城市大氣細(xì)顆粒物PM2.5監(jiān)測及控制的方法研究進(jìn)展

宋海嘯，玉 亮，翟付順，于守超

(聊城大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，山東 聊城 252059)

1 引言

近些年來，我國工業(yè)化與城市化進(jìn)程不斷加快，在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時，諸多環(huán)境問題也隨之而來，其中最令人關(guān)注和擔(dān)心的就是京津冀等東部地區(qū)大范圍的霧霾天氣[1]。究其原因，主要是由于化石燃料 (煤、汽油、柴油) 和生物質(zhì) (秸桿、木柴) 等的燃燒、道路和建筑施工揚(yáng)塵，使得空氣中的顆粒物含量急劇增多，造成大氣污濁、大氣能見度下降、霧霾出現(xiàn)的頻率和濃度持續(xù)增長以及對人類的危害愈發(fā)嚴(yán)重等問題[2～4]。大氣顆粒物成為城市大氣中的主要污染物，大氣氣溶膠是大氣與懸浮在其中的固體和液體微粒共同組成的多相體系，其粒徑、形狀、濃度、化學(xué)成分都隨著時間和空間的變化而有所差異。根據(jù)其粒徑的大小可分為TSP(總懸浮顆粒物)、PM10、PM2.5。PM2.5是指空氣動力學(xué)直徑在2.5μm以下的大氣顆粒物，又稱細(xì)顆粒物。PM2.5的來源分為天然源、人為源和混合源。其中人為源是城市PM2.5的主要來源，人為源又分為直接排放和間接排放。直接排放主要來自化石燃料(煤、汽油、柴油)的燃燒、生物質(zhì)(秸稈、木柴)的燃燒、垃圾的焚燒和汽車尾氣的排放。間接排放是由于二氧化硫、氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物在大氣中轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的二次顆粒物引起的[5，6]。

PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但由于無機(jī)硝酸、硫酸鹽、有機(jī)化合物、元素碳以及粉塵等物質(zhì)都富集在細(xì)顆粒物上，且與較粗顆粒物相比，細(xì)顆粒物粒徑更小。在大氣中的存留時間更長，更易被人呼吸進(jìn)入肺部甚至進(jìn)入血液，因此，相對于TSP、PM10，PM2.5對人體健康的危害以及對大氣能見度影響更大[7，8]。隨著PM2.5對人體的危害越來越大，社會各界對PM2.5的高度重視，所以能為社會大眾提供一個真實(shí)可信的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)極為重要。

2 PM2.5的監(jiān)測

開展PM2.5影響研究的前提是取得精準(zhǔn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。但是PM2.5的監(jiān)測并不容易，因為PM2.5是大氣中漂浮著的各種大小顆粒物中極其微小的部分。測定PM2.5時，需要利用空氣動力學(xué)原理把PM2.5與更大的顆粒物分開。測定PM2.5的濃度的關(guān)鍵兩個步驟，即首先把PM2.5與較大的顆粒物分離，其次測定分離出來的PM2.5的重量[9]。

2.1 PM2.5的分離

國內(nèi)外分離PM2.5的方法大同小異，均由具有特殊結(jié)構(gòu)的切割器及其產(chǎn)生的特定空氣流速達(dá)到分離效果。其基本原理是：在抽氣泵的作用下，空氣以一定的流速流過切割器，較大的顆粒因為慣性大而被涂了油的部件截留，慣性較小的細(xì)顆粒絕大部分隨著空氣流而通過[10]。

