以廣州為例淺析我國城市光化學(xué)煙霧

以廣州為例淺析我國城市光化學(xué)煙霧摘要：以廣州為例研究我國城市光化學(xué)煙霧的污染狀況及污染特征,探討光化學(xué)煙霧的形成機(jī)制,分析城市光化學(xué)污染趨強(qiáng)的原因，預(yù)測城市光化學(xué)煙霧的發(fā)展趨勢，結(jié)合城市特征探討光化學(xué)煙霧防治的措施。關(guān)鍵詞：城市光化學(xué)煙霧；汽車尾氣；防止措施城市大氣污染一般分為煤煙型和光化學(xué)煙霧型,前者因燃煤排放引起,其主要污染物為顆粒物和二氧化硫SO2;后者因汽車和石油化工排放氮氧化物NOx和揮發(fā)性有機(jī)物VOCs等前體污染物引起,其特征污染物為臭氧O3等強(qiáng)氧化劑。光化學(xué)煙霧具有很強(qiáng)的氧化性,可使橡膠開裂,對眼睛和呼吸道有很強(qiáng)的刺激性,損害人體肺功能和傷害農(nóng)作物,并使大氣能見度降低。我國城市大氣污染雖受以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)的制約,目前仍呈現(xiàn)出明顯的煤煙型污染特征,但早在70年代末就在蘭州西固石油化工區(qū)首次發(fā)現(xiàn)了光化學(xué)煙霧并開展了大氣物理和大氣化學(xué)的大規(guī)模綜合研究,1986年夏季在北京也發(fā)現(xiàn)了光化學(xué)煙霧的跡象,近10年來日趨嚴(yán)重。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,我國中、南部特別是沿海城市均已發(fā)生或面臨光化學(xué)煙霧的威脅,上海、廣州、深圳等城市也頻繁觀測到光化學(xué)煙霧污染的現(xiàn)象。以廣州為例研究我國城市光化學(xué)煙霧的污染狀況及污染特征,探討光化學(xué)煙霧的形成機(jī)制,預(yù)測城市光化學(xué)煙霧的發(fā)展趨勢。1.城市光化學(xué)煙霧的形成機(jī)理光化學(xué)煙霧的形成機(jī)理可以定性地表述為:光化學(xué)煙霧是由鏈?zhǔn)椒磻?yīng)形成的。它以NO2光解生成原子氧的反應(yīng)為引發(fā),原子氧的產(chǎn)生導(dǎo)致了臭氧的形成。由于烴類參與鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生多種自由基,造成了NO向NO2的迅速轉(zhuǎn)化。在此轉(zhuǎn)化中RO·和RO2·自由基起了主要的作用CO3參與的少),以致基本上不需要消耗O3就能使大氣中NO轉(zhuǎn)化為NO2。NO2又繼續(xù)光解產(chǎn)生O并導(dǎo)致O3的產(chǎn)生,從而使O3濃度不斷升高。同時(shí)產(chǎn)生的醛類和新的自由基又繼續(xù)和烴類反應(yīng),生成更多的自由基。如此繼續(xù)不斷,循環(huán)往復(fù)地進(jìn)行鏈?zhǔn)椒磻?yīng),直至烴類耗盡,NO全部氧化為NO2。概括起來影響光化學(xué)煙霧的主要(污染物)因素是:(1)碳?xì)浠衔锏幕钚浴?2)吸收光能的引發(fā)劑。(3)NO2和CｘHｙ的濃度比。汽車廢氣作為空氣污染中的一種特殊情形，其主要污染物有碳氧化物、氮氧化物、碳?xì)浠衔铩⒘蜓趸?、鉛化合物、苯并芘等。對于未裝尾氣凈化器的汽車,65%的烴類及COｘ、NOｘ和鉛化合物均從尾氣中排入大氣。目前,許多國家制定的汽車排氣標(biāo)準(zhǔn)中,都把一氧化碳、碳?xì)浠衔锖偷趸镒鳛橹饕廴疚飦砜刂啤饣瘜W(xué)煙霧形成有關(guān)的氣體主要是后2種,尤其是其中的NO、NO2和烯烴、芳烴。汽車廢氣的數(shù)量是很大的,若平均每天燃用5ｋｇ汽油,則生成2.1ｋｇCO、0.62ｋｇＣｘＨｘ、0.11ｋｇNOｘ。那么一個(gè)擁有10萬輛汽車的城市,每天空氣中就要增加210萬噸CO、62噸的ＣｘＨｘ、11噸NOｘ?？梢娖嚧_實(shí)成了污染空氣的“罪魁”。2.廣州大氣光化學(xué)污染狀況廣州市近20年來主要的大氣污染物有:二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、總懸浮微粒(TSP)、降塵(DF)等,其中SO2及NOx和CO分別主要來源于工業(yè)生產(chǎn)和交通運(yùn)輸,TSP和DF則主要來源于餐飲業(yè)和建筑業(yè)。目前,廣州交通污染源尾氣排放量對廣州大氣質(zhì)量的“貢獻(xiàn)”躍居為首位。分析廣州市1981～1997年的環(huán)境監(jiān)測資料表明，年紀(jì)之間具有光化學(xué)污染逐年增強(qiáng)的趨勢。