4城市環(huán)境空氣顆粒物源解析技術及進展.ppt

城市環(huán)境空氣顆粒物污染趨勢 來源與源解析技術原理 南開大學環(huán)境科學與工程學院2013 08 主要內(nèi)容 我國城市環(huán)境空氣質(zhì)量狀況和發(fā)展趨勢我國pm2 5的來源顆粒物源解析技術南開大學近年的研究工作 空氣質(zhì)量達標城市比例 城市環(huán)境空氣質(zhì)量有改善趨勢 但污染形勢依然嚴峻 按照舊標準 二級100 g m3 可吸入顆粒物年均濃度達到或優(yōu)于二級標準的城市所占比例呈升高趨勢 按照環(huán)保部的估算 如果參照新環(huán)境空氣質(zhì)量標準 我國顆粒物濃度達標城市將不到20 顆粒物污染形勢十分嚴峻 中國煤炭及能源消費總量逐年增加 中國歷年能源消費量 億噸 我國機動車保有量逐年遞增 2012年全國機動車保有量已達2 4億輛 其中汽車保有量1 2億輛 機動車排放對我國環(huán)境空氣質(zhì)量的影響正越來越顯著 中國歷年機動車保有量 千萬輛 我國顆粒物污染類型的演變 發(fā)展趨勢 復合污染 我國pm2 5污染形勢十分嚴峻 我國主要城市pm10和pm2 5濃度值均高于新標準 且遠高于國外 細粒子污染占總體顆粒物污染比例總體較高 其中南方城市細粒子所占比例較北方城市高 我國pm2 5污染來源構成情況 pm2 5來源復雜 防控難度很大 我國城市揚塵污染依然嚴重 是顆粒物污染的主要來源 機動車尾氣排放對pm2 5貢獻顯著 碳 氮氧化物 揮發(fā)性有機物 機動車尾氣 道路揚塵 pm2 5 二次有機物 二次顆粒物對pm2 5的貢獻顯著 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)污染物通過光化學氧化反應生成的 主要包括二次硫酸鹽 二次硝酸鹽和二次碳顆粒 大氣氧化過程 燃煤源 機動車排放 其它排放源類 so2氣體 nox氣體 vocs 硫酸鹽 硝酸鹽 二次有機碳 二次顆粒物的形成機制 臭氧 醛 酮 酸等 大氣顆粒物源解析的由來 大氣顆粒物的來源非常復雜 既有有組織源又有無組織開放源 常規(guī)的源模型 擴散模型 已不能滿足實際工作的需要 源模型不能建立全面的顆粒物污染源與大氣環(huán)境質(zhì)量之間的輸入響應關系 顆粒物污染普遍且嚴重 為了有效地控制顆粒物的污染 需要清楚顆粒物的來源 對大氣顆粒物的來源進行定性或定量研究的技術稱之為源解析技術 大氣顆粒物源解析技術 cmb受體模型的建立基于以下假設 其基礎是質(zhì)量守恒 在多種受體模型中 化學質(zhì)量平衡 cmb 受體模型原理簡單易懂 可以定量地給出各類排放源的分擔率 成為了實際研究工作中研究最多 應用最廣的受體模型 1 可以識別出對環(huán)境受體中的大氣顆粒物有明顯貢獻的所有污染源類 并且各源類所排放的顆粒物的化學組成有明顯的差別 2 各源類所排放的顆粒物的化學組成相對穩(wěn)定 化學組分之間無相互影響 3 各源類所排放的顆粒物之間沒有相互作用 在傳輸過程中的變化可以被忽略 大氣顆粒物源解析技術 甲乙甲50 乙50 不能用甲乙來擬合 化學質(zhì)量平衡模型的基本原理 ci 受體大氣顆粒物中元素i的濃度測量值 g m3 fij 第j類源的顆粒物中元素i的含量測量值 sj 第j類源貢獻的濃度計算值 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 技術路線 大氣顆粒物 tsp和pm10 來源解析研究 排放源類識別 受體采樣的時空選擇 離子組分 無機元素 碳組分 有機組分 粒度分布 建立源成分譜 建立受體成分譜 化學質(zhì)量平衡受體模型 cmb 各類排放源貢獻值 各類排放源分擔率 顆粒物污染防治對策 大氣顆粒物源解析技術 對所研究的區(qū)域內(nèi)的主要顆粒物污染源進行調(diào)查研究 確定對受體中顆粒物有貢獻的主要排放源類 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 結合氣象因素 確定受體樣品采集的點位及分布 同時 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間 選擇適當?