學10個臭氧防控的科學問題,做VOCs減排的主人

學10個臭氧污染防控的科學問題,
做VOCs減排的主人


2020年8月19日,由上海市環境監測中心主辦的“2020年全國重點區域臭氧技術交流暨長三角區域空氣質量預測預報技術培訓”會上,暨南大學邵敏教授主講的“關于臭氧污染防控的十個問題”直播講座,反響熱烈,圈粉無數。長達134分鐘的直播,仍意猶未盡……

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小E全程聆聽了邵老師的精彩演講后,最大的沖動是要把直播內容介紹給更多的VOCs減排研究者、VOCs治理從業者,以及最關鍵的VOCs排放企業。在任重道遠的VOCs減排路上,有利于方向辨識度的增強。

本文取材自:微信公眾號“上海市環境監測社會化服務監管”

“2020年全國重點區域臭氧技術交流暨長三角區域空氣質量預測預報技術培訓——關于臭氧污染防控的十個問題”專題演講
會議主辦方:上海市環境監測中心
演講者:邵敏,暨南大學環境與氣候研究院,北京大學環境科學與工程學院教授。
(除特別標注外,文字內容為視頻聲音摘編,圖片取材摘自微信公眾號“上海市環境監測社會化服務監管”)

本文得到了上海市環境監測中心伏晴艷副主任的熱心幫助,在此表示衷心感謝!
問題一:臭氧污染正在如何變化?

小E:全國范圍內,臭氧正處于上升的趨勢,是遏制臭氧問題的戰略機遇期。

根據長三角、珠三角、京津冀的臭氧與PM2.5污染超標情況的對比,臭氧的超標天數由原來的低于PM2.5,到現在最多超標天數超過PM2.5的4至6倍,目前已經超過PM2.5,成為了主要的污染因子。

去年9月底的時候,全國范圍內出現了近一周的大范圍臭氧污染,覆蓋上百萬平方公里的國土面積。

通過對北京市近15年臭氧1小時、8小時濃度指標、極端濃度指標以及超標天數的綜合分析,超標天數的增速最快,極端濃度并沒有出現非常明顯的上升趨勢,而超標天數在增加。很多情況下極端的超標情況在減少,而輕微超標天數在增加。

問題二:氣象是主導因素嗎?

小E:氣象條件是非常重要的影響因素,夏季氣象特征是臭氧污染頻發的主要條件。

氣象因子對臭氧的影響分為兩類,第一類屬于影響生成條件的氣象因子,如溫度、輻射、降水等,另外一類是影響空氣傳輸能力變化的因子,如風速、混合層高度等。

根據珠江三角洲的研究分析,對臭氧污染與氣象條件污染進行歸一化處理后,從長期趨勢來看,在同樣的污染排放情況下,氣象條件變化貢獻了近40%的臭氧上升幅度。

氣象條件對臭氧生成的影響顯著,使用2014年與2016年不同氣象場對珠江三角洲進行臭氧濃度模擬分析,同樣的污染排放產生的臭氧濃度差異可以達到約60μg/m3。所以進行臭氧防控,一定要結合氣象條件,判斷控制措施是否有利于臭氧的改善,僅僅觀察臭氧變化可能會產生片面的判斷。影響臭氧生成的氣象因子有很多,風速、輻射、溫度、高度等都是關鍵因素,而氣象部門也在制作綜合氣象指數,來預判臭氧濃度。

問題三:是因為PM2.5濃度下降導致的嗎?

小E:PM2.5濃度在高位降低時,與臭氧上升有顯著關系,當PM2.5濃度較低且持續降低時,其對臭氧濃度變化的影響趨于平緩。

從觀測的現象上判斷,PM2.5呈現下降趨勢的同時,臭氧出現了上升趨勢,可能由于PM2.5濃度變化影響了輻射強度,增加了臭氧形成的有利條件,也有可能存在自由基變化的影響。

從定量上看,PM2.5到底在多大程度上影響了臭氧上升?可以參考世界上一些典型城市以及部分國內城市臭氧與PM2.5濃度的數據,進行定量化的分析:

PM2.5在高于約40μg/m3時,與臭氧上升有顯著關系,當PM2.5低于約40μg/m3并且持續下降時,則與臭氧濃度變化的關系趨于平緩。

問題四:是因為天然源排放造成的嗎?

