吳善兵

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我國(guó)PM2.5的組成來源及控制技術(shù)綜述

吳善兵

河南省信陽市環(huán)境監(jiān)測(cè)站

霧霾天氣的頻繁出現(xiàn)，給人們的日常生活和身體健康帶來諸多不利影響，如何改善環(huán)境空氣質(zhì)量成為人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點(diǎn)。而造成霧霾天氣、降低能見度、影響交通安全的主要因素就是PM2.5。該文在對(duì)PM2.5的組成特性、來源危害等方面進(jìn)行多角度分析和總結(jié)的基礎(chǔ)上，通過介紹國(guó)內(nèi)現(xiàn)有PM2.5控制技術(shù)，提出今后的發(fā)展方向，為后續(xù)研究提供理論參考。

PM2.5特性 來源 危害 控制技術(shù)

長(zhǎng)期以來，我國(guó)都是以二氧化硫、二氧化氮和可吸入顆粒物等9項(xiàng)大氣污染指標(biāo)作為反映空氣污染指數(shù)、衡量環(huán)境空氣質(zhì)量狀況的指標(biāo)依據(jù)，直到2011年秋末冬初，北京環(huán)境監(jiān)測(cè)部門發(fā)布的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)報(bào)告與美國(guó)駐京大使館公布的監(jiān)測(cè)結(jié)果以及公眾的實(shí)際感受產(chǎn)生明顯差異，“PM2.5”這一專業(yè)術(shù)語，迅速成為人們廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)話題。

1 PM2.5的定義及組成

1.1 定義

PM2.5，英文全稱為Particulate Matter2.5，簡(jiǎn)稱為PM2.5，是指懸浮在空氣中，空氣動(dòng)力學(xué)直徑≤2.5μm 的顆粒物[1]。

在大氣化學(xué)里，按照粒徑的大小，物質(zhì)粒子分為三大類，即愛根核、大核和巨核。粒徑小于0.05微米的粒子稱為愛根核；粒徑大于0.05微米而小于2微米的粒子稱為大核；粒徑大于2微米的粒子稱為巨核。PM2.5主要由大核粒子和愛根核粒子組成。還有一些專家，把小于2微米的粒子稱為細(xì)粒子，大于2微米的粒子稱為粗粒子。所以PM2.5也被稱為細(xì)粒子[2]。

1.2 化學(xué)組成

PM2.5的成分很復(fù)雜，它本身是一種粒徑很小的顆粒物，比表面積大，極易富集空氣中的有毒有害物質(zhì)，受來源、粒徑、所處氣候條件等因素影響，其組成主要包括無機(jī)元素、水溶性無機(jī)鹽、有機(jī)物和含碳組分等，其中水溶性無機(jī)鹽和含碳組分是PM2.5的主要組分，其質(zhì)量濃度之和超過PM2.5質(zhì)量濃度的50%。水溶性無機(jī)鹽的主要成份有: 硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽。無機(jī)元素的主要成份為: 硫、溴、氯、砷、銫、銅、鉛、鋅、鋁、硅、鈣、磷、鉀、釩、鈦、鐵、錳等。有機(jī)化合物的主要成份有: 揮發(fā)性有機(jī)物(VOC) 、多環(huán)芳烴(PAH) 等;此外還有元素碳( EC) ; 有機(jī)碳( OC) ;微生物，如細(xì)菌、病毒、霉菌等[3~5]。

2 PM2.5的來源

一般來說，PM2.5的產(chǎn)生來源主要有自然來源和人為來源兩種，雖然自然過程也會(huì)產(chǎn)生PM2.5，如風(fēng)揚(yáng)塵土、火山灰、森林火災(zāi)、漂浮的海鹽、花粉、真菌孢子、細(xì)菌等，但其主要來源還是人類在生產(chǎn)生活過程中的排放物，并且其危害相對(duì)較大。人類既可以直接排放PM2.5，也可以通過排放某些氣體污染物，然后在空氣中轉(zhuǎn)變?yōu)镻M2.5[6]。PM2.5的化學(xué)成份中有機(jī)碳、碳黑、粉塵，屬于原生顆粒物，被稱為一次顆粒物。硫酸銨(亞硫酸銨)、硝酸銨等，是由人類活動(dòng)排放或自然產(chǎn)生的二氧化硫和二氧化氮等，在大氣中經(jīng)過光化學(xué)反應(yīng)形成的二次污染物，所以被稱為二次顆粒物。

