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以协同控制应对重污染天气

——专家解析重污染期间氮氧化物液相反应对PM2.5中硫酸盐生成的影响

2017年03月01日作者:吕望舒来源:中国环境报

  ◆中国环境报记者吕望舒

  2013年1月的冬天,北京和华北地区出现了多次重污染天气过程,PM2.5月均浓度达到120μg/m3。这次污染过程使人联想起历史上著名的伦敦烟雾事件——同样发生在湿润的冬季,1952年的重污染事件中,伦敦PM10月均高达3000μg/m3,超过北京10倍之多。而近年来,冬季重污染天气影响着全国大部分地区,和人们的生活息息相关。如此高浓度的PM2.5从何而来?重污染时期硫酸盐是如何生成的?NOx等污染物应当如何协同控制?记者带着这些问题采访了中国工程院院士、清华大学环境学院院长贺克斌和暨南大学环境与气候研究院教授苏杭、程雅芳。

  中国环境报:请问如此高浓度的PM2.5从何而来?应当如何进行缓解和控制?

  答:回答这一问题首先需要弄清影响PM2.5污染的3个重要因素:污染源排放、大气氧化过程和天气扩散条件。天气扩散条件的影响公众较为熟悉,大风来时,污染物都被吹走;而静稳天气往往造成污染累积。污染源对PM2.5的影响则可分两类:一是污染源直接排放PM2.5,我们称之为一次PM2.5;二是污染源排放出气态污染物(VOCs, NOx, SO2等),经过大气氧化过程生成的PM2.5(成分包括颗粒有机物、硝酸盐、硫酸盐等),我们称之为二次PM2.5。

  为了便于理解,我们可以把大气氧化过程类比为燃烧过程。此时气态污染物就好比燃烧所需的燃料,大气氧化剂就好比燃烧所需的氧气,各种二次PM2.5成分就好比燃烧的产物。对于一次颗粒物的控制,我们只有控制污染源一种方案;而二次颗粒物则给污染控制提供了新的途径,我们不仅可以控制其气态前体物的源排放,还可以通过对氧化过程的影响达到控制的目的。这就好比消防员可以通过取走燃料和隔绝氧气两种方式,达到灭火的目的。

  中国环境报:重污染天气持续时,硫酸盐是如何生成的?在改善重污染天气的过程中,NOx的控制和污染物的协同控制起到了什么作用?

  答:硫酸盐是PM2.5的主要成分,在重污染期间对PM2.5的贡献率可达20%左右,随着PM2.5污染程度上升,硫酸盐是PM2.5中相对比重上升最快的成分。因此,硫酸盐的生成机制研究是解释重污染形成的关键科学问题之一。

  传统大气化学认为,光化学反应所生成的OH自由基和O3等高活性物种是大气中主要的氧化剂。根据这一理论,重污染期间近地面光强较弱,光化学反应被大大削弱,相关的氧化剂浓度大幅度降低,此时二次硫酸盐的生成理应受到抑制。然而,观测资料显示重污染期间硫酸盐的生成速率不降反升,这引发了我们对新氧化机制的思考。

  通过观测和模拟的综合分析,我们发现在霾液滴中的液相反应是我国北方冬季硫酸盐生成的重要途径。重污染期间的高颗粒物浓度和高相对湿度,使得空气中积累了大量以颗粒物结合水或雾滴的形式存在的液滴,为液相氧化提供了反应器。在液滴中, NO2可以充当氧化剂的角色,促进SO2向硫酸盐的转化。

  根据这一液相氧化机制,针对PM2.5的减排措施中可以优先考虑加大氮氧化物(NOx)的减排力度。控制NOx的排放,不但可以控制PM2.5中硝酸盐的含量,还可以通过对液相反应的影响降低硫酸盐的生成,具有事半功倍的效果。

  值得注意的是,NOx同时是二次污染物臭氧的重要前体物,其浓度水平与臭氧水平具有非线性的关系。短期内NOx的削减方案可能导致部分地区O3污染加剧,这也是协同控制中必须考虑的问题。总之,多污染源多污染物之间错综复杂的关系,对污染控制提出了更高的要求,而对化学机制的深入了解和在此基础上的协同控制方案则是科学治霾的关键。

  中国环境报:在重污染过程中,媒体报道中的峰值浓度有时存在较大差异,这是为什么?有媒体报道说北京的硫酸盐污染300μg/m3与冰岛火山造成的斯堪迪纳维亚半岛的硫酸盐400μg/m3相当,事实是否如此?

  答:其中一个原因是由于计算浓度的平均时间不同所造成。通常平均时间越长,峰值浓度越低,比如月均峰值<日均峰值<小时均值峰值等。一般空气污染标准中往往也明确界定了浓度对应的平均时间。通常平均时间较长的标准相比平均时间较短的要严格,这是因为人们对于短期暴露的耐受力比长期污染暴露更强。

  诚然,火山喷发对硫酸盐的影响是巨大的,但斯堪迪纳维亚半岛距离火山喷发地有两千多公里,硫酸盐浓度远低于喷发源附近的浓度,不适合作为火山喷发的代表。这就好比地震是灾难性的,但是对震源数千里之外的影响远小于震中。


编辑:宋阳