大氣污染原因和環(huán)境監(jiān)測治理技術(shù)研究

李祥芹

（山東省臨沂生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，山東 臨沂 276000）

0 前言

無論是人類活動還是自然環(huán)境都會導致大氣中混入其他物質(zhì)，當此類物質(zhì)濃度過高時會引發(fā)大氣污染，這種污染將會導致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降，還會對人們的生活環(huán)境和身體健康造成威脅。而且，如果不進行妥善治理，大氣污染問題只會越來越嚴重。從工業(yè)革命以來，大氣污染問題始終困擾著人們，而且隨著工業(yè)發(fā)展大氣污染范圍也不斷擴大。當前，我國高度重視大氣污染治理問題，不斷地提升環(huán)境監(jiān)測與污染治理技術(shù)水平。

1 大氣污染

無論是人類活動還是自然環(huán)境都會導致大氣中混入其他物質(zhì)，當此類物質(zhì)濃度過高時會引發(fā)大氣污染，這種污染將會導致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降，還會影響人們的生活環(huán)境和身體健康。例如，北京地區(qū)的主要大氣污染問題是PM2.5（細顆粒物）超標，它們大多源于人類的生產(chǎn)生活中的行為，將會嚴重污染空氣，并危害人體健康。

2 大氣污染成因

大氣污染物主要分為氣溶膠狀態(tài)污染物和氣體狀態(tài)污染物，前者包括粉塵、PM2.5、懸浮物、煙液滴以及PM10等；后者以硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物、碳氫化合物和含鹵素化合物為主。產(chǎn)生大氣污染物并導致其濃度超標的原因也分為自然原因和人為原因。

2.1 自然原因

自然環(huán)境變化會導致大氣環(huán)境中的污染物增多，在部分污染物排放方面，自然源排放量甚至會超過人為源。造成大氣污染的自然原因有很多種，多數(shù)為自然災(zāi)害。例如火山噴發(fā)、森林火災(zāi)以及沙塵暴等；而自然植物釋放和海浪飛沫傳播也會導致大氣污染。該文對常見的大氣污染成因和污染物類型進行了總結(jié)，其結(jié)果見表1。

表 1 大氣污染的自然源

2.2 人為原因

與自然原因相比，大氣污染的人為原因很多，且影響力更強。在實踐中，人們的生產(chǎn)生活方式是導致大氣污染的主要原因。

首先是工業(yè)生產(chǎn)。現(xiàn)代工業(yè)發(fā)達，大部分工業(yè)生產(chǎn)都以化石能源為燃料，部分企業(yè)在生產(chǎn)時還會使用化工原料?；诖?，工業(yè)生產(chǎn)過程中往往含有大量的有毒有害固體和氣體，其不當排放就會導致大氣污染。而且，企業(yè)對污染物排放的控制能力和治理手段也將會對大氣污染程度造成影響。

其次是煤炭燃放。進入冬季以后，北方地區(qū)大多會以燃燒煤炭的方式取暖，從而導致大氣污染物激增。近幾年，供暖鍋爐改造計劃不斷落實，許多地區(qū)都以清潔能源代替煤炭供暖，但是仍有許多區(qū)域保持燃煤供暖。許多供暖公司為了獲取更大的經(jīng)濟利益，并沒有有效地開展污染治理工作，使得燃煤區(qū)域霧霾問題嚴重。

再次是尾氣排放。汽車尾氣排放也是造成大氣污染的主要人為原因，其污染物主要包括一氧化碳、碳氫化合物、硫氧化物等[1]。除了汽車以外，船舶、飛機等交通運輸工具也會排放尾氣，如果未經(jīng)處理必然會對大氣造成嚴重污染。

最后是施工揚塵。隨著城市的發(fā)展，工程項目建設(shè)規(guī)模越來越大，項目數(shù)量也越來越多，施工時會產(chǎn)生大量揚塵，從而污染空氣。當前，人們對揚塵問題的關(guān)注度并不高，施工單位在該方面的預(yù)防和管理措施也不完善，都加劇了空氣污染。與揚塵類似的污染因素還有農(nóng)業(yè)活動，人們開展農(nóng)業(yè)活動時容易因農(nóng)藥、化肥顆粒飄散或秸稈燃燒污染大氣環(huán)境。