一次顆粒物中的碳黑粒子主要來源于汽車尾氣排放、鍋爐燃燒、廢棄物焚燒、露天燒烤、秸稈焚燒和居民柴草燃燒等過程。粉塵主要來自道路交通、建筑工地和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的揚(yáng)塵。在一次顆粒物的各個(gè)來源中，PM2.5所占的比例相差較大，道路揚(yáng)塵與建筑揚(yáng)塵以粗顆粒為主，由燃料燃燒產(chǎn)生的顆粒物，則以細(xì)顆粒PM2.5為主。

硫酸銨的前體物是二氧化硫（SO2），主要來源于燃燒高硫煤的鍋爐；硝酸銨的前體物是氮氧化物（NOX），主要來源于鍋爐與燃油機(jī)動(dòng)車，氨（NH3）主要來源于化肥生產(chǎn)、動(dòng)物糞便、焦炭生產(chǎn)、冷凍車間和控制NOX的鍋爐（NH3作為降解劑）。在二次粒子的生成過程中，大氣相對(duì)濕度起著至關(guān)重要的作用。相對(duì)濕度不僅是決定二次粒子的生成和低空的累積的重要條件，而且是決定二次粒子粒徑增大與散射率變化的首要條件[5]。

我國(guó)各地區(qū)之間PM2.5的產(chǎn)生來源受不同流域和地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、地理環(huán)境狀況、能源構(gòu)成結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝方法以及機(jī)構(gòu)管理方式等的不同而差異明顯。朱先磊等[7]利用CMB 受體模型解析出北京市PM2.5的主要來源為燃煤、揚(yáng)塵、機(jī)動(dòng)車排放、建筑塵、生物質(zhì)燃燒、二次硫酸鹽和硝酸鹽以及有機(jī)物。肖致美等[8]解析寧波市環(huán)境空氣中PM2.5的來源，結(jié)果表明城市揚(yáng)塵、煤煙塵、機(jī)動(dòng)車尾氣塵、二次硫酸鹽、硝酸鹽和SOC是重要貢獻(xiàn)源，分擔(dān)率分別為19. 9%、14. 4%、15. 2%、16. 9%、9. 78% 和8. 85%。除此之外，香煙產(chǎn)生的煙霧其實(shí)是室內(nèi)PM2.5的主要來源[4]。

綜合看，主要有以下幾種方式[3~10]: 化石燃料不完全燃燒；炭燃料高溫燃燒過程中產(chǎn)生的一次有機(jī)碳，和一次有機(jī)碳發(fā)生光化學(xué)變化生成的二次有機(jī)碳；機(jī)車尾氣排放的二次轉(zhuǎn)化物；燃料高溫燃燒；室內(nèi)裝修；建筑塵；土壤層塵；鋼鐵塵；煙草燃燒。

3 PM2.5的危害

PM2.5的基本特征是：粒徑小、重量輕，在大氣中的滯留時(shí)間長(zhǎng)，可以被大氣環(huán)流輸送到很遠(yuǎn)的地方，造成大范圍的空氣污染。從毒理學(xué)角度看，這為一些細(xì)菌、病毒、重金屬和致癌物質(zhì)提供了良好的載體，PM2.5不易被鼻腔和呼吸道阻攔，極易被帶入人體，并在人體內(nèi)滯留，從而加劇對(duì)人體健康的損害[11]。研究表明，PM2.5的危害主要表現(xiàn)為對(duì)環(huán)境的影響、對(duì)人體健康的危害以及對(duì)農(nóng)作物的影響等多方面。

3.1 PM2.5對(duì)環(huán)境的影響

PM2.5是產(chǎn)生霧霾天氣的主要原因之一，這種天氣嚴(yán)重地降低了空氣的能見度，對(duì)地面交通安全和飛機(jī)的起降，構(gòu)成安全隱患，甚至?xí)?dǎo)致一系列交通事故，造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，每當(dāng)出現(xiàn)霧霾天氣時(shí)，高速公路和機(jī)場(chǎng)通常會(huì)封閉運(yùn)行，這樣不僅為人們的出行帶來諸多不便，而且還間接地造成了大量的經(jīng)濟(jì)損失。

