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三分鐘看懂中國霧霾的成因、危害和解決方案

日期:2015-12-09

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  導讀

  今天是帝都發布空氣重污染紅色預警的第二天。其實,通過提前預測預警來加強局地污染控制,是可以在一定程度上減輕北京等地區的大氣污染。例如,北京奧運會時段采取了單雙號黃標車限行等措施,該時段的大氣污染物粒子就非常少,本文有更詳細的論述。無所不能(caixinenergy)今天分享的這篇文章,是中國科學院“大氣灰霾溯源”項目負責人、中科院大氣物理研究所王躍思研究員在2013年參加北京國際能源專家俱樂部一場霧霾沙龍上做的分享,雖然已是舊文,但小編通過對比數據發現,2010~2014年北京空氣質量狀態比例的變化并不大(文末附北大科學統計中心數據)。這篇報告中的觀點和思路仍非常值得分享。王躍思研究員的主要觀點如下:

  1.霧霾的化學組成成分極其復雜

 

一文看懂中國霧霾的成因、危害和解決方案

 

  (圖片來源:合肥市環保局網站)

  霧霾是指各種源排放的污染物(氣體和顆粒物如CO、SO2、NOx、NH3、VOCs、PM),在特定的大氣流場條件下,經過一系列物理化學過程,形成的細粒子,并與水汽相互作用導致的大氣消光現象。大氣污染中涉及到的顆粒物,一般指粒徑介于0.01~100μm的粒子,PM2.5是指空氣動力學直徑小于或者等于2.5微米的大氣顆粒物(氣溶膠)的總稱,學名為大氣細粒子。PM2.5組成極其復雜,幾乎包含元素周期表所有元素,涉及30000種以上有機和無機化合物(包括硫酸鹽、硝酸鹽、氨鹽、有機物、碳黑、重金屬等),真是“小粒子、大世界”。PM2.5直接排放少,以排放源一次排放的氣體通過物理和光化學過程生成的二次粒子為主。

  2.霧霾對氣候、環境、人體健康均有較大影響

  霧霾中PM1~2.5影響較大,PM2.5~10即出現沙塵。霧霾造成氣候、環境、健康等方面的負面影響:

  PM2.5濃度的增加可能是極端天氣事件增加的原因。PM2.5影響大氣輻射平衡,導致地面越來越冷、大氣越來越熱,嚴重影響區域和全球氣候變化,可能加劇區域大氣層加熱效應、增加極端氣候事件。

  細粒子污染是全球性重要環境問題之一,從1975年以來全球范圍內,除歐洲以外,細粒子濃度都在明顯上升。PM2.5濃度的增加會引起城市大氣酸雨、光化學煙霧現象,導致大氣能見度下降,阻礙空中、水面和陸面交通。

  霾含濕度比較高,可以直接傳染細菌和病毒。PM2.5又稱為可入肺顆粒,能夠直接進入人體肺泡甚至血液系統中,直接導致心血管病等疾病。PM2.5的比表面積較大,通常富集各種重金屬元素和有機污染物,這些多為致癌物質和基因毒性誘變物質,危害極大。PM2.5污染會增加重病及慢性病患者的死亡率,使呼吸系統及心臟系統疾病惡化,改變肺功能及結構,改變人體免疫結構。中科院研究已經基本證明大氣污染與呼吸道疾病死亡率正相關。北京市近年肺癌患病率顯著提高,2012年平均每天確診104個肺癌病人。對廣州市肺癌致死率與灰霾關系的研究表明,考慮7年滯后期,肺癌致死率和氣溶膠消光系數的相關系數高達0.97。

  3.霧霾90%來自人類經濟社會活動

  約10%的霧霾是自然排放,其他近90%來自人為排放,直接來自人類的經濟社會活動。對北京2013年1月五次強霾污染分析得出,大氣污染物包括有機碳、元素碳、硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、揚塵等。硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽是基于一次排放的二氧化硫(SO2), 氮氧化物(NOx)和氨氣(NH3)氣體經過化學反應形成。揮發性有機物(包括來自烹飪源的油煙型有機物、來自于汽車尾氣烴類有機顆粒物、來自光化學反應的氮富集有機物、和從北京周邊輸送過來的氧化型有機顆粒物),在大量二氧化硫和氮氧化物的作用下發生反應,向二次有機氣溶膠轉化,產生更加具毒性的細顆粒污染物。它們是上世紀中期美國南加州光化學煙霧的主要成分。

