蔣秋靜 ,李躍宇 ,胡新新 ,盧 彬 ,陶 澍 ,王 戎 (.太原市環(huán)境科學研究院,山西 太原 03000；.北京大學城市與環(huán)境學院,北京 0087)

多環(huán)芳烴(PAHs)是指分子中含有2個以上苯環(huán)的碳氫化合物,是有機高分子化合物在高溫(500～800℃)下不完全燃燒,熱解后形成的物質在低溫(100～300℃)狀態(tài)下重組而成的有機化合物[1].PAHs來源分為自然源和人為源,前者主要來自于森林和草原火災、火山爆發(fā)及植物合成;后者主要來源于有機物,如煤、石油等的不完全燃燒.PAHs由于其致癌性及在環(huán)境中長期穩(wěn)定存在,對生態(tài)環(huán)境和人體健康構成嚴重威脅,受到國內外學者的廣泛關注.在美國國家環(huán)境保護局(US EPA)公布的129種優(yōu)先控制污染物中,PAHs就占了16種[2].估算其排放量對于研究PAHs對人體健康的影響[3],為遠距離輸送提供基礎數(shù)據(jù)[4]和PAHs的防控均具有重要意義.

DONG等[5]研究韓國蔚山市PAHs的排放情況,發(fā)現(xiàn)其排放來源主要為:機動車(31.27%)、石油(19.78%)、木材(12.15%)和煤炭(8.64%).Zhang等[6]估算了2003年全國16種優(yōu)控PAHs的年排放總量約為11.41萬t,其中室內生物質、生活燃煤和煉焦工業(yè)占總排放量 91%左右.丁瀟等[7]對老工業(yè)基地鞍山市大氣PM10中PAHs的污染來源進行了分析,發(fā)現(xiàn)冬季主要污染源為燃煤、機動車尾氣和煉鋼工業(yè)排放,夏季主要污染源為燃煤、機動車尾氣、生物質燃燒和煉鋼工業(yè)排放,冬季燃煤排放的貢獻比重明顯增加.另外布爾薩[8]、安格倫[9]、臺灣[10]、北京[11]、福州[12]、深圳[13-14]、騰沖[15]等地也開展了類似研究.

山西省是我國能源重化工基地之一.據(jù)估算,山西省2003年PAHs的排放總量達到18461t,占全國總量的16%[16],其煉焦用煤所占比例遠高于全國大部分地區(qū),體現(xiàn)出作為能源產地的特殊性.作為山西省會,太原市由于資源和歷史的原因,構成了以冶金、煤焦、機械、化工、電力等傳統(tǒng)重污染產業(yè)為主的工業(yè)結構和以煤為主的能源結構,占工業(yè)經濟總量的85%以上,煤炭消費量占能源消費總量的 98%,萬元生產總值耗能是全國平均水平的 2倍以上,造成了太原市嚴重的空氣污染和健康影響.研究表明,太原市空氣與土壤中的PAHs污染均較嚴重[17-18],且PAHs污染來源正由煤煙塵為主的污染向機動車排放和煤燃燒為主的復合型污染轉變[19].

本研究僅考慮人為源的排放,根據(jù)太原市PAHs的主要排放源的活動量及排放因子,以US EPA 16種優(yōu)控PAHs為對象,對 2010年太原市PAHs的排放量進行估算,并按照空間、人口類型、萬元GDP等因素對PAHs排放分布進行了分析.

1 研究方法

研究區(qū)域為太原市(三縣一市六城區(qū)).化石燃料消耗量、電解鋁、生物質等數(shù)據(jù)引自全國(太原)第一次污染源普查[20]和統(tǒng)計局數(shù)據(jù)[21].由于農村生活燃煤缺乏完整的統(tǒng)計資料,因此依據(jù)《太原市農村環(huán)境綜合整治規(guī)劃》以及實地調查,根據(jù)人口和人均用煤量估算;交通燃油依據(jù)機動車保有量及機動車單車耗油量估算;森林火災來源于資料調研.主要排放源的 PAHs排放因子來自Zhang等[8,15]和Chen等[22]的研究成果.

PAHs排放量的計算公式如下:

式中:Q為PAHs排放量,t/a;F為燃料消耗量,104t/a;R為排放因子,mg/kg;t為年份(2010);i為地區(qū)(縣、市、區(qū)),i=10;j為能源類型,j=11;k為 PAHs種類,k=16.

