以广州为例浅析我国城市光化学烟雾

以广州为例浅析我国城市光化学烟雾
摘要：以广州为例研究我国城市光化学烟雾的污染状况及污染特征, 探讨光化学烟雾的形成机制, 分析城市光化学污染趋强的原因，预测城市光化学烟雾的发展趋势，结合城市特征探讨光化学烟雾防治的措施。

关键词：城市光化学烟雾；汽车尾气；防止措施
城市大气污染一般分为煤烟型和光化学烟雾型,前者因燃煤排放引起,其主要污染物为颗粒物和二氧化硫SO2;后者因汽车和石油化工排放氮氧化物NOx和挥发性有机物VOCs等前体污染物引起,其特征污染物为臭氧O3等强氧化剂。

光化学烟雾具有很强的氧化性,可使橡胶开裂,对眼睛和呼吸道有很强的刺激性,损害人体肺功能和伤害农作物,并使大气能见度降低。

我国城市大气污染虽受以煤炭为主的能源结构的制约,目前仍呈现出明显的煤烟型污染特征, 但早在70年代末就在兰州西固石油化工区首次发现了光化学烟雾并开展了大气物理和大气化学的大规模综合研究,1986年夏季在北京也发现了光化学烟雾的迹象,近10年来日趋严重。

随着经济的高速发展,我国中、南部特别是沿海城市均已发生或面临光化学烟雾的威胁,上海、广州、深圳等城市也频繁观测到光化学烟雾污染的现象。

以广州为例研究我国城市光化学烟雾的污染状况及污染特征,探讨光化学烟雾的形成机制,预测城市光化学烟雾的发展趋势。

1.城市光化学烟雾的形成机理
光化学烟雾的形成机理可以定性地表述为:光化学烟雾是由链式反应形成的。

它以NO2光解生成原子氧的反应为引发,原子氧的产生导致了臭氧的形成。

由于烃类参与链式反应产生多种自由基,造成了NO向NO2的迅速转化。

在此转化中RO·和RO2·自由基起了主要的作用CO3参与的少),以致基本上不需要消耗O3就能使大气中NO转化为NO2。

NO2又继续光解产生O并导致O3的产生,从而使O3浓度不断升高。

同时产生的醛类和新的自由基又继续和烃类反应,生成更多的自由基。

如此继续不断,循环往复地进行链式反应,直至烃类耗尽,NO全部氧化为NO2。

概括起来影响光化学烟雾的主要(污染物)因素是:(1)碳氢化合物的活性。

(2)吸收光能的引发剂。

(3)NO2和CｘHｙ的浓度比。

汽车废气作为空气污染中的一种特殊情形，其主要污染物有碳氧化物、氮氧化物、碳氢化合物、硫氧化物、铅化合物、苯并芘等。

对于未装尾气净化器的汽车,65%的烃类及COｘ、NOｘ和铅化合物均从尾气中排入大气。

目前,许多国家制定的汽车排气标准中,都把一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物作为主要污染物来控制。

对光化学烟雾形成有关的气体主要是后2种,尤其是其中的NO、NO2和烯烃、芳烃。

汽车废气的数量是很大的,若平均每天燃用5ｋｇ汽油,则生成2.1
ｋｇCO、0.62ｋｇＣｘＨｘ、0.11ｋｇNOｘ。

那么一个拥有10万辆汽车的城市,每天空气中就要增加210万吨CO、62吨的ＣｘＨｘ、11吨NOｘ。

可见汽车确实成了污染空气的“罪魁”。

2.广州大气光化学污染状况
广州市近20 年来主要的大气污染物有: 二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、总悬浮微粒(TSP)、降尘(DF)等,其中SO2及NOx和CO分别主要来源于工业生产和交通运输,TSP和DF则主要来源于餐饮业和建筑业。