  這些污染物都和人類的生產和生活活動息息相關。對北京PM2.5排放源分析發現燃煤、機動車為最主要來源。

  北京年平均PM2.5排放中,燃煤占26%,機動車19%,餐飲11%,工業10%。1月的強霾中,北京機動車排放貢獻最大,占25%,其次為燃煤19%和外來輸送19%;京津冀地區的主要污染來源則是燃煤34%、機動車16%和工業15%。此外,河北和天津地區的燃煤、化工、重金屬冶煉都是重金屬污染的來源。北京城市大量的機動車排放是造成NOx大氣濃度上升的原因,也是硝酸鹽同步上升的原因之一。白天NO2濃度出現高值,并同步出現硝酸鹽濃度高值,但北京機動車NOx排放造成的危害遠非生成了無機硝酸鹽,更可怕的是生成了大量的含氮有機顆粒物。白天生成的硝酸鹽夜間在高濃度SO2和硫酸鹽的作用下向致癌物亞硝酸鹽轉化。

  4.北京強霾有天氣條件、周邊沙塵、局地排放、大氣環流等主要成因

  天氣原因主要包括靜風穩定天氣加上高濕、混合層薄、逆溫強度大等氣象條件。受低壓輻合或均壓場的影響,天氣系統較弱,近地面大氣穩定,風速較小,并以弱偏南風為主,濕度較大,且逆溫層厚度大(500m-1km)、強度強(逆溫溫差5~10℃),進一步阻礙了空氣對流,導致區域和局地排放的污染物迅速累積,空氣污染嚴重。

  近周邊沙塵區域輸送,京津冀近周邊的沙塵層引發污染,輸送至本地,與本地的污染大陸性氣溶膠混合,加重污染;

  局地排放,包括:一是大量機動車排放造成硝酸鹽上升;二是周邊輸送來的燃煤SO2排放造成硫酸鹽上升;三是光化學產物、局地烹飪、汽車尾氣等造成的揮發性有機物轉化為二次有機氣溶膠;

  大氣緯向環流和氣候變化導致的北半球平流層升溫,使污染物向北半球中緯度區域聚攏,使中國區域大氣污染程度加劇。

  5.中國霧霾成因有季節性變化

  在春季,遠程沙塵輸送、局地揚塵、城市酸性氣體和空氣中較多的水分也會方便霾的形成。

  在夏季,高溫、高輻射氣候加上高濕天氣會促進污染物的光化學反映和吸濕性增長。

  在秋季,白天強烈輻射和高溫會加速光化學氣粒轉化,而早晚低溫和高濕在穩定的天氣系統中容易導致霾污染事件。

  在冬季,北方的采暖加上穩定的大氣邊界層結構和較低的混合層高度很容易導致霧霾現象。

  6.中國的霧霾污染比倫敦霧霾事件和洛杉磯光化學煙霧事件更為復雜和嚴重

  2013年1月京津冀共計發生五次強霾污染過程。北京共計22天PM2.5超過國家2016年二級標準(75μg/m3),27天超過國家一級標準,只有4天晴好天氣(日均值35μg/m3)。 PM2.5小時最高值達到680μg/m3。天津共計21天PM2.5超過國家2016年二級標準,只有5天晴好天氣。石家莊共計26天PM2.5超過國家2016年二級標準,只有1天晴好天氣,兩個城市PM2.5小時最高值超過690和1000μg/m3。京津冀背景地區興隆的PM2.5共計6天超過國家2016年二級標準, 北京及京津冀空氣污染形勢十分嚴峻。長三角及珠三角空氣污染形勢同樣十分嚴峻。