有研究表明，PM2.5與大氣能見度線性相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.96[12]，能見度降低時(shí)，PM10和PM2.5濃度明顯增加，且與細(xì)顆粒物呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即顆粒物粒徑越小對(duì)能見度的影響越明顯[13]。Sloane 等[14]提出能見度降低的主要原因是氣體污染物和大氣顆粒物對(duì)光的吸收和散射減弱了光信號(hào)，使物體和環(huán)境背景之間對(duì)比度降低。不少學(xué)者認(rèn)為硫酸鹽顆粒對(duì)光的散射效應(yīng)最強(qiáng)，但Appel 等[15]認(rèn)為，硝酸鹽顆粒對(duì)光的散射效應(yīng)比硫酸鹽顆粒更強(qiáng)，也有學(xué)者認(rèn)為，PM2.5對(duì)光的吸收效應(yīng)幾乎全部是由碳黑和含有碳黑的細(xì)顆粒造成，其引起的消光效應(yīng)在某些地方甚至可降低一半以上的能見度。劉巖磊等[16]認(rèn)為PM2.5含有大量的硫酸與硫酸鹽、硝酸與硝酸鹽、烴類等粒子，當(dāng)其濃度增高時(shí)，直接造成陰霾天氣，從而使大氣渾濁，視野模糊并導(dǎo)致能見度惡化，當(dāng)水平能見度小于10km 時(shí)，所造成的一種非水霧組成的氣溶膠系統(tǒng)的視野障礙。因此，PM2.5是導(dǎo)致大氣能見度降低的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

3.2 PM2.5對(duì)人體健康的危害

空氣中PM2.5也存在于正常天氣時(shí)，而不僅僅是在灰霾天氣時(shí)才存在，并且它對(duì)人體的危害非常大。PM2.5對(duì)人體健康造成的危害常常是多方面的，不僅對(duì)呼吸系統(tǒng)危害驚人，對(duì)心血管、神經(jīng)系統(tǒng)等也有極壞影響。目前認(rèn)為PM2.5主要通過引起肺炎癥反應(yīng)以及氧化損傷，引發(fā)系統(tǒng)性炎癥反應(yīng)與神經(jīng)調(diào)節(jié)改變，從而影響呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)等。流行病學(xué)研究表明，心律失常、心肌梗死、心力衰竭、動(dòng)脈粥樣硬化、冠心病[17~18]等都與PM2.5暴露有關(guān)。

人類在呼吸的過程中，直徑為5μm以上的顆?？梢缘綒夤苤夤埽?μm以下，特別是1~3μm的顆粒，就會(huì)進(jìn)入肺泡里，肺泡在進(jìn)行氣體交換的同時(shí)，這些顆粒被巨噬細(xì)胞吞噬，而永遠(yuǎn)停留在肺泡里，或者溶解在血液，隨血液循環(huán)到達(dá)全身各處，此外它還可以作為細(xì)菌病毒的載體，對(duì)人體造成危害[6]。

世界衛(wèi)生組織在2005年版《空氣質(zhì)量準(zhǔn)則》中也指出：當(dāng)PM2.5年均濃度達(dá)到每立方米35μg 時(shí)，人的死亡風(fēng)險(xiǎn)比每立方米10μg的情形約增加15%。一份來自聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署的報(bào)告稱，PM2.5每立方米的濃度上升20mg，中國(guó)和印度每年會(huì)有約34×104人死亡。據(jù)統(tǒng)計(jì)，歐盟國(guó)家中，PM2.5導(dǎo)致人均壽命減少8.6個(gè)月。而當(dāng)污染較輕時(shí)，首先對(duì)易感人群，即兒童、老人、呼吸性疾病及心血管疾病患者產(chǎn)生影響，隨著霧霾的增加污染也不斷增加，繼而影響到全體人群。

