细颗粒物（PM2.5）和臭氧（O3）的协同治理研究

2022-03-17段银凤李重民田春雨

安阳工学院学报 2022年2期

段银凤，李重民，田春雨

（安阳市固体废物和化学品技术管理中心，河南安阳 455000）

以习近平同志为核心的党中央高度重视大气污染防治，把改善空气质量作为重大的民生工程。在“十三五”期间，通过政策引领、科计研发、具体落实等举措，PM2.5浓度得到有效控制，各地空气质量明显改善，但在某些地区依然会遭受PM2.5的污染，臭氧污染程度在逐步增加，进一步影响空气质量。

在大气污染防治的过程中有两个最主要的约束指标：一个是未达标城市的PM2.5浓度较2015年下降18%，二是城市优良天数要达到80%以上[1]。经过不懈努力，PM2.5造成的污染得到有效缓解，城市优良天数增多，尤其在需要供暖的秋冬季，雾霾天数明显减少，可是臭氧造成的污染却不断加重。例如，河南省安阳市在2020年空气质量为优、良的共有181天，与上年相比增加31天，中度污染天气共有37天，与上年相比减少5天，重度污染天气共有23天，与上年相比减少6天。优、良天数达标比例为49.4%，与上年相比，达标比例增加8.4个百分点，河南省安阳市环境空气质量污染程度显著减轻。可是，在2020年中，河南省安阳市环境空气中臭氧日最大8小时滑动均值浓度范围为（7～300）ng/m3，超标率达到23%；臭氧最大8小时滑动均值年90百分位数浓度达到190 ng/m3（超标0.2倍），因此2020年河南省安阳市臭氧最大8小时均值单项因子综合评价超二级。而且，在2020年影响安阳市空气质量的首要污染物为细颗粒物，以细颗粒物为首要污染物的污染天数占全部污染天数的比例为49.7%；其次是臭氧，占比为44.3%。从数据可以看出，河南省安阳市，雾霾天数、中度污染、重度污染天数在减少，可是细颗粒物和臭氧问题突出，造成大气污染，影响正常的生产和生活。

为了打赢蓝天保卫战，要以PM2.5和臭氧为关键着手点，深入开展大气污染防治。为此，本篇文章探究PM2.5和臭氧之间的联系，分析污染来源并提出相应的协同治理措施。

1 PM2.5和臭氧的关系

1.1 PM2.5和臭氧的概念

颗粒物，又称尘，是指气溶胶体系中均匀分散的各种固体或液体微粒。PM2.5又称为细颗粒物，是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5um的颗粒物。它能较长时间悬浮于空气中，其在空气中含量浓度越高，就代表空气污染越严重。PM2.5粒径小、范围广、活性强，易附带有毒，且在大气中的停留时间长，输送距离远，因而会对人体健康和大气环境质量产生较大影响。臭氧，又名三原子氧、超氧，分子式是O3，是氧气的同素异形体，在常温下，是一种由特殊臭味的淡蓝色气体。大气层中的氧气发生光化学反应时会产生臭氧，在距离地球表面（15 km～25 km）的高空，受太阳紫外照射，形成了包围在地球外围的空间的臭氧层，厚厚的臭氧层正是人类赖以生存的保护伞。不过地表的臭氧却会对人体和农作物产生危害，臭氧对眼睛和呼吸道有刺激作用，对肺功能也有影响，其作为一种温室气体，也能够导致严重的温室效应。

1.2 PM2.5和臭氧的作用机制

PM2.5化学成分复杂，来源较多，既有污染源直接排放到空气中生成的一次PM2.5，也有经过大气光化学反应生成的二次PM2.5，比如硫酸根离子（SO42-）、硝酸根离子（NO3-）、铵根离子（NH4-）以及其他有机物等，均是目前重要的大气污染物。经过多年努力，一次PM2.5排放已经有效降低。有些地区以二次PM2.5污染为主，标志着我国大气污染防治已进入新的阶段。而可挥发性有机物（VOCs）和氮氧化物（NOX）是臭氧与二次PM2.5的共同前体物，这说明二者同源共生。