  太行山東麓、燕山北麓的京津冀區域最為嚴重。以產業結構和能源結構甚至在全球都領先的北京為例,北京地區的霧霾情況遠比1952年的倫敦霧霾事件、美國四五十年代洛杉磯光化學煙霧事件復雜和嚴重。北京地區空氣中每立方米中有近20毫克氣固體污染物,1952年的倫敦每平方米也只有四毫克,如此算來,北京地區750平方公里,高度300米的大氣范圍大約有4000噸污染物。洛杉磯光化學煙霧中主要是汽車尾氣中的烯烴類碳氫化合物和二氧化氮(NO2)排放到大氣中后,在強烈的陽光紫外線照射下,原有的化學鏈遭到破壞,形成新的含劇毒的光化學煙霧,主要是以臭氧為代表。北京現在具有類似的情況。此外中國還大范圍存在沙塵暴,而沙塵的存在又會加劇霧霾過程的化學反應。

  7.局地排放和周邊輸送增加了大氣污染物控制和治理的難度,北京不可能單獨治理霧霾問題

  以北京大氣灰霾溯源為例,北京PM2.5大約30~40%來自原始排放,20~30%來自大氣中的光化學轉化,30~40%來自區域輸送。北京治霾要“三分之一靠天氣,三分之一靠自己,三分之一靠周邊”。北京本地排放主要包括大量機動車排放造成的硝酸鹽、光化學作用產物、局地烹飪和汽車尾氣等排放的揮發性有機物轉化為二次有機氣溶膠。而280m高空的SO2濃度遠遠高于8m的濃度分析表明,北京SO2來源于周邊燃煤排放帶來的硫酸鹽輸送。局部區域氣候條件分析,北京城區大量污染物通過低空氣團來自于東南方向的近距離輸送。京津冀近周邊的沙塵層輸送至北京,與本地的污染性氣溶膠混合后加重污染。

  因此,北京市雖然能努力降低自身大氣污染物的排放,卻無法解決周邊污染物排放與傳輸。對北京霧霾有直接重大影響的除了本地的汽車尾氣之外,還有天津的工業廢氣氣團和河北的燃煤排放。

  8.霧霾可以提前預測預警并緩解

  對大氣污染物跟蹤檢測表明,北京奧運會時段的大氣污染物粒子非常少,PM1~2.5不足50ug/m3。單雙號和黃標車限行可將PM1~2.5控制在100ug/m3以下,而在汽車未限行時段這一數據可達200ug/m3。同樣對今年1月份的第四次強霾過程分析表明,汽車排放的氮氧化物和燃煤排放的硫化物貢獻超過100ug/m3,占當時污染物濃度的一半。這些情況說明,在容易起霾的靜穩、逆溫氣候條件下,考慮外來污染物的大氣環流,可以通過提前預測預警來加強局地污染控制,減輕北京等地區的大氣污染。今年1月份的5次強霾事件可以通過預警和臨時防治措施減緩3次。

  9.從霧霾污染成因出發,有如下防治建議

  根治霧霾污染需政治智慧。正像聯產承包、分產到戶解決了我國改革開放初期的農業發展問題,經濟特區解決了改革開放初期的工業商業發展問題,一國兩制解決了香港和澳門問題一樣,根治大氣需要在國家管理體制上要有所創新,有所突破。

  必須實施區域聯防聯控。京津冀地區同處一個氣候帶,形成一個大的污染團,根治大氣污染需要區域聯防聯控。這需要突破現有以行政單位各自為政的管理制度。歐共體協同治理酸雨和大氣污染,美國南加州聯防聯控遏制光化學大氣污染都是成功的范例。可以考慮成立京津冀大氣污染聯防聯控委員會,將該區域作為大氣污染防治的試點“特區”。

  防治霧霾要加強法治。僅靠政府部門、工廠企業和居民團體自覺自律維護大氣環境顯然不夠,要逐步制定落實相應的法律規章,依法治污才有可能長治久安。具體來說,要強化電廠脫硫脫銷的監控,避免三天打魚兩天曬網的不徹底現象。同時應建立第三方數據檢測,加強管理油品質量。

  要制定多種污染物減排的一攬子計劃,加強污染物協同控制。僅降低PM2.5是不夠的,應減排所有的污染氣體與顆粒。不能只關注硫化物減排,氨氣的減排也很重要。由于PM10(粒徑小于10µm的顆粒物)濃度逐年下降,而PM2.5濃度高居不下,區域大氣污染控制應以細粒子減排和多種污染物聯合控制為主,并在源頭上控制CO、SO2、NOx,VOCs和NH3的排放。在電力行業,同時控制SO2、NOx、VOCs及粉塵有助于降低污染治理成本。

