大氣光化學(xué)煙霧污染、監(jiān)測及防治研究

杜紅梅

（老河口市環(huán)境監(jiān)測站 湖北襄陽 441800）

引言

2021 年5 月，生態(tài)環(huán)境部公布了《中國生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》（2020 年）。根據(jù)《公報(bào)》公布的結(jié)果顯示，2020 年，全國337 個(gè)地級(jí)及以上城市中，有135 個(gè)城市空氣質(zhì)量未達(dá)標(biāo)，占40.1%。其中以臭氧為首要污染物占總超標(biāo)天數(shù)的37.1%，僅次于細(xì)顆粒物（占51%）。通過大氣環(huán)境監(jiān)測情況來看，以臭氧為主的光化學(xué)煙霧污染問題較為突出[1]。為此，生態(tài)環(huán)境部印發(fā)《2020 年揮發(fā)性有機(jī)物治理攻堅(jiān)方案》，協(xié)調(diào)推進(jìn)細(xì)顆粒物與臭氧控制，開展五輪次臭氧污染防治監(jiān)督幫扶，旨在強(qiáng)化光化學(xué)煙霧污染監(jiān)測，做好光化學(xué)污染治理。

1 光化學(xué)煙霧論述

大氣環(huán)境中的非甲烷碳?xì)浠衔锱c氮氧化物等一次污染物，在陽光的強(qiáng)烈照射下會(huì)產(chǎn)生系列化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生過氧乙酰硝酸酯、臭氧、醛及過氧化氫等二次污染物，二次污染物具有極強(qiáng)的氧化性。參與光化學(xué)反應(yīng)過程的一次、二次污染物的氣溶膠或氣體混合物形成的煙霧，稱之為光化學(xué)煙霧[2]。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，以及城市化進(jìn)程加快，城市大氣環(huán)境污染由傳統(tǒng)煤煙型污染為主朝著光化學(xué)污染為主轉(zhuǎn)化，尤其是在機(jī)動(dòng)車保有量龐大、石油化工區(qū)密集的特大、大、中型城市，光化學(xué)煙霧污染頻現(xiàn)。

1.1 光化學(xué)煙霧形成機(jī)理

從圖1 光化學(xué)煙霧的形成過程來看，紫外線中碳?xì)浠衔锱c氮氧化物共存時(shí)會(huì)經(jīng)歷物理、化學(xué)反應(yīng)。首先是二氧化氮光解生成氧原子，產(chǎn)生臭氧；其次是非甲烷碳?xì)浠衔锵?，進(jìn)一步氧化成高活性自由基（HO·、RO2·）過氧化氫活性自由基[3]；再次是這些高活性自由基引起一氧化氮向二氧化氮轉(zhuǎn)化，二氧化氮的產(chǎn)生會(huì)加速臭氧污染物生成，經(jīng)過多次反復(fù)鏈?zhǔn)椒从常谎趸c碳?xì)浠衔锵?，最終生成醛類、過氧乙酰硝酸酯、臭氧等二次污染物，最終形成了危害較大的光化學(xué)煙霧。

圖1 光化學(xué)煙霧的形成過程示意圖

1.2 光化學(xué)煙霧形成條件

從光化學(xué)煙霧的形成機(jī)理可知，光化學(xué)煙霧經(jīng)歷三次物理、化學(xué)反應(yīng)，其形成必然受到物理、化學(xué)過程影響以及大氣環(huán)境中的污染物排放量因素影響。且光化學(xué)煙霧來自一次污染物與二次污染物的混合物。因此，大氣環(huán)境中產(chǎn)生光化學(xué)煙霧需要滿足三個(gè)條件：一次污染物。即大氣環(huán)境中氮氧化物、一氧化碳、非甲烷烴等化合物需要達(dá)到一定濃度值，這時(shí)，為光化學(xué)反應(yīng)提供了基礎(chǔ)條件。氣象條件。一次污染物發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)，最終形成光化學(xué)煙霧，需要強(qiáng)烈的太陽輻射、大氣擴(kuò)散條件差，以及存在相應(yīng)的逆溫現(xiàn)象。其中，過強(qiáng)太陽輻射會(huì)加速光化學(xué)反應(yīng)速率、較差大氣擴(kuò)散條件有利于污染物累積，而逆溫現(xiàn)象的存在則利于臭氧產(chǎn)生。地理?xiàng)l件。光化學(xué)煙霧的形成于較為封閉的地理環(huán)境之中，在這樣地理?xiàng)l件下，一次、二次污染物均不易于擴(kuò)散或稀釋，加劇大氣環(huán)境中臭氧污染物累積。

