地面臭氧浓度中长期监测及臭氧污染整治研究

许 可，王 亮

(1.郑州市巩义生态环境监测站自动监测室，河南 郑州 451200； 2.河南省济源生态环境监测中心，河南 济源 454650)

随着各种社会生产、经营活动的开展和进行，其在创造巨大经济收益的同时，与此同时也产生了各种破坏行为，导致各种环境污染越发严重[1]。近地面臭氧污染产生原因是地面工业生产排放废气以及机动车辆运行排放的尾气等。这些工业废气或者尾气与太阳紫外线一旦接触，就会在光化学反应下生成臭氧。当臭氧浓度超过一定的限制，就会产生地面臭氧污染。臭氧污染产生的危害巨大，例如对于人或动物等生命体来说，臭氧浓度过大，会破坏其呼吸系统、神经系统、免疫系统等，造成呼吸困难、头晕目眩、甚至发生癌变[2]。对于地面上的植物来说，臭氧浓度过大，会直接影响植物生长，造成植物死亡、减产。此外，臭氧浓度过大，还会影响某些材料制品(如橡胶、乳胶、棉花等)的使用寿命，造成老化[3]。基于上述背景，监测与分析地面臭氧浓度具有重要的现实意义。目前，国内外的相关专家和学者都针对臭氧浓度监测与分析进行了研究，并提出了自己的见解。例如，郑小华等[4]以汾渭平原作为研究区，以2015—2019年臭氧监测数据为基础，分析了不同时间尺度下研究区内11个重点城市的臭氧浓度时空变化特征。通过该研究确定了臭氧污染严重的地区和时间，为污染治理提供了可靠的参考数据，但是该研究也存在一定的不足之处，即时间尺度较短，监测数据较少，难以支撑长时间的臭氧浓度分析的需要。Grange S K等[5]以2020年2—7月期间欧洲102个城市地区和34个国家246个环境空气污染监测点的数据为基础，使用机器学习模型分析了这些地区臭氧污染的风险。通过分析得出，NO2的减少被O3的增加所取代。通过该研究和分析，为O3防控提供了有效的参考，实现了O3浓度预警。但是在该研究中并没有给出具体的防控措施，缺乏研究的完整性。

在前人研究成果的基础上，本文对地面臭氧浓度展开中长期监测，并研究了相关的臭氧污染整治措施，具体研究思路如下：①在选定研究区域后，布设臭氧检测仪采集一定区间内的臭氧浓度数据；②对采集到的数据展开分析，分析内容包括臭氧浓度变化特征、判断臭氧污染程度；③根据分析结果，提出对内和对外2种臭氧污染整治方法。

1 地面臭氧浓度中长期监测研究

地面臭氧是污染烟气发生光化学反应的产物。一旦臭氧浓度超过一定的限值，就会发生臭氧污染，而臭氧污染会给当地人类、动植物都会造成极大影响[6]。面对这种情况，进行地面臭氧浓度中长期监测十分重要，有利于及时防控，减少损失和危害。

1.1 研究区域概况

以图1所划分的区域作为研究区，开展地面臭氧浓度中长期监测工作。该研究区位于河南省境内，共包括15个城镇。该区域的具体情况见表1。

表1 研究区具体情况Tab.1 Specific conditions of the study area

图1 研究区示意Fig.1 Schematic diagram of the study area

1.2 臭氧浓度监测设备

针对地面臭氧污染，本研究利用臭氧检测仪对其展开监测。该仪器根据摩尔吸收系数、吸收层厚度、吸光度以及透射比完成对臭氧浓度数值的监测[7]。该仪器在完成采集之后，将检测过程中测得的数据直接通过LCD显示，并且可以通过仪器后面的数字通信接口上报数据[8]。臭氧检测仪具体功能参数见表2。

表2 臭氧检测仪具体功能参数Tab.2 Specific functional parameters of ozone detector

1.3 监测点网络设计

监测点网络是臭氧检测仪在图1研究区的布设方案。由于需要长期进行监测，所有监测点网络设计必须合理[9]。监测点布设需要遵循以下几点原则：①监测点的设计要尽量覆盖住全部的研究区。其中，工业密集区、人口密集区等要适当增加监测点；而像城市郊区和农村等人类活动较少的地区要适当减少监测点[10-11]。简单地说，就是越容易发生臭氧污染的区域越要设置更多的监测点，以保证监测数据的全面性和准确性。②监测点布设要参考风向和风速，监测点最好布设在下风向，在上风向可以少布设一点监测点[12]。③监测点要尽量布设在平坦开阔的地区，最好没有高大建筑物或者树木遮挡。④监测点的布设条件要尽量做到统一化和标准化，这样采集到的数据在后期才能进行对比[13-14]。目前，监测点布设方式包括4种。考虑到图1研究区内工厂分布、风向、风速以及气候等因素的影响，采用同心圆布点法和扇形布点法来布设监测点。按照这2种布点模式在图1研究区布设监测点，布设结果如图2所示。