  一次污染源控制要各有側重。首先要從源頭控制,大力消減PM2.5形成前的主要氣態物SO2、NOx、CO、NH3和VOCs的排放。控制SO2的重點在工業、采暖和燃煤電廠。NOx的控制重點依次為機動車、燃煤電廠和工業。CO的控制重點依次為機動車工業和燃煤電廠。VOCs應以機動車、無組織(餐廚、干洗店等)排放和工業為主。另外,北方城市的冬季由于受到大規模燃煤采暖的影響,SO2、NOx、CO、PM較非采暖期相比,呈上升趨勢,應在冬季采暖時段加強對這些污染物的控制,而VOCs則在全年都要控制。

  區域源控制應以產業結構布局和調整為重。產業結構調整方面,加大第三產業比例,降低高能耗第二產業比例。產業結構布局方面,盡量將高污染企業遷至區域的下風場地區或高海拔地區,這有利于一次污染物的擴散和沉降。同時加強環保監管措施,控制新排放源的加入。

  霧霾治理要科學先行。由于我國的PM2.5來源復雜,形成原理不清,觀測分析設備落后,難以制定科學合理的治理方案。此時,切勿盲目采用國外監測技術及照搬國外調控標準。應抓緊時間進行基礎研究,加大科學投入,并根據科學研究結果制定出一套詳盡完備的PM2.5減排控制方案。

  霧霾治理需要公眾參與。公眾行為是面源強度大小的最重要控制因子,首先是所有公民整體素質的提高,小到餐飲出行,大到擇業置產,都到要考慮到盡量減少污染排放。只有全社會每個人都從自我做起,從點滴小事做起,才有可能保障我們有干凈的空氣呼吸。

 

一文看懂中國霧霾的成因、危害和解決方案

 

  在這場沙龍上,還有近三十位來自國家發改委、環保部、財政部、能源局、中財辦、國務院發展研究中心、中科院、神華、中石油、中海油、中國汽車技術研究中心、中歐聯合投資基金等機構和企業的專家,共同就當前霧霾問題的嚴重性、背后原因和解決方案進行了熱烈的討論,討論結果總結如下:

  1.霧霾問題是中國環境破壞的警世鐘

  此次強霾污染應引起深刻反思,拷問全中國的發展模式。嚴重的空氣和水土污染是中國工業化帶來環境破壞的警世鐘,環境問題已經成為中國發展的攔路虎。應將此視為倫敦毒霧、日本工業污染、美國洛杉磯光污染事件之后第四次大型環境事件。健康是人的第一權利和生存的第一條件。持續得不到根治的霧霾污染將否定中國改革開放所帶來的經濟和政治成果。

  2.環境修復與治理革命比能源革命更為緊迫

  十八大提出的推動能源生產與消費革命主要是基于環境可持續發展方面的考慮。能源革命是手段而非目的。在中國,環境修復與治理革命比能源革命更為緊迫。

  3.治理霧霾要跳躍式將環境保護上升到道德的高度

  不能僅依靠行政手段,要提升全民道德水平。應像日本和歐洲一樣,將環境保護上升到社會道德高度,讓任何破壞環境的人和企業成為譴責與監督的對象。這樣的全面參與才能打贏環境治理的戰爭。

  4.要重視榜樣的作用

  中南海和高層國家機關落實零排放,給地方和企業做出表率。建議使人民大會堂、中南海等標志性國家機構的運行達到污染物零排放。

  5.新的國家治理要主抓精細化執法與管理

  中國經濟粗放發展的背后,是制度與管理的粗放。法律的尊嚴在于執行。同樣,再好的制度缺少管理都是空話。中國國家治理不能只講改革,而是要在改革的基礎上,抓好精細化執法與管理。應將環境精細化執法與管理列為與改革開放一樣的大事,像抓計劃生育一樣去落實。

  6.不能光依賴行政手段,還要利用經濟手段,使減排變得有利可圖

  火電廠的除塵、脫硫、脫硝技術都已成熟,但在煤電價格倒掛使得電廠虧損的情況下,火電廠不具備在環境治理上的投資能力。同樣,中國進口原油的品質越來越差而油品在環保方面的要求越來越高,需要對煉廠進行升級改造,而在因國家對成品油價格控制導致煉廠虧損的情況下,煉廠本身也沒有能力來投資減排設備。電力與成品油價格改革也應該是霧霾治理的一個重要舉措。

