使用道路抑塵劑控制北京PM2.5、PM10、NOx污染的應(yīng)用及評價研究

王欣欣,亓學(xué)奎,李晉生，孟德發(fā)，史靜，武曉劍，霍茂清

1.北京市理化分析測試中心，北京 100089 2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012 3.北京精誠博桑科技有限公司，北京 100076

近年來，在我國京津冀、華東等地區(qū)霧霾天氣頻發(fā)，特別是在2013年一年之中，多地遭遇大范圍持續(xù)霧霾，僅在1月北京市就有26 d為霧霾天氣，為1954年以來同期最多，由此引發(fā)的大氣污染問題已引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注[1]。有研究[2-5]表明，大氣中一些有毒有害物質(zhì)可對人體呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)造成直接影響，大氣污染與人口死亡率正相關(guān)。嚴(yán)重的大氣污染已經(jīng)對北京乃至全國人民的身心健康產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，因此，治理北京大氣污染現(xiàn)狀迫在眉睫。

研究[6-8]表明，類似北京的特大型城市環(huán)境中，機動車及交通污染是大氣污染——尤其是PM2.5污染的主要貢獻因素之一，機動車尾氣排放及路面揚塵均可產(chǎn)生大量污染。朱先磊等[6]研究發(fā)現(xiàn)，機動車尾氣排放對PM2.5的直接貢獻率為5.6%(PAHs源成分譜擬和法)～15.5%(機動車排放/交通塵源成分譜解析法)，除了直接排放外，二次氣溶膠中，機動車尾氣排放的NOx與燃煤產(chǎn)生的SO2聯(lián)合貢獻了總氣溶膠的9.6%；而機動車尾氣排放的有機物光化學(xué)反應(yīng)形成的二次氣溶膠也對PM2.5污染有很大貢獻；此外，在路面揚塵的18.1%貢獻中，交通道路揚塵也是其中的主要因素。綜上所述，交通來源污染是城市中大氣污染尤其是細(xì)顆粒物污染的主要因素之一。目前利用道路抑塵劑降低可吸入顆粒物的應(yīng)用研究在我國還鮮有報道，而與筆者研制的抑塵劑相似的產(chǎn)品在歐美等發(fā)達國家和地區(qū)已經(jīng)得到了應(yīng)用，但主要集中在高速公路和隧道中[9-10]，對城市道路的應(yīng)用還很少，倫敦舉辦奧運會時，曾大規(guī)模使用過類似產(chǎn)品。研究[11]表明，抑塵劑有效地減少了機動車排放產(chǎn)生的揚塵，PM10濃度降低了10%～20%。筆者以北京市豐臺區(qū)看丹橋附近區(qū)域為研究對象，通過應(yīng)用研制的新型道路抑塵劑，抑制北京區(qū)域道路揚塵污染及減少機動車尾氣在大氣中的擴散污染，并通過交通帶PM2.5、PM10和NOx及相關(guān)參數(shù)分析表征其實際效率，以期為解決日益嚴(yán)重的大氣污染問題提供新途徑。

1 試驗

1.1 材料

采用由首創(chuàng)北京精誠博?？萍加邢薰咎峁12]的，以鈣鎂絡(luò)合物為主要組成物質(zhì)，外加助劑復(fù)配而成的一種新型環(huán)保抑塵劑。