图2 研究区监测点网络设计方案Fig.2 Network design scheme of monitoring points in the study area

1.4 地面臭氧浓度监测

在布设完监测点，调试臭氧检测仪后，在3～15 m；采样频率1次/d；2016—2020年，采集地面臭氧浓度数据，然后计算每个月的平均臭氧浓度值和每年的平均臭氧浓度值，以此为依据进行后期的臭氧浓度变化特征分析[15-16]。以图1研究区中城镇1为例，采集到地面臭氧浓度数值见表3。

表3 城镇1地面臭氧浓度数值Tab.3 Ground ozone concentration value of Urban 1

采集研究区内其他14个城镇臭氧浓度值，为后续地面臭氧污染程度分析提供基础数据。

1.5 地面臭氧污染程度标准

参照我国GB/T 34302—2017《地面臭氧预警等级》，在本章节将地面臭氧污染程度划分4个标准，见表4。

表4 地面臭氧污染程度标准Tab.4 Ground ozone pollution standard

1.6 地面臭氧污染特征分析

根据采集到的臭氧浓度数据进行对比，分析图1研究区臭氧污染特征，具体如图3所示。从图3中可以看出，①2016—2018年，研究区内各个城镇的地面臭氧浓度虽然有所增长，但是幅度较小，污染程度并没有发生较大的变化，各城镇的臭氧污染程度一直处在低等级。因此，研究区内臭氧环境是安全的、正常的。②2019年，各个城镇的地面臭氧浓度有所增长且幅度较大，其中城镇3和城镇2浓度超过低限值，进入较高限值，这两个区域的臭氧污染程度进入黄色预警，因为这2个区域在2019年这一年新增了一家工厂，再加上原有工厂的废气排放，导致臭氧浓度上升。③2020年，各个城镇的地面臭氧浓度仍有所增长，城镇3和城镇2臭氧污染仍没有得到有效改善，并使得与之相邻的城镇1、4、9臭氧浓度开始大幅度增长，虽然还没有进入较高范围，但是已经面临危险，因此亟待对城镇3和城镇2地区的臭氧污染进行整治，防止污染继续蔓延，影响周边其他城镇环境。

图3 地面臭氧浓度以及污染程度Fig.3 Ground ozone concentration and pollution degree

2 地面臭氧污染治理技术

针对地面臭氧污染问题，研究提出对内和对外2种治理方法。

2.1 对内的地面臭氧污染治理技术

对内是指从根源上解决臭氧污染。臭氧的产生离不开氮氧化物与紫外线，只要破坏臭氧产生的条件，即可阻止地面臭氧污染[17-18]。结合研究区臭氧产生的主要来源，即工业废气的排放，在这里采集的治理技术即为工业废气中氮氧化物的控制技术。只要控制废气中氮氧化物的排放量，就能极大减少臭氧的生成[19]。控制与处理方法见表5。

表5 地面臭氧污染治理—氮氧化物控制与处理技术Tab.5 Ground ozone pollution control-NOx control and treatment technology

2.2 对外的地面臭氧污染治理技术

对外是指从外部大环境上改善臭氧污染问题。结合研究区臭氧产生的主要来源，即工业废气的排放，可以采取重新规划工厂布局方案，以降低地面臭氧污染的危害[20]。将工程规划到影响最小的地区，可以有效规避臭氧尾气。工厂布局规划方案设计流程如图4所示。

图4 工厂布局规划方案设计流程Fig.4 Design flow of plant layout planning scheme

经过上述内外的全面治理，能有效控制臭氧浓度，降低臭氧污染浓度。

3 结语

综上所述，工业生产带来经济效益的同时，其排放的废气若不能进行合理的净化，其废气中的氮氧化物遇到太阳光会发生反应，产生臭氧，而一旦臭氧浓度超过一定范围，就会发生污染，对人、动物、植物都会产生极大的影响。

针对上述问题，本文研究旨在通过对地面臭氧浓度展开中长期监测，分析相关区域的臭氧浓度长期变化特征，从而设计针对性的臭氧污染整治措施，提高臭氧污染治理效果。本文研究主要分为2部分进行，对研究区臭氧浓度进行监测，并针对监测结果提出臭氧污染治理方法。然而，由于研究时间等条件的限制，研究仍具有提升空间，在未来的工作中，针对文中提出的臭氧整治措施的实施效果有待进一步的对比验证。