4城市環(huán)境空氣顆粒物源解析技術(shù)及進(jìn)展.ppt

城市環(huán)境空氣顆粒物污染趨勢(shì) 來(lái)源與源解析技術(shù)原理 南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院2013 08 主要內(nèi)容 我國(guó)城市環(huán)境空氣質(zhì)量狀況和發(fā)展趨勢(shì)我國(guó)pm2 5的來(lái)源顆粒物源解析技術(shù)南開(kāi)大學(xué)近年的研究工作 空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)城市比例 城市環(huán)境空氣質(zhì)量有改善趨勢(shì) 但污染形勢(shì)依然嚴(yán)峻 按照舊標(biāo)準(zhǔn) 二級(jí)100 g m3 可吸入顆粒物年均濃度達(dá)到或優(yōu)于二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的城市所占比例呈升高趨勢(shì) 按照環(huán)保部的估算 如果參照新環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 我國(guó)顆粒物濃度達(dá)標(biāo)城市將不到20 顆粒物污染形勢(shì)十分嚴(yán)峻 中國(guó)煤炭及能源消費(fèi)總量逐年增加 中國(guó)歷年能源消費(fèi)量 億噸 我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量逐年遞增 2012年全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量已達(dá)2 4億輛 其中汽車保有量1 2億輛 機(jī)動(dòng)車排放對(duì)我國(guó)環(huán)境空氣質(zhì)量的影響正越來(lái)越顯著 中國(guó)歷年機(jī)動(dòng)車保有量 千萬(wàn)輛 我國(guó)顆粒物污染類型的演變 發(fā)展趨勢(shì) 復(fù)合污染 我國(guó)pm2 5污染形勢(shì)十分嚴(yán)峻 我國(guó)主要城市pm10和pm2 5濃度值均高于新標(biāo)準(zhǔn) 且遠(yuǎn)高于國(guó)外 細(xì)粒子污染占總體顆粒物污染比例總體較高 其中南方城市細(xì)粒子所占比例較北方城市高 我國(guó)pm2 5污染來(lái)源構(gòu)成情況 pm2 5來(lái)源復(fù)雜 防控難度很大 我國(guó)城市揚(yáng)塵污染依然嚴(yán)重 是顆粒物污染的主要來(lái)源 機(jī)動(dòng)車尾氣排放對(duì)pm2 5貢獻(xiàn)顯著 碳 氮氧化物 揮發(fā)性有機(jī)物 機(jī)動(dòng)車尾氣 道路揚(yáng)塵 pm2 5 二次有機(jī)物 二次顆粒物對(duì)pm2 5的貢獻(xiàn)顯著 二次顆粒物也稱二次粒子 它不是直接由污染源排放的 而是大氣中的氣態(tài)污染物通過(guò)光化學(xué)氧化反應(yīng)生成的 主要包括二次硫酸鹽 二次硝酸鹽和二次碳顆粒 大氣氧化過(guò)程 燃煤源 機(jī)動(dòng)車排放 其它排放源類 so2氣體 nox氣體 vocs 硫酸鹽 硝酸鹽 二次有機(jī)碳 二次顆粒物的形成機(jī)制 臭氧 醛 酮 酸等 大氣顆粒物源解析的由來(lái) 大氣顆粒物的來(lái)源非常復(fù)雜 既有有組織源又有無(wú)組織開(kāi)放源 常規(guī)的源模型 擴(kuò)散模型 已不能滿足實(shí)際工作的需要 源模型不能建立全面的顆粒物污染源與大氣環(huán)境質(zhì)量之間的輸入響應(yīng)關(guān)系 