城市粉塵的污染效應(yīng)及防治研究

城市粉塵的污染效應(yīng)及防治研究

城市灰塵污染是城市環(huán)境研究的重要內(nèi)容之一。城市灰塵污染、城市大氣污染、城市水污染、城市熱島效應(yīng)、城市光化學(xué)煙霧等,構(gòu)成了城市環(huán)境災(zāi)害系統(tǒng),成為城市環(huán)境重點(diǎn)預(yù)警、防治、治理的對象。城市灰塵污染目前尚未被人們所認(rèn)識,實(shí)際上城市灰塵及其在城市環(huán)境中的作用,是完全不能夠被忽視的。城市灰塵污染可以作為城市環(huán)境學(xué)中的一個科學(xué)研究分支。1城市灰塵的概念1.1國內(nèi)關(guān)于城市1年城市灰污染研究20世紀(jì)70年代中期國外便開始了城市灰塵的研究,當(dāng)時(shí),《自然》雜志上刊登了第一篇關(guān)于城市灰塵的論文,“城市街道灰塵中的鉛”(Dayetal,1975),首次提出了“城市街道灰塵”的名稱。20世紀(jì)70年代中期到20世紀(jì)80年代中期,國外不同國家、不同城市開展了不同程度的城市灰塵環(huán)境污染勘查,發(fā)表了城市街道灰塵(Harrisonetal,1981)、城市公園和花園路邊灰塵(Tametal,1987)、城市道路灰塵(Culbardetal,1988)等多篇論文,研究者以城市不同區(qū)位灰塵中的顆粒物和重金屬為研究對象,論述了不同功能區(qū)城市灰塵的作用及危害等。20世紀(jì)80年代中期至今,國外對城市灰塵的研究出現(xiàn)了較多的報(bào)道,其研究對象多集中在街道灰塵(streetdust)、道路灰塵(roaddust)、道路邊土壤(roadsidesoil)、室內(nèi)灰塵(housedust)、土壤灰塵(soildust)、城市土壤(urbansoil)等。城市灰塵的物理化學(xué)性質(zhì)是研究的主體,其物理性質(zhì)集中在PM2.5和PM10,因?yàn)榇硕愵w粒物對人體可以造成直接威害,其化學(xué)性質(zhì)集中在城市灰塵中的重金屬,特別是城市灰塵中的“鉛”,以及城市灰塵“鉛”和兒童血液“鉛”、人體“鉛”的關(guān)系等?？傮w以研究城市灰塵的分布分配、物質(zhì)組成、遷移演化、環(huán)境效應(yīng)等為主體,明確提出了“城市灰塵(urbandust)”的名稱(Dongetal,1984;Culbardetal,1988)。國外對城市灰塵的研究比較重視,取得了值得借鑒的許多成果,但對城市灰塵的概念和研究對象缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識,在術(shù)語含義和研究對象上有極大的差異性,這樣必然造成采樣物質(zhì)和灰塵概念的混亂。我國對城市灰塵環(huán)境污染問題,不曾引起環(huán)境行業(yè)的認(rèn)可、理解、重視,對城市灰塵環(huán)境污染缺乏足夠的認(rèn)識,城市灰塵環(huán)境污染研究屬盲點(diǎn)。1996年長安大學(xué)開展了對城市灰塵環(huán)境污染的研究,進(jìn)行了西安市城市灰塵和護(hù)城河淤泥勘查研究,提出了城市灰塵的概念(杜佩軒等,2002)。1.2城市“私家車”的基本概念1995年初,我們在一個大約50m2的“礦床陳列室”,清理了5推車塵土(至少1.5噸重),塵土的顏色普遍為細(xì)粒黑灰色。“礦床陳列室”是一個極為封閉的環(huán)境,由門和窗戶鉆入的塵土卻如此之多,到底多長時(shí)間滲入這些塵土?無從考證。由大氣和城市所造成的城市塵土如此龐大,它的“量”和“質(zhì)”是需要深入研究的一個城市環(huán)境問題。同時(shí),西安市所飛行的“麻雀”其顏色均為灰黑色,即炭黑色,猶如從大煙囪中剛剛爬出。