2.2 PM2.5重量測定

目前，被世界各國廣泛采用的PM2.5重量測定方法主要有3種：重量法、β射線吸收法和微量振蕩天平法[11]。

2.2.1 重量法

所謂重量法是指通過具有一定切割性的采樣器，將PM2.5直接截留在濾膜上，然后用天平稱出采樣前后的重量差和體積差得出PM2.5的濃度。濾膜并不能把所有的PM2.5都收集到，一些極其微小的顆粒也可以穿過濾膜。但只要濾膜對于0.3 μm以上的顆粒截留效率大于99%，就算合格。因為所損失的極細(xì)小顆粒物對PM2.5的重量貢獻(xiàn)很小，對分析結(jié)果影響不大。重量法是最直接、最可靠的方法，是驗證其他方法是否準(zhǔn)確的標(biāo)桿，張俊峰[12]、鄒凇宇等[13]在使用重量法監(jiān)測PM2.5數(shù)據(jù)的研究中皆證實(shí)了此觀點(diǎn)。之前重量法有諸多缺點(diǎn)，如需要人工稱重，程序比較繁瑣而費(fèi)時。因此，這種方法及儀器多應(yīng)用于進(jìn)行單點(diǎn)、某時間段內(nèi)的采樣與監(jiān)測[9]。但近些年來相關(guān)研究人員在手工重量法的原理上設(shè)計了自動監(jiān)測儀，該儀器可以實(shí)現(xiàn)樣品采集、濾膜平衡、濾膜稱重等環(huán)節(jié)的自動化，并且全自動檢測儀監(jiān)測PM2.5的結(jié)果和手工監(jiān)測的結(jié)果具有較高的一致性，其中一些重要環(huán)節(jié)也達(dá)到了中國PM2.5手工標(biāo)準(zhǔn)測定方法的相關(guān)要求[14]。

2.2.2 β射線吸收法

將PM2.5收集到濾紙上，然后照射一束β射線，射線穿過濾紙和顆粒物時由于被散射而衰減，衰減的程度與PM2.5的重量成正比。根據(jù)射線的衰減就可以計算出PM2.5的重量。由于這種方法可實(shí)現(xiàn)自動、連續(xù)監(jiān)測，因此多應(yīng)用于大氣環(huán)境監(jiān)測業(yè)務(wù)應(yīng)用中。趙鑫等[15]在基于β射線吸收法之上，設(shè)計了可對PM2.5濃度值進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測的儀器，研究結(jié)果顯示與稱量法相比PM2.5的測量誤差相對較大，最大時誤差可達(dá)20%，PM10的測量誤差相對較小，均在5%以下。若將儀器進(jìn)行改進(jìn)其精度也會提高。左健等[16]、沈友弟[17]也皆在基于β射線吸收法的PM2.5測量技術(shù)的研究中得出同樣的結(jié)果。北京的美國大使館所使用的PM2.5監(jiān)測儀就是基于β射線吸收法監(jiān)測的[18]。

2.2.3 微量振蕩天平法

基于微量振蕩天平法研制的采樣器由空心玻璃管、濾芯等組成。該空心玻璃管一頭粗一頭細(xì)，粗頭固定，細(xì)頭裝有濾芯。工作原理為：空氣從粗頭進(jìn)，細(xì)頭出PM2.5就被截留在濾芯上。在電場的作用下，細(xì)頭以一定頻率振蕩，該頻率和細(xì)頭重量的平方根成反比，于是，根據(jù)振蕩頻率的變化算出收集到的PM2.5的重量。該方法可實(shí)現(xiàn)自動、連續(xù)監(jiān)測。除了以上3種PM2.5重量測定方法外，還有利用光散射的原理測定顆粒物濃度的方法。但是，這種方法并沒有被各國環(huán)保部門采納為標(biāo)準(zhǔn)方法，雖然目前有依據(jù)此原理制成的專業(yè)儀器在某些科研中時有運(yùn)用。該測定方法的原理是：空氣中的顆粒物濃度越高，對光的散射就越強(qiáng)；測定光的散射后，理論上就可以算出顆粒物濃度。但在實(shí)際運(yùn)用中，由于光的散射與顆粒物濃度之間的關(guān)系是受到諸多因素的影響，例如顆粒物的化學(xué)組成、形狀、比重、粒徑分布等，而這些都取決于污染源的組成。這意味著光散射和顆粒物濃度之間的換算公式隨時隨地都可能在變，需要儀器使用者不斷地用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行校正[19]。