顆粒物污染普遍且嚴(yán)重 為了有效地控制顆粒物的污染 需要清楚顆粒物的來(lái)源 對(duì)大氣顆粒物的來(lái)源進(jìn)行定性或定量研究的技術(shù)稱之為源解析技術(shù) 大氣顆粒物源解析技術(shù) cmb受體模型的建立基于以下假設(shè) 其基礎(chǔ)是質(zhì)量守恒 在多種受體模型中 化學(xué)質(zhì)量平衡 cmb 受體模型原理簡(jiǎn)單易懂 可以定量地給出各類排放源的分擔(dān)率 成為了實(shí)際研究工作中研究最多 應(yīng)用最廣的受體模型 1 可以識(shí)別出對(duì)環(huán)境受體中的大氣顆粒物有明顯貢獻(xiàn)的所有污染源類 并且各源類所排放的顆粒物的化學(xué)組成有明顯的差別 2 各源類所排放的顆粒物的化學(xué)組成相對(duì)穩(wěn)定 化學(xué)組分之間無(wú)相互影響 3 各源類所排放的顆粒物之間沒(méi)有相互作用 在傳輸過(guò)程中的變化可以被忽略 大氣顆粒物源解析技術(shù) 甲乙甲50 乙50 不能用甲乙來(lái)擬合 化學(xué)質(zhì)量平衡模型的基本原理 ci 受體大氣顆粒物中元素i的濃度測(cè)量值 g m3 fij 第j類源的顆粒物中元素i的含量測(cè)量值 sj 第j類源貢獻(xiàn)的濃度計(jì)算值 g m3 j 源類的數(shù)目 j 1 2 j i 元素的數(shù)目 i 1 2 i 大氣顆粒物源解析技術(shù) 技術(shù)路線 大氣顆粒物 tsp和pm10 來(lái)源解析研究 排放源類識(shí)別 受體采樣的時(shí)空選擇 離子組分 無(wú)機(jī)元素 碳組分 有機(jī)組分 粒度分布 建立源成分譜 建立受體成分譜 化學(xué)質(zhì)量平衡受體模型 cmb 各類排放源貢獻(xiàn)值 各類排放源分擔(dān)率 顆粒物污染防治對(duì)策 大氣顆粒物源解析技術(shù) 對(duì)所研究的區(qū)域內(nèi)的主要顆粒物污染源進(jìn)行調(diào)查研究 確定對(duì)受體中顆粒物有貢獻(xiàn)的主要排放源類 采集所確定的主要顆粒物排放源類的樣品并進(jìn)行前處理 比如采集燃煤飛灰等 根據(jù)所研究區(qū)域的大小及區(qū)域內(nèi)污染源的分布情況 結(jié)合氣象因素 確定受體樣品采集的點(diǎn)位及分布 同時(shí) 根據(jù)一年內(nèi)顆粒物污染變化情況 確定受體樣品的采樣周期和采樣時(shí)間 選擇適當(dāng)?shù)牟蓸訛V膜和采樣器 采集受體樣品 分析源和受體樣品中的化學(xué)組分 建立源和受體的成分譜 把源和受體的成分譜納入cmb模型進(jìn)行擬合計(jì)算 得到各源類對(duì)受體的貢獻(xiàn)值和分擔(dān)率 即源解析結(jié)果 根據(jù)大氣顆粒物源解析結(jié)果 制定顆粒物污染控制方案 大氣顆粒物源解析技術(shù)的實(shí)施 cmb受體模型的建立基于以下假設(shè) 其基礎(chǔ)是質(zhì)量守恒 在多種受體模型中 化學(xué)質(zhì)量平衡 cmb 受體模型原理簡(jiǎn)單易懂 可以定量地給出各類排放源的分擔(dān)率 成為了實(shí)際研究工作中研究最多 應(yīng)用最廣的受體模型 1 可以識(shí)別出對(duì)環(huán)境受體中的大氣顆粒物有明顯貢獻(xiàn)的所有污染源類 并且各源類所排放的顆粒物的化學(xué)組成有明顯的差別 2 各源類所排放的顆粒物的化學(xué)組成相對(duì)穩(wěn)定 化學(xué)組分之間無(wú)相互影響 3 各源類所排放的顆粒物之間沒(méi)有相互作用 在傳輸過(guò)程中的變化可以被忽略 大氣顆粒物源解析技術(shù) 甲乙甲50 乙50 不能用甲乙來(lái)擬合 