城市大气细颗粒物PM2.5监测及控制的方法研究进展

宋海啸，玉 亮，翟付顺，于守超

(聊城大学 农学院，山东 聊城 252059)

1 引言

近些年来，我国工业化与城市化进程不断加快，在社会经济发展的同时，诸多环境问题也随之而来，其中最令人关注和担心的就是京津冀等东部地区大范围的雾霾天气[1]。究其原因，主要是由于化石燃料 (煤、汽油、柴油) 和生物质 (秸杆、木柴) 等的燃烧、道路和建筑施工扬尘，使得空气中的颗粒物含量急剧增多，造成大气污浊、大气能见度下降、雾霾出现的频率和浓度持续增长以及对人类的危害愈发严重等问题[2～4]。大气颗粒物成为城市大气中的主要污染物，大气气溶胶是大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系，其粒径、形状、浓度、化学成分都随着时间和空间的变化而有所差异。根据其粒径的大小可分为TSP(总悬浮颗粒物)、PM10、PM2.5。PM2.5是指空气动力学直径在2.5μm以下的大气颗粒物，又称细颗粒物。PM2.5的来源分为天然源、人为源和混合源。其中人为源是城市PM2.5的主要来源，人为源又分为直接排放和间接排放。直接排放主要来自化石燃料(煤、汽油、柴油)的燃烧、生物质(秸秆、木柴)的燃烧、垃圾的焚烧和汽车尾气的排放。间接排放是由于二氧化硫、氮氧化物和挥发性有机物在大气中转化产生的二次颗粒物引起的[5，6]。

PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但由于无机硝酸、硫酸盐、有机化合物、元素碳以及粉尘等物质都富集在细颗粒物上，且与较粗颗粒物相比，细颗粒物粒径更小。在大气中的存留时间更长，更易被人呼吸进入肺部甚至进入血液，因此，相对于TSP、PM10，PM2.5对人体健康的危害以及对大气能见度影响更大[7，8]。随着PM2.5对人体的危害越来越大，社会各界对PM2.5的高度重视，所以能为社会大众提供一个真实可信的空气质量数据极为重要。

2 PM2.5的监测

开展PM2.5影响研究的前提是取得精准的监测数据。但是PM2.5的监测并不容易，因为PM2.5是大气中漂浮着的各种大小颗粒物中极其微小的部分。测定PM2.5时，需要利用空气动力学原理把PM2.5与更大的颗粒物分开。测定PM2.5的浓度的关键两个步骤，即首先把PM2.5与较大的颗粒物分离，其次测定分离出来的PM2.5的重量[9]。

2.1 PM2.5的分离

国内外分离PM2.5的方法大同小异，均由具有特殊结构的切割器及其产生的特定空气流速达到分离效果。其基本原理是：在抽气泵的作用下，空气以一定的流速流过切割器，较大的颗粒因为惯性大而被涂了油的部件截留，惯性较小的细颗粒绝大部分随着空气流而通过[10]。

2.2 PM2.5重量测定

目前，被世界各国广泛采用的PM2.5重量测定方法主要有3种：重量法、β射线吸收法和微量振荡天平法[11]。

2.2.1 重量法

所谓重量法是指通过具有一定切割性的采样器，将PM2.5直接截留在滤膜上，然后用天平称出采样前后的重量差和体积差得出PM2.5的浓度。滤膜并不能把所有的PM2.5都收集到，一些极其微小的颗粒也可以穿过滤膜。但只要滤膜对于0.3 μm以上的颗粒截留效率大于99%，就算合格。因为所损失的极细小颗粒物对PM2.5的重量贡献很小，对分析结果影响不大。重量法是最直接、最可靠的方法，是验证其他方法是否准确的标杆，张俊峰[12]、邹凇宇等[13]在使用重量法监测PM2.5数据的研究中皆证实了此观点。之前重量法有诸多缺点，如需要人工称重，程序比较繁琐而费时。因此，这种方法及仪器多应用于进行单点、某时间段内的采样与监测[9]。但近些年来相关研究人员在手工重量法的原理上设计了自动监测仪，该仪器可以实现样品采集、滤膜平衡、滤膜称重等环节的自动化，并且全自动检测仪监测PM2.5的结果和手工监测的结果具有较高的一致性，其中一些重要环节也达到了中国PM2.5手工标准测定方法的相关要求[14]。

2.2.2 β射线吸收法

将PM2.5收集到滤纸上，然后照射一束β射线，射线穿过滤纸和颗粒物时由于被散射而衰减，衰减的程度与PM2.5的重量成正比。根据射线的衰减就可以计算出PM2.5的重量。由于这种方法可实现自动、连续监测，因此多应用于大气环境监测业务应用中。赵鑫等[15]在基于β射线吸收法之上，设计了可对PM2.5浓度值进行实时监测的仪器，研究结果显示与称量法相比PM2.5的测量误差相对较大，最大时误差可达20%，PM10的测量误差相对较小，均在5%以下。若将仪器进行改进其精度也会提高。左健等[16]、沈友弟[17]也皆在基于β射线吸收法的PM2.5测量技术的研究中得出同样的结果。北京的美国大使馆所使用的PM2.5监测仪就是基于β射线吸收法监测的[18]。