此現(xiàn)象,反映出西安市燃煤結(jié)構(gòu)為煤煙型(以SO2和顆粒物排放為主),其大氣顆粒物“質(zhì)量差”,而且“碳化”嚴(yán)重;其次反映出西安市的塵土“量”非常大,其具備了“量”大“質(zhì)”差的特點(diǎn)。因此,城市“塵土”為“城市環(huán)境污染物”,可以作為城市環(huán)境污染研究的對象,同時(shí)認(rèn)識到城市“塵土”可以作為城市環(huán)境研究的內(nèi)容之一?！皦m土”被后來命名為“灰塵”?；谏鲜鎏岢龅膯栴}和認(rèn)識,借助國家“85”科技攻關(guān)課題85-902-07-06和“95”科技攻關(guān)課題96-915-07-04的資助,結(jié)合本科生畢業(yè)論文的編寫,我們從研究城市“淤泥”的物質(zhì)組成入手,開始了西安市護(hù)城河淤泥的勘查研究;開展了西安市街道“表土”的勘查研究。當(dāng)時(shí)定名的西安市街道“表土”(表層土壤),后來更名為西安市街道垃圾“塵土”,一則感到“表土”涉及面太廣,屬土壤學(xué)研究范疇,而研究對象與土壤的概念和含意相差甚遠(yuǎn);二則勘查研究的樣品基本上為街道垃圾—“塵土”。所以用塵土概括研究對象比較確切,為此使用了街道垃圾—“塵土”的概念。城市“塵土”不僅分布在街道,街道以外的街區(qū)、社區(qū)(居民區(qū))、園區(qū)(公園)、商區(qū)(商業(yè)區(qū))、廠區(qū)(工廠)、校區(qū)(院校)、政區(qū)(政務(wù)區(qū))、醫(yī)區(qū)(醫(yī)院)等均有分布,除此而外散落在室內(nèi)的累積塵土也屬于城市塵土的一部分。城市塵土在不同功能區(qū)的分布、粒度、性質(zhì)、成分等是有差異的。1998年設(shè)立碩士研究生畢業(yè)論文題目進(jìn)行系統(tǒng)研究,2000年在立題論證中,西安市環(huán)境監(jiān)測站曾一兵研究員建議將“塵土”改為“灰塵”,加之國外所研究的城市灰塵實(shí)際為城市“塵土”,又因?yàn)榛覊m為環(huán)境行業(yè)通用術(shù)語,為此,我們啟用了“城市灰塵”這一名稱。1.3常用城市區(qū)域塵改成分城市灰塵是指粒徑小于20目(<0.920mm),分散于城市不同區(qū)域(位置、功能區(qū))的表面固體顆粒物。按照城市灰塵的來源和顆粒物的性質(zhì),進(jìn)一步劃分為街道灰塵、區(qū)域灰塵、大氣灰塵。城市灰塵的英文名稱曾定名“Citydust”,為了便于統(tǒng)一認(rèn)識還是沿用“urbandust”。城市街道灰塵是指城市街道的垃圾灰塵顆粒物,灰塵粒徑相對較粗,或粗粒級占有較大比例。該類灰塵由于受人流車流的影響,有害重金屬大量吸著在顆粒物表面,特別是汽車尾氣排放的鉛(Pb),大大增加了街道灰塵的鉛(Pb)含量,使得街道灰塵的鉛(Pb)污染成為無可爭辯的事實(shí)。同時(shí)諸如街道灰塵中的銀(Ag)、砷(As)、汞(Hg)、鎘(Cd)、鋅(Zn)等元素,其含量也居高不下。城市區(qū)域灰塵是指來源于不同區(qū)域或不同功能區(qū)的灰塵顆粒物,灰塵顆粒物的粒徑相對較小,一般粒徑小于50目(<0.357mm,357μm)。區(qū)域灰塵一般來源于街區(qū)、社區(qū)(居民區(qū))、園區(qū)(公園)、商區(qū)(商業(yè)區(qū))、廠區(qū)(工廠)、校區(qū)(院校)、政區(qū)(政務(wù)區(qū))、醫(yī)區(qū)(醫(yī)院)等不同功能區(qū),其受人流車流的影響較小,重金屬含量相對較低,除一些區(qū)域受行業(yè)因素影響外,區(qū)域灰塵的危害性相對較小。城市大氣灰塵是指來源于較為封閉環(huán)境中的灰塵顆粒物,物質(zhì)以大氣飄塵、降塵為主,一般粒徑小于80目(<0.196mm,196μm)。