化工污染控制與大氣霧霾防治研究＊

史密偉，朱桂艷，朱曉磊，孟令堯

（1.河北省科學(xué)院地理科學(xué)研究所，河北石家莊050011；2.河北省環(huán)境應(yīng)急與重污染天氣預(yù)警中心，河北 石家莊050000；3.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京100085）

化工污染控制與大氣霧霾防治研究＊

史密偉1，朱桂艷2，朱曉磊3，孟令堯1

（1.河北省科學(xué)院地理科學(xué)研究所，河北石家莊050011；2.河北省環(huán)境應(yīng)急與重污染天氣預(yù)警中心，河北 石家莊050000；3.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京100085）

大氣揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)是化工行業(yè)的特征污染物，也是大氣霧霾污染的重要前體物和參與物。本文分析了大氣霧霾的危害和成因，歸納了化工生產(chǎn)對(duì)霧霾的貢獻(xiàn)及現(xiàn)有的控制技術(shù)，提出了加強(qiáng)VOCs管控的對(duì)策建議，為我國(guó)大氣污染治理深入研究提供參考。

揮發(fā)性有機(jī)物；大氣霧霾；化工

當(dāng)前，我國(guó)頻繁出現(xiàn)的霧霾天氣受到了人們的高度關(guān)注。特別是2013年以來霧霾天氣愈發(fā)嚴(yán)重，并呈現(xiàn)影響范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、污染物濃度高的特征。京津冀地區(qū)污染最為嚴(yán)重，并已經(jīng)演變成為以高濃度細(xì)顆粒物（全年）和高濃度臭氧（夏秋季節(jié)）為特征的典型“雙高”型污染區(qū)域［1］。霧霾天氣的頻繁和大范圍發(fā)生，使得許多地區(qū)的居民頻繁發(fā)生呼吸道感染、呼吸過敏等疾病，嚴(yán)重的危害著人們的生命安全，也為我國(guó)粗放的工業(yè)發(fā)展與高能耗生活方式敲響警鐘。

1 大氣霧霾危害與成因

1.1 大氣霧霾的危害

霾是指各種源排放的污染物（包括氣體和顆粒物）在特定的大氣流場(chǎng)條件下，經(jīng)過一系列物理化學(xué)過程，形成的細(xì)顆粒物，其突出特征是大氣中PM2.5濃度過高。霧霾危害的直觀表現(xiàn)為大氣能見度降低，阻礙空中、水面和陸面交通。顆粒物的增加會(huì)引起酸雨、光化學(xué)煙霧現(xiàn)象，惡化空氣質(zhì)量，甚至導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)。此外，PM2.5能夠直接進(jìn)入人體肺泡甚至血液系統(tǒng)中，其表面富集的致癌物質(zhì)和基因毒性誘變物質(zhì)，直接導(dǎo)致心血管病等疾病，使呼吸系統(tǒng)及心臟系統(tǒng)疾病惡化，增加危重及慢性病患者的死亡率［1,2］。

1.2 霧霾成因

總的來說，霧霾的成因包括氣象原因、工業(yè)廢氣泄漏與排放、化石燃料使用與燃燒、遠(yuǎn)距離沙塵輸運(yùn)等4方面原因。

1.2.1 極端氣象條件

極端的氣象條件是我國(guó)當(dāng)前霧霾頻繁發(fā)生的重要原因之一。天氣原因主要包括水平方向靜風(fēng)伴隨著垂直方向上出現(xiàn)逆溫等氣象條件。地面空氣的流動(dòng)較為穩(wěn)定，使得空氣幾乎處在一種靜止?fàn)顟B(tài)，污染物得不到有效的擴(kuò)散，使得空氣中大量污染物不斷的聚集，并在光照催化、相互催化等作用下，發(fā)生二次化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致霧霾天氣的發(fā)生［3］。京津冀地區(qū)三面環(huán)山，在靜風(fēng)條件下本地排放和外部輸送的污染物將在山前快速堆積，導(dǎo)致該區(qū)域空氣質(zhì)量急劇惡化［4］。此外，秋冬季節(jié)，北方地區(qū)極易形成霧，使空氣中污染物擴(kuò)散困難，加重了大氣污染［5,6］。

1.2.2 工業(yè)廢氣泄漏與排放

工業(yè)生產(chǎn)中有機(jī)溶劑泄漏與廢氣排放，是我國(guó)霧霾污染日益嚴(yán)重的主要原因之一。高強(qiáng)度的工業(yè)活動(dòng)和粗放的生產(chǎn)方式導(dǎo)致了各類大氣污染物的大量排放，環(huán)境空氣質(zhì)量逐年惡化。我國(guó)水泥和鋼鐵產(chǎn)量均位居世界第一，且絕大多數(shù)集中在京津冀地區(qū)。工業(yè)生產(chǎn)中排放的SO2、NOX、粉塵等污染物遠(yuǎn)超過其他發(fā)達(dá)的國(guó)家，并大大超過了大氣自身的凈化能力。廢氣排放體量大與排放物質(zhì)復(fù)雜，污染治理水平不足，導(dǎo)致工業(yè)區(qū)大氣污染事件頻發(fā)。

