美日臭氧污染問題及治理經驗借鑒研究

楊 昆，黃一彥，石 峰，范紋嘉*，周國梅

（1.生態環境部華南環境科學研究所，廣東廣州 510655；2.中國—東盟環境保護合作中心，北京 100035）

以臭氧（O3）為主要成分的“光化學氧化劑”是光化學煙霧的真身。自然界平流層中臭氧能抵抗太陽紫外線，保護地球，既是光化學反應的產物，也是參與反應的氣體；在近地面對流層中，可氧化清除許多天然和人為釋放的污染物。但當濃度繼續升高時，其就變成對人類健康造成明顯傷害的污染物，逐步在國際大氣環境保護領域引起重視。

對臭氧污染的認識最早源于20世紀40年代的“洛杉磯光化學煙霧”，此后美國、日本等發達國家在經濟快速增長階段臭氧污染事件頻發，帶來了嚴重的環境污染和人群健康損害。美國、日本在臭氧污染治理方面采取了多種協同措施，累積了大量寶貴經驗，取得了一定效果。其中，洛杉磯的大氣臭氧污染始于20世紀40年代，歷經了50多年治理后大氣環境得到了極大改善，但目前仍然未達到環境質量標準值[1-6]。而日本20世紀70年代開始治理臭氧污染問題，經過一段時間的大氣治理，污染濃度逐漸減少，一度以為問題得以解決，但2002年7月4日，在日本千葉縣，時隔28年又發出了光化學煙霧警報。2005年9月2日，埼玉縣也在時隔21年后首次發出光化學煙霧警報。

我國進入快速城市化和工業化以來，頻頻出現的霧霾天氣更是受到高度關注。自2013年9月國務院印發《大氣污染防治行動計劃》（氣十條），積極治理大氣污染以來，PM2.5污染問題得到了有效控制，并呈逐年下降趨勢，但臭氧超標問題日益突出，成為繼PM2.5之后又一個重要的具有區域性特征的污染物。2013—2015年，長三角地區25個城市1—8月臭氧濃度平均超標率為13.2%～20.2%，且平均濃度逐年上升，而細顆粒物、SO2和NO2濃度卻呈現下降趨勢。重點地區O3濃度上升速度，總體呈現出京津冀最高，珠三角最低，長三角介于兩者之間[7]。

臭氧污染問題在治理過程中具有高度的復雜性和反復性，甚至成為全球性環境難題。在我國臭氧問題逐漸顯現的今天，總結美國、日本等國在污染治理方面的經驗和教訓，為建立更加全面、科學、系統的治理體系推進臭氧污染防治工作提供借鑒。

1 美國洛杉磯“光化學煙霧”污染成因和治理措施

1.1 洛杉磯煙霧污染的成因

洛杉磯煙霧污染的形成原因主要有兩個方面：城市發展格局、地理區位特征。

（1）城市發展格局

洛杉磯的城市發展史從產業發展視角可分為無序緩慢發展期（18世紀80年代至19世紀80年代）、石油產業引領期（19世紀80年代至20世紀70年代）、多元產業協同發展期（20世紀70年代至21世紀初）三個時期。18世紀80年代洛杉磯僅為1 600人的小鎮，到19世紀80年代人口隨著鐵路和石油產業的興起而涌入，第二次世界大戰后已成為美國西部重要的經濟發展中心。70年代后經歷了產業轉型升級，新興產業蓬勃發展，到21世紀，洛杉磯基本形成了多元產業結構和多維經濟發展模式，成為全球的高科技產業和服務業中心。而20世紀40—60年代末是洛杉磯制造業和石油產業發展的“黃金時代”，GDP最高以約240%的速度增長的同時，洛杉磯光化學煙霧進入爆發期。

（2）洛杉磯煙霧污染形成的人為條件

城市規劃不合理。洛杉磯政府1910年頒布了工業區內城市居住用地面積不削減的政策，導致工業區分散發展，工業用地和住宅用地混雜，為工業污染的擴散和對居民健康影響埋下了隱患。