氣象專家和醫(yī)學(xué)專家認(rèn)為，由細(xì)顆粒物造成的灰霾天氣對(duì)人體健康的危害甚至比沙塵暴還大。粒徑10μm以上的顆粒物，會(huì)被擋在人的鼻子外面；粒徑在2.5μm至10μm之間的顆粒物，能夠進(jìn)入上呼吸道，但部分可通過痰液等排出體外，另外也會(huì)被鼻腔內(nèi)部的絨毛阻擋，對(duì)人體健康危害相對(duì)較?。欢皆?.5μm以下的細(xì)顆粒物，不易被阻擋，被吸入人體后會(huì)直接進(jìn)入支氣管，干擾肺部的氣體交換，引發(fā)包括哮喘、支氣管炎和心血管病等方面的疾病[19]。

一般情況下，粒徑在100μm以上的塵粒會(huì)很快在大氣中沉降，10μm以上的塵?？梢詼粼诤粑乐校?～10μm的塵粒大部分會(huì)在呼吸道沉積，被分泌的粘液吸附，可以隨痰排出；小于5μm的塵?？梢陨钊敕尾浚?.01～0.1μm的塵粒，50%以上將沉積在肺腔中，引起各種塵肺病[20]。大氣顆粒物的表面可以吸附空氣中的各種有害氣體及其他污染物，而成為它們的載體，如可以承載重金屬、強(qiáng)致癌物質(zhì)多環(huán)芳烴及其他細(xì)菌等，使得職業(yè)性癌癥的發(fā)病率升高[21~22]。環(huán)境流行病學(xué)研究表明，從輕微的呼吸系統(tǒng)癥狀的產(chǎn)生到心肺疾病門診人數(shù)和死亡率的增加都與大氣污染有密切關(guān)系[23]。潘小川的研究報(bào)告指出：2004年～2006年期間，當(dāng)北京大學(xué)校園觀測(cè)點(diǎn)的PM2.5日均濃度增加時(shí)，在約4km以外的北京大學(xué)第三醫(yī)院，心血管病急診患者數(shù)量也有所增加。盡管PM10和PM2.5都是心血管病的危險(xiǎn)因素，但PM2.5的影響顯然更大[24]。錢孝琳等[25]在“PM2.5污染與居民每日死亡關(guān)系分析”中建立了居民短期PM2.5暴露反應(yīng)關(guān)系，并指出PM2.5濃度每升高100μg/m3，居民死亡發(fā)生率增加12.07%。閆慶倩等[26]利用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)比較廣州、東莞、深圳和肇慶4 個(gè)城市的大氣PM2.5對(duì)呼吸系統(tǒng)的毒性作用，結(jié)果顯示，PM2.5可使大鼠肺組織發(fā)生氧化應(yīng)激損傷和炎性反應(yīng)。趙學(xué)彬等[27]則研究這4個(gè)城市的大氣PM2.5對(duì)血管內(nèi)皮細(xì)胞的毒性作用，認(rèn)為NO、SOD、LDH與細(xì)胞存活率有關(guān)聯(lián)，氧化應(yīng)激損傷可能是其作用機(jī)制之一。

3.3 PM2.5對(duì)植物和農(nóng)作物的影響

影響植物和農(nóng)作物生長(zhǎng)的因素有很多，除去其本身的遺傳因素外，大多為環(huán)境因素。它涵蓋溫度供應(yīng)、水分供應(yīng)、輻射能、大氣組成、土壤結(jié)構(gòu)和土壤組成、生物因素等。PM2.5引起的灰霾天氣，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)也產(chǎn)生巨大的破壞作用。植物枝葉上沉積過多的粉塵不但影響外觀，而且妨礙光合作用，導(dǎo)致植物枯死[28]。同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物的日照百分比大大減小，從而減弱了農(nóng)作物的光合作用。并且出現(xiàn)灰霾天氣時(shí)，空氣濕度多在80%~90%之間，這使農(nóng)作物的蒸騰作用大大降低，進(jìn)而直接影響到了它們對(duì)土壤礦物質(zhì)的吸收。上文中我們已經(jīng)知道PM2.5大部分來源于汽車尾氣排放，其過低的排放高度不僅對(duì)人體造成危害，同時(shí)也影響到了土壤的質(zhì)量。它改變了土壤的酸堿性，使其含有的重金屬、有毒物質(zhì)增多，不再適應(yīng)原農(nóng)作物生長(zhǎng)。農(nóng)作物大多會(huì)出現(xiàn)病蟲害甚至萎蔫干枯，由此導(dǎo)致的減產(chǎn)高達(dá)25%[6]。

