太原市臭氧污染防控研究思路分析

司雷霆， 王 浩， 李 洋

(1.山西科城环保产业协同创新研究院，山西 太原 030031；2.山西丽浦环境检测有限公司，山西 太原 030032)

1 概述

环境空气中的臭氧(近地面臭氧)在大气化学反应过程中起着重要的作用，过量臭氧会对环境造成危害，影响动、植物的生长和人体健康[1]。近年来，随着经济全球化和市场经济的快速发展，我国城市化和工业化进程明显加快，臭氧污染事件在城市中频发。在大气污染的严峻形势下，国家出台了一系列相关政策，各省市也不断推进臭氧污染防治，虽取得了一定效果，但在大部分城市中，臭氧污染问题仍然较为突出。

生态环境部公布的相关数据显示，2016年，全国338个地级及以上城市中，PM2.5平均质量浓度为47 μg/m3，比2015年下降6.0%，臭氧日最大8 h平均质量浓度为138 μg/m3，比2015年上升3.0%；2017年，全国338个地级及以上城市中，PM2.5平均质量浓度为43 μg/m3，同比下降8.5%，臭氧日最大8 h平均质量浓度为149 μg/m3，同比上升8.0%；2018年，全国338个地级及以上城市中，PM2.5质量浓度为39 μg/m3，同比下降9.3%，臭氧日最大8 h平均质量浓度为151 μg/m3，同比上升1.3%。整体来看，臭氧年均值呈稳定增长的趋势，以臭氧为特征污染物的大气光化学污染已成为我国城市区域越来越突出的大气环境问题。

近地面臭氧主要来源于平流层臭氧的输送和对流层的光化学反应[2]。由人类活动排放的氮氧化物(NOx)和挥发性有机物(volatile organic compounds，VOCs)经过复杂大气化学过程所产生的二次污染是近地面臭氧的主要来源[3]。空气中的VOCs作为臭氧生成的重要前体物，直接或间接地危害着人类健康，其光化学反应主导着光化学烟雾的进程，对城市区域环境大气中近地面臭氧的产生有着至关重要的影响[4]。

VOCs种类繁多，化学结构迥异，大气化学反应的能力各异，形成臭氧的活性也大相径庭，并且不同区域由于产业结构、能源结构、经济发展程度等差异较大，其VOCs来源和组成差异也较大。因此，研究各区域VOCs的浓度水平、组成特征、时空分布特征、排放来源、臭氧生成潜势等特征，明确区域内生成臭氧的VOCs关键物种，研究区域臭氧生成潜势，有助于精准把握城市区域内臭氧污染防治的主控方向，从而能够提出针对性的管控措施。本文通过结合太原市臭氧污染研究现状，分析了下一步臭氧污染防治的研究思路，旨在为进一步的研究提供一些参考。

2 现状及存在问题

近年来，以臭氧污染为特征的光化学污染问题，成为困扰和影响太原市改善环境空气质量、保护市民健康的重大环境问题。太原市生态环境局公布的相关数据显示，2013年-2018年，太原市PM2.5年均浓度逐年降低的同时，臭氧浓度呈现明显上升趋势。2015年太原市臭氧年均值较2014年增长20.7%，较2013年增长1.5%；2017年太原市市区环境空气中臭氧日最大8 h平均质量浓度为185 μg/m3，与2016年相比臭氧年均值上升32.14%；2018年在太原市353个非一级天数中，以臭氧为首要污染物的天数为100 d，占比达到28.3%，臭氧年均浓度相比2017年上升3.2%。从臭氧浓度变化趋势分析，其呈现持续抬升态势，臭氧成为继PM2.5后的另一项主要污染物。因此，在当前“治霾”的同时，如何协同缓解太原市的臭氧污染，已经成为当前太原市大气环境保护工作亟待解决的重点和难点之一。