  7.推行“誰污染誰買單”的政策,加強行政執法

  同時嚴格財務監督,做到專款專用,不能把企業污染治理的成本轉嫁到百姓身上。在“污染收費”方面,發達國家有很多值得我們參考的經驗,譬如,英國倫敦市政府早在2003年就開始對進入市中心的私家車征收“擁堵費”,而這部分收入全部用來改善公共交通。

  8.霧霾治理要協同區域生態圈規劃,明確聯防責任

  環境保護要以生態圈來做規劃,而不能局限于行政圈。環境政策應在全國總量控制的前提下,考慮各地的環境容量、承載能力和可接受成本等因素來區別落實,將全國性的政策地區化。區域之間的聯防聯控必須要建立在明確的責任基礎上,否則無法操作。

  9.聯防聯控,不僅需要區域間聯合、城市群間控制,更需要打破行業壁壘

  需要包括環保部、交通部、氣象局、工信部、衛生部、發改委、科技部、大型國有能源公司等在內的國家、省市各級部門平級之間的通力合作,轉變目前各自為戰的局面,切實做到相關數據充分共享、治理措施共同制定、排污執法協作配合。

  10.霧霾可以預警,但治理還要從根本出發

  爆表型強霾可以通過預測預警、提前關掉污染源避免。但這只是暫時的措施,只能暫時消減排放,霧霾污染的治理需要治本。

  11.要從城市治理角度治理霧霾

  霧霾暴露了城市環境的惡化,要解決有以下措施:

  促進城市能源清潔化,大力優化能源結構。全面落實煤改氣和煤該電,必須用煤的地方要加強污染控制;

  城市交通減排。交通污染各種治理措施都要上,包括發展天然氣汽車和LNG載重卡車,推廣城市電動汽車;

  關注城市周邊農村和中小城鎮的能源使用與污染排放,加強能源使用的科學性,減少排放。

  12.煤炭領域的排放尤其要控制

  煤炭曾是中國能源的立命之本,現在已經成為環境污染的首要根源。能源消費總量控制要重點考慮煤炭消費總量控制和減排。煤炭不可能徹底清潔燃燒,但可以大幅度降低污染物的排放。措施包括:

  要將煤炭消費總量和區域的環境承載能力結合,加強煤炭的清潔化利用。

  在發電和非發電兩個領域控制煤炭燃燒的污染物排放,加強全過程管理。煤炭行業本身的開采、洗選、運輸、銷售過程排放很少,排放主要來自4個下游行業(鋼鐵、發電、建材和化工),一般工業鍋爐和民用。燃煤電廠的減排技術已經成熟,關鍵是抓投資、抓落實。然而,只抓電力,不抓其他近50%的非發電用煤是不管用的。集中式發電好管,其他行業的分散污染源難管。對這些污染源,環保部門應加強投入實習全過程監管。火電行業的脫硫、脫硝、脫汞投資巨大,應有合適的電價給予補償。

  改變傳統思路和部署,鼓勵南方地區從國外進口煤炭,避免長距離運輸。同時要加強進口煤含硫量監管,制定準入標準。

  13.大力發展天然氣

  天然氣是改善中國能源結構的最重要抓手,只有天然氣能規模化地替代煤炭。在國內常規和非常規天然氣開發近期還不具大規模替代煤炭的能力的前提下,要多進口天然氣,加速東西伯利亞的俄氣來到中國。

  14.提升油品質量,推進更嚴格排放標準的實施,嚴格控制機動車保有量

  油品質量和標準不匹配的問題已成為霧霾中氮氧化物排放的主因。大型城市應當根據實際情況,積極推進早日實施更嚴格的排放標準,實現機動車保有量的有效控制。

  15.治理霧霾人人有責,要中央給壓力、地方來推動、全民都參與

  霧霾問題顯示了中國環境、資源、土地、生活消費的全面“透支”。霧霾同時也不是一個孤立的問題,需要系統化、體系化、常態化的長期努力來加以解決。要有中央、地方、社區、行業、企業、民眾五個層面的全面參與。任何一個層面的缺席,特別是老百姓的積極參與,都很難保證治霾工程的成功。

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