4 PM2.5的控制技術(shù)

PM2.5受其來源不同的影響難以控制，不但要采取有效措施控制一次粒子，還必須控制極具難度的形成二次粒子的前體物，如NOx、SO2、VOC 等。

控制一次粒子必須改進(jìn)現(xiàn)有除塵器，進(jìn)一步提高除塵效率。國(guó)內(nèi)外許多研究人員對(duì)PM2.5脫除機(jī)理和運(yùn)行工藝進(jìn)行了研究，提出相對(duì)高效且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的控制技術(shù): 濕式電除塵器、電—袋混合式除塵器和凝并器。濕式電除塵器能夠提供比干式電除塵器高出幾倍的電暈功率，從而大大提高PM2.5的捕集效率，且不存在粉塵收集后的再飛揚(yáng)。電—袋混合式除塵器實(shí)現(xiàn)了電除塵和袋除塵的結(jié)合，通過調(diào)整各自負(fù)荷，還可以適應(yīng)更廣泛性質(zhì)的塵粒。凝并是細(xì)微顆粒間發(fā)生碰撞接觸結(jié)合成為較大顆粒的過程，凝并技術(shù)主要有: 聲凝并、電凝并、磁凝并、化學(xué)凝并等，電凝并已取得實(shí)用成果[29]。

二次粒子控制的重點(diǎn)是控制其前體物: NOx、SO2、VOC。NOx控制方法主要有三類: 燃料脫氮、改進(jìn)燃燒方式和生產(chǎn)工藝、煙氣脫硝，其中煙氣脫硝是現(xiàn)階段控制NOx最重要的方法，工業(yè)應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，但凈化效率不高，NH3和燃料氣消耗量大[30]。SO2控制技術(shù)主要是煙氣脫硫，按工藝特點(diǎn)分為干法、半干法和濕法三大類，其中濕法煙氣脫硫技術(shù)應(yīng)用最為成熟，利用石灰或石灰石作為吸收劑，吸收凈化煙氣中SO2，反應(yīng)生成亞硫酸鈣，再將這一產(chǎn)物氧化成石膏( CaSO4·2H2O) 。VOC 的控制技術(shù)主要是回收技術(shù)和銷毀技術(shù)，回收技術(shù)是一種物理方法，該技術(shù)通過改變溫度、壓力或采用選擇性催化技術(shù)等[31]。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著以PM2.5為主要因素形成的霧霾天氣的頻繁出現(xiàn)，使得粒徑更小，對(duì)人體健康、能見度和氣候變化影響更為重要的大氣細(xì)顆粒物PM2.5污染問題越來越突出，已成為嚴(yán)重影響城市環(huán)境空氣質(zhì)量和公眾健康的公害之一。目前國(guó)內(nèi)對(duì)PM2.5相關(guān)性研究還不夠深入，針對(duì)可吸入顆粒物，尤其是PM2.5的控制力度尚待加強(qiáng)；對(duì)超細(xì)顆粒的系統(tǒng)研究較少；對(duì)先進(jìn)抑塵技術(shù)深入研究和引進(jìn)力度不大。因此，控制PM2.5的污染是當(dāng)前一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)，一方面應(yīng)加強(qiáng)對(duì)超細(xì)顆粒的源解析研究，結(jié)合PM2.5自身的特點(diǎn)，利用國(guó)外在PM2.5方面已取得的經(jīng)驗(yàn)和研究成果，收集研究區(qū)域的污染特征譜，考慮當(dāng)?shù)貧庀髼l件，運(yùn)用先進(jìn)的采集、分析技術(shù)，并結(jié)合各種源解析技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)出適合當(dāng)?shù)丨h(huán)境特點(diǎn)的源解析模型；另一方面在吸收和引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，加大對(duì)顆粒物特別是超細(xì)顆粒物凝并技術(shù)研究的支持力度，結(jié)合具體的實(shí)例和應(yīng)用效果，不斷探索出控制PM2.5的最佳實(shí)用技術(shù)。

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