以1981～1997年全市各監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測結(jié)果為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),以我國《大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的日平均質(zhì)量濃度二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)計(jì)算廣州市1981～1997年的各大氣污染物的指數(shù)及污染負(fù)荷率,計(jì)算公式如下:Fi=Pi/P其中:Pi=Ci/Si,P=∑Pi式中:Fi為污染物i的負(fù)荷率,Pi為污染物i的分指數(shù),P為大氣污染綜合指數(shù),Ci為污染物i的實(shí)測值,Si為污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(其中SO2為0.06mg/m3、NOx為0.1mg/m3、CO為4mg/m3、TSP為0.3mg/m3,DF為8t/km2·月)。計(jì)算結(jié)果如表1所示。表11981～1997年廣州市各大氣污染物的評(píng)價(jià)指數(shù)和污染負(fù)荷率(%)從表1的結(jié)果發(fā)現(xiàn),雖然各污染物的負(fù)荷率隨年份不斷波動(dòng),但NOx和CO的負(fù)荷率逐年增加、SO2和TSP則逐年減少的趨勢明顯。比較1981～1997年大氣污染物評(píng)價(jià)指數(shù)和負(fù)荷率的結(jié)果說明:廣州在20世紀(jì)80年代中期以前(1981～1986)各污染物的負(fù)荷率以DF最高、SO2次之、CO最低為煤煙型污染特征;1987～1997年間,全市大氣中氣態(tài)污染物評(píng)價(jià)指數(shù)和負(fù)荷率則以NOx最高,如1994年全市實(shí)測NOx年均日濃度值為:1.16mg/m3,污染指數(shù)為1.16,污染負(fù)荷比為25.2%,1996年達(dá)35.6%。這充分說明廣州自80年代末以來NOx的污染相當(dāng)嚴(yán)重,光化學(xué)污染有逐年增強(qiáng)的趨勢。特別是越秀區(qū)、東山區(qū)的主要干道的NOx已大大超國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。3.廣州光化學(xué)污染趨強(qiáng)的主要原因VOCs和NOx兩者構(gòu)成光化學(xué)污染中最主要的一次污染物;控制大氣光化學(xué)污染最有效的手段是同時(shí)控制VOCs和NOx污染水平.，結(jié)合廣州的氣象、地理?xiàng)l件，從VOCs和NOx來源著手來分析廣州市區(qū)光化學(xué)污染趨強(qiáng)的原因。3.1廣州光化學(xué)污染趨強(qiáng)主要與機(jī)動(dòng)車輛的迅速增加有關(guān)自上世紀(jì)80年代末以來,廣州大氣中NOx和CO的污染負(fù)荷率逐年增加,光化學(xué)類污染急劇發(fā)展,這主要與車輛的迅速增加密切相關(guān)。據(jù)統(tǒng)計(jì),廣州機(jī)動(dòng)車排放的NOx約占全市NOx總量的60%。加之廣州地處低緯度,高溫、多雨、濕度大;風(fēng)向以北和東北及東和東南方向?yàn)橹?具有通風(fēng)不良和靜風(fēng)頻率高、近地層的逆溫頻率高、熱島效應(yīng)強(qiáng)等特征。不僅不利于污染物的對流和擴(kuò)散,還有利于貼近城區(qū)周圍工業(yè)和建筑業(yè)、交通業(yè)的大氣污染物向西區(qū)和市中心集聚,形成局地的堆積污染,也有利于大氣污染物NOx的轉(zhuǎn)化,更進(jìn)一步加大了光化學(xué)的污染程度,特別是交通擁擠,汽車在路上重新啟動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)的次數(shù)越多,尾氣排放量越大,因而越秀區(qū)和東山區(qū)及市內(nèi)的主要交叉路口和交通要道等地帶成為NOx和CO污染的“重災(zāi)區(qū)”。因此，要解決NOx和CO污染問題,控制及改進(jìn)廣州市交通環(huán)境是關(guān)鍵。