小E:天然源排放有不可忽視的影響。

天然源的排放對臭氧具有非常大的影響,而且,天然源對臭氧的影響可能被低估了。

天然源的日變化規律和人為的變化規律是非常不一致的。一般城市臭氧的日變化形成機制約于10點左右開始啟動,正午12點至下午2點出現峰值,于下午4點至5點呈現臭氧濃度下降,此變化規律恰恰與天然源VOCs排放的變化規律相符,天然源的排放也于正午達到峰值。

因此,基于城鎮綠化的不斷改造,有兩個問題需要重點關注:區域天然源排放對整體臭氧的背景貢獻,以及對臭氧峰值的貢獻。在珠江三角洲的研究中發現,天然源對臭氧峰值的貢獻達到了25ppb。

北大站點對氮氧化物和揮發性有機物的長期觀測與研究結果表明,臭氧的兩個前體物氮氧化物和揮發性有機物濃度水平呈現約每年5%的持續下降趨勢,但是臭氧濃度并沒有下降而是逐步攀升,呈現出一個高位震蕩的趨勢。維持臭氧在高位變化的原因,很有可能與天然源的排放影響有關。

問題五:輸送影響如何?

小E:除輸送影響之外,臭氧的區域本底濃度對污染的貢獻不可混淆。

遠距離輸送是二次污染的基本特征之一,二次污染物生成的地方以及二次污染物前體物排放地有明顯的空間差異。

通過蘭州西固臭氧污染的研究工作發現,在主要為VOCs污染的化工園區的下風向直至約40公里處的紅谷村進行臭氧測量發現,在沿著從河谷向下風向的傳輸過程中,出現了非常明顯的臭氧污染。

區域尺度的大氣污染來源解析研究中,越來越多的PM2.5來源解析研究報告表明,區域輸送貢獻呈現出主導作用。但在做臭氧來源解析的時候,需要特別注意臭氧的背景水平,而不要將其歸結為傳輸因素,依據以往的研究成果,很多情況下,臭氧的背景貢獻都達到了50%以上。

并且,全球尺度上臭氧的背景濃度正在快速上升,尤其是東亞地區。

問題六:VOCs和NOx,哪一個主控?

小E:近中期,城市區域VOCs是主控因素。

臭氧是(前體物)揮發性有機物以及氮氧化物在陽光下發生復雜光化學反應的二次污染物。

Haagen-Smit把它描述為:“臭氧:陽光將汽車尾氣在空氣中點燃了!”

而導致臭氧呈現非線性響應的科學關鍵是“鏈式放大”。在很多時候,臭氧呈現出一種滾雪球式的上漲趨勢,由于揮發性有機物的參與,其自由基產生鏈式放大,導致臭氧不斷地增加與累積,直至太陽西下或者其他影響因素,將鏈式反應打斷,反應終止,臭氧濃度才會下降。

在這種鏈式反應的情況下,要確定VOCs或NOx與臭氧的響應關系,判斷哪一個是主控因素,需要使用一系列的算法或模擬方法才能實現。

這種“診斷”在全國范圍內已經有廣泛的案例,統計不同模型對珠江三角洲及各城市大氣臭氧和前體物的模擬結果,其結論基本一致,在城市區域范圍內,主控因素是VOCs,而在區域偏遠一點的地方,則是NOx主控。

所以科學決策尤為重要,以珠三角為例,近年來,PM2.5濃度穩定達到25μg/m3以下時,近中期應該推行以VOCs為重點的多污染控制策略,單獨控制VOCs可能無法顯著改善臭氧污染,單獨控制NOx(~20%)可能導致臭氧濃度升高,持續減排NOx,可逐步減緩臭氧污染。NOx的減排是實現臭氧達標的長期策略。

問題七:VOCs來源不確定性有多大?