石油化工產業蓬勃發展。洛杉磯城市化和以石油化工等為代表的污染型產業蓬勃發展，排放的顆粒物和有毒有害物質消耗了城市清潔大氣。

機動車保有量大。洛杉磯一直被譽為“車輪上的城市”，是美國機動車保有量最高的地區。1924年道路建設促進了機動車的發展，同時也增大了移動源污染物（CO、CH和NOx等）排放量。第二次世界大戰后，洛杉磯攤大餅的城市格局和低效的公交系統使私家車在某種程度上成為了生活必需品。洛杉磯人在享受生活便利的同時，也變成了污染源[8,9]。

（3）獨特地形地貌是洛杉磯煙霧污染形成的自然地理條件

洛杉磯地處三面環山、一面臨海的盆地，日夜溫差較大，日間比較炎熱，即便是冬季，日間氣溫也有攝氏20℃，夏季日間溫度則常超越35℃，是典型的地中海氣候。日照強烈，氣候干燥，大氣擴散條件差，這為“光化學煙霧”提供了天然有利條件。

1.2 洛杉磯“光化學煙霧”的治理進程

20世紀40年代洛杉磯煙霧爆發，直到20世紀90年代大氣環境才得到較大改善，其治理經歷了50多年。洛杉磯煙霧污染治理從公眾認知和政府行為的改變來看，經歷了四個階段，即盲目期、推責期、改善期和改善后期[8-12]（見表 1）。

表1 洛杉磯煙霧污染治理四個階段

20世紀40—50年代，煙霧天氣頻發，來源不清，群眾恐慌地問責市政府。雖政府成立了空氣污染控制局，但迫于石油企業的壓力和對煙霧成因機理、治理經驗的研究不足，未開展霧霾污染改善行為。

20世紀50—60年代，洛杉磯爆發了兩次嚴重的“光化學煙霧”事件，政府雖已認清了霧霾的本質和來源，也成立相關的煙霧控制局，但由于利益鏈條的龐雜性，大氣治理行動推進緩慢。

20世紀60年代末開始，環保公眾運動促使了環境法律法規、政策和政府環保機構的建立。1970年和1988年美國聯邦政府和加州政府先后頒布了《清潔空氣法》和《加州潔凈空氣法》，1970成立美國環境保護署（EPA），1977年成立南海岸空氣質量管理局和加州空氣資源局，大力推進了洛杉磯地區污染氣體的限排與污染治理工作。2003年，加州先于聯邦政府制定了強制性PM2.5標準（12μg/m3，2006年聯邦標準15μg/m3）。至此，洛杉磯空氣質量明顯改觀（見圖1和圖2），洛杉磯歷經了50多年的治理基本使煙霧消失。

圖1 1980—2015年洛杉磯NO2、SO2、PM10和PM2.5濃度演變趨勢

圖2 1976—2015年洛杉磯都會區臭氧濃度演變趨勢

21世紀洛杉磯的大氣臭氧濃度大幅下降，但仍未達到質量健康標準值。而從2008—2010年洛杉磯PM2.5的年均濃度來看，遠超過美國環保署規定不高于3天的標準，超過警報線的平均天數達20.3天[8～12]。

1.3 洛杉磯空氣污染治理經驗和措施

（1）制定嚴格的空氣質量標準和污染治理政策

美國加州政府通過制定嚴于聯邦政府的大氣環境質量標準和嚴格的法律法規及環保政策，并授權州和地方大氣環境管理部門進行監管。

（2）建立跨區域治理機構，實施區域聯防聯控

建立跨區域的空氣質量管理機構，并賦予其強有力的行政執法和監管權力。24小時實時網上公開發布污染監測數據，促進公眾環保意識和參與度，對排污企業構成了強大監督和威懾，極大地推動了空氣污染的治理。

構建跨區域的大氣環境質量管理部門，進行日常監管和執法；通過媒體和網絡增加環境污染監測數據的公開程度，加強公眾環保意識和參與度，從而形成對污染企業的監督和震懾力，推進區域大氣環境質量的改善和污染治理。