2.2.3 微量振荡天平法

基于微量振荡天平法研制的采样器由空心玻璃管、滤芯等组成。该空心玻璃管一头粗一头细，粗头固定，细头装有滤芯。工作原理为：空气从粗头进，细头出PM2.5就被截留在滤芯上。在电场的作用下，细头以一定频率振荡，该频率和细头重量的平方根成反比，于是，根据振荡频率的变化算出收集到的PM2.5的重量。该方法可实现自动、连续监测。除了以上3种PM2.5重量测定方法外，还有利用光散射的原理测定颗粒物浓度的方法。但是，这种方法并没有被各国环保部门采纳为标准方法，虽然目前有依据此原理制成的专业仪器在某些科研中时有运用。该测定方法的原理是：空气中的颗粒物浓度越高，对光的散射就越强；测定光的散射后，理论上就可以算出颗粒物浓度。但在实际运用中，由于光的散射与颗粒物浓度之间的关系是受到诸多因素的影响，例如颗粒物的化学组成、形状、比重、粒径分布等，而这些都取决于污染源的组成。这意味着光散射和颗粒物浓度之间的换算公式随时随地都可能在变，需要仪器使用者不断地用标准方法进行校正[19]。

3 PM2.5监测站网建设

3.1 国外PM2.5监测站网概况

目前，除美国和欧盟一些国家将PM2.5纳入国标并进行强制性限制外，大部分国家都还未开展对PM2.5的监测。美国现行的空气质量监测网络对PM2.5和PM10同时监测，PM2.5监测站点已多达1028个，PM10监测站点也已经有702个，这些站点的数量和分布位置都是根据所处地的人口数量、交通环境等来设定[20]。

3.2 国内PM2.5监测站网建设

1983年，国家环境保护总局要求在部分城市建设空气质量连续自动监测系统。近年来，各城市环境监测站也陆续开展了PM10监测站点的建设，但细微颗粒物并未被纳为国家环境保护总局考核对象[5]。据中国工程院院士郝吉明介绍，目前我国已经建成世界上最多的大气监测站，并且全国范围内的大气细微颗粒物监测网也已经建成，形成了覆盖全国的PM2.5观测网络和产品服务系统，但由于我国幅员辽阔，人口分布不均，所以监测站在京津冀布局的更为广泛。

4 PM2.5产生的影响

4.1 对大气层以及气候产生的影响

即使大气中细微颗粒物的含量比很小，但它却对大气环境造成了很大程度的破坏，空气中存在的大小不一的颗粒物还会不同程度的影响了能见度[21]。颜芬[22]在调查研究中认为，大气气溶胶和气体分子会对在传播过程中0.4～0.7 μm的可见光造成削弱，并且大气中细微颗粒物粒径小于2.5 μm的粒子(PM2.5)对可见光的削弱作用远大于粒径大于2.5 μm的颗粒，也就是说PM2.5在是影响能见度的主导因素，PM2.5的浓度值和可见度呈负相关。在无污染的大气环境中人类的正常可视距离为30 km左右，在被城市污染的大气环境中人类的可视距离为5 km左右，在重度雾霾污染的大气环境中人的可是范围仅仅只有十几米甚至是几米[23]。在日常生活中，如果PM2.5的浓度值达到严重程度，将会大大提高大型交通事故的发生率。PM2.5也是其他大气污染的罪魁祸首，PM2.5可以在大气中停留很长时间，少则30 d，多则可达70 d左右，不仅停留时间长，PM2.5的流动性也很强，它可以被输送到上千公里之外的范围，造成大规模的大气环境污染[24]。PM2.5阻碍可见光到达地面，使地球吸收太阳能量降低，导致气候、温度等受其影响，也就造成了地球表面温度降低，地球上空温度升高。如果这一现象一直持续恶化，那么地球将会面临极其恐怖的冰河期[9]。

4.2 对人类健康产生的影响

毕晓萍[25]从气象和医学角度分析得出，大气中直径大于10 μm的颗粒物会被人类的呼吸道组织阻隔在人体外面，对人没有危害。颗粒物直径在2.5～10 μm范围之内的，可以进入人类的上呼吸道，但是绝大多数被人通过唾液等被排出体外，对人体伤害不大。但是，直径小于2.5 mm的颗粒物被吸入人体后，能够到达支气管，使得肺部气体交换系统紊乱，直接导致人类患上哮喘、支气管炎以及结膜炎等疾病。直径小于2.5 μm的颗粒吸附着无机硝酸、硫酸盐等有害物质以及铅、铬、镉等重金属，它们会通过支气管和肺泡进入血液，这些有害物质会溶于血液之中对人体造成极大的伤害。张凡等[26]通过研究发现PM2.5可导致人体肺功能和呼吸功能下降、呼吸系统感染、免疫能力下降，促使过敏性结膜炎恶化、心脏病发病率升高，甚至会导致不良妊娠、早产以及婴儿出生体重过轻并且还会毒害生殖系统等。哈佛大学曾对8000名成年人进行了长达16年的颗粒物与疾病的关系研究，结果表明PM2.5出现的频率和浓度与死亡率呈正相关关系[21]。

