太原市多環(huán)芳烴(PAHs)排放清單與分布特征分析

蔣秋靜 ,李躍宇 ,胡新新 ,盧 彬 ,陶 澍 ,王 戎 (.太原市環(huán)境科學(xué)研究院,山西 太原 03000；.北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,北京 0087)

多環(huán)芳烴(PAHs)是指分子中含有2個(gè)以上苯環(huán)的碳?xì)浠衔?是有機(jī)高分子化合物在高溫(500～800℃)下不完全燃燒,熱解后形成的物質(zhì)在低溫(100～300℃)狀態(tài)下重組而成的有機(jī)化合物[1].PAHs來(lái)源分為自然源和人為源,前者主要來(lái)自于森林和草原火災(zāi)、火山爆發(fā)及植物合成;后者主要來(lái)源于有機(jī)物,如煤、石油等的不完全燃燒.PAHs由于其致癌性及在環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定存在,對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅,受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注.在美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)公布的129種優(yōu)先控制污染物中,PAHs就占了16種[2].估算其排放量對(duì)于研究PAHs對(duì)人體健康的影響[3],為遠(yuǎn)距離輸送提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[4]和PAHs的防控均具有重要意義.

DONG等[5]研究韓國(guó)蔚山市PAHs的排放情況,發(fā)現(xiàn)其排放來(lái)源主要為:機(jī)動(dòng)車(chē)(31.27%)、石油(19.78%)、木材(12.15%)和煤炭(8.64%).Zhang等[6]估算了2003年全國(guó)16種優(yōu)控PAHs的年排放總量約為11.41萬(wàn)t,其中室內(nèi)生物質(zhì)、生活燃煤和煉焦工業(yè)占總排放量 91%左右.丁瀟等[7]對(duì)老工業(yè)基地鞍山市大氣PM10中PAHs的污染來(lái)源進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)冬季主要污染源為燃煤、機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣和煉鋼工業(yè)排放,夏季主要污染源為燃煤、機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣、生物質(zhì)燃燒和煉鋼工業(yè)排放,冬季燃煤排放的貢獻(xiàn)比重明顯增加.另外布爾薩[8]、安格倫[9]、臺(tái)灣[10]、北京[11]、福州[12]、深圳[13-14]、騰沖[15]等地也開(kāi)展了類(lèi)似研究.

山西省是我國(guó)能源重化工基地之一.據(jù)估算,山西省2003年P(guān)AHs的排放總量達(dá)到18461t,占全國(guó)總量的16%[16],其煉焦用煤所占比例遠(yuǎn)高于全國(guó)大部分地區(qū),體現(xiàn)出作為能源產(chǎn)地的特殊性.作為山西省會(huì),太原市由于資源和歷史的原因,構(gòu)成了以冶金、煤焦、機(jī)械、化工、電力等傳統(tǒng)重污染產(chǎn)業(yè)為主的工業(yè)結(jié)構(gòu)和以煤為主的能源結(jié)構(gòu),占工業(yè)經(jīng)濟(jì)總量的85%以上,煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的 98%,萬(wàn)元生產(chǎn)總值耗能是全國(guó)平均水平的 2倍以上,造成了太原市嚴(yán)重的空氣污染和健康影響.研究表明,太原市空氣與土壤中的PAHs污染均較嚴(yán)重[17-18],且PAHs污染來(lái)源正由煤煙塵為主的污染向機(jī)動(dòng)車(chē)排放和煤燃燒為主的復(fù)合型污染轉(zhuǎn)變[19].

本研究?jī)H考慮人為源的排放,根據(jù)太原市PAHs的主要排放源的活動(dòng)量及排放因子,以US EPA 16種優(yōu)控PAHs為對(duì)象,對(duì) 2010年太原市PAHs的排放量進(jìn)行估算,并按照空間、人口類(lèi)型、萬(wàn)元GDP等因素對(duì)PAHs排放分布進(jìn)行了分析.