1.2 道路抑塵劑施工及監(jiān)測布點方法

選定試驗區(qū)域為北京市豐臺區(qū)看丹橋附近交通帶，具體位置及抑塵劑噴灑范圍如圖1所示。施工方法：配置100 g/L抑塵劑溶液，利用環(huán)衛(wèi)灑水車對路面進行噴灑作業(yè)。噴灑總面積約40萬m2，折合抑塵劑用量為10 g/m2。噴灑只在2013年10月15日凌晨進行一次，并同時用相同水量噴灑對照點周圍路面，隨后不對區(qū)域路面做任何處理，直至監(jiān)測結(jié)束，以便對比空氣治理效果。噴灑抑塵劑前2 d即2013年10月13日開始監(jiān)測，總共監(jiān)測14 d，于2014年10月26日結(jié)束。圖1中采樣點A(39°50′59″N，116°17′2″E)為未噴灑抑塵劑路段對照點，采樣點B(39°51′44″N，116°17′2″E)為噴灑抑塵劑路段監(jiān)測點，均收集PM2.5、PM10、NOx樣品以作對照，布點高度為1.5 m，緊鄰馬路呼吸帶，顆粒物采樣時間22 h，NOx采樣時間10 h(每間隔2 h采樣2 h)。顆粒物采樣流速100 L/min，NOx采樣流速0.2 L/min，監(jiān)測過程中每天采集樣品1次。氣象資料顯示，監(jiān)測過程中氣象條件變化較小。測試氣象條件：大氣壓約101.0 kPa，濕度平均為44.0%，風(fēng)向西南，風(fēng)力微風(fēng)或無持續(xù)風(fēng)向。監(jiān)測期間氣溫、氣象條件及大氣污染指數(shù)如表1所示。

注：A為對照點；B為噴灑點。圖1 抑塵劑噴灑路線及采樣點布設(shè)Fig.1 Sprayed area sketch & sample point sketch map

采用重量法[13]對PM2.5、PM10進行收集和測定；采用鹽酸萘乙二胺分光光度法[14]對NOx進行測定；樣品采集所用設(shè)備為青島嶗山應(yīng)用技術(shù)研究所生產(chǎn)的2050型多功能采樣器，現(xiàn)場工作流量為100 L/min，所用采樣濾膜為石英纖維濾膜(Whatman，90 mm)，采樣前在馬弗爐中500 ℃下灼燒4 h，采樣前后用1/105的電子天平準(zhǔn)確稱量。

表1 監(jiān)測期間氣象條件Table 1 The weather conditions during experiment

2 結(jié)果與討論

采用道路抑塵的方式控制交通帶產(chǎn)生的大氣污染物，進行連續(xù)14 d的監(jiān)測，對試驗結(jié)果進行評估，控制效果統(tǒng)一表征方法為同一天噴灑點與未噴灑點濃度之比即為抑塵劑的作用效果。

2.1 對PM10的控制效果分析

圖2為噴灑點及對照點PM10濃度變化對照。從圖2可以看出，該方法對PM10的控制效果明顯。與對照點相比，PM10濃度在14 d內(nèi)平均減少了25.0%(14 d濃度比值之平均值)，并且隨著時間的延長，控制效率逐漸降低，從最初的40.0%(開始噴灑后3天濃度比值之平均值)左右降低至19.6%(最后3天濃度比值之平均值)。另外，在監(jiān)測的14 d中，空氣污染指數(shù)不盡相同，由表1可以看出，在第3天，第7天，第12天大氣污染情況較好，相應(yīng)地，噴灑點與對照點的PM10濃度也比較接近。這也從側(cè)面反映出抑塵劑抑塵的主要原理為在大氣與抑塵劑的接觸面上滯留及吸收大氣污染物。所以，隨著大氣中污染物濃度增加，抑塵劑的效果愈加顯著。

注：第3天噴灑抑塵劑。圖2 對照點(A)與噴灑點(B)PM10濃度對照Fig.2 PM10 concentration variation comparing between control point(A) and sprayed point (B)

2.2 PM10成分變化分析

以PM10、PM2.5為代表的大氣顆粒物被證明含有復(fù)雜的化學(xué)成分，是包含了諸多有機物、無機物及各種元素的復(fù)雜整體。不同區(qū)域顆粒物的化學(xué)組成、比例也并不相同。而顆粒物的成分組成及變化與它可能造成的人體健康影響有著直接的關(guān)系[16]。所以，在試驗中除了掌握顆粒物整體濃度變化之外，也據(jù)此對顆粒物的成分變化進行了分析，以便更加詳實地掌握抑塵劑對污染控制的效果。

