太原市臭氧污染防控研究思路分析

司雷霆， 王 浩， 李 洋

(1.山西科城環(huán)保產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新研究院，山西 太原 030031；2.山西麗浦環(huán)境檢測(cè)有限公司，山西 太原 030032)

1 概述

環(huán)境空氣中的臭氧(近地面臭氧)在大氣化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中起著重要的作用，過(guò)量臭氧會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害，影響動(dòng)、植物的生長(zhǎng)和人體健康[1]。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)全球化和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)城市化和工業(yè)化進(jìn)程明顯加快，臭氧污染事件在城市中頻發(fā)。在大氣污染的嚴(yán)峻形勢(shì)下，國(guó)家出臺(tái)了一系列相關(guān)政策，各省市也不斷推進(jìn)臭氧污染防治，雖取得了一定效果，但在大部分城市中，臭氧污染問題仍然較為突出。

生態(tài)環(huán)境部公布的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2016年，全國(guó)338個(gè)地級(jí)及以上城市中，PM2.5平均質(zhì)量濃度為47 μg/m3，比2015年下降6.0%，臭氧日最大8 h平均質(zhì)量濃度為138 μg/m3，比2015年上升3.0%；2017年，全國(guó)338個(gè)地級(jí)及以上城市中，PM2.5平均質(zhì)量濃度為43 μg/m3，同比下降8.5%，臭氧日最大8 h平均質(zhì)量濃度為149 μg/m3，同比上升8.0%；2018年，全國(guó)338個(gè)地級(jí)及以上城市中，PM2.5質(zhì)量濃度為39 μg/m3，同比下降9.3%，臭氧日最大8 h平均質(zhì)量濃度為151 μg/m3，同比上升1.3%。整體來(lái)看，臭氧年均值呈穩(wěn)定增長(zhǎng)的趨勢(shì)，以臭氧為特征污染物的大氣光化學(xué)污染已成為我國(guó)城市區(qū)域越來(lái)越突出的大氣環(huán)境問題。

近地面臭氧主要來(lái)源于平流層臭氧的輸送和對(duì)流層的光化學(xué)反應(yīng)[2]。由人類活動(dòng)排放的氮氧化物(NOx)和揮發(fā)性有機(jī)物(volatile organic compounds，VOCs)經(jīng)過(guò)復(fù)雜大氣化學(xué)過(guò)程所產(chǎn)生的二次污染是近地面臭氧的主要來(lái)源[3]。空氣中的VOCs作為臭氧生成的重要前體物，直接或間接地危害著人類健康，其光化學(xué)反應(yīng)主導(dǎo)著光化學(xué)煙霧的進(jìn)程，對(duì)城市區(qū)域環(huán)境大氣中近地面臭氧的產(chǎn)生有著至關(guān)重要的影響[4]。

VOCs種類繁多，化學(xué)結(jié)構(gòu)迥異，大氣化學(xué)反應(yīng)的能力各異，形成臭氧的活性也大相徑庭，并且不同區(qū)域由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度等差異較大，其VOCs來(lái)源和組成差異也較大。因此，研究各區(qū)域VOCs的濃度水平、組成特征、時(shí)空分布特征、排放來(lái)源、臭氧生成潛勢(shì)等特征，明確區(qū)域內(nèi)生成臭氧的VOCs關(guān)鍵物種，研究區(qū)域臭氧生成潛勢(shì)，有助于精準(zhǔn)把握城市區(qū)域內(nèi)臭氧污染防治的主控方向，從而能夠提出針對(duì)性的管控措施。本文通過(guò)結(jié)合太原市臭氧污染研究現(xiàn)狀，分析了下一步臭氧污染防治的研究思路，旨在為進(jìn)一步的研究提供一些參考。

