上海市排放清单总量相比，分担率达5.3%［3］。叶斯琪等分别采用基于船舶引擎功率和耗油量的排放因子法，估算了广东省地区2010年的船舶排放清单，选取客货运输吞吐量、航道通航能力因子和港口地理坐标等数据作为权重因子研究该地区各类船舶排放的时空分布特征，结果表明广东省各类船舶2010年PM2.5排放总量为7 200 t［22］。船舶一次排放对香港环境空气PM2.5浓度的分担率约为19%，由船舶排放生成的二次PM2.5对环境浓度的贡献约为6%［23］。对于船舶废气中PM2.5在大气中的物理化学性质和变化规律，则更是少有涉及。在使用排放因子的计算中，国内学者通常引用国外研究的相关数据，但是我国船舶在发动机性能、燃料使用等情况与国际上具有一定的差异，直接引用可能会带来较大的不确定性。因此船舶废气产生的PM2.5污染还需进行深入的研究［24］。

4 港口作业机械排放PM2.5污染研究

港口非道路作业机械主要能源为燃油和电力，由于电力消耗不直接产生污染物排放，因此在使用燃油为动力的港口各项作业环节中，各种作业机械在货物装卸过程中会排放PM2.5污染物，其中集装箱港口作业过程中的排放量最大［25］。集装箱码头作业区PM2.5排放源众多，集装箱装卸和运输过程中涉及的港口作业机械是其中的主要污染源之一，具体包含装卸桥、轮胎式起重机、牵引车挂车、正面吊等［26］。

由于港口作业机械众多，其产生PM2.5在港口PM2.5排放总量中占有重要的比重，洛杉矶港与长滩港早在2006年就参加了“圣佩德罗湾港口空气清洁行动计划（CAAP）”，并在2010年港口空气清洁行动计划中提出了更新（2010 CAAP Update），该计划采取了一系列港口空气治理措施，取得了积极的成效；荷兰鹿特丹港实施的“里吉蒙地区空气质量行动项目”，大大改善了鹿特丹地区的空气质量［27］。美国环保局公布在大型港口机械设备尾气中PM2.5比例高于船舶废气，达到PM10浓度的96%和总颗粒物浓度的77%［28］。

但是国内对于港口作业机械大气污染物排放计算方法的研究还处于起步阶段。谭华等结合上海港各类港口作业机械现状调研结果，对港口作业机械污染物排放计算方法进行了上海本地化校正，建立了2010年上海港港口作业机械大气污染物排放清单，并提出港口大气污染排放计算方法的思路［23］；张礼俊等采用适当的估算方法和排放因子，建立了2006年珠江三角洲非道路移动源排放清单，为制订合理的大气污染控制措施以及空气质量模型评价空气污染提供了依据和参考［29］。但是目前国内关于非道路机械柴油内燃机排放因子的研究还相对缺乏，对港机作业的PM2.5污染还需进行大量深入的研究。

5 集疏港及港区道路PM2.5污染研究

集疏港过程中的PM2.5污染主要是由专门用于集疏港的车辆产生的尾气和港内专用道路扬尘产生。国内外许多研究成果都已表明，交通环境中由于机动车尾气和道路扬尘会造成严重的PM2.5污染［30-31］。

港内道路扬尘是由于车辆扰动而引起的扬尘污染，来源于大气降尘、车辆遗撒、路面破损、车轮车身带泥、轮胎磨损、道路施工、道路清扫、生物碎屑、道路附近的裸露土壤以及未铺筑道路等［32］。扬尘量大小与车流量、行车速度、车辆类型、自然条件（风、雨、气温、湿度等）和路面状况等密切相关。对于港内道路而言，由于集疏港车辆多为大型货车，车身较重，车轮车身带泥、车辆遗撒、轮胎磨损等方面都远远强于城区内的主要以轻型车为主的道路。而且在集疏港过程中，车辆行驶速度偏低，有研究表明，车流低速行驶的道路，其扬尘排放潜势较大［33］

在对机动车尾气的PM2.5污染研究方面，国内外都取得了大量的研究成果，但是需要注意的是，对于集疏港车辆而言，其PM2.5污染更加严重。因为集疏港车辆多为重型车，尾气中的PM2.5排放比小型车多得多。在Zhu YF等人研究中对比了两条重型卡车数量不同的公路，发现重型卡车的颗粒物排放因子较高［34］。我国大货车是由拖拉机发展而来的柴油发动机，一直远远落后于国际，再加上柴油的油品不行，因此在我国这种情况更为严重。

6 研究展望

我国水运行业特别是内河航运目前处于快速发展期，与之相关的大气污染问题仍需加强关注，与PM2.5排放密切相关的船舶废气、港口干散货作业粉尘细颗粒物排放等诸多问题讫待完善解决，如：对船舶废气的排放管理还缺乏相应的行政机制和法律依据；干散货装卸堆存以露天开敞式为主，尚未制定干散货码头细颗粒物排放标准，干散货码头细颗粒物面源污染的监管困难，现有防风抑尘网、洒水抑尘等抑尘措施需要针对细颗粒物的污染特点进一步优化等。今后，应积极加快研究制定水运行业（港口和船舶）大气污染排放清单和细颗粒物排放标准、细颗粒物减排方案，开展相应环保管理与操作规范以及环保设计技术规程等相关领域的研究，推动港口城市群率先建立清洁能源替代和岸电使用联盟，使水运行业全面实现PM2.5减排，努力建设资源节约型和环境友好型的绿色水运行业。

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Research summary of PM2.5in water transport industry

LIN Yu,YANG Ying,LIU Chang⁃bing,LI Mei⁃ling
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Environmental Protection Technology on Water Transport Engineering,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

Recently,the serious pollution from PM2.5has drawn great attention from the society.PM2.5pollution from water transport industry is one of important sources of air pollution,especially in bulk cargo port area.In this paper,research progresses at home and abroad about PM2.5pollution from water transport industry were reviewed. Meanwhile,the source,discharge situation and control technologies of PM2.5were summarized in aspects of the dry bulk cargo yard storage and operation,ship exhaust,port road machinery,dredging port and port road water transportation industry.Finally,the future research hotspots for PM2.5were put forward．

PM2.5;water transport industry;air pollution

X 51

A

1005-8443（2016）01-0104-05

2015-07-24；

2015-08-27

交通运输部应用基础研究项目（典型散货港口PM2.5污染机理及其减排技术研究，编号2013 329 224 310）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（TKS140216）；交通运输部天科院科技发展基金项目（KTFZJJ140202）

林宇(1973-)，女，天津市人，高级工程师，主要从事交通工程环保研究工作。

Biography：LIN Yu（1973-），female，senior engineer.