試驗表明，PM10中水溶性陰離子的變化規(guī)律與PM10的濃度變化并不一致。圖3為PM10中水溶性陰離子濃度變化。從圖3可以看出，陰離子總體濃度降低程度與PM10濃度的降低相比并不顯著，14 d內(nèi)平均降低了9.0%。

注：A為對照點；B為噴灑點。第3天噴灑抑塵劑。圖3 PM10水溶性陰離子濃度變化對照Fig.3 PM10 water-soluble anionic concentration variation comparing

圖5為PM10中10種元素濃度變化。從圖5看出，通過噴灑道路抑塵劑，所測元素濃度總和有明顯降低，表明道路抑塵劑對交通污染有較好的抑制效果，14 d內(nèi)抑塵率平均減低19.2%。另外，值得注意的是，一些金屬元素濃度變化可以直接反映出道路抑塵劑對汽車尾氣元素排放的吸收效果。圖6為PM10中各元素噴灑點與對照點的濃度比。圖6表明，Ca等地殼元素濃度的大量降低可以說明抑塵劑對交通揚塵具有很好的抑制作用，另外，Pb、Mn等機動車尾氣排放的元素濃度[17-18]的降低也說明抑塵劑對機動車尾氣具有一定的吸收作用，避免了其再向大氣中擴散。在被測元素中，Cl元素濃度降低最為明顯，這和水溶性陰離子分析結(jié)果相符。

注：A為對照點；B為噴灑點。第3天噴灑抑塵劑。圖5 PM10中10種元素濃度變化Fig.5 PM10 elements concentration variation comparing

注：第3天噴灑抑塵劑。圖6 PM10中各元素在噴灑點(B)和對照點(A)的濃度比Fig.6 PM10 elements concentration percentage between sprayed point (B) and control point (A)

2.3 對PM2.5的控制效果分析

抑塵劑對大氣中PM2.5具有一定的控制作用，但效果沒有PM10明顯。PM2.5粒徑較小，不容易在近地面抑塵劑層凝滯，且PM2.5的主要來源與PM10有很大差異。以北京市為例，PM2.5中約有30%～40%來自原始排放，20%～30%來自大氣中的光化學(xué)轉(zhuǎn)化[19]，可以看出，機動車直接排放和路面揚塵只是其中一部分，而較大部分來源于光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的二次氣溶膠，所以該方法對PM2.5的抑制作用沒有PM10明顯。對PM2.5抑制效果的表征方法與PM10相同。

圖7為噴灑點及對照點PM2.5的濃度變化對比。從圖7可以看出，該方法對PM2.5的控制效果沒有PM10明顯，可能的原因是PM2.5顆粒粒徑較小，在大氣中不易沉降與抑塵劑噴灑面接觸。盡管效果沒有PM10明顯，但其濃度變化規(guī)律與PM10是相同的。同樣在第3天、第7天、第12天污染較輕的天氣噴灑點與對照點的濃度也比較接近，而在第4天和第9天等污染較重的天氣2個試驗點差值較大。PM2.5在14 d內(nèi)平均減少了12.0%，隨著時間的延長，抑塵率逐漸降低，從最初的24.2%(開始噴灑后3 d濃度比值之平均值)降至9.4%(最后3 d濃度比值之平均值)。

注：第3天噴灑抑塵劑。圖7 對照點(A)與噴灑點(B)PM2.5濃度變化Fig.7 PM2.5 concentration variation comparing between control point (A) and sprayed point (B)

2.4 PM2.5成分變化分析

圖8為PM2.5中總水溶性陰離子的濃度變化對比，圖9為PM2.5中各水溶性陰離子在噴灑點與對照點的濃度比。從圖8和圖9看出，受制于試驗精度影響，與第1天和第2天的對照點相比，噴灑抑塵劑后，水溶性陰離子未發(fā)現(xiàn)明顯變化，陰離子合計濃度降低約3%～5%。但與PM10試驗結(jié)果一樣的是，Cl-濃度下降最為明顯，12 d平均降低19.5%。