2 結果與討論

2.1 太原市PAHs排放源燃料消耗

表1給出了2010年太原市PAHs主要排放源燃料消耗情況.結果顯示,2010年太原市煤炭消耗量為4.24×107t,其中熱電、工業(yè)爐窯(不包括煉焦爐)耗煤量為 2.85×107t,占耗煤量的 67.2%;煉焦爐耗煤量為1.23×107t,占耗煤量的29%,居民生活爐灶即生活燃煤為 1.62×106t,占耗煤量的3.8%;機動車保有量為 5.01×105輛,交通用油為8.60×104t,非交通燃油PAHs排放源包括鍋爐、工業(yè)窯爐,耗油量分別為 1.95×104t和 1.79×105t;室內燃燒的薪柴和秸稈量約為 3.82×105t和7.62×104t;電解鋁產量為8.00×104t,其他能源消耗量較小[21].

2.2 太原市PAHs排放清單

根據(jù)式(1)～式(4),估算得到 2010年太原市PAHs排放清單(表2).結果顯示,2010年太原地區(qū)PAHs總排放量為 332.10t.生活燃煤和煉焦煤是太原市排放 PAHs的主要來源,占總排放量的65%以上,其次為室內薪柴、熱電及工業(yè)用煤和交通燃油,分別占總排放量的 13.9%、11.65%、7%,其他排放源的貢獻只有 1%,幾乎可以忽略不計.表3給出了太原市 PAHs排放與全國排放水平[8,23]的對比情況.盡管太原市面積占全國陸地總面積的不到 1‰[24],但是該地區(qū) 2010年的PAHs的排放量占全國排放總量的 2.9‰,區(qū)域內平均排放密度為 44.62kg/km2,是 2003年全國平均排放密度的3.72倍,排放密度大約是英國的3倍,是美國的12.75倍[25].全國PAHs主要排放源是室內秸稈(34.6%)、工業(yè)煉焦(27.2%)和室內薪柴(21.2%),而生活燃煤的貢獻只有 6.8%[26].表明太原市PAHs排放中生活燃煤比例遠高于國家平均水平.

表1 2010年太原市PAHs主要排放源燃料消耗Table 1 The fuel consumptions of the emission sources in Taiyuan (2010)

表2 2010年太原市PAHs排放清單Table 2 Sources list of 16 PAHs emissions in Taiyuan (2010)

表3 太原市16種優(yōu)控PAHs排放與全國排放水平對比表Table 3 Comparison of 16 PAHs emissions in Taiyuan and in the whole country

表4 2010年太原市各地區(qū)PAHs排放清單Table 4 The regional list of PAHs emissions in Taiyuan (2010)

太原市的社會經濟特征是導致PAHs高排放量、高排放密度以及高生活燃煤比例的主要原因.

首先,作為能源重化工基地.2010年太原市工業(yè)生產值占地區(qū)生產總值 32.4%,其中重工業(yè)占 93%.原煤產量 3.5×107t,占全國原煤產量的1.15%;鋼鐵產量為 1.5×107t,占全國鋼鐵產量的2.7%,焦炭產量高達 1.08×107t,占全國焦炭產量的 3.06%,電解鋁產量高達 8×104t.石油、煤炭等燃料的不完全燃燒是 PAHs的主要來源之一[8],太原市熱電及工業(yè)煤燃燒和非交通燃油燃燒造成的PAHs的排放分別占全國相應排放的1.91%和 0.12%,相應的排放密度分別是全國同期的25.86倍和1.63倍.其中,煉焦和電解鋁過程中伴隨著大量的PAHs排放[27-29],造成的PAHs排放分別占全國排放的 0.32%和 0.15%,排放密度分別是全國的4.42倍和2.1倍.

其次,太原市農村人口占總人口近 1/3,且采暖期長達5個月,每年需耗費大量的煤炭.由于農村地區(qū)燃具簡陋,通氣性差,PAHs排放因子顯著高于工業(yè)燃煤[22],從而導致太原市 PAHs排放中生活燃煤比例遠高于國家平均水平.另外秸稈焚燒現(xiàn)象也相當普遍[30],盡管燃料總量僅為工業(yè)燃煤的1/20,但仍造成了大量的PAHs排放.

2.3 太原市PAHs排放的空間分布

表4給出2010年太原市各地區(qū)PAHs的排放清單,結果顯示,PAHs排放量最大的地區(qū)是清徐縣,占總排放量的 27%,其次分別是古交市(17%)、晉源區(qū)(13%)、尖草坪區(qū)(12%)、小店區(qū)(7%).通過對各區(qū)人均收入與萬元 GDP排放量的比較(圖 1)可知,兩者呈負相關關系(R2=0.727),說明居民收入越高,其萬元GDP排放量越低,原因可能是隨著收入的增加,燃料更為清潔且燃燒器具更為先進.另外,婁煩縣、陽曲縣和古交市的結果離散度較大,原因可能為陽曲縣和古交市PAHs排放受電解鋁和煉焦的影響較大,而婁煩縣工業(yè)企業(yè)很少,從而導致結果值的偏離程度較大.

