我國PM2.5的組成來源及控制技術(shù)綜述

吳善兵

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我國PM2.5的組成來源及控制技術(shù)綜述

吳善兵

河南省信陽市環(huán)境監(jiān)測站

霧霾天氣的頻繁出現(xiàn)，給人們的日常生活和身體健康帶來諸多不利影響，如何改善環(huán)境空氣質(zhì)量成為人們?nèi)找骊P注的焦點。而造成霧霾天氣、降低能見度、影響交通安全的主要因素就是PM2.5。該文在對PM2.5的組成特性、來源危害等方面進行多角度分析和總結(jié)的基礎上，通過介紹國內(nèi)現(xiàn)有PM2.5控制技術(shù)，提出今后的發(fā)展方向，為后續(xù)研究提供理論參考。

PM2.5特性 來源 危害 控制技術(shù)

長期以來，我國都是以二氧化硫、二氧化氮和可吸入顆粒物等9項大氣污染指標作為反映空氣污染指數(shù)、衡量環(huán)境空氣質(zhì)量狀況的指標依據(jù)，直到2011年秋末冬初，北京環(huán)境監(jiān)測部門發(fā)布的空氣質(zhì)量監(jiān)測報告與美國駐京大使館公布的監(jiān)測結(jié)果以及公眾的實際感受產(chǎn)生明顯差異，“PM2.5”這一專業(yè)術(shù)語，迅速成為人們廣泛關注的熱點話題。

1 PM2.5的定義及組成

1.1 定義

PM2.5，英文全稱為Particulate Matter2.5，簡稱為PM2.5，是指懸浮在空氣中，空氣動力學直徑≤2.5μm 的顆粒物[1]。

在大氣化學里，按照粒徑的大小，物質(zhì)粒子分為三大類，即愛根核、大核和巨核。粒徑小于0.05微米的粒子稱為愛根核；粒徑大于0.05微米而小于2微米的粒子稱為大核；粒徑大于2微米的粒子稱為巨核。PM2.5主要由大核粒子和愛根核粒子組成。還有一些專家，把小于2微米的粒子稱為細粒子，大于2微米的粒子稱為粗粒子。所以PM2.5也被稱為細粒子[2]。

1.2 化學組成

PM2.5的成分很復雜，它本身是一種粒徑很小的顆粒物，比表面積大，極易富集空氣中的有毒有害物質(zhì)，受來源、粒徑、所處氣候條件等因素影響，其組成主要包括無機元素、水溶性無機鹽、有機物和含碳組分等，其中水溶性無機鹽和含碳組分是PM2.5的主要組分，其質(zhì)量濃度之和超過PM2.5質(zhì)量濃度的50%。水溶性無機鹽的主要成份有: 硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽。無機元素的主要成份為: 硫、溴、氯、砷、銫、銅、鉛、鋅、鋁、硅、鈣、磷、鉀、釩、鈦、鐵、錳等。有機化合物的主要成份有: 揮發(fā)性有機物(VOC) 、多環(huán)芳烴(PAH) 等;此外還有元素碳( EC) ; 有機碳( OC) ;微生物，如細菌、病毒、霉菌等[3~5]。

2 PM2.5的來源

一般來說，PM2.5的產(chǎn)生來源主要有自然來源和人為來源兩種，雖然自然過程也會產(chǎn)生PM2.5，如風揚塵土、火山灰、森林火災、漂浮的海鹽、花粉、真菌孢子、細菌等，但其主要來源還是人類在生產(chǎn)生活過程中的排放物，并且其危害相對較大。人類既可以直接排放PM2.5，也可以通過排放某些氣體污染物，然后在空氣中轉(zhuǎn)變?yōu)镻M2.5[6]。PM2.5的化學成份中有機碳、碳黑、粉塵，屬于原生顆粒物，被稱為一次顆粒物。硫酸銨(亞硫酸銨)、硝酸銨等，是由人類活動排放或自然產(chǎn)生的二氧化硫和二氧化氮等，在大氣中經(jīng)過光化學反應形成的二次污染物，所以被稱為二次顆粒物。

一次顆粒物中的碳黑粒子主要來源于汽車尾氣排放、鍋爐燃燒、廢棄物焚燒、露天燒烤、秸稈焚燒和居民柴草燃燒等過程。粉塵主要來自道路交通、建筑工地和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的揚塵。在一次顆粒物的各個來源中，PM2.5所占的比例相差較大，道路揚塵與建筑揚塵以粗顆粒為主，由燃料燃燒產(chǎn)生的顆粒物，則以細顆粒PM2.5為主。