1.3 光化學(xué)煙霧主要危害

光化學(xué)煙霧對(duì)人體、生物及能見度等均有不同程度的負(fù)面影響。其中，光化學(xué)煙霧的人身危害，主要表現(xiàn)在臭氧過量吸收會(huì)誘發(fā)肺部疾病，造成肺部功能不可逆損害。此外，光化學(xué)煙霧中的過氧乙酰硝酸酯、醛類等污染物超標(biāo)會(huì)刺激眼部及呼吸系統(tǒng)，誘發(fā)紅眼病等[4]。光化學(xué)煙霧中的臭氧污染物會(huì)削弱植物的光合作用，降低農(nóng)作物光合作用，抑制植物正常生長，引發(fā)病蟲害滋生蔓延，威脅生態(tài)環(huán)境安全。光化學(xué)煙霧影響大氣能見度，造成飛機(jī)晚點(diǎn)、誘發(fā)交通事故現(xiàn)象。此外，光化學(xué)煙霧還會(huì)導(dǎo)致建筑材料腐蝕，機(jī)械設(shè)備老化、龜裂等。

2 光化學(xué)煙霧的污染現(xiàn)狀

2.1 總體污染狀況

根據(jù)湖南省2018 年-2020 年生態(tài)環(huán)境公報(bào)公布的數(shù)據(jù)作為分析依據(jù)，以全省14 個(gè)城市大氣環(huán)境中臭氧監(jiān)測結(jié)果，據(jù)此分析全省光化學(xué)煙霧的污染情況。其中，（1）2018 年，14 個(gè)城市的臭氧年均濃度范圍為104～161 微克/立方米，全省均值為140 微克/立方米，比上年上升2.2%。14 個(gè)城市臭氧日最大8 小時(shí)平均濃度超過二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（160 微克/立方米）的累積總天數(shù)為231 天，最高超標(biāo)9.7 倍（長沙市）。（2）2019 年，全省14 個(gè)城市大氣環(huán)境中，臭氧年均濃度為148 微克/立方米，較2018 年的140 微克/立方米上升了5.71%。全省14 個(gè)城市湘東北的岳陽、常德、長沙、湘潭、益陽、婁底和常德等市臭氧污染物偏高。（3）2020 年，全省14 個(gè)城市大氣環(huán)境中，臭氧年均濃度為126 微克/立方米，較2019 年下降了14.86%，下降幅度較大。臭氧污染物集中于岳陽、長沙、常德等市臭氧污染物偏高。

2.2 主要污染特點(diǎn)

從全省14 個(gè)市的監(jiān)測結(jié)果情況來看，長沙、岳陽、常德、湘潭等地的臭氧污染物濃度偏高于全省其他城市。且從這些城市的臭氧污染物濃度監(jiān)測結(jié)果的變化來看，每月臭氧百分位濃度變化中，第一季度符合二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，5-9 月百分位濃度持續(xù)上升，7、8 月份達(dá)到峰值，超過國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。隨后，全省臭氧百分位濃度含量逐漸降低。究其原因，岳陽、長沙、常德等地工業(yè)發(fā)展較快，與湘南、湘西山區(qū)偏多，光照強(qiáng)度較少有關(guān)。從日監(jiān)測變化情況來看，長沙、岳陽等市大氣環(huán)境中的臭氧污染物監(jiān)測值在1:00 達(dá)到峰值，此后緩慢降低?？傮w來看，12:00-14:30 為臭氧監(jiān)測濃度最高值出現(xiàn)時(shí)區(qū)，3:00-7:00 為臭氧監(jiān)測濃度最低值出現(xiàn)時(shí)區(qū)。

2.3 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布設(shè)