1 研究方法

研究區(qū)域?yàn)樘?三縣一市六城區(qū)).化石燃料消耗量、電解鋁、生物質(zhì)等數(shù)據(jù)引自全國(guó)(太原)第一次污染源普查[20]和統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)[21].由于農(nóng)村生活燃煤缺乏完整的統(tǒng)計(jì)資料,因此依據(jù)《太原市農(nóng)村環(huán)境綜合整治規(guī)劃》以及實(shí)地調(diào)查,根據(jù)人口和人均用煤量估算;交通燃油依據(jù)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量及機(jī)動(dòng)車(chē)單車(chē)耗油量估算;森林火災(zāi)來(lái)源于資料調(diào)研.主要排放源的 PAHs排放因子來(lái)自Zhang等[8,15]和Chen等[22]的研究成果.

PAHs排放量的計(jì)算公式如下:

式中:Q為PAHs排放量,t/a;F為燃料消耗量,104t/a;R為排放因子,mg/kg;t為年份(2010);i為地區(qū)(縣、市、區(qū)),i=10;j為能源類(lèi)型,j=11;k為 PAHs種類(lèi),k=16.

2 結(jié)果與討論

2.1 太原市PAHs排放源燃料消耗

表1給出了2010年太原市PAHs主要排放源燃料消耗情況.結(jié)果顯示,2010年太原市煤炭消耗量為4.24×107t,其中熱電、工業(yè)爐窯(不包括煉焦?fàn)t)耗煤量為 2.85×107t,占耗煤量的 67.2%;煉焦?fàn)t耗煤量為1.23×107t,占耗煤量的29%,居民生活爐灶即生活燃煤為 1.62×106t,占耗煤量的3.8%;機(jī)動(dòng)車(chē)保有量為 5.01×105輛,交通用油為8.60×104t,非交通燃油PAHs排放源包括鍋爐、工業(yè)窯爐,耗油量分別為 1.95×104t和 1.79×105t;室內(nèi)燃燒的薪柴和秸稈量約為 3.82×105t和7.62×104t;電解鋁產(chǎn)量為8.00×104t,其他能源消耗量較小[21].

2.2 太原市PAHs排放清單

根據(jù)式(1)～式(4),估算得到 2010年太原市PAHs排放清單(表2).結(jié)果顯示,2010年太原地區(qū)PAHs總排放量為 332.10t.生活燃煤和煉焦煤是太原市排放 PAHs的主要來(lái)源,占總排放量的65%以上,其次為室內(nèi)薪柴、熱電及工業(yè)用煤和交通燃油,分別占總排放量的 13.9%、11.65%、7%,其他排放源的貢獻(xiàn)只有 1%,幾乎可以忽略不計(jì).表3給出了太原市 PAHs排放與全國(guó)排放水平[8,23]的對(duì)比情況.盡管太原市面積占全國(guó)陸地總面積的不到 1‰[24],但是該地區(qū) 2010年的PAHs的排放量占全國(guó)排放總量的 2.9‰,區(qū)域內(nèi)平均排放密度為 44.62kg/km2,是 2003年全國(guó)平均排放密度的3.72倍,排放密度大約是英國(guó)的3倍,是美國(guó)的12.75倍[25].全國(guó)PAHs主要排放源是室內(nèi)秸稈(34.6%)、工業(yè)煉焦(27.2%)和室內(nèi)薪柴(21.2%),而生活燃煤的貢獻(xiàn)只有 6.8%[26].表明太原市PAHs排放中生活燃煤比例遠(yuǎn)高于國(guó)家平均水平.

表1 2010年太原市PAHs主要排放源燃料消耗Table 1 The fuel consumptions of the emission sources in Taiyuan (2010)

表2 2010年太原市PAHs排放清單Table 2 Sources list of 16 PAHs emissions in Taiyuan (2010)

表3 太原市16種優(yōu)控PAHs排放與全國(guó)排放水平對(duì)比表Table 3 Comparison of 16 PAHs emissions in Taiyuan and in the whole country

表4 2010年太原市各地區(qū)PAHs排放清單Table 4 The regional list of PAHs emissions in Taiyuan (2010)

太原市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征是導(dǎo)致PAHs高排放量、高排放密度以及高生活燃煤比例的主要原因.