硫酸銨的前體物是二氧化硫（SO2），主要來源于燃燒高硫煤的鍋爐；硝酸銨的前體物是氮氧化物（NOX），主要來源于鍋爐與燃油機動車，氨（NH3）主要來源于化肥生產(chǎn)、動物糞便、焦炭生產(chǎn)、冷凍車間和控制NOX的鍋爐（NH3作為降解劑）。在二次粒子的生成過程中，大氣相對濕度起著至關重要的作用。相對濕度不僅是決定二次粒子的生成和低空的累積的重要條件，而且是決定二次粒子粒徑增大與散射率變化的首要條件[5]。

我國各地區(qū)之間PM2.5的產(chǎn)生來源受不同流域和地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展水平、地理環(huán)境狀況、能源構(gòu)成結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝方法以及機構(gòu)管理方式等的不同而差異明顯。朱先磊等[7]利用CMB 受體模型解析出北京市PM2.5的主要來源為燃煤、揚塵、機動車排放、建筑塵、生物質(zhì)燃燒、二次硫酸鹽和硝酸鹽以及有機物。肖致美等[8]解析寧波市環(huán)境空氣中PM2.5的來源，結(jié)果表明城市揚塵、煤煙塵、機動車尾氣塵、二次硫酸鹽、硝酸鹽和SOC是重要貢獻源，分擔率分別為19. 9%、14. 4%、15. 2%、16. 9%、9. 78% 和8. 85%。除此之外，香煙產(chǎn)生的煙霧其實是室內(nèi)PM2.5的主要來源[4]。

綜合看，主要有以下幾種方式[3~10]: 化石燃料不完全燃燒；炭燃料高溫燃燒過程中產(chǎn)生的一次有機碳，和一次有機碳發(fā)生光化學變化生成的二次有機碳；機車尾氣排放的二次轉(zhuǎn)化物；燃料高溫燃燒；室內(nèi)裝修；建筑塵；土壤層塵；鋼鐵塵；煙草燃燒。

3 PM2.5的危害

PM2.5的基本特征是：粒徑小、重量輕，在大氣中的滯留時間長，可以被大氣環(huán)流輸送到很遠的地方，造成大范圍的空氣污染。從毒理學角度看，這為一些細菌、病毒、重金屬和致癌物質(zhì)提供了良好的載體，PM2.5不易被鼻腔和呼吸道阻攔，極易被帶入人體，并在人體內(nèi)滯留，從而加劇對人體健康的損害[11]。研究表明，PM2.5的危害主要表現(xiàn)為對環(huán)境的影響、對人體健康的危害以及對農(nóng)作物的影響等多方面。

3.1 PM2.5對環(huán)境的影響

PM2.5是產(chǎn)生霧霾天氣的主要原因之一，這種天氣嚴重地降低了空氣的能見度，對地面交通安全和飛機的起降，構(gòu)成安全隱患，甚至會導致一系列交通事故，造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，每當出現(xiàn)霧霾天氣時，高速公路和機場通常會封閉運行，這樣不僅為人們的出行帶來諸多不便，而且還間接地造成了大量的經(jīng)濟損失。

有研究表明，PM2.5與大氣能見度線性相關系數(shù)高達0.96[12]，能見度降低時，PM10和PM2.5濃度明顯增加，且與細顆粒物呈負相關關系，即顆粒物粒徑越小對能見度的影響越明顯[13]。Sloane 等[14]提出能見度降低的主要原因是氣體污染物和大氣顆粒物對光的吸收和散射減弱了光信號，使物體和環(huán)境背景之間對比度降低。不少學者認為硫酸鹽顆粒對光的散射效應最強，但Appel 等[15]認為，硝酸鹽顆粒對光的散射效應比硫酸鹽顆粒更強，也有學者認為，PM2.5對光的吸收效應幾乎全部是由碳黑和含有碳黑的細顆粒造成，其引起的消光效應在某些地方甚至可降低一半以上的能見度。劉巖磊等[16]認為PM2.5含有大量的硫酸與硫酸鹽、硝酸與硝酸鹽、烴類等粒子，當其濃度增高時，直接造成陰霾天氣，從而使大氣渾濁，視野模糊并導致能見度惡化，當水平能見度小于10km 時，所造成的一種非水霧組成的氣溶膠系統(tǒng)的視野障礙。因此，PM2.5是導致大氣能見度降低的罪魁禍首。