挥发性有机物（VOCs）主要通过氧化等化学反应过程形成二次有机气溶胶（SOA），气溶胶粒子通过辐射的吸收作用会影响地面的辐射强度，进而影响臭氧的生成。当气溶胶浓度适度增加且不太高时，气溶胶表面 NOx 的光解速率会被增强，有利于臭氧的生成；PM2.5与大气微量气体（特别是臭氧及其前体物）发生反应，干扰辐射强度，会影响臭氧生成。PM2.5中的硫酸根离子（SO42-）、硝酸根离子（NO3-）、二次有机气溶胶（SOA）的生成过程主要受大气氧化过程的影响，而大气自由基主要来源于臭氧及其他物质的光解反应，进而臭氧会影响SO42-、NO3-、SOA等物质的生成，影响PM2.5浓度[2]。

PM2.5与臭氧有密切的关联性，其相互作用主要体现在3个方面：①两者同源共生，挥发性有机物（VOCs）和氮氧化物（NOx）是其共同前体，二次有机气溶胶（SOA）与臭氧相互依存；②气溶胶粒子会干扰地面辐射强度，影响光解效率，进而会影响臭氧的生成；③气溶胶粒子通过相互作用发生化学反应，生成新的二次有机气溶胶（SOA），使得整个反应更加复杂[3]。

2 PM2.5和臭氧的来源分析

PM2.5和臭氧具有共同的前体物质，大多来自人类活动，以及包括工业废气、餐饮油烟、汽车尾气、汽修喷涂，季节性不利气象造成的污染等。

2.1 工业废气污染

一些地区工业布局不合理，传统制造业比例偏重，部分生产企业未完成工艺优化，仍然把生物质作为动力源，使用煤、石油等燃料提供能量，释放二氧化碳（CO2）、二氧化硫（SO2）等物质，污染空气质量；生产车间和实验室因净化设备缺少或操作不当致挥发性有机物（VOCs）排放到空气中，VOCs作为PM2.5和臭氧的共同前体物质，会给大气污染防控带来压力；工业园区距离城区较近，废水、废气、废渣如果没有经过合法、正当排放，会通过挥发、光解、氧化等过程释放氮氧化物（NOX）进入大气，危害空气质量。

2.2 餐饮油烟污染

特别是对于一些经营面积较小、人流量不大的店铺，油烟净化器安装率偏低，或者即使安装了油烟净化器也可能存在未按要求打开使用、清洁不及时、损坏维修不及时等问题，导致餐饮行业油烟清洁净化效果差、整治不彻底；甚至一些路边摊贩露天经营，未安装油烟净化装置。

2.3 汽车尾气污染

汽车尾气污染是指由汽车排放的废气造成的环境污染，主要污染物为一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOX）、二氧化硫（SO2）以及固体颗粒物等。其中一氧化碳（CO）经过氧化生成二氧化碳（CO2），会导致温室效应；碳氢化合物（HC）会引起光化学烟雾；氮氧化物（NOX）转化为硝酸根离子（NO3-）、二氧化硫（SO2）转化为硫酸根离子（SO42-）、以及固体颗粒物等都能够导致PM2.5浓度升高，给大气污染防控带来压力。另外，道路上还可能看到黑烟车在上路行驶，排放的尾气成分复杂，对人体和环境均有危害。

2.4 汽修喷涂行业污染

一些汽修店和室外油料装饰作业缺乏废气处理设施，甚至未按环保要求，露天喷涂，废气排放严重。在进行喷涂作业时，会产生有害气体，比如挥发性有机物（VOCs），引起PM2.5和臭氧的浓度升高，加重环境负担和治污成本。