首先,作為能源重化工基地.2010年太原市工業(yè)生產(chǎn)值占地區(qū)生產(chǎn)總值 32.4%,其中重工業(yè)占 93%.原煤產(chǎn)量 3.5×107t,占全國(guó)原煤產(chǎn)量的1.15%;鋼鐵產(chǎn)量為 1.5×107t,占全國(guó)鋼鐵產(chǎn)量的2.7%,焦炭產(chǎn)量高達(dá) 1.08×107t,占全國(guó)焦炭產(chǎn)量的 3.06%,電解鋁產(chǎn)量高達(dá) 8×104t.石油、煤炭等燃料的不完全燃燒是 PAHs的主要來(lái)源之一[8],太原市熱電及工業(yè)煤燃燒和非交通燃油燃燒造成的PAHs的排放分別占全國(guó)相應(yīng)排放的1.91%和 0.12%,相應(yīng)的排放密度分別是全國(guó)同期的25.86倍和1.63倍.其中,煉焦和電解鋁過(guò)程中伴隨著大量的PAHs排放[27-29],造成的PAHs排放分別占全國(guó)排放的 0.32%和 0.15%,排放密度分別是全國(guó)的4.42倍和2.1倍.

其次,太原市農(nóng)村人口占總?cè)丝诮?1/3,且采暖期長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月,每年需耗費(fèi)大量的煤炭.由于農(nóng)村地區(qū)燃具簡(jiǎn)陋,通氣性差,PAHs排放因子顯著高于工業(yè)燃煤[22],從而導(dǎo)致太原市 PAHs排放中生活燃煤比例遠(yuǎn)高于國(guó)家平均水平.另外秸稈焚燒現(xiàn)象也相當(dāng)普遍[30],盡管燃料總量?jī)H為工業(yè)燃煤的1/20,但仍造成了大量的PAHs排放.

2.3 太原市PAHs排放的空間分布

表4給出2010年太原市各地區(qū)PAHs的排放清單,結(jié)果顯示,PAHs排放量最大的地區(qū)是清徐縣,占總排放量的 27%,其次分別是古交市(17%)、晉源區(qū)(13%)、尖草坪區(qū)(12%)、小店區(qū)(7%).通過(guò)對(duì)各區(qū)人均收入與萬(wàn)元 GDP排放量的比較(圖 1)可知,兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2=0.727),說(shuō)明居民收入越高,其萬(wàn)元GDP排放量越低,原因可能是隨著收入的增加,燃料更為清潔且燃燒器具更為先進(jìn).另外,婁煩縣、陽(yáng)曲縣和古交市的結(jié)果離散度較大,原因可能為陽(yáng)曲縣和古交市PAHs排放受電解鋁和煉焦的影響較大,而婁煩縣工業(yè)企業(yè)很少,從而導(dǎo)致結(jié)果值的偏離程度較大.

圖1 人均收入與萬(wàn)元GDP排放量的關(guān)系Fig.1 The relationship between the per capita and the PAHs emissions per GDP

通過(guò)對(duì)農(nóng)村人口與排放量的比較(圖2)可知,兩者呈正相關(guān)關(guān)系(R2=0.813),說(shuō)明農(nóng)村人口越多,其 PAHs排放量越大,主要是由于農(nóng)村的燃料結(jié)構(gòu)和爐灶的燃燒效率不高導(dǎo)致的.在太原市目前的 PAHs排放水平下,各地區(qū)居民生活水平的高低決定了燃燒條件的優(yōu)劣,農(nóng)村人口的數(shù)量影響地區(qū)整體生活水平的高低,從而影響 PAHs排放量的高低.