3.2廣州市內(nèi)各功能區(qū)VOCs污染源分析表2給出了市區(qū)內(nèi)典型功能區(qū)VOCs的監(jiān)測結(jié)果，作為交通主干道的東風(fēng)路、環(huán)市路和新港路污染最為嚴(yán)重,檢出的VOCs種類較多,濃度也較高;而文化區(qū)和居民區(qū)的污染相對小些,但也不可忽視.圖1是三個(gè)功能區(qū)大氣中苯系物(BTEX)的濃度分布情況,用來判斷功能區(qū)的VOCs污染來源.三個(gè)功能區(qū)的BTEX線圖基本上平行重合,說明它們的來源都相同.甲苯的濃度仍然是最高的,苯和乙苯濃度相當(dāng).這說明了,市區(qū)內(nèi)VOCs的污染特征與交通源相似,即VOCs的污染主要是由于機(jī)動(dòng)車排放引起的.另外,各類型加油站的油庫、市內(nèi)三產(chǎn)燃料燃燒,還有市郊工業(yè)區(qū)排放的貢獻(xiàn)也是不可忽略的。由圖表可知，廣州地區(qū)空氣中的揮發(fā)性有機(jī)物的總量已很高,廣州市區(qū)的VOCs主要來自人為污染源,尤其是交通源。表2市內(nèi)典型功能區(qū)VOCs監(jiān)測結(jié)果(μg·m-3)圖1內(nèi)典型功能區(qū)苯系物濃度分布圖4.光化學(xué)污染的防治措施注：文章內(nèi)所有公式及圖表請用PDF形式查看。4.1安裝排放孔昂志裝置控制污染源碳?xì)浠衔锸枪饣瘜W(xué)煙霧形成過程中必不可少的重要組成,因此控制碳?xì)浠衔?尤其是那些反應(yīng)活性高的有機(jī)物(如烯烴、含有側(cè)鏈的苯烴)的排放,能有效地控制光化學(xué)煙霧的形成和發(fā)展。另外,光化學(xué)煙霧形成的光化學(xué)反應(yīng)中,自由基反應(yīng)占很重要的地位,而自由基的引發(fā)反應(yīng)主要是由NO2光解而引起的,所以控制氮氧化合物的排放也十分重要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大氣中CO污染物的75％、HC和NO污染物的50％來源于汽車的尾氣排放。隨著汽車保有量的日益增多，汽車的排放污染已成為大氣光化學(xué)污染的元兇，汽車排放的污染源來自車上的眾多系統(tǒng)，如果不安裝各種排放控制裝置，那么將有大約20％的有害物質(zhì)來自曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)，60％來自排氣系統(tǒng)，另有,20％來自供油系統(tǒng)的蒸發(fā)。近年來生產(chǎn)的汽車中，差不多每一種污染源均有獨(dú)自的排放控制技術(shù)及裝置。如電子控制裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱的污染控制裝置（PCV）、燃油蒸汽污染控制系統(tǒng)（ECS）、排氣再循環(huán)系統(tǒng)（EGR）、空氣噴射系統(tǒng)、催化式凈化裝置、微粒搜捕器等等。其中利用催化劑對汽車的廢氣進(jìn)行凈化應(yīng)用已經(jīng)比較普遍，其基本原理是:2NO(g)+2CO(g)=====N2(g)+2CO2(g)2CO(g)+O2(g)=====2CO2(g)從而使汽車尾氣無害化。歐共體規(guī)定，所屬各國從1993年開始銷售的裝有汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車一律要配置三元催化轉(zhuǎn)換器。該裝置可凈90％的有害物質(zhì)。4.2完善車輛管理和發(fā)展公共交通加快城市公共交通的發(fā)展和道路建設(shè)的步伐,推廣環(huán)保型交通工具及尾氣凈化等新技術(shù),合理分流市區(qū)交通壓力并強(qiáng)化機(jī)動(dòng)車排氣污染控制工作,從而有效減輕市中心機(jī)動(dòng)車排氣污染，建立和完善機(jī)動(dòng)車管理體系,都是控制城市光化學(xué)污染的，改善空氣質(zhì)量的當(dāng)務(wù)之急。4.3利用清潔能源如使用氫作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料,利用氫氧燃料電池供電來驅(qū)動(dòng)運(yùn)輸工具(電動(dòng)車),利用電磁感應(yīng)的方法推動(dòng)火車(超導(dǎo)懸浮列車)等。核能的安全使用，風(fēng)能、太陽能的開發(fā)利用。利用清潔能源,開發(fā)無污染運(yùn)輸是今后的導(dǎo)向。4.4樹立生態(tài)設(shè)計(jì)觀念將城市氣候與城市規(guī)劃及建筑設(shè)計(jì)相結(jié)合,按主導(dǎo)風(fēng)向規(guī)劃建筑物的配置,充分利用太陽能等氣候條件,注重