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模型進行擬合計算 得到各源類對受體的貢獻值和分擔率 即源解析結果 根據(jù)大氣顆粒物源解析結果 制定顆粒物污染控制方案 大氣顆粒物源解析技術的實施 cmb受體模型的建立基于以下假設 其基礎是質(zhì)量守恒 在多種受體模型中 化學質(zhì)量平衡 cmb 受體模型原理簡單易懂 可以定量地給出各類排放源的分擔率 成為了實際研究工作中研究最多 應用最廣的受體模型 1 可以識別出對環(huán)境受體中的大氣顆粒物有明顯貢獻的所有污染源類 并且各源類所排放的顆粒物的化學組成有明顯的差別 2 各源類所排放的顆粒物的化學組成相對穩(wěn)定 化學組分之間無相互影響 3 各源類所排放的顆粒物之間沒有相互作用 在傳輸過程中的變化可以被忽略 大氣顆粒物源解析技術 甲乙甲50 乙50 不能用甲乙來擬合 化學質(zhì)量平衡模型的基本原理 ci 受體大氣顆粒物中元素i的濃度測量值 g m3 fij 第j類源的顆粒物中元素i的含量測量值 sj 第j類源貢獻的濃度計算值 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 技術路線 大氣顆粒物 tsp和pm10 來源解析研究 排放源類識別 受體采樣的時空選擇 離子組分 無機元素 碳組分 有機組分 粒度分布 建立源成分譜 建立受體成分譜 化學質(zhì)量平衡受體模型 cmb 各類排放源貢獻值 各類排放源分擔率 顆粒物污染防治對策 大氣顆粒物源解析技術 對所研究的區(qū)域內(nèi)的主要顆粒物污染源進行調(diào)查研究 確定對受體中顆粒物有貢獻的主要排放源類 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 結合氣象因素 確定受體樣品采集的點位及分布 同時 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間 選擇適當?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模型進行擬合計算 得到各源類對受體的貢獻值和分擔率 即源解析結果 根據(jù)大氣顆粒物源解析結果 制定顆粒物污染控制方案 大氣顆粒物源解析技術的實施 大氣顆粒物排放源分類 顆粒物排放源類及排放特點顆粒物來源復雜 不能簡單歸屬于一個行業(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 什么是顆粒物化學成分譜 顆粒物化學成分譜是cmb受體模型計算的基礎 包含了顆粒物主要化學組成的含量信息 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間分布特征 顆粒物排放源類化學組成特點 土壤風沙塵 化學成分變化不是十分明顯 煤煙塵 化學組成變化明顯 煤質(zhì)不同 燃燒方式不同除塵方式不同等 建筑塵 化學組成變化明顯 不同標號的水泥 各類建筑材料等 鋼鐵塵 化學組成變化明顯 煉鋼 煉鐵 機械加工等 揚塵 作為重要的開放源類和混合塵源類 其化學組成在空間和時間上存在著變化 大氣顆粒物排放源分類 同一源類的顆粒物可以通過多種排放途徑進入到環(huán)境空氣中 以電廠煤煙塵為例 電廠煤煙塵 大氣環(huán)境 點源 吹灰場 二重源解析技術方法 顆粒物進入環(huán)境空氣中的途徑問題 揚塵的定義 各單一塵源類所排放的顆粒物進入環(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 窗臺等各類可以容納顆粒物的地方 這部分沉降下來的顆粒物在自然力或人類活動等的影響下再次或多次進入環(huán)境空氣中 這部分顆粒物就叫揚塵 土壤風沙塵 建筑塵 煤煙塵 機動車塵 鋼鐵塵 海鹽粒子等稱為單一塵源類 二重源解析技術方法 揚塵的特點 揚塵是一種混合源類 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塵對環(huán)境空氣中顆粒物的貢獻客觀存在采用cmb受體模型可以計算各單一塵源類對揚塵的分擔率 也可以計算揚塵對環(huán)境空氣中顆粒物的分擔率 二重源解析技術方法 石家莊市和濟南市揚塵組成解析結果 二重源解析技術方法 