圖2 農(nóng)村人口與總排放量之間關(guān)系Fig.2 The relationship between the rural population and overall volume of PAHs emissions

2.4 太原市PAHs排放譜源分析

通過(guò)對(duì)太原市各地區(qū)的16種優(yōu)控PAHs排放量的計(jì)算,得到了太原市 PAHs排放譜(圖 3),可以看出,NAP排放量最大,占 PAHs總量的39.18%,PHE(13.7%)和 ACY(9.17%)排放量也很大.特別值得注意的是致癌性 PAHs排放量為35.11t,占總排放量的10.6%,而且致癌性PAHs的比例與生活燃煤和室內(nèi)生物質(zhì)燃燒排放譜中致癌性 PAHs比例(13.8%)比較接近,原因可能為太原市PAHs排放主要來(lái)源是生活燃煤和室內(nèi)生物質(zhì)燃燒.另外,太原市 PAHs排放以低環(huán)(2、3環(huán))為主,占總排放量的 81%,其次為中環(huán)(4環(huán)),占總排放量的9%,高環(huán)(5、6環(huán))占總排放量的10%.16種優(yōu)控 PAHs中 7種致癌物質(zhì)主要是中、高環(huán)PAHs,而產(chǎn)生中、高環(huán)PAHs的排放源主要是居民生活爐灶,其次是煉焦?fàn)t,前者的排放量是后者的1.67倍.因此在控制PAHs排放方面,應(yīng)以控制生活燃煤排放為主,提高燃燒效率,推進(jìn)使用清潔能源.生活燃煤和室內(nèi)生物質(zhì)燃燒排放的 PAHs共占總排放的50%,是非常重要的排放源.這些排放更多的體現(xiàn)了農(nóng)業(yè)和居民日常生活的排放,與中國(guó)作為人口眾多的農(nóng)業(yè)大國(guó)的國(guó)情相吻合[31],也與燃煤產(chǎn)生PAHs的成分譜吻合[32].

圖3 2010年太原地區(qū)PAHs排放譜Table 3 The PAH emission profile in Taiyuan (2010)

2.5 PAHs排放量估算的不確定性

PAHs排放量估算的不確定性主要取決于燃料消耗量和排放因子的不確定.燃料消耗量分為工業(yè)和非工業(yè)兩部分,前者來(lái)源于污染源普查動(dòng)態(tài)更新,是通過(guò)系統(tǒng)調(diào)查和物料衡算得來(lái)的,是企業(yè)實(shí)際消耗量.后者包括城市和農(nóng)村,城市居民能源消耗亦來(lái)源于污染源普查動(dòng)態(tài)更新;農(nóng)村居民的能源消耗主要來(lái)源于樣本調(diào)查,最終估算而得,存在一定的不確定性.機(jī)動(dòng)車(chē)年行駛里程和各車(chē)型之間的油耗存在差異,導(dǎo)致交通用油的不確定性較高[33].而相對(duì)于燃料消耗量來(lái)說(shuō),排放因子的情況更加復(fù)雜,其來(lái)源于大量的文獻(xiàn)數(shù)據(jù),以上兩個(gè)因素增加了本研究的不確定性.因此,在今后的研究中將開(kāi)展與之相關(guān)的測(cè)定,以便得到更具有典型意義的排放因子.

3 結(jié)論

3.1 太原市2010年P(guān)AHs的排放總量為332.10t,其中7種致癌性PAHs排放總量為35.11t.因燃煤而排放的 PAHs占排放總量的 77%,排放量最大的是清徐縣,其次分別是古交市、晉源區(qū)、尖草坪區(qū).人均收入與萬(wàn)元 GDP排放量呈負(fù)相關(guān)(R2=0.727);農(nóng)村人口與PAHs總排放量呈正相關(guān)(R2=0.813).在 PAHs排放譜中,NAP的排放量最大,其次是PHE、ACY等.另外排放的PAHs以低環(huán)為主,其次為中環(huán)、高環(huán).

3.2 太原市 PAHs的排放特征與其社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征有關(guān):一方面,煉焦、發(fā)電等工業(yè)用煤占能源消費(fèi)量的絕大部分,導(dǎo)致大量的 PAHs排放;另一方面,由于生活燃煤燃燒條件較低劣,使其成為重要的PAHs排放源.

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