大气光化学烟雾污染、监测及防治研究

杜红梅

（老河口市环境监测站 湖北襄阳 441800）

引言

2021 年5 月，生态环境部公布了《中国生态环境状况公报》（2020 年）。根据《公报》公布的结果显示，2020 年，全国337 个地级及以上城市中，有135 个城市空气质量未达标，占40.1%。其中以臭氧为首要污染物占总超标天数的37.1%，仅次于细颗粒物（占51%）。通过大气环境监测情况来看，以臭氧为主的光化学烟雾污染问题较为突出[1]。为此，生态环境部印发《2020 年挥发性有机物治理攻坚方案》，协调推进细颗粒物与臭氧控制，开展五轮次臭氧污染防治监督帮扶，旨在强化光化学烟雾污染监测，做好光化学污染治理。

1 光化学烟雾论述

大气环境中的非甲烷碳氢化合物与氮氧化物等一次污染物，在阳光的强烈照射下会产生系列化学反应，从而产生过氧乙酰硝酸酯、臭氧、醛及过氧化氢等二次污染物，二次污染物具有极强的氧化性。参与光化学反应过程的一次、二次污染物的气溶胶或气体混合物形成的烟雾，称之为光化学烟雾[2]。随着经济社会的快速发展，以及城市化进程加快，城市大气环境污染由传统煤烟型污染为主朝着光化学污染为主转化，尤其是在机动车保有量庞大、石油化工区密集的特大、大、中型城市，光化学烟雾污染频现。

1.1 光化学烟雾形成机理

从图1 光化学烟雾的形成过程来看，紫外线中碳氢化合物与氮氧化物共存时会经历物理、化学反应。首先是二氧化氮光解生成氧原子，产生臭氧；其次是非甲烷碳氢化合物消耗，进一步氧化成高活性自由基（HO·、RO2·）过氧化氢活性自由基[3]；再次是这些高活性自由基引起一氧化氮向二氧化氮转化，二氧化氮的产生会加速臭氧污染物生成，经过多次反复链式反映，一氧化氮与碳氢化合物消失，最终生成醛类、过氧乙酰硝酸酯、臭氧等二次污染物，最终形成了危害较大的光化学烟雾。

图1 光化学烟雾的形成过程示意图

1.2 光化学烟雾形成条件

从光化学烟雾的形成机理可知，光化学烟雾经历三次物理、化学反应，其形成必然受到物理、化学过程影响以及大气环境中的污染物排放量因素影响。且光化学烟雾来自一次污染物与二次污染物的混合物。因此，大气环境中产生光化学烟雾需要满足三个条件：一次污染物。即大气环境中氮氧化物、一氧化碳、非甲烷烃等化合物需要达到一定浓度值，这时，为光化学反应提供了基础条件。气象条件。一次污染物发生物理、化学反应，最终形成光化学烟雾，需要强烈的太阳辐射、大气扩散条件差，以及存在相应的逆温现象。其中，过强太阳辐射会加速光化学反应速率、较差大气扩散条件有利于污染物累积，而逆温现象的存在则利于臭氧产生。地理条件。光化学烟雾的形成于较为封闭的地理环境之中，在这样地理条件下，一次、二次污染物均不易于扩散或稀释，加剧大气环境中臭氧污染物累积。

1.3 光化学烟雾主要危害

光化学烟雾对人体、生物及能见度等均有不同程度的负面影响。其中，光化学烟雾的人身危害，主要表现在臭氧过量吸收会诱发肺部疾病，造成肺部功能不可逆损害。此外，光化学烟雾中的过氧乙酰硝酸酯、醛类等污染物超标会刺激眼部及呼吸系统，诱发红眼病等[4]。光化学烟雾中的臭氧污染物会削弱植物的光合作用，降低农作物光合作用，抑制植物正常生长，引发病虫害滋生蔓延，威胁生态环境安全。光化学烟雾影响大气能见度，造成飞机晚点、诱发交通事故现象。此外，光化学烟雾还会导致建筑材料腐蚀，机械设备老化、龟裂等。

2 光化学烟雾的污染现状

2.1 总体污染状况

根据湖南省2018 年-2020 年生态环境公报公布的数据作为分析依据，以全省14 个城市大气环境中臭氧监测结果，据此分析全省光化学烟雾的污染情况。其中，（1）2018 年，14 个城市的臭氧年均浓度范围为104～161 微克/立方米，全省均值为140 微克/立方米，比上年上升2.2%。14 个城市臭氧日最大8 小时平均浓度超过二级标准（160 微克/立方米）的累积总天数为231 天，最高超标9.7 倍（长沙市）。（2）2019 年，全省14 个城市大气环境中，臭氧年均浓度为148 微克/立方米，较2018 年的140 微克/立方米上升了5.71%。全省14 个城市湘东北的岳阳、常德、长沙、湘潭、益阳、娄底和常德等市臭氧污染物偏高。（3）2020 年，全省14 个城市大气环境中，臭氧年均浓度为126 微克/立方米，较2019 年下降了14.86%，下降幅度较大。臭氧污染物集中于岳阳、长沙、常德等市臭氧污染物偏高。