化學(xué)質(zhì)量平衡模型的基本原理 ci 受體大氣顆粒物中元素i的濃度測(cè)量值 g m3 fij 第j類源的顆粒物中元素i的含量測(cè)量值 sj 第j類源貢獻(xiàn)的濃度計(jì)算值 g m3 j 源類的數(shù)目 j 1 2 j i 元素的數(shù)目 i 1 2 i 大氣顆粒物源解析技術(shù) 技術(shù)路線 大氣顆粒物 tsp和pm10 來(lái)源解析研究 排放源類識(shí)別 受體采樣的時(shí)空選擇 離子組分 無(wú)機(jī)元素 碳組分 有機(jī)組分 粒度分布 建立源成分譜 建立受體成分譜 化學(xué)質(zhì)量平衡受體模型 cmb 各類排放源貢獻(xiàn)值 各類排放源分擔(dān)率 顆粒物污染防治對(duì)策 大氣顆粒物源解析技術(shù) 對(duì)所研究的區(qū)域內(nèi)的主要顆粒物污染源進(jìn)行調(diào)查研究 確定對(duì)受體中顆粒物有貢獻(xiàn)的主要排放源類 采集所確定的主要顆粒物排放源類的樣品并進(jìn)行前處理 比如采集燃煤飛灰等 根據(jù)所研究區(qū)域的大小及區(qū)域內(nèi)污染源的分布情況 結(jié)合氣象因素 確定受體樣品采集的點(diǎn)位及分布 同時(shí) 根據(jù)一年內(nèi)顆粒物污染變化情況 確定受體樣品的采樣周期和采樣時(shí)間 選擇適當(dāng)?shù)牟蓸訛V膜和采樣器 采集受體樣品 分析源和受體樣品中的化學(xué)組分 建立源和受體的成分譜 把源和受體的成分譜納入cmb模型進(jìn)行擬合計(jì)算 得到各源類對(duì)受體的貢獻(xiàn)值和分擔(dān)率 即源解析結(jié)果 根據(jù)大氣顆粒物源解析結(jié)果 制定顆粒物污染控制方案 大氣顆粒物源解析技術(shù)的實(shí)施 大氣顆粒物排放源分類 顆粒物排放源類及排放特點(diǎn)顆粒物來(lái)源復(fù)雜 不能簡(jiǎn)單歸屬于一個(gè)行業(yè) 以煤煙塵為例 建材 化工 冶煉 鋼鐵 煤煙塵 工業(yè)鍋爐 民用燃煤 電廠 大氣顆粒物排放源分類 什么是顆粒物化學(xué)成分譜 顆粒物化學(xué)成分譜是cmb受體模型計(jì)算的基礎(chǔ) 包含了顆粒物主要化學(xué)組成的含量信息 分為源成分譜和受體成分譜 源成分譜是描述顆粒物源類化學(xué)組成的數(shù)據(jù)集合 建立的源成分譜既要具有代表性 又要能保持各自的 個(gè)性 受體成分譜是描述研究區(qū)域環(huán)境受體顆粒物污染化學(xué)組成特征的數(shù)據(jù)集合 要能夠反映研究區(qū)域典型顆粒物污染的空間和時(shí)間分布特征 顆粒物排放源類化學(xué)組成特點(diǎn) 土壤風(fēng)沙塵 化學(xué)成分變化不是十分明顯 煤煙塵 化學(xué)組成變化明顯 煤質(zhì)不同 燃燒方式不同除塵方式不同等 建筑塵 化學(xué)組成變化明顯 不同標(biāo)號(hào)的水泥 各類建筑材料等 鋼鐵塵 化學(xué)組成變化明顯 煉鋼 煉鐵 機(jī)械加工等 揚(yáng)塵 作為重要的開(kāi)放源類和混合塵源類 其化學(xué)組成在空間和時(shí)間上存在著變化 大氣顆粒物排放源分類 同一源類的顆粒物可以通過(guò)多種排放途徑進(jìn)入到環(huán)境空氣中 以電廠煤煙塵為例 電廠煤煙塵 大氣環(huán)境 點(diǎn)源 吹灰場(chǎng) 二重源解析技術(shù)方法 顆粒物進(jìn)入環(huán)境空氣中的途徑問(wèn)題 揚(yáng)塵的定義 各單一塵源類所排放的顆粒物進(jìn)入環(huán)境空氣中后 部分顆粒物由于重力等作用沉降到地面 道路 建筑物頂 窗臺(tái)等各類可以容納顆粒物的地方 