尽管目前相关研究单位对太原市人为源VOCs排放清单及不同排放来源臭氧贡献初步开展了研究，并且借助环境空气质量在线监测网络，初步了解了全市近地面大气臭氧浓度水平的变化规律。但研究成果尚未对全市区域建立较为完善的源分类分级、高分辨率的精细化清单，无法给出VOCs排放的定量结果，无法有效地为VOCs控制和臭氧污染的管控提供科学指导。基于VOCs研究的臭氧污染防治领域，太原市工作基础仍然十分薄弱，主要表现在：1) 城市尺度内环境大气VOCs和臭氧浓度水平、时空分布特征、组分不清，VOCs与臭氧浓度的响应关系不明；2) 环境VOCs来源不清；3) 重点行业VOCs源排放成分谱不清；4) 大气VOCs优先控制物种不清等。上述现状，导致当前挥发性有机物治理和臭氧污染防治科学性和针对性相对不足。为了实现VOCs的科学减排和大气环境臭氧污染的精准调控，亟需对太原市区域内VOCs的相关特征及其臭氧生成潜势进行进一步研究，以便开展太原市基于化学反应活性控制的臭氧防控工作。

3 研究思路分析

在下一步的研究中，应重点针对薄弱环节就太原市大气VOCs污染特征、来源、重点源成分谱及优先控制物种进一步开展研究；建立太原市VOCs人为源排放清单；筛选VOCs排放重点源，构建基于组分的VOCs人为源清单和重点源VOCs成分谱库；结合大气环境VOCs观测，摸清太原市大气VOCs浓度和化学组成的空间分布特征，开展臭氧生成潜势(ozone formation potential，OFP)分析及基于OFP的VOCs污染源分级，识别诱发臭氧生成的VOCs关键物种和优先控制的重点源项及主控区域。具体思路如下：

1) 建立太原市VOCs源排放清单

对太原市VOCs人为源进行分类分级，收集排放源活动水平和选取合适的排放因子，编制高分辨率、精细化的太原市人为源VOCs排放清单，并进行清单的空间分配。

2) 研究太原市环境空气中VOCs时空分布规律

在太原市城区合理布点，针对臭氧超标明显的夏季进行采样和分析，结合太原市主城区常规监测污染物(SO2、NOx、CO、O3、PM2.5、PM10)数据，深入分析大气环境中VOCs浓度及相关组分的空间分布规律及时间变化特征，基于观测的臭氧与VOCs之间浓度变化的响应关系，以及其在不同城区的区域变化特征。

3) 构建重点行业人为源VOCs源谱库

结合太原市涉VOCs排放的固定源和无组织源分布、排放情况，及目前国家及山西省VOCs防控的重点行业特点(包括有机化工、表面涂装、包装印刷、橡胶和塑料制品制造、医药制造、焦化、电力等)，建立本地化重点行业人为源VOCs源成分谱库，并结合VOCs源排放清单，建立分组分的VOCs人为源排放清单。

4) 臭氧生成潜势分析

采用最大增量反应活性系数法(MIR系数法)，对VOCs组分排放清单及环境空气中VOCs主要组分均进行OFP估算，并将基于源清单的OFP估算结果与基于环境空气中VOCs观测数据的OFP相互比较和验证，识别控制太原市臭氧生成的关键VOCs物种及来源、本地重点污染源、重点区域等。

5) 提出太原市大气臭氧污染防治策略

根据太原市社会经济发展的状况和环境保护要求，基于实地调查及现场监测，利用建立的VOCs源清单网络化结果，明确重点区域(具体到区县)及其基于OFP的优先控制污染源，结合前期环境空气VOCs研究中分析所得的污染区域、时段及重点来源，综合考虑太原市目前企业采取的VOCs治理技术及运用现状、排放标准和实施情况，分区域、分行业提出差别化臭氧污染防治策略。

4 结语

本研究思路以减缓臭氧污染为主要目标，拟在在同步观测的基础上，掌握太原市大气VOCs浓度水平、化学组成、空间分布特征等；通过多种途径获取本地污染源排放信息，提高排放估算的准确性；建立高精度、分组分的太原市VOCs排放清单，分析区域内的VOCs排放强度、排放来源和排放量的空间分布特征；建立太原市重点源VOCs成分源谱库，结合文献调研获取最新源谱并进行校正，确保谱库正确反映VOCs排放的组分特征；开展OFP研究，探讨太原市形成臭氧的关键物种、重点污染源、主控区域，研究提出分区域、分行业差别化的臭氧污染防治策略，为太原市臭氧污染防治提供技术支撑。