2.5 季节性气象造成污染

在秋冬季节，PM2.5浓度会波动性增加，主要是由于在夏季气象条件变化较快，容易出现暴雨天，湿度增加、温度较高有利于粒子的二次转化，而到了秋冬季节，风速加大甚至伴有沙尘，导致扬尘增加，从而导致PM2.5浓度升高。在春夏季，臭氧浓度值会高于秋冬季，主要是由于除了污染源排放外，光照、温度是影响臭氧浓度变化的主要因素，夏季温度高、光照强，臭氧的光化学反应活跃，而随着秋冬季节温度降低，太阳辐射减弱，臭氧生成能力降低。

2.6 管理不善造成污染

为改善大气质量，建筑工地实行“六个百分百”，具体是指：建筑工地周边围挡100%、场内物料堆放覆盖100%、土方开挖湿法作业100%、进场道路路面硬化100%、出入车辆清洗100%、渣土车辆密闭运输100%。但是，部分建筑工地未能严格按照“六个百分百”执行，场地内扬尘问题突出，细颗粒物含量升高，导致PM2.5浓度升高，造成环境污染。在一些城乡接合部和乡镇区域，出现秸秆、枯叶、生活垃圾焚烧现象，会产生大量氮氧化物（NOX）、二氧化硫（SO2）、碳氢化合物（HC）以及可吸入颗粒物等，其中氮氧化物（NOX）和碳氢化合物（HC）在阳光作用下可能产生二次污染物臭氧等。

3 PM2.5和臭氧的危害分析

3.1 降低环境质量

PM2.5浓度升高会导致雾霾的发生，在雾霾天，空气中的湿度较高，雾滴提供了吸附和反应场所，空气中的二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOX）等气体会通过大气化学反应生成PM2.5颗粒物，集聚的PM2.5颗粒物会加剧雾霾的发生，二者相互作用。雾霾的出现能够降低道路可见度，增加道路交通风险，易附带有毒、有害物质且输送距离远，对人体健康和环境质量产生较大影响。另外，PM2.5对气候也有影响。PM2.5能够影响成云和降雨过程，间接影响气候变化。细颗粒物PM2.5能够作为雨水凝结核的来源之一，在有些条件下，细颗粒物PM2.5增多，“分食”水分，使大气中雨滴无法长大，导致蓝天白云比之前更少；在有些条件下，细颗粒物PM2.5会增加雨滴凝结核数量，使大气中雨滴增多，可能导致暴雨的出现。

高浓度的臭氧会使植物叶子变黄甚至枯萎，对植物造成损害，甚至造成农林植物减产，经济效益下降等危害。另外，臭氧会导致光化学烟雾的产生，使空气附带浅棕色，并伴随辛辣刺激气味。

3.2 危害身体健康

PM2.5作为细颗粒物，可以被吸入肺泡中，不经过肝脏解毒而进入血液循环，会加重呼吸系统疾病，其中的有害气体、重金属等溶解在血液中，产生严重后果。

存在对流层中的臭氧不仅会影响大气氧化性，而且受到强氧化性的影响，会与多种大气污染物发生化学转化，对人类、生态环境等造成危害。即使是较低浓度的臭氧也会影响人体健康，患有哮喘的人群，尤其是儿童、老年人以及长期在户活动或工作的人都属于近地层臭氧污染的易感人群，容易受到臭氧污染的影响。特别是对于儿童来说，其肺部还处于发育阶段，更容易患哮喘，面临更大患病风险[4]。

PM2.5和臭氧的共同作用会抑制心肌组织抗氧化能力，并且促进炎症因子生成，破坏血管内皮功能结构，使血管内膜通透性增加，从而诱发心血管疾病发病甚至导致死亡[5]。

3.3 增加社会负担

为应对大气污染，国家自2013年以来就陆续出台防治政策、法规、标准等，因此，我国空气质量得到明显改善，PM2.5的治理取得良好成绩，细颗粒物污染天数减少，污染程度减轻，但是与此同时，臭氧污染问题却不断凸显，影响社会生产和生活。