粒徑大于10μm大氣顆粒污染物,在重力作用下較短時(shí)間可以降落到地面,稱為大氣降塵;粒徑小于10μm大氣顆粒污染物,能長期飄浮存留于大氣中,稱為大氣飄塵。包括PM10(指空氣動力學(xué)直徑2.5~10μm間的大氣顆粒污染物)和PM2.5(指空氣動力學(xué)直徑≤2.5μm的大氣顆粒污染物);PM10通常指可吸入大氣顆粒污染物(Znhalableparticles),可以通過呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體;PM2.5通常指可入肺大氣顆粒污染物(Resprableparticles),可以通過呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體肺泡。大氣灰塵對環(huán)境侵害較大,特別是對人體可以造成直接傷害,增加了城市肺癌的發(fā)病率。大氣灰塵中除了顆粒物危害外,細(xì)粒級的大氣灰塵,其表面積大、吸附能力強(qiáng)、擴(kuò)散范圍廣,由于吸附作用攜帶了大量有害重金屬,增加了侵害的深度;又由于擴(kuò)散作用大范圍迅速蔓延,增強(qiáng)了侵害的廣度。城市灰塵、大氣飄塵、大氣降塵可以相互轉(zhuǎn)化,總趨勢是城市灰塵向大氣顆粒物方向改變。1.4城市1244城市灰塵環(huán)境污染是指城市灰塵對城市環(huán)境所造成的污染。從物質(zhì)屬性上劃分為城市灰塵顆粒物污染,城市灰塵重金屬污染;從作用方式上劃分為城市灰塵動力污染、城市灰塵地理污染、城市灰塵循環(huán)污染、城市灰塵人體污染。城市灰塵環(huán)境污染是研究城市灰塵的物質(zhì)來源、物質(zhì)成分、分布分配、遷移演化、污染效應(yīng)、防治治理的理論與方法的學(xué)科,應(yīng)屬城市環(huán)境學(xué)研究的范疇。2城市環(huán)境研究2.1市域合作作用城市灰塵的物質(zhì)來源屬城市灰塵環(huán)境污染研究的重要內(nèi)容,城市灰塵的物質(zhì)來源分為三類,其一為遠(yuǎn)程來源;其二近程來源;其三為市內(nèi)來源。遠(yuǎn)程來源以三種形式遷入,一種為風(fēng)成沙的作用;另一種為大氣顆粒物的作用;另外一種為人為遠(yuǎn)程帶入作用。近程來源為近程風(fēng)力作用、近程帶入作用、市郊混染作用。市內(nèi)來源為市內(nèi)建設(shè)作用、市內(nèi)交通作用、市內(nèi)汽車尾氣、市內(nèi)顆粒物排放等。城市灰塵的物質(zhì)來源研究是城市灰塵防治、治理的基礎(chǔ),截源才能堵流。2.2城市灰炭纖維材料的組成城市灰塵物質(zhì)組成研究沿用許多自然科學(xué)使用的基本方法,通過物質(zhì)組成發(fā)現(xiàn)規(guī)律、揭示原理、尋求質(zhì)的變化。城市灰塵粒徑組成研究可以弄清灰塵的物理學(xué)性質(zhì),城市灰塵礦物組成研究可以弄清灰塵的礦物學(xué)性質(zhì),城市灰塵元素組成研究可以弄清灰塵的化學(xué)性質(zhì)。城市灰塵物質(zhì)組成研究是城市灰塵環(huán)境污染最基礎(chǔ)、最本質(zhì)的研究內(nèi)容。城市灰塵物質(zhì)組成更深層次的研究,除了進(jìn)行元素及其同位素含量測定外,要考慮超微粒(<66μm)物質(zhì)研究,因?yàn)樾∮?00目(<66μm)物質(zhì)粒徑分離要使用非常規(guī)方法。從物理學(xué)角度講膠體顆粒級(<0.4μm)、介觀物質(zhì)(微米或亞微米級,包括108~1011個原子)、納米級物質(zhì)(包括9~10個原子,<0.1μm)其顆粒極小,可稱為超微細(xì)物質(zhì);從化學(xué)角度講離子、原子、分子、原子團(tuán)、分子團(tuán)、汽溶膠,其含量甚微,一般為ng/g、pg/g含量水平。