3 PM2.5監(jiān)測站網(wǎng)建設(shè)

3.1 國外PM2.5監(jiān)測站網(wǎng)概況

目前，除美國和歐盟一些國家將PM2.5納入國標(biāo)并進(jìn)行強(qiáng)制性限制外，大部分國家都還未開展對PM2.5的監(jiān)測。美國現(xiàn)行的空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)對PM2.5和PM10同時監(jiān)測，PM2.5監(jiān)測站點(diǎn)已多達(dá)1028個，PM10監(jiān)測站點(diǎn)也已經(jīng)有702個，這些站點(diǎn)的數(shù)量和分布位置都是根據(jù)所處地的人口數(shù)量、交通環(huán)境等來設(shè)定[20]。

3.2 國內(nèi)PM2.5監(jiān)測站網(wǎng)建設(shè)

1983年，國家環(huán)境保護(hù)總局要求在部分城市建設(shè)空氣質(zhì)量連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)。近年來，各城市環(huán)境監(jiān)測站也陸續(xù)開展了PM10監(jiān)測站點(diǎn)的建設(shè)，但細(xì)微顆粒物并未被納為國家環(huán)境保護(hù)總局考核對象[5]。據(jù)中國工程院院士郝吉明介紹，目前我國已經(jīng)建成世界上最多的大氣監(jiān)測站，并且全國范圍內(nèi)的大氣細(xì)微顆粒物監(jiān)測網(wǎng)也已經(jīng)建成，形成了覆蓋全國的PM2.5觀測網(wǎng)絡(luò)和產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)，但由于我國幅員遼闊，人口分布不均，所以監(jiān)測站在京津冀布局的更為廣泛。

4 PM2.5產(chǎn)生的影響

4.1 對大氣層以及氣候產(chǎn)生的影響

即使大氣中細(xì)微顆粒物的含量比很小，但它卻對大氣環(huán)境造成了很大程度的破壞，空氣中存在的大小不一的顆粒物還會不同程度的影響了能見度[21]。顏芬[22]在調(diào)查研究中認(rèn)為，大氣氣溶膠和氣體分子會對在傳播過程中0.4～0.7 μm的可見光造成削弱，并且大氣中細(xì)微顆粒物粒徑小于2.5 μm的粒子(PM2.5)對可見光的削弱作用遠(yuǎn)大于粒徑大于2.5 μm的顆粒，也就是說PM2.5在是影響能見度的主導(dǎo)因素，PM2.5的濃度值和可見度呈負(fù)相關(guān)。在無污染的大氣環(huán)境中人類的正常可視距離為30 km左右，在被城市污染的大氣環(huán)境中人類的可視距離為5 km左右，在重度霧霾污染的大氣環(huán)境中人的可是范圍僅僅只有十幾米甚至是幾米[23]。在日常生活中，如果PM2.5的濃度值達(dá)到嚴(yán)重程度，將會大大提高大型交通事故的發(fā)生率。PM2.5也是其他大氣污染的罪魁禍?zhǔn)祝琍M2.5可以在大氣中停留很長時間，少則30 d，多則可達(dá)70 d左右，不僅停留時間長，PM2.5的流動性也很強(qiáng)，它可以被輸送到上千公里之外的范圍，造成大規(guī)模的大氣環(huán)境污染[24]。PM2.5阻礙可見光到達(dá)地面，使地球吸收太陽能量降低，導(dǎo)致氣候、溫度等受其影響，也就造成了地球表面溫度降低，地球上空溫度升高。如果這一現(xiàn)象一直持續(xù)惡化，那么地球?qū)媾R極其恐怖的冰河期[9]。