（3）公眾強烈意愿支持

洛杉磯空氣質量改善的動力來自公眾對清潔空氣的強烈訴求、環保組織和運動的興起以及政治領導的決心。公眾通過法律手段和其他維權運動迫使政府正視環境空氣質量，直接導致了《清潔空氣法》的出臺。

（4）產業結構調整

從1970年開始，洛杉磯進行了產業結構調整和升級。以附加值高、科技含量高的新興產業如電子、通信、生物技術、網絡等產業，替代了大氣污染物排放量大的能源、石油化工和機械制造等產業。

（5）從供給側控制和鼓勵新能源的使用

美國環保署針對細顆粒物排放源（如火電站、機動車等）發布了規范和指導，鼓勵清潔能源的使用；控制生產商生產符合新排放標準的產品，減少大氣污染物排放。洛杉磯地區要求油煤改氣發電，鼓勵風能、太陽能等可再生新能源使用并給使用者財政補貼，制定減少臭氧前體物排放政策等。

（6）改變出行方式，改善公共交通系統

洛杉磯于1995年開展了交通二十年發展規劃，把地鐵、輕軌等大運量公共軌道交通定為發展重點。通過改變交通出行、用地分布和結構等進行減排。例如，市區道路增設自行車道，在高速路設置兩人以上車輛專用道和新能源汽車單人駕駛專用道等。

（7）優化城市空間布局，減少通勤距離

洛杉磯1970年通過城市總體規劃明確“多中心”城市發展模式，合理布局居住、工業和商業用地結構，縮減上下班的通勤距離；增加城市交通干道和軌道交通沿線的住宅密度，對減緩機動車大氣污染起到了一定的積極作用[13]。

2 日本“光化學煙霧”污染成因和治理措施

2.1 日本“光化學煙霧”臭氧污染成因

戰后日本沿太平洋條帶的“新產業城市”規劃，推動了經濟和城市化的快速發展。1955—1970年日本進入第二次世界大戰后經濟高速增長期，增長率達8.8%～12.4%，以東京原工業帶為基礎，推動了以京濱、中京、阪神、北九州四大“核心工業帶”的發展。

產業快速發展帶來了巨大能源消耗。1955—1964年，日本的能源消耗量增長了約3倍，主要能源消耗類型由煤炭轉為石油。煤炭消費從1955年的49.2%下降到1965年的27.3%；石油消費從19.2%增加到58.0%。隨著能源消耗的日益增長，大氣污染和其他形式的環境污染不斷涌現，以至于由石化產業造成的“聯合企業公害”開始出現。在20世紀60—70年代大氣污染達到頂峰，神奈川的川崎市、兵庫縣的尼崎市、北九州市等由于制鐵所、火電站、石油冶煉廠的蓬勃發展，導致大氣狀況迅速惡化，而名古屋南部、千葉縣京葉高速沿線區域周圍也變成了日本大氣污染的集中淪陷區。

20世紀70年代日本爆發的“光化學煙霧”，導致東京呼吸道疾病患者激增，環保民意運動最終推動了日本政府大氣污染防治立法的驅動力。

2.2 日本大氣污染和“光化學煙霧”事件的治理進程

（1）大氣污染治理進程與“光化學煙霧”的重現

20世紀50年代，日本開始進入戰后經濟復蘇和高速發展時期，隨之而來的大氣污染事件和民眾的維權運動，促使了日本環境法律法規的形成（見表2）。而環境污染卻出現了新舊問題的往復。

表2 日本大氣污染治理歷程和相關法律法規

20世紀70年代，東京發生了以臭氧為主要成分的嚴重光化學煙霧事件，導致一些學生中毒昏迷。而類似的事件在日本其他城市也相繼發生。日本環保部門通過對東京幾個主要污染源的調查發現，CO、NOx、HC這三種汽車排放的污染物占總排放量的80%，認定汽車尾氣是光化學煙霧發生的源頭。