3 大氣環(huán)境監(jiān)測與治理技術(shù)的應(yīng)用

大氣污染治理是預(yù)防、緩解以及消除大氣污染的主要方法，在工作中將基于政策扶持、法規(guī)約束和技術(shù)方法支持，有效治理大氣污染問題?，F(xiàn)階段，開展大氣污染治理工作，需要控制有毒有害物質(zhì)排放量以及空氣中的污染物濃度，相關(guān)工作應(yīng)該以國際和國家污染防治指標為依據(jù)。在進行大氣環(huán)境污染治理前，相關(guān)工作人員需要先確定污染物成分、濃度，被污染區(qū)域的實際發(fā)展情況和污染成因，而這些信息都需要通過大氣污染環(huán)境監(jiān)測獲取。環(huán)境監(jiān)測是1種基于特定目的，在規(guī)定時間內(nèi)對選定區(qū)域的環(huán)境要素進行觀察、測定和分析的過程，是環(huán)境保護的基礎(chǔ)，可以為環(huán)境管理和污染治理提供依據(jù)[2]。在大氣污染治理方面，環(huán)境監(jiān)測將發(fā)揮極大的輔助和支持作用。當前，由于人類活動造成的大氣污染更為常見，因此該文將圍繞人類活動引發(fā)的大氣污染研究污染成因與環(huán)境監(jiān)測治理技術(shù)。

3.1 環(huán)境監(jiān)測技術(shù)

當前，人們對環(huán)保問題極為重視，環(huán)境保護工作內(nèi)容和方式也在不斷豐富，這使得環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的類型不斷增多。針對不同的大氣污染物，適用的監(jiān)測技術(shù)各不相同。例如，以光度法、庫倫滴定法監(jiān)測二氧化硫；以安裝尾氣排放監(jiān)測系統(tǒng)和氮氧化物監(jiān)測系統(tǒng)的方式，監(jiān)測氮氧化物含量；以大氣監(jiān)測儀和濾膜監(jiān)測技術(shù)進行固體顆粒物含量監(jiān)測等。除此之外，在大氣污染環(huán)境監(jiān)測工作中，還應(yīng)用了許多面向所有污染物的監(jiān)測技術(shù)。

3.1.1 立體監(jiān)測技術(shù)

大氣環(huán)境的立體監(jiān)測技術(shù)主要面向地基、車輛以及飛機，這種監(jiān)測技術(shù)具有極強的全面性，可以對不同來源的大氣污染物進行合理監(jiān)測。此類型監(jiān)測技術(shù)主要分為3個部分：1） 地基監(jiān)測。2） 車載測量。3） 機載測量。地基監(jiān)測是利用地基監(jiān)測設(shè)備對大氣環(huán)境中的污染物成分進行分析，此時可以采用被動變換紅外線光譜檢測技術(shù)和多波段廣儀監(jiān)測技術(shù)來實現(xiàn)。車載測量和機載測量，都是通過安裝相應(yīng)的適宜的監(jiān)測設(shè)備來確定大氣污染物成分和濃度的監(jiān)測技術(shù)。前者需要在車輛上安裝車載測量設(shè)備，從而對車輛行駛中排放的尾氣和污染物吹移情況進行監(jiān)控與預(yù)測，進而預(yù)估污染物移動數(shù)量；后者則是在飛機中安裝檢測設(shè)備，記錄和監(jiān)測飛機飛行區(qū)域的大氣環(huán)境，從而獲得準確的污染信息。例如采用車載DOAS進行某地區(qū)二氧化氮、二氧化硫時空分布特征的監(jiān)測，可以在地基平臺上直觀地看到污染物的排放量與通量，利用機載平臺獲取道VOCs的排放通量與柱濃度分布結(jié)果，測得放空前通量下降了32%，放空后先上升80%、再迅速降低88%，且VOCs最大濃度也在放空后呈現(xiàn)出先快速增加、后急劇降低的趨勢。將上述監(jiān)測數(shù)據(jù)與變化曲線進行總結(jié)，能夠為該區(qū)域范圍內(nèi)VOCs減排效果的評估提供技術(shù)支持，完成對相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合處理與利用。