從2018 年-2020 年湖南省14 市大氣臭氧監(jiān)測濃度值現(xiàn)狀及其變化特點(diǎn)來看，總體呈現(xiàn)出下降趨勢，湘東北城市大氣臭氧污染物濃度高于湘西南?？傮w臭氧污染物濃度呈現(xiàn)逐漸下降的可喜成績，但光化學(xué)污染現(xiàn)狀依然需要引起各方高度重視。為此，構(gòu)建科學(xué)合理的光化學(xué)污染監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，為光化學(xué)污染環(huán)境監(jiān)測及時(shí)提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)信息，用以支持和引導(dǎo)全省光化學(xué)污染防治[5]。鑒于全省光化學(xué)污染呈現(xiàn)出較為明顯的時(shí)間和空間分布特點(diǎn)和規(guī)律，因此，在布設(shè)臭氧監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)時(shí)要因地制宜，科學(xué)布設(shè)，根據(jù)城市大氣臭氧污染物監(jiān)測情況，適當(dāng)增減相關(guān)監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)。具體來說，應(yīng)在臭氧濃度高的區(qū)域、主城區(qū)下風(fēng)向、城市上風(fēng)向等場所布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)位。監(jiān)測的時(shí)間選擇方面，應(yīng)更加注重5-9月份，以及12:00-14:30 時(shí)間節(jié)點(diǎn)的臭氧監(jiān)測頻次，及時(shí)掌握更多的第一手監(jiān)測數(shù)據(jù)，為指導(dǎo)地區(qū)臭氧污染防治，做好光化學(xué)污染治理提供精準(zhǔn)指導(dǎo)。

3 光化學(xué)污染防治措施

3.1 加強(qiáng)監(jiān)測，因地制宜管控

據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)城市大氣環(huán)境中的臭氧污染物濃度達(dá)到0.08mg/L時(shí)，光化學(xué)煙霧接近于危險(xiǎn)水平，當(dāng)光化學(xué)煙霧達(dá)到0.2mg/L 時(shí)，會(huì)對(duì)人體及生物造成傷害，而當(dāng)光化學(xué)煙霧中的臭氧濃度達(dá)到了1.0mg/L 時(shí)，會(huì)嚴(yán)重傷害人的肌體健康。因此，需要強(qiáng)化城市大氣臭氧等主要污染物的光化學(xué)煙霧實(shí)時(shí)監(jiān)測，科學(xué)布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)位，尤其是在城市發(fā)達(dá)地區(qū)、機(jī)動(dòng)車保有量較大城市以及化工企業(yè)聚集區(qū)，尤其要做好臭氧的實(shí)時(shí)監(jiān)測，動(dòng)態(tài)掌握，及時(shí)預(yù)警，做到因地、因時(shí)管控[6]。

3.2 源頭控制，減少污染排放

強(qiáng)化源頭控制，尤其是要減少氮氧化物、碳?xì)浠衔锏扰欧?，采取切?shí)可行的措施，抑制光化學(xué)煙霧形成條件。針對(duì)工業(yè)化、城市化發(fā)展的現(xiàn)狀，要從化工企業(yè)污染排放、交通工具污染排放以及取暖設(shè)施煤煙型污染排放等入手，采取區(qū)域集中供熱，合理選用化學(xué)抑制劑，減少機(jī)動(dòng)車尾氣氮氧化物及碳?xì)浠衔锏呐欧帕?，從源頭降低污染物排放。

3.3 改進(jìn)技術(shù)，做好污染治理

從光化學(xué)煙霧的形成機(jī)理及條件來看，改進(jìn)技術(shù)是應(yīng)對(duì)光化學(xué)煙霧污染的一項(xiàng)重要手段。以機(jī)動(dòng)車尾氣排放為例，針對(duì)城市機(jī)動(dòng)車保有量的持續(xù)增加，城市機(jī)動(dòng)車尾氣排放出的污染物含有大量碳?xì)浠衔锖偷趸?，這也是加劇城市臭氧污染物濃度超標(biāo)的重要因素，為此，可通過在機(jī)動(dòng)車上安裝尾氣凈化裝置，最大限度地減少機(jī)動(dòng)車尾氣排放，此外，也需要加快汽油改良，或者推廣使用清潔能源，大力推廣天然氣燃料或者油電、純電動(dòng)力機(jī)動(dòng)車[7]。使用苯酚、苯胺以及苯甲醛等化學(xué)抑制劑，消除OH·自由基化學(xué)反應(yīng)，使反應(yīng)鏈?zhǔn)艿揭种贫y以生成煙化學(xué)霧。

結(jié)語

綜上，隨著城市發(fā)展，機(jī)動(dòng)車保有量增加以及化工企業(yè)的集聚，城市光化學(xué)煙霧成為制約城市可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)境因素，要準(zhǔn)確掌握光化學(xué)煙霧的形成機(jī)理、形成條件以及現(xiàn)實(shí)危害性，結(jié)合全省各地臭氧污染物變化及分布特征，并提出大氣光化學(xué)煙霧治理措施，制定科學(xué)監(jiān)測方案，布設(shè)合理點(diǎn)位，做好污染源頭治理，為打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)貢獻(xiàn)力量。