二重源解析技術原理示意圖 以煤煙塵為例 a代表煤煙塵對受體總的分擔率 b代表揚塵對受體的分擔率 c代表煤煙塵在揚塵中的分擔率 d代表煤煙塵以揚塵的形式進入到受體中的分擔率 e代表煤煙塵除去進入揚塵的部分后對受體的分擔率 d b ce a d 以揚塵形式進入 到受體的煤煙塵 d 直接進入到 受體的煤煙塵 e e d c 揚塵對 受體的 貢獻 b 大氣環(huán)境中的 煤煙塵 a 二重源解析技術方法 二重源解析的步驟 不考慮混合塵源類揚塵 僅用各單一塵源類進行解析 一次源解析 得到一次解析結果ai 以環(huán)境受體中顆粒物來源的實際情況劃分顆粒物排放源類 把地區(qū)揚塵也納入cmb模型進行解析 得到結果bi 把揚塵作為受體 用各單一塵源類對其進行解析 得到各單一塵源類在揚塵中的分擔率ci 用揚塵作為受體時的解析結果ci和揚塵對環(huán)境受體的分擔率b對一次解析結果ai進行修正 得到各單一塵源類除去進入揚塵的部分后直接對受體的貢獻率ei 對bi和ei進行對照分析 并檢驗和印證源解析結果 綜合得到二重源解析結果 二重源解析技術方法 濟南市環(huán)境空氣中tsp二重源解析結果 實例分析 二重源解析技術方法 d b ce a d 注 ai代表源類i對受體總的分擔率 bi代表揚塵對受體的分擔率 ci代表源類i在揚塵中的分擔率 di代表源類i以揚塵的形式進入到受體的分擔率 ei代表源類i除去進入揚塵的部分后對受體的分擔率 二重源解析技術說明了揚塵這一混合塵源類與各單一塵源類之間的關系 揭示了單一塵源類以不同的形式通過不同的途徑對大氣顆粒物貢獻的規(guī)律 揭示了揚塵這一特殊污染源的本質(zhì)特征 二重源解析技術同時解析出了揚塵和其它單一塵源類對受體的分擔率 解決了揚塵與其它單一塵源類存在嚴重共線性問題及一套數(shù)據(jù)多個解析結果的問題 利用二重源解析技術得到了各單一塵源類進入到揚塵中的比例及各單一塵源類在揚塵中的分擔率 為顆粒物分類治理提供了科學依據(jù) 二重源解析技術方法 南開大學近年來的主要研究成果 以二重源解析理論和復合受體模型為核心的大氣顆粒物來源解析成套技術 以開放源污染為控制重點的顆粒物目標容量總量控制技術方法 顆粒物開放源控制理論 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 編寫了nkcmb2 0軟件 并在軟件中實現(xiàn)了 窮舉法 進行cmb模型結果選擇的方法 nkcmb2 0最大的特點是在很短的時間內(nèi)可以得到所有可能的結果 并按窮舉法的排序方法對這些結果進行排序 極大地節(jié)約了運算時間 為結果的選擇提供了有效的方法 提高了源解析結果的可靠性 具有自主知識產(chǎn)權的顆粒物源解析軟件nkcmb2 0 再懸浮采樣器解決了開放源粉末樣品按一定粒徑要求采集的問題 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)式顆粒物再懸浮結構的設計和裝置具有創(chuàng)新性 先進性 填補了國內(nèi)空白 能夠采集空氣動力學直徑為100 m 10 m 2 5 m的顆粒物樣品 顆粒物再懸浮采樣器 能夠模擬煙塵進入環(huán)境空氣中的實際狀態(tài) 采集到空氣動力學直徑為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性問題 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 獲一項發(fā)明專利 專利號 zl03119498 2 兩項實用新型專利 專利號 zl03258297 8 zl03240576 6 可同步采集一對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 技術推廣與應用 2002年被科技部批準為 國家科技成果重點推廣計劃 項目 大氣顆粒物源解析技術 技術依托單位 2003年南開大學的 大氣顆粒物源解析技術 被確認為國家重點環(huán)境保護實用技術 2004年批準建設 國家環(huán)境保護城市空氣顆粒物污染防治重點實驗室 200 年被科技部批準為 國家科技成果重點推廣計劃 項目 城市空氣顆粒物污染防治技術 項目承擔單位 2007年制定的國