現(xiàn)階段大氣污染物的監(jiān)測大多數(shù)是以光學原理作為技術(shù)依據(jù)，融合環(huán)境科學、光譜學等多學科領(lǐng)域的知識內(nèi)容，并綜合運用吸收光譜、光的散射等方法進行環(huán)境污染機理的研究。在立體監(jiān)測技術(shù)的實際應(yīng)用環(huán)節(jié)，以霧霾過程時空分布監(jiān)測為例，選用細粒子激光雷達作為監(jiān)測設(shè)備，該設(shè)備基于激光技術(shù)原理完成對被測對象的連續(xù)、高時空分辨率、高精度探測，以對流層范圍內(nèi)的細粒子作為觀測對象，觀察其時空分布特征，就可以直觀地了解大氣中污染物的發(fā)展演變過程，并掌握對流層中的霧霾污染與光化學污染嚴重情況，對污染物來源、種類以及污染過程進行準確判斷。根據(jù)2020年11月2—14日的消光系數(shù)與退偏比觀測結(jié)果可知，在2020年11月3日監(jiān)測區(qū)域內(nèi)開始出現(xiàn)顆粒物，在2020年11月5—6日中午時段污染區(qū)域面積開始迅速擴大，觀察到API指數(shù)由2020年11月2日前的60迅速攀升至111，屬于輕型污染；在距離地面0.2 km～0.9 km處，消光系數(shù)值主要分布在0.5 km-1～0.8 km-1，從整體來看，消光系數(shù)呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢；退偏比數(shù)值主要分布在0.1～0.2，說明此處主要呈現(xiàn)為局地污染。

除此之外，還可以建立大氣污染天地空一體化檢測技術(shù)體系，基于地、空、天檢測平臺完成多元化監(jiān)測。此時，需要基于氣溶膠激光雷達、溫度廓線探測激光雷達、多波長水汽拉曼激光雷達、風廓線雷達和MAX-DOAS掃描成像DOAS進行地基遙感觀測；通過常規(guī)空氣自動站、氣象參數(shù)一體式監(jiān)測儀、能見度儀、紫外輻射計、濁度計、黑碳儀和單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀等進行地基原位觀測；利用無人機和系留氣艇集合光學探測技術(shù)、遙感和監(jiān)測技術(shù)完成搭建空基平臺進行大氣監(jiān)測；最后采用衛(wèi)星遙感觀測技術(shù)進行天基平臺監(jiān)測。

3.1.2 遙感監(jiān)測技術(shù)

遙感監(jiān)測技術(shù)包括大氣成分遙感監(jiān)測、臭氧層遙感監(jiān)測、居民生活區(qū)遙感監(jiān)測3個部分，主要方法是利用遙感監(jiān)測技術(shù)從不同角度開展大氣環(huán)境監(jiān)測。在監(jiān)測大氣成分時，溫室氣體、干濕沉降、輻射以及臭氧總量都屬于被監(jiān)測對象，基于該技術(shù)可以有效地分析大氣成分及其分布情況，從而明確污染物含量以及變動趨勢，十分有利于制定大氣污染治理方案[3]。