圖1 人均收入與萬元GDP排放量的關系Fig.1 The relationship between the per capita and the PAHs emissions per GDP

通過對農村人口與排放量的比較(圖2)可知,兩者呈正相關關系(R2=0.813),說明農村人口越多,其 PAHs排放量越大,主要是由于農村的燃料結構和爐灶的燃燒效率不高導致的.在太原市目前的 PAHs排放水平下,各地區(qū)居民生活水平的高低決定了燃燒條件的優(yōu)劣,農村人口的數(shù)量影響地區(qū)整體生活水平的高低,從而影響 PAHs排放量的高低.

圖2 農村人口與總排放量之間關系Fig.2 The relationship between the rural population and overall volume of PAHs emissions

2.4 太原市PAHs排放譜源分析

通過對太原市各地區(qū)的16種優(yōu)控PAHs排放量的計算,得到了太原市 PAHs排放譜(圖 3),可以看出,NAP排放量最大,占 PAHs總量的39.18%,PHE(13.7%)和 ACY(9.17%)排放量也很大.特別值得注意的是致癌性 PAHs排放量為35.11t,占總排放量的10.6%,而且致癌性PAHs的比例與生活燃煤和室內生物質燃燒排放譜中致癌性 PAHs比例(13.8%)比較接近,原因可能為太原市PAHs排放主要來源是生活燃煤和室內生物質燃燒.另外,太原市 PAHs排放以低環(huán)(2、3環(huán))為主,占總排放量的 81%,其次為中環(huán)(4環(huán)),占總排放量的9%,高環(huán)(5、6環(huán))占總排放量的10%.16種優(yōu)控 PAHs中 7種致癌物質主要是中、高環(huán)PAHs,而產生中、高環(huán)PAHs的排放源主要是居民生活爐灶,其次是煉焦爐,前者的排放量是后者的1.67倍.因此在控制PAHs排放方面,應以控制生活燃煤排放為主,提高燃燒效率,推進使用清潔能源.生活燃煤和室內生物質燃燒排放的 PAHs共占總排放的50%,是非常重要的排放源.這些排放更多的體現(xiàn)了農業(yè)和居民日常生活的排放,與中國作為人口眾多的農業(yè)大國的國情相吻合[31],也與燃煤產生PAHs的成分譜吻合[32].

圖3 2010年太原地區(qū)PAHs排放譜Table 3 The PAH emission profile in Taiyuan (2010)

2.5 PAHs排放量估算的不確定性

PAHs排放量估算的不確定性主要取決于燃料消耗量和排放因子的不確定.燃料消耗量分為工業(yè)和非工業(yè)兩部分,前者來源于污染源普查動態(tài)更新,是通過系統(tǒng)調查和物料衡算得來的,是企業(yè)實際消耗量.后者包括城市和農村,城市居民能源消耗亦來源于污染源普查動態(tài)更新;農村居民的能源消耗主要來源于樣本調查,最終估算而得,存在一定的不確定性.機動車年行駛里程和各車型之間的油耗存在差異,導致交通用油的不確定性較高[33].而相對于燃料消耗量來說,排放因子的情況更加復雜,其來源于大量的文獻數(shù)據(jù),以上兩個因素增加了本研究的不確定性.因此,在今后的研究中將開展與之相關的測定,以便得到更具有典型意義的排放因子.

3 結論

3.1 太原市2010年PAHs的排放總量為332.10t,其中7種致癌性PAHs排放總量為35.11t.因燃煤而排放的 PAHs占排放總量的 77%,排放量最大的是清徐縣,其次分別是古交市、晉源區(qū)、尖草坪區(qū).人均收入與萬元 GDP排放量呈負相關(R2=0.727);農村人口與PAHs總排放量呈正相關(R2=0.813).在 PAHs排放譜中,NAP的排放量最大,其次是PHE、ACY等.另外排放的PAHs以低環(huán)為主,其次為中環(huán)、高環(huán).

3.2 太原市 PAHs的排放特征與其社會經濟特征有關:一方面,煉焦、發(fā)電等工業(yè)用煤占能源消費量的絕大部分,導致大量的 PAHs排放;另一方面,由于生活燃煤燃燒條件較低劣,使其成為重要的PAHs排放源.

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