圖10為PM2.5顆粒中10種元素的濃度變化，圖11為PM2.5顆粒中10種元素在噴灑點與對照點的濃度比。從圖10和圖11可以看出，相比于PM2.5濃度，PM2.5元素成分變化比較明顯，所測10種元素濃度平均降低了16.8%。Cl元素降低最為明顯，為27.8%。抑塵劑對地面揚塵產(chǎn)生的Ca元素及汽車尾氣可能排放的Pb、Mn元素均有很好的控制效果，它們的濃度分別降低了18.4%、16.8%和14.3%。這些指示性元素濃度的明顯降低說明了通過在地面噴灑抑塵劑，可以有效地阻止汽車尾氣中有害元素及路面揚塵物質(zhì)向大氣中遷移擴散，從而防治交通源產(chǎn)生的大氣污染。

注：A為對照點；B為噴灑點。第3天噴灑抑塵劑。圖8 PM2.5中水溶性陰離子濃度變化對照Fig.8 PM2.5 water-soluble anionic concentration variation comparing

注：第3天噴灑抑塵劑。圖9 PM2.5中水溶性陰離子在噴灑點(B)與對照點(A)的濃度比Fig.9 PM2.5 water-soluble anionic concentration percentage between sprayed point (B) and control point (A)

PM2.5監(jiān)測評價結(jié)果說明PM2.5相對于PM10較難抑制，但可通過這種噴灑抑塵劑的方式最大限度限制地面揚塵及吸收一定的汽車尾氣排放，減少細(xì)顆粒凝結(jié)核及二次氣溶膠前體物，從而間接減少PM2.5在大氣中的濃度。

注：A為對照點；B為噴灑點。第3天噴灑抑塵劑。圖10 PM2.5中各元素濃度變化對照Fig.10 PM2.5 elements concentration variation comparing

注：第3天噴灑抑塵劑。圖11 PM2.5中各元素在噴灑點(B)與對照點(A)的濃度比Fig.11 PM2.5 elements concentration percentage between sprayed point (B) and control point (A)

2.5 NOx控制效果分析

對照點與噴灑點NOx濃度變化如圖12所示。由圖12可見，抑塵處理對NOx在短時間內(nèi)具有一定的效果，前6 d NOx濃度平均降低20.1%，但隨著時間的延長，在隨后的監(jiān)測過程中并未發(fā)現(xiàn)明顯效果。

根據(jù)以上分析結(jié)果，12 d內(nèi)抑塵劑噴灑對大氣污染物的控制效果如表2所示。

注：第3天噴灑抑塵劑。圖12 對照點(A)與噴灑點(B)NOx濃度變化Fig.12 NOx concentration variation comparing between control point (A) and sprayed point (B)

表2 抑塵劑對3種污染物的綜合處理效果Table 2 The results of dust-suppressant agent effection for atmospheric pollution in the research %

3 結(jié)論

通過噴灑道路抑塵劑可以在一定范圍內(nèi)改善大氣污染狀況，其對PM10的控制作用最為明顯，PM2.5次之，對NOx在短期內(nèi)較為有效。

道路抑塵劑的使用根據(jù)目前監(jiān)測的指標(biāo)來看，未給大氣帶來新的污染物，隨后可在大氣污染較嚴(yán)重的交通區(qū)域進行更大規(guī)模的試驗，獲得更為豐富的數(shù)據(jù)進行環(huán)境生態(tài)及效果評估，以彌補該項研究的不足。

考慮到空氣的流動性，大氣污染具有較強的區(qū)域作用，單純的控制一小段公路并不能在很大程度上影響空氣質(zhì)量。推斷隨著噴灑面積的擴大或與其他控制手段聯(lián)合作用，可使其效果增倍，最終實際效果好于該次評估結(jié)果。

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