4.2 對人類健康產(chǎn)生的影響

畢曉萍[25]從氣象和醫(yī)學(xué)角度分析得出，大氣中直徑大于10 μm的顆粒物會被人類的呼吸道組織阻隔在人體外面，對人沒有危害。顆粒物直徑在2.5～10 μm范圍之內(nèi)的，可以進(jìn)入人類的上呼吸道，但是絕大多數(shù)被人通過唾液等被排出體外，對人體傷害不大。但是，直徑小于2.5 mm的顆粒物被吸入人體后，能夠到達(dá)支氣管，使得肺部氣體交換系統(tǒng)紊亂，直接導(dǎo)致人類患上哮喘、支氣管炎以及結(jié)膜炎等疾病。直徑小于2.5 μm的顆粒吸附著無機(jī)硝酸、硫酸鹽等有害物質(zhì)以及鉛、鉻、鎘等重金屬，它們會通過支氣管和肺泡進(jìn)入血液，這些有害物質(zhì)會溶于血液之中對人體造成極大的傷害。張凡等[26]通過研究發(fā)現(xiàn)PM2.5可導(dǎo)致人體肺功能和呼吸功能下降、呼吸系統(tǒng)感染、免疫能力下降，促使過敏性結(jié)膜炎惡化、心臟病發(fā)病率升高，甚至?xí)?dǎo)致不良妊娠、早產(chǎn)以及嬰兒出生體重過輕并且還會毒害生殖系統(tǒng)等。哈佛大學(xué)曾對8000名成年人進(jìn)行了長達(dá)16年的顆粒物與疾病的關(guān)系研究，結(jié)果表明PM2.5出現(xiàn)的頻率和濃度與死亡率呈正相關(guān)關(guān)系[21]。

5 PM2.5污染控制方法

從20世紀(jì)40年代開始，以美國、英國、歐盟等工業(yè)化發(fā)達(dá)的國家為代表，首先開展了對空氣污染的治理，但由于各國的大氣污染源、大氣細(xì)微顆粒物的成分及污染程度等方面的不同，各國采取控制大氣污染的方法也不盡相同。

5.1 美國

從20世紀(jì)90年代開始，美國連續(xù)頒布和實(shí)施一系列法律法規(guī)和實(shí)施嚴(yán)格地污染控制措施，諸如《清潔空氣能見度條例》、《清潔空氣州際條例》等[27]。并且積極提高先進(jìn)的科技水平來控制顆粒物的排放，如柴油機(jī)改造、改用新型壁爐等使得大氣顆粒物的排放量、煤煙型污染和酸雨基本得到了控制[28]。

5.2 歐盟

歐盟各成員國根據(jù)歐盟的大氣環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合本國現(xiàn)實(shí)情況制訂了符合各自國情的法律法規(guī)。總結(jié)歐盟各成員國對一次顆粒物采取的減排方法措施主要是：改用新型燃料能源(傳統(tǒng)的煤發(fā)電改為氣發(fā)電)、大氣污染治理措施升級(提高工業(yè)污染防治設(shè)備的性能)。經(jīng)過長期的發(fā)展，歐盟對大氣污染的控制技術(shù)逐漸成熟，其取得了顯著的成效。從20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初期，經(jīng)過各成員國長達(dá)20年的共同努力，歐洲經(jīng)濟(jì)區(qū)PM10的總排放量下降了27%。自20世紀(jì)末期以來，城市環(huán)境中SO2、NOX、NHX以及揮發(fā)性有機(jī)物等氣態(tài)前體物轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的大氣細(xì)微顆粒物其危害和數(shù)量超過了生產(chǎn)生活中的直接排放的細(xì)微顆粒物，因此從1999年開始，歐盟開始把注意力放在了臭氧和大氣細(xì)微顆粒物的二次污染，各成員國開始采取綜合治理手段，如低硫燃料替代高硫燃料、機(jī)動車減排、開發(fā)新能源汽車、政府大力推行智能交通系統(tǒng)等[28～30]。