日本經過30多年的大氣污染治理，使臭氧污染濃度逐漸下降，一度認為問題已解決；但千葉縣在2002年7月4日，時隔28年又發出了光化學煙霧警報，導致包括千葉縣在內的東京都市圈，400多人出現眼睛不適及喉嚨疼痛。時隔21年，埼玉縣在2005年9月2日也首次發出這種警報。VOCs與NOx排放比例上升、碳氫化合物和熱島現象可能是造成光化學氧化劑污染的新誘因，臭氧污染和治理問題正逐步成為全球性的環境難題。

（2）日本光化學污染監測與警報

光化學氧化劑包括臭氧及其他大氣中可氧化的物質，其中臭氧占主要部分，還包括peroxyacetylntrate（PAN）等。當光化學氧化劑小時均值大于0.12ppm時，當地政府通過大眾媒體發出警報，協調社會各方減緩污染，如要求企業減少固定污染源排放，減少機動車使用等。當光化學氧化劑小時均值大于0.24ppm時，則發出光化學污染嚴重警報。

1985—2002年日本近地面對流層的臭氧濃度呈現逐年上升趨勢（見圖3）。全國326個監測點數據顯示，平均臭氧濃度在1994—2002年比1985—1990年高3.5ppb。而偏遠地區近地面對流層的臭氧濃度從1990年開始也呈上升趨勢。

圖3 日本光化學氧化劑年平均濃度① 數據源自全日本國326個連續環境空氣污染監測站。Ohara and Sakata, 2003。

自20世紀70年代起，埼玉縣對光化學污染進行監測并發出報警，年均有29天，且始終持續在高水平上，是當時報警天數最多的縣。80年代后，由于采取有效的大氣污染防治措施，警報天數減至16天，1984年有2 733次投訴，到1994年有58次投訴，其間也存在無投訴年份，但2000年又重新轉入高峰期（40天）。

東京都市區同樣觀測到臭氧濃度逐年上升。根據2005年東京市政府環境局的調查發現，1990—2002年，東京的光化學氧化劑日間平均濃度增長了5.6ppb，年均增長了0.5ppb。光化學煙霧報警天數自2000年起逐年增長，光化學氧化劑濃度超過120ppb的天數也在逐漸增加，比20世紀70年代晚期水平還要高。具體見圖4。

圖4 1990—2003年日本光化學氧化劑AOT40平均值② AOT40是基于光化學氧化劑濃度超過0.06ppm及0.12ppm的小時總數估算并可視化。資料來源于 Kohno,2005。

2.3 日本治理光化學污染的相關政策和措施

（1）臭氧污染前體物的排放管控政策和措施

出臺《機動車NOx和PM法案》。21世紀初，日本將工作重點轉向顆粒物和臭氧防控。修訂并提高了《機動車NOx法案》（1992年）中原有NOx的排放標準，且增加了顆粒物控制標準。

重點源實施VOCs排放管控和監管。2004年日本政府在《大氣污染防治法》修訂中，增加了《VOCs排放規制》的內容。2006年對化學品制造、涂裝、工業清洗、粘接、印刷、VOCs物質貯存六類重點源實施VOCs排放控制，要求VOCs排放設施單位進行申報、達標排放和監測記錄。

（2）法律監管和自主減排相結合

日本在VOCs減排控制上，采用兼顧穩定、合理、公平的法律監管和具有創新、靈活性的企業自主減排結合的施政方針，并合理設置監管與自主減排的權重，實現最佳組合，于2004年錄入《大氣污染防治法》。

（3）光化學污染超標警報措施

除沖繩等6個縣以外，日本42個都道府縣的市民均可通過手機隨時了解環境省發布的光化學污染信息。污染嚴重時，相關地區的警報會每小時發布一次當時大氣中光化學污染物的濃度，以便市民及時預防。

