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大气颗粒物到底是哪来的?解密颗粒物源解析技术


 

大气颗粒物是大气成分中的重要组成部分,给环境、气候以及人体健康带来很大威胁:颗粒物对太阳光有吸收和散射效应,导致大气能见度下降;颗粒物中凝结核的成云作用和降水对颗粒物的冲刷作用均可以使颗粒物进入降水或云水中,影响最终降水的酸碱性;颗粒物还是全球变暖、灰霾产生等大气污染现象的主要诱导因素之一;颗粒物尤其是空气动力学粒径在2.5μm以下的颗粒物(PM2.5等)可以通过呼吸进入人体肺部及血液,增加呼吸系统的发病率,甚至影响心肺功能。

 

大气颗粒物来源怎么分类?

 

大气颗粒物来源复杂,城市空气颗粒物排放源种类很复杂,根据不同的需要,通常有下面几种分类方法。按颗粒物的生成机理,可分为一次颗粒物(一次粒子)排放源和二次颗粒物(二次粒子)排放源。按颗粒物的来源,可将一次颗粒物排放源分为自然源(天然源)、人为源和混合源等。按颗粒物的排放特性,可分为点源、面源、线源。按颗粒物排放时间分类可分为连续源、间断源、瞬时源。为了方便环境管理,常将颗粒物排放源分为固定源、流动源和开放源,或者是有组织排放源类和无组织排放源类。根据很多研究分析,城市颗粒物的主要来源有城市扬尘源、燃煤源、工艺过程直接排放、交通源、二次源等几大源类,以及生物质燃烧、餐饮油烟、海盐粒子等其他源类。此外,上述的源类还可以再细分,如扬尘源还可以细分为城市扬尘、道路扬尘、建筑扬尘等;燃煤源可以分为工业锅炉燃煤、电厂燃煤、民用燃煤等;交通源还可以细分为汽油机车、柴油机车源等。而二次源可以细分为二次硫酸盐、二次硝酸盐、二次有机物等。二次源类不是通过排放源直接排放,而是由工厂、机动车等排放源排放出的SO2、NOx、挥发性有机物等气态污染物通过光化学反应、液相反应等生产二次气溶胶,因此称为二次源。
 

一个污染源可以通过不同途径对空气造成污染。例如,对于一个工厂企业而言,工艺过程的直接排放会对颗粒物造成污染;同时,工业燃煤排放的颗粒物也会直接对环境带来影响;除此之外,工业过程排放的SO2、NOx、挥发性会通过二次转化形成二次粒子。因此,评估一个污染源对大气颗粒物的贡献,需要综合分析其不同途径造成的影响。

 

颗粒物源解析技术

 

为了能更好地采取有效措施控制颗粒物各种排放源类,研究学者和管理者们迫切需要对环境颗粒物的各类来源进行识别和量化研究,颗粒物源解析技术应运而生并得到越来越多的应用和逐步发展完善。
 

颗粒物源解析技术是对环境空气颗粒物的来源进行定性或定量研究的技术,是颗粒物污染防治的重要技术手段,可以建立颗粒物排放源与环境空气质量(受体)的之间的关系,识别颗粒物的主要来源,并定量解析各源类对颗粒物的贡献。用源解析的结果指导颗粒物污染防治工作,可以提高颗粒物污染防治的针对性、科学性和合理性。
 

随着源解析工作的发展,大气颗粒物来源解析技术先后出现了三种方法:排放源清单方法、源模型(扩散模型)法和受体模型法。

排放源清单法

排放源清单法是最早应用的大气颗粒物来源解析方法。排放源清单法是根据排放因子,估算区域内各种排放源的排放量,根据排放量,识别对受体有贡献的主要排放源。这种方法对于颗粒物来说,主要存在两方面的缺陷:一是颗粒物开放源众多,其排放量难以准确得到;二是排放源的排放量与其对受体的贡献通常不是线性关系。因此,随着污染源类型越来越多,环境管理的要求越来越高,排放源清单法已经无法满足大气颗粒物源解析技术的要求。
 

源模型(扩散模型)法

扩散模型从污染源出发,根据各种污染源源强资料和气象资料,估算污染源对受体的贡献。但是,对于量大面广的颗粒物开放源来说,由于无法得到可靠的的源强资料,难以估算该污染源类对受体的贡献值。
 

受体模型法

受体模型从环境受体出发,根据环境空气颗粒物的化学、物理特征等信息估算各类污染源对受体的贡献。受体模型是目前在世界上应用最为广泛的源解析技术,目前使用最多的是化学质量平衡模型(CMB)和正定矩阵因子分解模型(PMF),这两种模型也是我国生态环保部和美国环保署推荐使用的源解析模型。

 

今年来,随着大气颗粒物污染特征的变化,天津南开大学的国家环境保护城市空气颗粒物污染防治重点实验室根据污染源及污染特征的变化,研发了一系列的源解析新型受体模型,如CMB-Iteration、PMF-CMB复合受体模型、三维受体模型等,其中一些新模型被生态环境部的《大气颗粒物来源解析技术指南(试行)》列为推荐方法,相关论文被美国环保署的源解析指南作为关键论文引用。

 

作者:

南开大学环境科学与工程学院教授/博导  史国良



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