5.3 中國

我國對大氣顆粒物的研究起步較晚，但由于工業(yè)化和城市化的迅速發(fā)展，我國城市空氣污染愈發(fā)嚴(yán)重和普遍，大氣污染給人們帶來的危害也越來越大，我國有關(guān)研究人員便開始了積極的調(diào)查研究，也相繼出臺了一系列相關(guān)的法律法規(guī)。但在我國經(jīng)常會出現(xiàn)這樣尷尬的一面：我國官方發(fā)布的空氣質(zhì)量優(yōu)良，但公布的結(jié)果和個人的主觀感受大相徑庭，而且美國大使館發(fā)布的環(huán)境質(zhì)量卻差的爆表。之所以會出現(xiàn)這一現(xiàn)象，是因為我國日常環(huán)境空氣檢測系統(tǒng)沒有把大氣細(xì)微顆粒物作為監(jiān)測對象[30，31]。我國于1982年首次發(fā)布了《大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-82)，之后相繼進(jìn)行了三次修訂，但是細(xì)微顆粒物均沒被納入環(huán)境空氣污染物一般項目，2008年環(huán)境保護(hù)部下達(dá)了修訂《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-1996)項目計劃，此次修訂將細(xì)微顆粒物納入環(huán)境空氣污染物一般項目[32]。“十二五”規(guī)劃中將脫硫脫硝作為環(huán)保重點(diǎn)，并且2012年國務(wù)院同意發(fā)布新修訂的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[33]。目前，從能源利用結(jié)構(gòu)來看，我國煤炭在能源結(jié)構(gòu)中占3/4的比重，而且傳統(tǒng)的煙煤型污染大氣污染特征正在悄然發(fā)生轉(zhuǎn)變，現(xiàn)在正在向復(fù)合型污染轉(zhuǎn)變，這也就是說顆粒物污染帶來的危害將會更大 ，對其管控也將會更加棘手。據(jù)研究調(diào)查顯示，1996年我國機(jī)動車保有量為800多萬輛，截至2017年年底，我國機(jī)動車保有量已達(dá)3.1億輛。隨著我國機(jī)動車數(shù)量猛速增長，汽車尾氣排放的顆粒物已然成為從城市大氣污染的罪魁禍?zhǔn)譡34]。顆粒物的來源和化學(xué)成分過于復(fù)雜，由氧化硫和氧化氮等形成的二次顆粒物成為了最主要污染物，所以政府應(yīng)該統(tǒng)籌兼顧，形成多污染物、多污染源協(xié)同控制的觀念，加大對煤資源使用的監(jiān)管力度，從源頭抓起，嚴(yán)格管控住煤污染的排放源(淘汰燃煤鍋爐等)，提高設(shè)備性能。在針對汽車尾氣排放方面的主要措施有：①提高汽油和柴油品質(zhì)，②加強(qiáng)對企業(yè)的監(jiān)管，嚴(yán)禁生產(chǎn)銷售未達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)的車輛,③開發(fā)清潔能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃料[5,35]。

6 結(jié)語

之前我國對PM2.5的監(jiān)測不夠廣泛，不夠連續(xù)，得到的結(jié)果具有局域性，數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性較差，有限的數(shù)據(jù)不能夠真實(shí)有效的反映我國顆粒物污染的整體現(xiàn)狀。隨著PM2.5的危害越來越大，范圍越來越廣，政府和人民也對PM2.5的監(jiān)測更加重視，“十二五”規(guī)劃以來，我國大氣環(huán)境監(jiān)測單項技術(shù)成績突出，并且全國范圍的PM2.5監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)已建成，但由于地域和人口分布等因素，監(jiān)測站點(diǎn)在東部沿海地區(qū)分布更為廣泛。隨著我國汽車保有量的快速增漲，汽車尾氣對人的健康威脅越來越大，我國應(yīng)當(dāng)借鑒國際上其他國家室內(nèi)PM2.5的控制標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合我國國情盡快制定符合我國目前情況的室內(nèi)PM2.5的控制標(biāo)準(zhǔn)。同時政府應(yīng)當(dāng)加大力度開發(fā)和推廣新型清潔能源，使用電汽車代替燃油汽車，加大環(huán)保宣傳力度。在城市建設(shè)中建設(shè)用地和綠化用地應(yīng)保持平衡，遵循見縫插綠的理念，利用植物的降塵、滯塵等作用消減PM2.5對人體的危害。