1.2.3 化石燃料過度使用

我國(guó)重工業(yè)為主的發(fā)展模式，使得在生產(chǎn)過程中消耗了大量的煤炭、石油等化工燃料，是導(dǎo)致霧霾天氣出現(xiàn)的根源之一。此外，汽車保有量的增加、出行方式的改變，也造成了最近幾年機(jī)動(dòng)車尾氣的大量排放，特別是在城市區(qū)域，由于交通擁堵，導(dǎo)致汽車在低速行駛時(shí)燃油不充分燃燒，排放了大量的氮氧化物和炭黑廢氣。

1.2.4 遠(yuǎn)距離沙塵輸運(yùn)

雖然近幾年由于防風(fēng)林的建設(shè)，北方出現(xiàn)大范圍沙塵天氣的事件減少，但揚(yáng)塵的危害不應(yīng)低估。中科院的研究表明，2013年大范圍出現(xiàn)的霧霾天氣，很大程度上是受西北氣流的作用下，沙塵輸送到華北地區(qū)，加劇了地面的污染強(qiáng)度。污染物累積在太行山和燕山山前，加劇了京津冀霾污染強(qiáng)度，并以石家莊、保定、邯鄲、北京、天津、唐山等城市污染最為嚴(yán)重，因此，西北沙塵氣溶膠疊加是京津冀區(qū)域污染物濃度攀高的重要原因之一［1］。此外，多地霧霾源解析的結(jié)果也表明，建筑揚(yáng)塵和街塵的再懸浮是城市大氣污染顆粒物的重要來源。

2 化工生產(chǎn)與大氣霧霾防治

2.1 化工生產(chǎn)與揮發(fā)性有機(jī)物

隨著化工園區(qū)建設(shè)高峰，“十一五”以來我國(guó)省級(jí)以上化工園區(qū)呈井噴式增長(zhǎng)。在帶動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展的同時(shí)，其污染危害與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)也日益引起重視?；@區(qū)生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸大量的易燃易爆、有毒有害的化學(xué)品，整個(gè)園區(qū)風(fēng)險(xiǎn)源龐大且集中，一旦在某一個(gè)環(huán)節(jié)出了問題，很可能會(huì)引發(fā)一系列連鎖反應(yīng)，造成不可估量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。2015年8月天津?yàn)I海新區(qū)危險(xiǎn)品倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)爆炸事故，對(duì)周邊區(qū)域大氣環(huán)境、水環(huán)境和土壤環(huán)境造成不同程度的污染。

化工生產(chǎn)對(duì)霧霾形成的主要貢獻(xiàn)是大量揮發(fā)性有機(jī)物（簡(jiǎn)稱VOCs）的排放和泄漏。揮發(fā)性有機(jī)物是沸點(diǎn)在50℃～250℃，在常溫下以蒸汽形式存在于空氣中的一類有機(jī)物。主要成分有：烴類、鹵代烴、氧烴和氮烴，它包括：苯系物、有機(jī)氯化物、氟里昂系列、有機(jī)酮、胺、醇、醚、酯、酸和石油烴化合物等。

目前已有大量的研究表明VOCs是PM2.5和臭氧的重要前體物之一。我國(guó)環(huán)保部門愈來愈重視其前體物VOCs的控制工作，提出將揮發(fā)性有機(jī)物列為大氣污染聯(lián)防聯(lián)控的重點(diǎn)污染物之一，強(qiáng)調(diào)開展VOCs污染防治工作。目前已有關(guān)于人為源VOCs排放研究表明，我國(guó)人為源主要來自于工業(yè)源、交通源（機(jī)動(dòng)車排放）和生物質(zhì)燃燒三大類排放源，其中工業(yè)污染源是排放貢獻(xiàn)最大的部門［7］。多個(gè)化工行業(yè)均伴隨著VOCs的使用和釋放，例如原油、天然氣開采，以及甲醇、乙烯等有機(jī)化學(xué)制品制造行業(yè)；油品和有機(jī)溶劑的儲(chǔ)存和運(yùn)輸；油墨、涂料、膠黏劑等產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用；與化工產(chǎn)品相關(guān)的如噴涂行業(yè)、建筑裝飾、包裝印刷、電子制造等工業(yè)活動(dòng)。