3 美國、日本臭氧環境質量標準與中國對比

美國和日本的臭氧環境質量標準相對于中國來說較嚴格。其中，日本還根據臭氧濃度劃分了警報預警的等級。而美國加州的臭氧環境質量地方標準高于美國聯邦政府的標準（見表3）[14]。

表3 中國、美國和日本臭氧環境質量標準

4 對我國臭氧污染防治的政策建議

4.1 加強臭氧污染產生機制研究，分類和精準控制臭氧前體物排放

我國煤煙型大氣污染已隨著燃煤污染控制得到了有效改善，但城市“光化學煙霧”的臭氧污染和PM2.5已成為區域大氣污染迫切需要解決的兩大問題。因此，臭氧污染控制應該盡快提上日程。控制區域“光化學煙霧”污染的關鍵需進行產生臭氧污染的前體物源解析和臭氧對其前體物排放變化的響應規律研究，以便進一步精準控制不同來源臭氧污染前體物的工作開展。

4.2 加大VOCs減排和多種污染物協同控制

4.2.1 兼顧細顆粒物和臭氧污染治理，多種污染物協同控制

與細顆粒物污染相比，晴空之下的臭氧污染更具有隱蔽性。這就更需要政府和專家有針對性地對臭氧8小時污染及其治理進行宣教。揮發性有機化合物（VOCs）、氮氧化物（NOx）及顆粒物之間的轉化關系復雜，而臭氧的形成過程中，VOCs和NOx并不是一個線性關系，與兩者的比例密切相關。因此，減少氮氧化物及懸浮顆粒物排放，需同步減少揮發性有機化合物。若VOCs的減排速度趕不上氮氧化物減排速度，導致VOCs和NOx之間未達到合適比例，減排效果就會不理想，反易發生高濃度臭氧。

4.2.2 重點行業VOCs減排的基礎上，進一步加強中小型VOCs污染源管控

目前，我國出臺了重點行業的VOCs綜合防治方案，針對石化煉油、化學制品、合成纖維、表面涂裝等13個重點行業的整治方案。但大氣污染物的減排對象主要針對大型污染源，但城市中分布著大量排放污染物造成面源污染的中小型商業企業，對大氣VOCs污染的貢獻也很大，如汽車維修店、小型加油站等。隨著減排工作的深入，中小型污染源也應納入主要的管控對象。

4.3 加強重點區域VOCs連續在線監測和光化學煙霧長期性預測，實施區域聯合控制

4.3.1 VOCs連續在線監測和光化學煙霧長期性預測

開展重點地區VOCs在線監測，探索各重點地區不同時段臭氧前體物——VOCs和NOx的轉化形成機制和控制技術，協同治理PM2.5和O3。

美國加州南海岸空氣質量管理局擁有9倍于大氣現狀監測人員的污染預測研究人員，從事洛杉磯大氣環境質量中遠期預測，分析未來污染來源，科學提出治理應對之策。而目前我國環境監測屬于跟蹤性現狀監測，而基于區域城市、產業、交通、人口和技術發展程度下，對未來大氣污染源和污染程度的預測和研判能力較缺乏。

4.3.2 區域聯防聯控臭氧污染

一方面，我國臭氧及其前體物的排放具有區域性特征，由點及面地在城市之間傳輸。因此，劃定臭氧污染聯防聯控區具有重要意義。加強臭氧及其前體物的監測監控，構建臭氧污染的預警預報機制和報警限值，在區域臭氧濃度超標時啟用應急預案。另一方面，大力發展區域綠色公共交通體系，推廣新能源機動車，提高輸運效率，降低臭氧前體物排放。

4.4 極端天氣狀況下采取臨時性污染物應急控制措施

在區域臭氧污染的預測預報工作的基礎上，當臭氧聯防聯控區出現臭氧濃度超標時，應采取臨時性污染物應急控制措施，包括通過各種公眾媒體公告市民，鼓勵采取自愿生活行為方式協助降低臭氧前體物排放，如乘坐高效率公共交通工具，避免使用含有揮發性有機物的涂料，改變烹飪方式，等等。

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