3.2 PM2.5對人體健康的危害

空氣中PM2.5也存在于正常天氣時，而不僅僅是在灰霾天氣時才存在，并且它對人體的危害非常大。PM2.5對人體健康造成的危害常常是多方面的，不僅對呼吸系統(tǒng)危害驚人，對心血管、神經(jīng)系統(tǒng)等也有極壞影響。目前認為PM2.5主要通過引起肺炎癥反應以及氧化損傷，引發(fā)系統(tǒng)性炎癥反應與神經(jīng)調(diào)節(jié)改變，從而影響呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)等。流行病學研究表明，心律失常、心肌梗死、心力衰竭、動脈粥樣硬化、冠心病[17~18]等都與PM2.5暴露有關。

人類在呼吸的過程中，直徑為5μm以上的顆粒可以到氣管支氣管，但是5μm以下，特別是1~3μm的顆粒，就會進入肺泡里，肺泡在進行氣體交換的同時，這些顆粒被巨噬細胞吞噬，而永遠停留在肺泡里，或者溶解在血液，隨血液循環(huán)到達全身各處，此外它還可以作為細菌病毒的載體，對人體造成危害[6]。

世界衛(wèi)生組織在2005年版《空氣質(zhì)量準則》中也指出：當PM2.5年均濃度達到每立方米35μg 時，人的死亡風險比每立方米10μg的情形約增加15%。一份來自聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署的報告稱，PM2.5每立方米的濃度上升20mg，中國和印度每年會有約34×104人死亡。據(jù)統(tǒng)計，歐盟國家中，PM2.5導致人均壽命減少8.6個月。而當污染較輕時，首先對易感人群，即兒童、老人、呼吸性疾病及心血管疾病患者產(chǎn)生影響，隨著霧霾的增加污染也不斷增加，繼而影響到全體人群。

氣象專家和醫(yī)學專家認為，由細顆粒物造成的灰霾天氣對人體健康的危害甚至比沙塵暴還大。粒徑10μm以上的顆粒物，會被擋在人的鼻子外面；粒徑在2.5μm至10μm之間的顆粒物，能夠進入上呼吸道，但部分可通過痰液等排出體外，另外也會被鼻腔內(nèi)部的絨毛阻擋，對人體健康危害相對較小；而粒徑在2.5μm以下的細顆粒物，不易被阻擋，被吸入人體后會直接進入支氣管，干擾肺部的氣體交換，引發(fā)包括哮喘、支氣管炎和心血管病等方面的疾病[19]。

一般情況下，粒徑在100μm以上的塵粒會很快在大氣中沉降，10μm以上的塵?？梢詼粼诤粑乐?；5～10μm的塵粒大部分會在呼吸道沉積，被分泌的粘液吸附，可以隨痰排出；小于5μm的塵?？梢陨钊敕尾?，0.01～0.1μm的塵粒，50%以上將沉積在肺腔中，引起各種塵肺病[20]。大氣顆粒物的表面可以吸附空氣中的各種有害氣體及其他污染物，而成為它們的載體，如可以承載重金屬、強致癌物質(zhì)多環(huán)芳烴及其他細菌等，使得職業(yè)性癌癥的發(fā)病率升高[21~22]。環(huán)境流行病學研究表明，從輕微的呼吸系統(tǒng)癥狀的產(chǎn)生到心肺疾病門診人數(shù)和死亡率的增加都與大氣污染有密切關系[23]。潘小川的研究報告指出：2004年～2006年期間，當北京大學校園觀測點的PM2.5日均濃度增加時，在約4km以外的北京大學第三醫(yī)院，心血管病急診患者數(shù)量也有所增加。盡管PM10和PM2.5都是心血管病的危險因素，但PM2.5的影響顯然更大[24]。錢孝琳等[25]在“PM2.5污染與居民每日死亡關系分析”中建立了居民短期PM2.5暴露反應關系，并指出PM2.5濃度每升高100μg/m3，居民死亡發(fā)生率增加12.07%。閆慶倩等[26]利用動物實驗比較廣州、東莞、深圳和肇慶4 個城市的大氣PM2.5對呼吸系統(tǒng)的毒性作用，結(jié)果顯示，PM2.5可使大鼠肺組織發(fā)生氧化應激損傷和炎性反應。趙學彬等[27]則研究這4個城市的大氣PM2.5對血管內(nèi)皮細胞的毒性作用，認為NO、SOD、LDH與細胞存活率有關聯(lián)，氧化應激損傷可能是其作用機制之一。