其城市灰塵對人體和環(huán)境造成危害的以超微細(xì)粒物質(zhì)為主,因?yàn)槌⒓?xì)粒物質(zhì)和粗粒、細(xì)粒、微細(xì)粒物質(zhì)相比,它的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、環(huán)境學(xué)性質(zhì)有本質(zhì)的區(qū)別。僅就其在人體中的附著力(滯留時(shí)間)、對有害元素的結(jié)合力等都是有很大差異的。城市灰塵中重金屬及其有害物質(zhì)的賦存狀態(tài)研究,是城市灰塵物質(zhì)組成研究的內(nèi)容之一,因?yàn)椴煌x存狀態(tài)、不同價(jià)態(tài)的元素,其環(huán)境學(xué)效應(yīng)是不同的,其緩解和治理的方法也是不一樣的。2.3城市石灰主要含量、分配城市灰塵分布分配規(guī)律是指城市灰塵在各個區(qū)域或者各功能區(qū)的含量規(guī)律研究,這里的分布是指城市灰塵在總體中含量,分配則是指城市灰塵在分體中含量,分布分配是相對的概念。通過分布分配規(guī)律研究弄清城市灰塵的基本分布特征,除此深入研究城市灰塵中的礦物、元素、同位素的分布分配規(guī)律,圈定和辨析灰塵、元素、同位素環(huán)境污染異常,劃分城市灰塵環(huán)境異常災(zāi)害區(qū)(Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級),制作城市灰塵、重金屬、放射性元素等環(huán)境異常圖。2.4基于城市灰實(shí)際的動態(tài)演變系統(tǒng)城市灰塵遷移演化機(jī)理是指城市灰塵遷移演化模式的探索研究,通俗的講亦即來龍去脈的研究。以不同來源介入城市的灰塵,又以不同形式在城市中遷移、循環(huán)、演變、消失,這樣年復(fù)一年、日復(fù)一日,構(gòu)成了城市灰塵的動態(tài)演變系統(tǒng)。弄清城市灰塵遷移演化機(jī)理,有助于尋求最佳時(shí)間、最佳空間、最佳位置、最佳方案,進(jìn)行城市灰塵污染的災(zāi)害預(yù)警、預(yù)防、治理。2.5城市1個不同的污染源有4個主要特點(diǎn)城市灰塵的污染類型大致可以分為五種。城市灰塵動力污染:主要是指以“風(fēng)”、“人流車流”、“衛(wèi)生清潔”、“城市建筑”等為動力源所造成的城市灰塵污染。城市灰塵地理污染:指城市地理?xiàng)l件所造成的城市灰塵污染,城市地理?xiàng)l件直接影響城市灰塵的空間傳播,平坦地形有利于城市灰塵的擴(kuò)散稀釋,而低洼地形城市灰塵不易擴(kuò)散,常常在低洼地區(qū)滯留,使得城市灰塵的濃度加大、粒度變小、成份復(fù)雜、危害更大。城市灰塵物質(zhì)污染:指城市灰塵物質(zhì)成分所造成的城市灰塵污染,城市灰塵中的顆粒物本身具有極大的危害,而深入研究城市灰塵的物質(zhì)成分更有價(jià)值,大氣顆粒物主要的化學(xué)成分可分成可溶性成分(大多數(shù)無機(jī)離子)、有機(jī)成分、微量元素、碳元素等四大類。而應(yīng)當(dāng)引起注意的是微量元素,特別是重金屬有害元素。城市灰塵循環(huán)污染:指城市灰塵搬運(yùn)遷移和循環(huán)演化所造成的城市灰塵污染,城市灰塵為大氣顆粒物和含有鉛(Pb)、銀(Ag)、鋅(Zn)、汞(Hg)等重金屬的污染物,城市灰塵通過搬運(yùn),有害重金屬通過滲透對土壤、地下水、農(nóng)作物等進(jìn)行污染。