衛(wèi)星遙感技術(shù)的主要原理是利用遙感器探測地面環(huán)境變化，結(jié)合地物的光譜特征響應(yīng)結(jié)果探測具體變化的情況。但是遙感技術(shù)不能直接識別出氣體的物理含量，主要以氣溶膠吸收光譜的情況及其輻射效應(yīng)作為判斷標準，通過測算空氣中氣溶膠的含量，了解大氣分子的分布特征。以某市環(huán)境空氣質(zhì)量污染監(jiān)測工作為例，管理機構(gòu)選用Terra/Aqua-MODIS、高分五號等衛(wèi)星作為數(shù)據(jù)源，借助大數(shù)據(jù)反演技術(shù)獲取PM2.5、臭氧濃度等數(shù)據(jù)，并結(jié)合地基常規(guī)環(huán)境監(jiān)測資料完成對全市區(qū)域內(nèi)不同時段、不同區(qū)劃尺度大氣污染物濃度的綜合監(jiān)測。在監(jiān)測頻次設(shè)計時，首先以月度、季度為單位，自動生成污染物濃度含量的遙感監(jiān)測分析報告；其次以冬防期作為重點觀測范圍，在每一年的11月中旬到第二年3月中旬整合該市重污染天氣的監(jiān)測預(yù)報信息進行特定區(qū)域范圍內(nèi)污染物濃度、顆粒物含量的推演，獲取到PM2.5、臭氧濃度等指標的每日監(jiān)測結(jié)果；最后選定秸稈焚燒季節(jié)，結(jié)合地理環(huán)境勘測結(jié)果、綜合運用GPS等輔助技術(shù)，在全市范圍內(nèi)完成秸稈焚燒火點的分別定位，并以24 h為單位獲取污染物濃度的實時監(jiān)測結(jié)果。通過上述監(jiān)測頻次與方案的設(shè)計，將該市成功劃分為3×3 km的大氣監(jiān)測網(wǎng)格，從中篩選出PM2.5、臭氧濃度最高的網(wǎng)格設(shè)為熱點進行重點監(jiān)管，并向所轄市區(qū)發(fā)出預(yù)警通報，便于協(xié)調(diào)相關(guān)工作人員進行區(qū)域范圍內(nèi)的精確排查，有效提升大氣污染治理工作的實效性。

3.2 污染治理技術(shù)

治理大氣污染需要從實際出發(fā)，所以常用的大氣污染治理技術(shù)也都與污染成因息息相關(guān)?，F(xiàn)階段，“對癥下藥”和“統(tǒng)籌管理”是治理大氣污染的主要原則，大氣污染治理技術(shù)的方法也都具有針對性特點。

3.2.1 燃料燃燒污染治理

這種污染主要來自于鍋爐燃燒與煉焦生產(chǎn)等工業(yè)領(lǐng)域，如果需要治理因鍋爐燃燒而引發(fā)的大氣污染，就必須對鍋爐結(jié)構(gòu)和性能進行優(yōu)化，并且不斷提升污染治理意識。此時，可采用原煤脫硫技術(shù)減少燃料中的無機硫，進而從根本上減少燃料燃燒后的硫化物排放量。同時，還可以采用液態(tài)化燃煤技術(shù)改進燃煤，從而有效治理燃燒污染。當然，相關(guān)工作人員還能采用新能源開發(fā)、生物燃料燃燒、石灰處理技術(shù)和優(yōu)化鍋爐煙囪設(shè)計的方式治理因燃料燃燒引起的環(huán)境污染。

以某焦化股份有限公司的焦爐煙道氣體治理項目為例，該公司以往在從事煉焦生產(chǎn)環(huán)節(jié)，將焦爐煙氣中攜帶的大量二氧化硫、氮氧化物和粉塵等污染物直接排入大氣中，引發(fā)酸雨、臭氧層破壞等自然災(zāi)害，并且危害人體健康。為了解決該問題，該公司在市環(huán)保部門的指導下于2016年末起全面開展焦爐煙氣脫硫脫硝項目的建設(shè)工作，投入1.8億元購置5套脫硫脫硝裝置與1套供氨系統(tǒng)，采用“SDS干法脫硫+布袋除塵器+SCR脫硝”工藝路線進行焦爐煙氣的凈化處理，在煙道上方增設(shè)緊急噴淋裝置、起到降低氣體溫度的作用。通過檢測該項目投入使用后的運行結(jié)果可知，其焦爐煙道廢氣中的二氧化硫含量≤30 mg/Nm3、氮氧化物含量≤150 mg/Nm3、粉塵含量≤30 mg/Nm3，單座焦化爐年均減排量共計1336 t，滿足當?shù)爻团欧乓?，實現(xiàn)節(jié)能減排與環(huán)境保護目標。