2 現(xiàn)狀及存在問題

近年來(lái)，以臭氧污染為特征的光化學(xué)污染問題，成為困擾和影響太原市改善環(huán)境空氣質(zhì)量、保護(hù)市民健康的重大環(huán)境問題。太原市生態(tài)環(huán)境局公布的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2013年-2018年，太原市PM2.5年均濃度逐年降低的同時(shí)，臭氧濃度呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)。2015年太原市臭氧年均值較2014年增長(zhǎng)20.7%，較2013年增長(zhǎng)1.5%；2017年太原市市區(qū)環(huán)境空氣中臭氧日最大8 h平均質(zhì)量濃度為185 μg/m3，與2016年相比臭氧年均值上升32.14%；2018年在太原市353個(gè)非一級(jí)天數(shù)中，以臭氧為首要污染物的天數(shù)為100 d，占比達(dá)到28.3%，臭氧年均濃度相比2017年上升3.2%。從臭氧濃度變化趨勢(shì)分析，其呈現(xiàn)持續(xù)抬升態(tài)勢(shì)，臭氧成為繼PM2.5后的另一項(xiàng)主要污染物。因此，在當(dāng)前“治霾”的同時(shí)，如何協(xié)同緩解太原市的臭氧污染，已經(jīng)成為當(dāng)前太原市大氣環(huán)境保護(hù)工作亟待解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

盡管目前相關(guān)研究單位對(duì)太原市人為源VOCs排放清單及不同排放來(lái)源臭氧貢獻(xiàn)初步開展了研究，并且借助環(huán)境空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，初步了解了全市近地面大氣臭氧濃度水平的變化規(guī)律。但研究成果尚未對(duì)全市區(qū)域建立較為完善的源分類分級(jí)、高分辨率的精細(xì)化清單，無(wú)法給出VOCs排放的定量結(jié)果，無(wú)法有效地為VOCs控制和臭氧污染的管控提供科學(xué)指導(dǎo)。基于VOCs研究的臭氧污染防治領(lǐng)域，太原市工作基礎(chǔ)仍然十分薄弱，主要表現(xiàn)在：1) 城市尺度內(nèi)環(huán)境大氣VOCs和臭氧濃度水平、時(shí)空分布特征、組分不清，VOCs與臭氧濃度的響應(yīng)關(guān)系不明；2) 環(huán)境VOCs來(lái)源不清；3) 重點(diǎn)行業(yè)VOCs源排放成分譜不清；4) 大氣VOCs優(yōu)先控制物種不清等。上述現(xiàn)狀，導(dǎo)致當(dāng)前揮發(fā)性有機(jī)物治理和臭氧污染防治科學(xué)性和針對(duì)性相對(duì)不足。為了實(shí)現(xiàn)VOCs的科學(xué)減排和大氣環(huán)境臭氧污染的精準(zhǔn)調(diào)控，亟需對(duì)太原市區(qū)域內(nèi)VOCs的相關(guān)特征及其臭氧生成潛勢(shì)進(jìn)行進(jìn)一步研究，以便開展太原市基于化學(xué)反應(yīng)活性控制的臭氧防控工作。

3 研究思路分析

在下一步的研究中，應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)就太原市大氣VOCs污染特征、來(lái)源、重點(diǎn)源成分譜及優(yōu)先控制物種進(jìn)一步開展研究；建立太原市VOCs人為源排放清單；篩選VOCs排放重點(diǎn)源，構(gòu)建基于組分的VOCs人為源清單和重點(diǎn)源VOCs成分譜庫(kù)；結(jié)合大氣環(huán)境VOCs觀測(cè)，摸清太原市大氣VOCs濃度和化學(xué)組成的空間分布特征，開展臭氧生成潛勢(shì)(ozone formation potential，OFP)分析及基于OFP的VOCs污染源分級(jí)，識(shí)別誘發(fā)臭氧生成的VOCs關(guān)鍵物種和優(yōu)先控制的重點(diǎn)源項(xiàng)及主控區(qū)域。具體思路如下：