2.2 主要污染特点

从全省14 个市的监测结果情况来看，长沙、岳阳、常德、湘潭等地的臭氧污染物浓度偏高于全省其他城市。且从这些城市的臭氧污染物浓度监测结果的变化来看，每月臭氧百分位浓度变化中，第一季度符合二级标准，5-9 月百分位浓度持续上升，7、8 月份达到峰值，超过国家二级标准。随后，全省臭氧百分位浓度含量逐渐降低。究其原因，岳阳、长沙、常德等地工业发展较快，与湘南、湘西山区偏多，光照强度较少有关。从日监测变化情况来看，长沙、岳阳等市大气环境中的臭氧污染物监测值在1:00 达到峰值，此后缓慢降低。总体来看，12:00-14:30 为臭氧监测浓度最高值出现时区，3:00-7:00 为臭氧监测浓度最低值出现时区。

2.3 监测网络布设

从2018 年-2020 年湖南省14 市大气臭氧监测浓度值现状及其变化特点来看，总体呈现出下降趋势，湘东北城市大气臭氧污染物浓度高于湘西南。总体臭氧污染物浓度呈现逐渐下降的可喜成绩，但光化学污染现状依然需要引起各方高度重视。为此，构建科学合理的光化学污染监测网络，为光化学污染环境监测及时提供第一手数据信息，用以支持和引导全省光化学污染防治[5]。鉴于全省光化学污染呈现出较为明显的时间和空间分布特点和规律，因此，在布设臭氧监测网点时要因地制宜，科学布设，根据城市大气臭氧污染物监测情况，适当增减相关监测网点。具体来说，应在臭氧浓度高的区域、主城区下风向、城市上风向等场所布设监测点位。监测的时间选择方面，应更加注重5-9月份，以及12:00-14:30 时间节点的臭氧监测频次，及时掌握更多的第一手监测数据，为指导地区臭氧污染防治，做好光化学污染治理提供精准指导。

3 光化学污染防治措施

3.1 加强监测，因地制宜管控

据统计，当城市大气环境中的臭氧污染物浓度达到0.08mg/L时，光化学烟雾接近于危险水平，当光化学烟雾达到0.2mg/L 时，会对人体及生物造成伤害，而当光化学烟雾中的臭氧浓度达到了1.0mg/L 时，会严重伤害人的肌体健康。因此，需要强化城市大气臭氧等主要污染物的光化学烟雾实时监测，科学布设监测点位，尤其是在城市发达地区、机动车保有量较大城市以及化工企业聚集区，尤其要做好臭氧的实时监测，动态掌握，及时预警，做到因地、因时管控[6]。

3.2 源头控制，减少污染排放

强化源头控制，尤其是要减少氮氧化物、碳氢化合物等排放，采取切实可行的措施，抑制光化学烟雾形成条件。针对工业化、城市化发展的现状，要从化工企业污染排放、交通工具污染排放以及取暖设施煤烟型污染排放等入手，采取区域集中供热，合理选用化学抑制剂，减少机动车尾气氮氧化物及碳氢化合物的排放量，从源头降低污染物排放。

3.3 改进技术，做好污染治理

从光化学烟雾的形成机理及条件来看，改进技术是应对光化学烟雾污染的一项重要手段。以机动车尾气排放为例，针对城市机动车保有量的持续增加，城市机动车尾气排放出的污染物含有大量碳氢化合物和氮氧化物，这也是加剧城市臭氧污染物浓度超标的重要因素，为此，可通过在机动车上安装尾气净化装置，最大限度地减少机动车尾气排放，此外，也需要加快汽油改良，或者推广使用清洁能源，大力推广天然气燃料或者油电、纯电动力机动车[7]。使用苯酚、苯胺以及苯甲醛等化学抑制剂，消除OH·自由基化学反应，使反应链受到抑制而难以生成烟化学雾。

结语

综上，随着城市发展，机动车保有量增加以及化工企业的集聚，城市光化学烟雾成为制约城市可持续发展的重要环境因素，要准确掌握光化学烟雾的形成机理、形成条件以及现实危害性，结合全省各地臭氧污染物变化及分布特征，并提出大气光化学烟雾治理措施，制定科学监测方案，布设合理点位，做好污染源头治理，为打赢蓝天保卫战贡献力量。