PM2.5和臭氧造成的污染，会危害身体健康，导致出现各种疾病，加重家庭经济负担。尤其是对于一些刚刚实现脱贫的家庭来说，遭受大气导致的病症危机一定程度上可能会导致返贫，打击再脱贫信心，影响脱贫成果。并且污染造成的环境问题，无论是大气污染，还是水体污染，抑或是土壤污染，都能加重政府治理成本，影响企业正常生产，阻碍经济社会发展。

4 PM2.5和臭氧的治理措施

4.1 健全管理体系

深入贯彻实施党中央、国务院的决策部署，将大气污染防控作为推动提升空气质量的总抓手，以新产业、新能源为重点，大力开展绿色转型，不断减少大气污染物。以改善环境空气质量为核心，坚持方向不变、力度不减，突出精准治污、科学治污、依法治污。建立挥发性有机物（VOCs）、氮氧化物（NOX）监测网络，从源头减少PM2.5和臭氧的前体衍生物；建立PM2.5和臭氧预警系统，建设全面覆盖的空气质量监测站点，提高预警能力，做到早发现、早预防、早防治；完善建立应急处置预案，制定不同程度的协同减排措施，强化主体责任，逐条逐项责任到人；加强联合执法，加大执法力度，协同各区域政府及其生态环境部门，联防联控，减少空气污染。

4.2 加大研发力度

应该加大对挥发性有机物（VOCs）、氮氧化物（NOX）治理体系的技术研发，以技术为支撑建立排放准则。通过技术研发，促进产业结构调整。坚决遏制高耗能、高污染产业的盲目扩张，严查排放物，对不符合标准的项目停建停批；通过技术创新，促进传统产业向绿色低碳化改造，使用清洁能源提供能量，从源头减少碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOX）的排放，使用清洁技术改造工艺，从生产过程减少污染废气的排放。增加清洁能源使用，减少煤炭、石油等使用量，安全高效发展核电、风电等动力源，加快建设输电通道，提高输电比例。加快使用 VOCs 控制技术，构建系统化、精准化的臭氧污染治理体系以及PM2.5控制体系。

4.3 加大VOCs和NOX协同减排

加大对VOCs和NOX的整治工作，确保协同减排工作落到实处，加强中央以及地方监管力度；创设完备的奖惩举措，制定行业排放标准，对达标区域、企业等树立标杆，进行奖励，对于落后、超标区域、地方给予适当惩罚措施，激发积极性和先进性。加大对VOCs和NOX排放特征的研究力度，持续更新VOCs和NOX的排放清单，制定精准化的排放方案和治理措施，实现VOCs和NOX协同减排，减少PM2.5浓度和臭氧浓度，为大气污染防控助力。

4.4 加强种植园林植物

绿色植物不仅可以防风固沙、保持水土，并且对净化环境、防治污染作用更为重要。植物以叶绿体为场所，以大气中二氧化碳（CO2）为原料，在阳光作用下进行光合作用，不断制造自身生长所需的有机物，也能向大气中不断补充新鲜的氧气。因此，绿色植物具有净化环境的作用。另外，有些园林植物更对大气中的有害成分具有抗性。在城市绿化过程中，按照适地适树、生态优先、生物多样性等原则，种植适合当地的园林植物。比如在城市内硬化路面以及高速公路上，由于来往车辆较多，会产生大量的二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOX）等有害气体，为了改善道路环境条件，可以在公路隔离网外围，以及道路隔离网以内（如中央隔离带、路缘空地等）种植灌丛植物，既能充分净化公路交通中的空气污染，也能保护司乘人员身心健康。

4.5 加强移动源、面源管理控制

移动源对大气环境影响较大，包括汽车尾气排放、扬尘、甚至黑烟车等。加强对移动源的管理控制，有助于降低大气污染物含量。加强对来往车辆管理，尤其对黑烟排放车辆及时制止，并加大对大型货运车辆的违规处罚力度。同时，加强面源管理控制，深入工地现场查看六个百分百是否达标实现，深入汽修厂、小区等查看是否存在喷涂、露天电焊等违规行为，深入乡郊、乡村查看是否存在散煤燃烧、秸秆、枯叶等生物质燃烧等现象。