1) 建立太原市VOCs源排放清單

對(duì)太原市VOCs人為源進(jìn)行分類分級(jí)，收集排放源活動(dòng)水平和選取合適的排放因子，編制高分辨率、精細(xì)化的太原市人為源VOCs排放清單，并進(jìn)行清單的空間分配。

2) 研究太原市環(huán)境空氣中VOCs時(shí)空分布規(guī)律

在太原市城區(qū)合理布點(diǎn)，針對(duì)臭氧超標(biāo)明顯的夏季進(jìn)行采樣和分析，結(jié)合太原市主城區(qū)常規(guī)監(jiān)測(cè)污染物(SO2、NOx、CO、O3、PM2.5、PM10)數(shù)據(jù)，深入分析大氣環(huán)境中VOCs濃度及相關(guān)組分的空間分布規(guī)律及時(shí)間變化特征，基于觀測(cè)的臭氧與VOCs之間濃度變化的響應(yīng)關(guān)系，以及其在不同城區(qū)的區(qū)域變化特征。

3) 構(gòu)建重點(diǎn)行業(yè)人為源VOCs源譜庫(kù)

結(jié)合太原市涉VOCs排放的固定源和無(wú)組織源分布、排放情況，及目前國(guó)家及山西省VOCs防控的重點(diǎn)行業(yè)特點(diǎn)(包括有機(jī)化工、表面涂裝、包裝印刷、橡膠和塑料制品制造、醫(yī)藥制造、焦化、電力等)，建立本地化重點(diǎn)行業(yè)人為源VOCs源成分譜庫(kù)，并結(jié)合VOCs源排放清單，建立分組分的VOCs人為源排放清單。

4) 臭氧生成潛勢(shì)分析

采用最大增量反應(yīng)活性系數(shù)法(MIR系數(shù)法)，對(duì)VOCs組分排放清單及環(huán)境空氣中VOCs主要組分均進(jìn)行OFP估算，并將基于源清單的OFP估算結(jié)果與基于環(huán)境空氣中VOCs觀測(cè)數(shù)據(jù)的OFP相互比較和驗(yàn)證，識(shí)別控制太原市臭氧生成的關(guān)鍵VOCs物種及來(lái)源、本地重點(diǎn)污染源、重點(diǎn)區(qū)域等。

5) 提出太原市大氣臭氧污染防治策略

根據(jù)太原市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的狀況和環(huán)境保護(hù)要求，基于實(shí)地調(diào)查及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，利用建立的VOCs源清單網(wǎng)絡(luò)化結(jié)果，明確重點(diǎn)區(qū)域(具體到區(qū)縣)及其基于OFP的優(yōu)先控制污染源，結(jié)合前期環(huán)境空氣VOCs研究中分析所得的污染區(qū)域、時(shí)段及重點(diǎn)來(lái)源，綜合考慮太原市目前企業(yè)采取的VOCs治理技術(shù)及運(yùn)用現(xiàn)狀、排放標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)施情況，分區(qū)域、分行業(yè)提出差別化臭氧污染防治策略。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究思路以減緩臭氧污染為主要目標(biāo)，擬在在同步觀測(cè)的基礎(chǔ)上，掌握太原市大氣VOCs濃度水平、化學(xué)組成、空間分布特征等；通過(guò)多種途徑獲取本地污染源排放信息，提高排放估算的準(zhǔn)確性；建立高精度、分組分的太原市VOCs排放清單，分析區(qū)域內(nèi)的VOCs排放強(qiáng)度、排放來(lái)源和排放量的空間分布特征；建立太原市重點(diǎn)源VOCs成分源譜庫(kù)，結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研獲取最新源譜并進(jìn)行校正，確保譜庫(kù)正確反映VOCs排放的組分特征；開展OFP研究，探討太原市形成臭氧的關(guān)鍵物種、重點(diǎn)污染源、主控區(qū)域，研究提出分區(qū)域、分行業(yè)差別化的臭氧污染防治策略，為太原市臭氧污染防治提供技術(shù)支撐。