這部分沉降下來(lái)的顆粒物在自然力或人類活動(dòng)等的影響下再次或多次進(jìn)入環(huán)境空氣中 這部分顆粒物就叫揚(yáng)塵 土壤風(fēng)沙塵 建筑塵 煤煙塵 機(jī)動(dòng)車塵 鋼鐵塵 海鹽粒子等稱為單一塵源類 二重源解析技術(shù)方法 揚(yáng)塵的特點(diǎn) 揚(yáng)塵是一種混合源類 既可以視為環(huán)境空氣中顆粒物的排放源類 又可以視為各單一塵源類所排放的顆粒物的接受體揚(yáng)塵對(duì)環(huán)境空氣中顆粒物的貢獻(xiàn)客觀存在采用cmb受體模型可以計(jì)算各單一塵源類對(duì)揚(yáng)塵的分擔(dān)率 也可以計(jì)算揚(yáng)塵對(duì)環(huán)境空氣中顆粒物的分擔(dān)率 二重源解析技術(shù)方法 石家莊市和濟(jì)南市揚(yáng)塵組成解析結(jié)果 二重源解析技術(shù)方法 二重源解析技術(shù)原理示意圖 以煤煙塵為例 a代表煤煙塵對(duì)受體總的分擔(dān)率 b代表?yè)P(yáng)塵對(duì)受體的分擔(dān)率 c代表煤煙塵在揚(yáng)塵中的分擔(dān)率 d代表煤煙塵以揚(yáng)塵的形式進(jìn)入到受體中的分擔(dān)率 e代表煤煙塵除去進(jìn)入揚(yáng)塵的部分后對(duì)受體的分擔(dān)率 d b ce a d 以揚(yáng)塵形式進(jìn)入 到受體的煤煙塵 d 直接進(jìn)入到 受體的煤煙塵 e e d c 揚(yáng)塵對(duì) 受體的 貢獻(xiàn) b 大氣環(huán)境中的 煤煙塵 a 二重源解析技術(shù)方法 二重源解析的步驟 不考慮混合塵源類揚(yáng)塵 僅用各單一塵源類進(jìn)行解析 一次源解析 得到一次解析結(jié)果ai 以環(huán)境受體中顆粒物來(lái)源的實(shí)際情況劃分顆粒物排放源類 把地區(qū)揚(yáng)塵也納入cmb模型進(jìn)行解析 得到結(jié)果bi 把揚(yáng)塵作為受體 用各單一塵源類對(duì)其進(jìn)行解析 得到各單一塵源類在揚(yáng)塵中的分擔(dān)率ci 用揚(yáng)塵作為受體時(shí)的解析結(jié)果ci和揚(yáng)塵對(duì)環(huán)境受體的分擔(dān)率b對(duì)一次解析結(jié)果ai進(jìn)行修正 得到各單一塵源類除去進(jìn)入揚(yáng)塵的部分后直接對(duì)受體的貢獻(xiàn)率ei 對(duì)bi和ei進(jìn)行對(duì)照分析 并檢驗(yàn)和印證源解析結(jié)果 綜合得到二重源解析結(jié)果 二重源解析技術(shù)方法 濟(jì)南市環(huán)境空氣中tsp二重源解析結(jié)果 實(shí)例分析 二重源解析技術(shù)方法 d b ce a d 注 ai代表源類i對(duì)受體總的分擔(dān)率 bi代表?yè)P(yáng)塵對(duì)受體的分擔(dān)率 ci代表源類i在揚(yáng)塵中的分擔(dān)率 di代表源類i以揚(yáng)塵的形式進(jìn)入到受體的分擔(dān)率 ei代表源類i除去進(jìn)入揚(yáng)塵的部分后對(duì)受體的分擔(dān)率 二重源解析技術(shù)說(shuō)明了揚(yáng)塵這一混合塵源類與各單一塵源類之間的關(guān)系 揭示了單一塵源類以不同的形式通過(guò)不同的途徑對(duì)大氣顆粒物貢獻(xiàn)的規(guī)律 揭示了揚(yáng)塵這一特殊污染源的本質(zhì)特征 二重源解析技術(shù)同時(shí)解析出了揚(yáng)塵和其它單一塵源類對(duì)受體的分擔(dān)率 解決了揚(yáng)塵與其它單一塵源類存在嚴(yán)重共線性問(wèn)題及一套數(shù)據(jù)多個(gè)解析結(jié)果的問(wèn)題 