小E:隨著技術的發展,VOCs來源的準確性在不斷提升。

在做臭氧防控的時候,要把自身的VOCs類型摸清,全球臭氧污染的三大類型:機動車尾氣、石油化工、天然源。

隨著研究的深入和認識的增加,VOCs排放總量巨大,并且在持續增加。

VOCs來源準確量化的難度很大,而且成分復雜,其對臭氧生成的貢獻差別也非常大,而目前VOCs的排放總量有±50%的不確定性,不過總體趨勢上不確定性正在下降。

基于觀測的清單校驗方法,可以比較好地估算VOCs總量,降低不確定性。通過結合:1)基于區域的網格化測量;2)在邊界層以下做高點的連續的自動監測;3)氣象觀測,可以反算出區域的VOCs排放總量。把這個排放總量跟清單濃度做對照,即可以形成基于觀測“自下而上”建立準確的源清單。

問題八:VOCs的活性是怎么回事?

小E:VOCs生成臭氧的能力——VOCs活性是關鍵。

VOCs的組分有成千上萬種,并且VOCs生成臭氧的能力也千差萬別,所以VOCs反應性至關重要。而現在關于活性高低的判斷與測量,并不全面。活性高的物質,濃度水平極低且變化快,常規的監測方法不能有效地觀測到,因此它們對臭氧的貢獻就變成了盲區。

現在的研究可以對一個地區的VOCs總活性進行測試,而且全球已經開展了一些VOCs總活性的觀測,結合所有能測到VOCs成分的活性的總和,二者之間的差值則是反應活性的缺失。

一項分別對環境、污染源和樹葉進行活性測試的研究結果顯示:環境中30%-50%的活性VOCs是目前GC-MS、PTR等設備沒有辦法測到的;同樣污染源也約有20%的活性缺失;在實驗室的模擬條件下,使用各種方法對樹葉(圖中為Tree)進行測試,才能完整測到它的所有活性。活性的缺失是一個普遍問題,目前北京、上海、廣州等地已經進行了活性缺失的分析,大致的結果是呈現30%-50%活性缺失,而這種缺失對臭氧的形成到底有多大的影響,是我們未來要重點關注的問題。

問題九:什么是環境目標約束的減排?

小E:在實現臭氧控制目標下,VOCs和NOx的減排。

環境目標的約束應該結合排放總量,同時納入約束性指標的政策,作為一種雙約束的政策來執行。也就是說VOCs和NOx的減排總量目標應要保證臭氧控制目標的實現。臭氧和VOCs、氮氧化物呈非線性關系,根據EKMA曲線,結合經濟成本效益,確定一段時間內比較合適的VOCs和NOx的減排方案,確立多污染物協同控制的長期策略。

問題十:前體物減排與臭氧改善是否一致?

小E:通過臭氧污染防控體系的有效運轉,實現前體物減排與臭氧改善的一致性。

臭氧的削減,是一個各前體物的綜合減排工作。

判斷前體物減排與臭氧污染改善是否一致,需要建立臭氧污染防控體系:

1

建立源排放信息平臺:信息平臺應該包括前體物分行業的排放總量,排放總量的誤差范圍,未來新增排放、各個行業目前排放水平以及其減排潛力;

2

前體物總量削減方案和行業分配:確定城市或區域需要實現的臭氧減排目標,并將削減目標如何分配到各行業中;

3

重點行業治理工程方案,政府部門如何檢測;

4

空氣質量改善效果的后評估:評估減排措施的執行情況是否達到?評估減排量與臭氧變化的關系?根據后評估的結果,更新源排放平臺,緊接著調整減排方案,改進工程治理措施,這樣往復循環,減少臭氧的排放,實現精準治污、科學治污、依法治污。


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撰稿:李凱琪

審核:林子吟

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