3.2.2 硫化物治理

大氣污染物中的硫化物多以二氧化硫和三氧化硫的形態(tài)出現(xiàn)，雖然它們自身毒性不大，但是卻容易與氧氣和水分子發(fā)生反應(yīng)，形成酸雨或硫酸煙霧，進而造成建筑腐蝕，危害人體健康。在治理該類型的污染時，需要做好脫硫處理。例如，采用煙氣脫硫除塵技術(shù)，減少煙氣排放中的硫化物含量，從而避免出現(xiàn)大氣污染。此時可以基于“石灰石+石膏”方式進行濕法煙氣脫硫。同時，污染治理人員還可以應(yīng)用聯(lián)合脫硫脫硝技術(shù)進一步減少空氣污染物的含量。應(yīng)用該技術(shù)不僅可以治理硫氧化物污染，而且可以治理氮氧化物污染。例如，以“傳統(tǒng)脫硫+氧還原”技術(shù)處理排放氣體；以脫硫脫硝技術(shù)搭配煙氣處理系統(tǒng)處理硫氧化物和氮氧化物等。相關(guān)工作人員還可以利用光催化法來輔助脫硫脫硝技術(shù)，這樣可以降低治理成本、提高治理效率并規(guī)避二次污染風險。

3.2.3 有機廢氣治理

工業(yè)生產(chǎn)常常產(chǎn)生大量有機廢氣，有效處理這些廢氣是治理大氣污染的重要方法。由于大部分有機廢氣都易燃易爆且有毒有害，所以其處理難度很高，治理安全要求也比較高。在該環(huán)節(jié)，治理人員應(yīng)該從減少有機廢氣量、加速有機廢氣反應(yīng)燃燒等方面著手治理[4]。例如，采用冷凝回收法治理，兼顧污染治理和資源再利用；采用直接吸附法、吸附回收法和吸附催化燃燒法治理，減少有機廢氣總量；采用直接燃燒、熱力燃燒或催化燃燒法，提高高濃度有機廢氣治理效率；采用納米微電解氧化法，治理大氣中的需氧類污染物。

3.2.4 氮氧化物治理

氮氧化物治理技術(shù)主要以控制、回收和利用大氣污染物中的氮氧化物為基礎(chǔ)，可以基于催化還原、吸收和吸附等方式幫助氣體脫氮，從而實現(xiàn)氮氧化物的無害化處理。例如，基于催化還原法、吸附法、直接吸收法、氧化吸收法和氧化還原吸收法治理大氣中的氮氧化物污染。還可通過改進燃燒技術(shù)和燃燒設(shè)備的方式，控制氮氧化物濃度。

4 大氣污染監(jiān)測與治理技術(shù)的應(yīng)用

為了提高大氣污染治理效果，相關(guān)工作人員需要著力提升污染監(jiān)測與治理技術(shù)的應(yīng)用有效性。此時，需要合理開展污染治理管理工作。例如，科學評價大氣污染治理效率，為優(yōu)化監(jiān)測治理技術(shù)和制定監(jiān)測治理方案奠定基礎(chǔ)。當然，在這一過程中相關(guān)工作人員還需要明確空氣污染指數(shù)的計算方法，進而通過有效計算及時監(jiān)控大氣污染情況?？諝馕廴局笖?shù)計算的指向性十分明確，可以對特定的大氣污染物進行檢測。例如，將大氣污染物一氧化硫的污染指數(shù)設(shè)定為I，將濃度設(shè)定為C，可以通過公式（1）計算一氧化硫的污染指數(shù)。

在該公式的空氣污染指數(shù)分級限值中，最貼近污染物濃度C的2個數(shù)值是C大和C小，前者大于污染物濃度限值，后者小于污染物濃度限值。公式中的I大和I小，是貼近污染物污染指數(shù)的2個數(shù)值，同樣是1個大于污染指數(shù)限值，1個小于污染指數(shù)限值。

4 結(jié)論

總的來說，明確大氣污染成因，提高大氣污染環(huán)境監(jiān)測與治理的技術(shù)水平，是緩解大氣環(huán)境污染、提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。在實際作業(yè)環(huán)節(jié)中，相關(guān)工作人員不僅要保證大氣環(huán)境污染監(jiān)測與治理技術(shù)的合理應(yīng)用，更需要加強技術(shù)管理，為技術(shù)應(yīng)用質(zhì)量分析做準備。