利用二重源解析技術(shù)得到了各單一塵源類進(jìn)入到揚(yáng)塵中的比例及各單一塵源類在揚(yáng)塵中的分擔(dān)率 為顆粒物分類治理提供了科學(xué)依據(jù) 二重源解析技術(shù)方法 南開(kāi)大學(xué)近年來(lái)的主要研究成果 以二重源解析理論和復(fù)合受體模型為核心的大氣顆粒物來(lái)源解析成套技術(shù) 以開(kāi)放源污染為控制重點(diǎn)的顆粒物目標(biāo)容量總量控制技術(shù)方法 顆粒物開(kāi)放源控制理論 顆粒物采樣儀器的研發(fā) 各類解析模型軟件的開(kāi)發(fā) 中文版nkcmb2 0軟件系統(tǒng) 采用有效方差最小二乘法的算法 用vc 編寫(xiě)了nkcmb2 0軟件 并在軟件中實(shí)現(xiàn)了 窮舉法 進(jìn)行cmb模型結(jié)果選擇的方法 nkcmb2 0最大的特點(diǎn)是在很短的時(shí)間內(nèi)可以得到所有可能的結(jié)果 并按窮舉法的排序方法對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行排序 極大地節(jié)約了運(yùn)算時(shí)間 為結(jié)果的選擇提供了有效的方法 提高了源解析結(jié)果的可靠性 具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的顆粒物源解析軟件nkcmb2 0 再懸浮采樣器解決了開(kāi)放源粉末樣品按一定粒徑要求采集的問(wèn)題 是獲得大氣顆粒物排放源成分譜濾膜樣品的必備手段 旋轉(zhuǎn)式顆粒物再懸浮結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和裝置具有創(chuàng)新性 先進(jìn)性 填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白 能夠采集空氣動(dòng)力學(xué)直徑為100 m 10 m 2 5 m的顆粒物樣品 顆粒物再懸浮采樣器 能夠模擬煙塵進(jìn)入環(huán)境空氣中的實(shí)際狀態(tài) 采集到空氣動(dòng)力學(xué)直徑為100 m 10 m 2 5 m的煙塵樣品 解決了采集的煤煙塵成分譜真實(shí)性問(wèn)題 只要更換不同粒度范圍的切割頭 便可以從各種固定源的排氣筒中采集不同粒度范圍的顆粒物 煙道氣空氣稀釋湍流采樣器 獲一項(xiàng)發(fā)明專利 專利號(hào) zl03119498 2 兩項(xiàng)實(shí)用新型專利 專利號(hào) zl03258297 8 zl03240576 6 可同步采集一對(duì)tsp pm10 pm2 5的樣品 提供了pm2 5樣品的采樣手段 小流量便攜式雙通道空氣顆粒物采樣器 技術(shù)推廣與應(yīng)用 2002年被科技部批準(zhǔn)為 國(guó)家科技成果重點(diǎn)推廣計(jì)劃 項(xiàng)目 大氣顆粒物源解析技術(shù) 技術(shù)依托單位 2003年南開(kāi)大學(xué)的 大氣顆粒物源解析技術(shù) 被確認(rèn)為國(guó)家重點(diǎn)環(huán)境保護(hù)實(shí)用技術(shù) 2004年批準(zhǔn)建設(shè) 國(guó)家環(huán)境保護(hù)城市空氣顆粒物污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 200 年被科技部批準(zhǔn)為 國(guó)家科技成果重點(diǎn)推廣計(jì)劃 項(xiàng)目 城市空氣顆粒物污染防治技術(shù) 項(xiàng)目承擔(dān)單位 2007年制定的國(guó)