3.3 PM2.5對植物和農(nóng)作物的影響

影響植物和農(nóng)作物生長的因素有很多，除去其本身的遺傳因素外，大多為環(huán)境因素。它涵蓋溫度供應、水分供應、輻射能、大氣組成、土壤結(jié)構(gòu)和土壤組成、生物因素等。PM2.5引起的灰霾天氣，對生態(tài)系統(tǒng)也產(chǎn)生巨大的破壞作用。植物枝葉上沉積過多的粉塵不但影響外觀，而且妨礙光合作用，導致植物枯死[28]。同時也會導致農(nóng)作物的日照百分比大大減小，從而減弱了農(nóng)作物的光合作用。并且出現(xiàn)灰霾天氣時，空氣濕度多在80%~90%之間，這使農(nóng)作物的蒸騰作用大大降低，進而直接影響到了它們對土壤礦物質(zhì)的吸收。上文中我們已經(jīng)知道PM2.5大部分來源于汽車尾氣排放，其過低的排放高度不僅對人體造成危害，同時也影響到了土壤的質(zhì)量。它改變了土壤的酸堿性，使其含有的重金屬、有毒物質(zhì)增多，不再適應原農(nóng)作物生長。農(nóng)作物大多會出現(xiàn)病蟲害甚至萎蔫干枯，由此導致的減產(chǎn)高達25%[6]。

4 PM2.5的控制技術(shù)

PM2.5受其來源不同的影響難以控制，不但要采取有效措施控制一次粒子，還必須控制極具難度的形成二次粒子的前體物，如NOx、SO2、VOC 等。

控制一次粒子必須改進現(xiàn)有除塵器，進一步提高除塵效率。國內(nèi)外許多研究人員對PM2.5脫除機理和運行工藝進行了研究，提出相對高效且經(jīng)濟實用的控制技術(shù): 濕式電除塵器、電—袋混合式除塵器和凝并器。濕式電除塵器能夠提供比干式電除塵器高出幾倍的電暈功率，從而大大提高PM2.5的捕集效率，且不存在粉塵收集后的再飛揚。電—袋混合式除塵器實現(xiàn)了電除塵和袋除塵的結(jié)合，通過調(diào)整各自負荷，還可以適應更廣泛性質(zhì)的塵粒。凝并是細微顆粒間發(fā)生碰撞接觸結(jié)合成為較大顆粒的過程，凝并技術(shù)主要有: 聲凝并、電凝并、磁凝并、化學凝并等，電凝并已取得實用成果[29]。

二次粒子控制的重點是控制其前體物: NOx、SO2、VOC。NOx控制方法主要有三類: 燃料脫氮、改進燃燒方式和生產(chǎn)工藝、煙氣脫硝，其中煙氣脫硝是現(xiàn)階段控制NOx最重要的方法，工業(yè)應用已經(jīng)比較成熟，但凈化效率不高，NH3和燃料氣消耗量大[30]。SO2控制技術(shù)主要是煙氣脫硫，按工藝特點分為干法、半干法和濕法三大類，其中濕法煙氣脫硫技術(shù)應用最為成熟，利用石灰或石灰石作為吸收劑，吸收凈化煙氣中SO2，反應生成亞硫酸鈣，再將這一產(chǎn)物氧化成石膏( CaSO4·2H2O) 。VOC 的控制技術(shù)主要是回收技術(shù)和銷毀技術(shù)，回收技術(shù)是一種物理方法，該技術(shù)通過改變溫度、壓力或采用選擇性催化技術(shù)等[31]。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著以PM2.5為主要因素形成的霧霾天氣的頻繁出現(xiàn)，使得粒徑更小，對人體健康、能見度和氣候變化影響更為重要的大氣細顆粒物PM2.5污染問題越來越突出，已成為嚴重影響城市環(huán)境空氣質(zhì)量和公眾健康的公害之一。目前國內(nèi)對PM2.5相關性研究還不夠深入，針對可吸入顆粒物，尤其是PM2.5的控制力度尚待加強；對超細顆粒的系統(tǒng)研究較少；對先進抑塵技術(shù)深入研究和引進力度不大。因此，控制PM2.5的污染是當前一項長期而艱巨的任務，一方面應加強對超細顆粒的源解析研究，結(jié)合PM2.5自身的特點，利用國外在PM2.5方面已取得的經(jīng)驗和研究成果，收集研究區(qū)域的污染特征譜，考慮當?shù)貧庀髼l件，運用先進的采集、分析技術(shù)，并結(jié)合各種源解析技術(shù)的優(yōu)勢，開發(fā)出適合當?shù)丨h(huán)境特點的源解析模型；另一方面在吸收和引進國外先進技術(shù)的基礎上，加大對顆粒物特別是超細顆粒物凝并技術(shù)研究的支持力度，結(jié)合具體的實例和應用效果，不斷探索出控制PM2.5的最佳實用技術(shù)。

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