2.2 揮發(fā)性有機(jī)物控制技術(shù)研究

目前主要控制手段，一是使用先進(jìn)清潔生產(chǎn)工藝流程和開發(fā)改進(jìn)原有設(shè)備，在污染排放源頭進(jìn)行預(yù)防性控制，以達(dá)到削減VOCs排放的目的［8］；二是對(duì)污染物進(jìn)行末端治理的控制技術(shù)。主要的末端控制技術(shù)有吸附法、燃燒法、冷凝法、光催化技術(shù)、低溫等離子技術(shù)等，不同技術(shù)適用范圍不同。燃燒技術(shù)主要用于排放的高濃度含VOCs廢氣的治理，燃燒溫度在800℃以上，燃燒爐主要有直接燃燒爐、對(duì)流換熱式燃燒爐、催化燃燒爐、蓄熱式燃燒爐、蓄熱式催化燃燒爐［9］。吸附技術(shù)主要處理低濃度尾氣，尤其是碳纖維、顆粒炭吸附技術(shù)由于具有比表面積大、資源回收效率高、污染輕等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中較多［10］。石油儲(chǔ)罐控制VOCs泄漏的技術(shù)包括安裝內(nèi)浮頂、安裝二次邊緣密封、收集廢氣并進(jìn)行處置，處置技術(shù)主要采用低溫餾分油吸收技術(shù)、吸附＋吸收技術(shù)、吸收＋膜技術(shù)等［11］。隨著對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物污染排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷嚴(yán)格，傳統(tǒng)的以吸附為主的控制措施已經(jīng)不能滿足要求，需要不斷的研究新技術(shù)以更好的實(shí)現(xiàn)大氣污染防治。

3 對(duì)策及建議

盡管采取了多種措施，但目前對(duì)霧霾天氣治理的有效手段仍為“非常規(guī)”手段。例如：2008年8月為在北京舉辦的第29屆國(guó)際奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)，政府采取了包括停止工廠生產(chǎn)及建筑工地施工等在內(nèi)的一系列空氣污染控制措施，從而使奧運(yùn)會(huì)期間的北京地區(qū)大氣質(zhì)量得到了顯著改善［12］。2014年11月APEC會(huì)議期間，由于采取停產(chǎn)、限產(chǎn)、停工、限車等一系列“史上最嚴(yán)”措施，也出現(xiàn)了短暫的“APEC藍(lán)”。大氣霧霾治理非一朝一夕完成之事，需要政府及公眾全面考慮，優(yōu)化治理措施。

3.1 優(yōu)化發(fā)展策略，調(diào)整產(chǎn)業(yè)布局

從發(fā)展策略上，由以單純追求GDP向綠色GDP轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展。調(diào)整產(chǎn)業(yè)布局，減小重工業(yè)和重污染行業(yè)比重，增速服務(wù)業(yè)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。根據(jù)我國(guó)東西部資源稟賦和環(huán)境容量，對(duì)鋼鐵、化工行業(yè)，在充分考慮數(shù)量、分布，以及能源通道利用的基礎(chǔ)上，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局。改善能源結(jié)構(gòu)，提高資源的利用率，減少石油、煤消耗，加強(qiáng)對(duì)風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能等可再生清潔能源的開發(fā)和使用。提高我國(guó)機(jī)動(dòng)車燃油的清潔程度，倡導(dǎo)綠色出行，減少車輛尾氣中有毒有害氣體的排放，改善空氣污染的現(xiàn)狀。

3.2 健全法制建設(shè)，加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)控制

在當(dāng)前日益污染的空氣現(xiàn)狀下，必須要建立嚴(yán)格的法律法規(guī)遏制工業(yè)廢棄物的排放。嚴(yán)格懲處違法排放，提高企業(yè)的違法成本。完善典型行業(yè)VOCs排放標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)環(huán)境容量和排污特征實(shí)施差別化環(huán)境許可證制度。制定污染源VOCs類有毒空氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)和清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。拓展多方面監(jiān)管力量，實(shí)現(xiàn)環(huán)保部門督查與社會(huì)力量監(jiān)督相結(jié)合。

3.3 加大VOCs與大氣污染防控技術(shù)研究

組織工業(yè)源VOCs排放源普查，摸清我國(guó)工業(yè)源VOCs排放情況，是有效進(jìn)行VOCs污染防治的重要基礎(chǔ)。污染源排放清單不僅可以識(shí)別污染物排放水平和分布，估算VOCs控制減排量，而且可以作為大氣化學(xué)反應(yīng)模型的輸入數(shù)據(jù)，研究工業(yè)源VOCs減排與空氣質(zhì)量效應(yīng)之間的關(guān)系。目前環(huán)境監(jiān)管部門對(duì)于工業(yè)企業(yè)有毒有害廢氣的排放源分布、排放強(qiáng)度和治理情況等基礎(chǔ)信息掌握較少，導(dǎo)致結(jié)果的可靠性不高和應(yīng)用性不強(qiáng)。此外，針對(duì)日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)適當(dāng)傾斜科研經(jīng)費(fèi)投向，引導(dǎo)VOCs等大氣霧霾前體物的防治技術(shù)研究力量，構(gòu)建全方位的霧霾防治技術(shù)體系。

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X51

河北省科學(xué)院科技計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：16105，財(cái)政預(yù)算編碼：2016021969）。