5 PM2.5污染控制方法

从20世纪40年代开始，以美国、英国、欧盟等工业化发达的国家为代表，首先开展了对空气污染的治理，但由于各国的大气污染源、大气细微颗粒物的成分及污染程度等方面的不同，各国采取控制大气污染的方法也不尽相同。

5.1 美国

从20世纪90年代开始，美国连续颁布和实施一系列法律法规和实施严格地污染控制措施，诸如《清洁空气能见度条例》、《清洁空气州际条例》等[27]。并且积极提高先进的科技水平来控制颗粒物的排放，如柴油机改造、改用新型壁炉等使得大气颗粒物的排放量、煤烟型污染和酸雨基本得到了控制[28]。

5.2 欧盟

欧盟各成员国根据欧盟的大气环境标准并结合本国现实情况制订了符合各自国情的法律法规。总结欧盟各成员国对一次颗粒物采取的减排方法措施主要是：改用新型燃料能源(传统的煤发电改为气发电)、大气污染治理措施升级(提高工业污染防治设备的性能)。经过长期的发展，欧盟对大气污染的控制技术逐渐成熟，其取得了显著的成效。从20世纪90年代到21世纪初期，经过各成员国长达20年的共同努力，欧洲经济区PM10的总排放量下降了27%。自20世纪末期以来，城市环境中SO2、NOX、NHX以及挥发性有机物等气态前体物转化产生的大气细微颗粒物其危害和数量超过了生产生活中的直接排放的细微颗粒物，因此从1999年开始，欧盟开始把注意力放在了臭氧和大气细微颗粒物的二次污染，各成员国开始采取综合治理手段，如低硫燃料替代高硫燃料、机动车减排、开发新能源汽车、政府大力推行智能交通系统等[28～30]。

5.3 中国

我国对大气颗粒物的研究起步较晚，但由于工业化和城市化的迅速发展，我国城市空气污染愈发严重和普遍，大气污染给人们带来的危害也越来越大，我国有关研究人员便开始了积极的调查研究，也相继出台了一系列相关的法律法规。但在我国经常会出现这样尴尬的一面：我国官方发布的空气质量优良，但公布的结果和个人的主观感受大相径庭，而且美国大使馆发布的环境质量却差的爆表。之所以会出现这一现象，是因为我国日常环境空气检测系统没有把大气细微颗粒物作为监测对象[30，31]。我国于1982年首次发布了《大气环境质量标准》(GB 3095-82)，之后相继进行了三次修订，但是细微颗粒物均没被纳入环境空气污染物一般项目，2008年环境保护部下达了修订《环境空气质量标准》(GB 3095-1996)项目计划，此次修订将细微颗粒物纳入环境空气污染物一般项目[32]。“十二五”规划中将脱硫脱硝作为环保重点，并且2012年国务院同意发布新修订的《环境空气质量标准》[33]。目前，从能源利用结构来看，我国煤炭在能源结构中占3/4的比重，而且传统的烟煤型污染大气污染特征正在悄然发生转变，现在正在向复合型污染转变，这也就是说颗粒物污染带来的危害将会更大 ，对其管控也将会更加棘手。据研究调查显示，1996年我国机动车保有量为800多万辆，截至2017年年底，我国机动车保有量已达3.1亿辆。随着我国机动车数量猛速增长，汽车尾气排放的颗粒物已然成为从城市大气污染的罪魁祸首[34]。颗粒物的来源和化学成分过于复杂，由氧化硫和氧化氮等形成的二次颗粒物成为了最主要污染物，所以政府应该统筹兼顾，形成多污染物、多污染源协同控制的观念，加大对煤资源使用的监管力度，从源头抓起，严格管控住煤污染的排放源(淘汰燃煤锅炉等)，提高设备性能。在针对汽车尾气排放方面的主要措施有：①提高汽油和柴油品质，②加强对企业的监管，严禁生产销售未达到国家排放标准的车辆,③开发清洁能源代替传统燃料[5,35]。

6 结语

之前我国对PM2.5的监测不够广泛，不够连续，得到的结果具有局域性，数据的系统性较差，有限的数据不能够真实有效的反映我国颗粒物污染的整体现状。随着PM2.5的危害越来越大，范围越来越广，政府和人民也对PM2.5的监测更加重视，“十二五”规划以来，我国大气环境监测单项技术成绩突出，并且全国范围的PM2.5监测网络已建成，但由于地域和人口分布等因素，监测站点在东部沿海地区分布更为广泛。随着我国汽车保有量的快速增涨，汽车尾气对人的健康威胁越来越大，我国应当借鉴国际上其他国家室内PM2.5的控制标准，结合我国国情尽快制定符合我国目前情况的室内PM2.5的控制标准。同时政府应当加大力度开发和推广新型清洁能源，使用电汽车代替燃油汽车，加大环保宣传力度。在城市建设中建设用地和绿化用地应保持平衡，遵循见缝插绿的理念，利用植物的降尘、滞尘等作用消减PM2.5对人体的危害。