城市灰塵人體污染:指城市灰塵對人體造成的直接污染和間接污染,城市灰塵由于人為作用一般在0~5m的高度揚(yáng)起—沉降—揚(yáng)起—沉降,而此過程反復(fù)發(fā)作不斷進(jìn)行,同時(shí)人體高度和各種活動一般在此范圍,因此城市灰塵在對環(huán)境造成污染的同時(shí)對人體造成直接污染。人體吸入大氣顆粒污染物將引起呼吸道的炎癥,而與顆粒物的化學(xué)結(jié)構(gòu)無關(guān)。西安市灰塵中60%左右的灰塵粒徑小于0.25mm,40%左右在0.25~1mm之間(杜佩軒,2002),這些顆粒物進(jìn)入人體的機(jī)會很大。3關(guān)鍵研究進(jìn)展城市灰塵環(huán)境污染方法研究體系是實(shí)現(xiàn)城市灰塵環(huán)境污染理論創(chuàng)建的基本途徑,正確、有效的方法研究體系,會大大加速城市灰塵環(huán)境污染研究進(jìn)程,并取得重要科學(xué)研究進(jìn)展。3.1不同功能區(qū)的偵查設(shè)計(jì)城市灰塵環(huán)境污染“結(jié)果”的研究是城市灰塵環(huán)境污染研究的重要內(nèi)容。以系統(tǒng)的城市灰塵環(huán)境勘查方法為主,而城市灰塵環(huán)境勘查方法涉及比例尺(與勘查的目的和精度有關(guān))、采樣物質(zhì)、采樣方法、采樣位置、樣品重量、樣品加工等,大面積系統(tǒng)勘查和小范圍局部(不同功能區(qū))勘查,其由于受限于工作目的,勘查方法有極大的差異性,要根據(jù)不同的工作目的以及經(jīng)費(fèi)的投入,設(shè)計(jì)和選擇針對性的勘查方案。以西安市為例,通過大面積系統(tǒng)勘查,制作西安市灰塵不同粒徑重量等值線圖、西安市灰塵不同粒徑重量變化曲線圖、西安市灰塵重金屬地球化學(xué)圖、西安市灰塵環(huán)境異常圖等。3.2研究方法和方法城市灰塵環(huán)境污染“過程”的研究是城市灰塵環(huán)境污染研究的難點(diǎn)。以系統(tǒng)的城市灰塵環(huán)境污染研究方法為主,而城市灰塵環(huán)境污染研究方法涉及物質(zhì)來源、物質(zhì)組成、污染類型、分布分配、遷移演化等的系統(tǒng)研究方法。城市灰塵環(huán)境污染“過程”使用常規(guī)的地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、環(huán)境學(xué)研究方法,結(jié)合“灰塵”這一新的研究對象的特點(diǎn),制訂合理的精細(xì)的研究方案。例如:在對西安市的灰塵物質(zhì)組成研究中,用X衍射、差熱分析、單礦物鑒定等方法研究了礦物組成;用灰塵粒徑分析方法研究了灰塵粒徑組成;用多元素定量分析法研究了灰塵、不同粒徑灰塵的重金屬元素含量等。城市灰塵的物質(zhì)來源研究,可以通過顆粒物的磨圓度研究搬運(yùn)距離,還可以通過物質(zhì)成分對比研究判別物質(zhì)來源(標(biāo)型單礦物、同位素、微量元素等)。當(dāng)然,城市灰塵環(huán)境污染“過程”的研究是非常艱難的,針對不同的研究問題和目的,制訂相應(yīng)的科學(xué)研究方法。3.3城市灰渣植被帶城市灰塵的截源、城市灰塵的預(yù)警、城市灰塵防治、城市灰塵治理等,屬城市灰塵環(huán)境污染研究的重要內(nèi)容。建立城市灰塵環(huán)境污染科學(xué)研究系統(tǒng),建立城市灰塵環(huán)境污染與生態(tài)侵害研究系統(tǒng),城市灰塵環(huán)境污染防治治理系統(tǒng),創(chuàng)建優(yōu)美的人類城市生態(tài)環(huán)境。城市灰塵防護(hù)林帶:根據(jù)城市的地理位置、地形地貌、氣侯條件,建設(shè)永久性的城市灰塵防護(hù)林帶,阻隔遠(yuǎn)程沙塵移入城區(qū),可以有效降低城市灰塵污染物的容納數(shù)量,減輕城市灰塵污染壓力