目前,广州交通污染源尾气排放量对广州大气质量的“贡献”跃居为首位。

分析广州市1981～1997 年的环境监测资料表明，年纪之间具有光化学污染逐年增强的趋势。

以1981～1997 年全市各监测点的监测结果为基础数据,以我国《大气环境质量标准》的日平均质量浓度二级标准为依据计算广州市1981～1997年的各大气污染物的指数及污染负荷率,计算公式如下:
Fi= Pi/P
其中: Pi= Ci/Si, P=∑Pi
式中: Fi为污染物i的负荷率, Pi为污染物i的分指数,P为大气污染综合指数, Ci为污染物i的实测值,Si为污染物i的评价标准(其中SO2为0.06 mg/m3 、NOx 为0.1 mg/m3 、CO为4 mg/m3 、TSP为0.3 mg/m3 , DF 为8t/km2·月)。

计算结果如表1所示。

表1 1981～1997 年广州市各大气污染物的评价指数和污染负荷率(%)
从表1的结果发现,虽然各污染物的负荷率随年份不断波动,但NOx和CO的负荷率逐年增加、SO2和TSP则逐年减少的趋势明显。

比较1981～1997年大气污染物评价指数和负荷率的结果说明:广州在20世纪80年代中期以前(1981～1986)各污染物的负荷率以DF最高、SO2次之、CO最低为煤烟型污染特征;1987～1997年间,全市大气中气态污染物评价指数和负荷率则以NOx最高,如1994年全市实测NOx年均日浓度值为:1.16mg/m3 ,污染指数为 1.16,污染负荷比为25.2% ,1996年达35.6%。

这充分说明广州自80年代末以来NOx的污染相当严重,光化学污染有逐年增强的趋势。

特别是越秀区、东山区的主要干道的NOx已大大超国家二级标准。

3.广州光化学污染趋强的主要原因
VOCs和NOx两者构成光化学污染中最主要的一次污染物;控制大气光化学污染最有效的手段是同时控制VOCs和NOx污染水平.，结合广州的气象、地理条件，从VOCs和NOx来源着手来分析广州市区光化学污染趋强的原因。

3.1 广州光化学污染趋强主要与机动车辆的迅速增加有关
自上世纪80 年代末以来, 广州大气中NOx和CO的污染负荷率逐年增加,光化学类污染急剧发展,这主要与车辆的迅速增加密切相关。

据统计,广州机动车排放的NOx约占全市NOx总量的60%。

加之广州地处低纬度,高温、多雨、湿度大;风向以北和东北及东和东南方向为主,具有通风不良和静风频率高、近地层的逆温频率高、热岛效应强等特征。

不仅不利于污染物的对流和扩散,还有利于贴近城区周围工业和建筑业、交通业的大气污染物向西区和市中心集聚, 形成局地的堆积污染,也有利于大气污染物NOx的转化,更进一步加大了光化学的污染程度,特别是交通拥挤,汽车在路上重新启动和发动机空转的次数越多,尾气排放量越大,因而越秀区和东山区及市内的主要交叉路口和交通要道等地带成为NOx 和CO污染的“重灾区”。

因此，要解决NOx和CO污染问题,控制及改进广州市交通环境是关键。

3.2 广州市内各功能区VOCs污染源分析
表2给出了市区内典型功能区VOCs的监测结果，作为交通主干道的东风路、环市路和新港路污染最为严重,检出的VOCs种类较多,浓度也较高;而文化区和居民区的污染相对小些,但也不可忽视.图1是三个功能区大气中苯系物(BTEX)的浓度分布情况,用来判断功能区的VOCs污染来源.三个功能区的BTEX线图基本上平行重合,说明它们的来源都相同.甲苯的浓度仍然是最高的,苯和乙苯浓度相当.这说明了,市区内VOCs的污染特征与交通源相似,即VOCs的污染主要是由于机动车排放引起的.另外,各类型加油站的油库、市内三产燃料燃烧,还有市郊工业区排放的贡献也是不可忽略的。

由图表可知，广州地区空气中的挥发性有机物的总量已很高,广州市区的VOCs主要来自人为污染源,尤其是交通源。

表2 市内典型功能区VOCs 监测结果(μg·m- 3)
图1 内典型功能区苯系物浓度分布图
4.光化学污染的防治措施
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

4.1 安装排放孔昂志装置控制污染源
碳氢化合物是光化学烟雾形成过程中必不可少的重要组成,因此控制碳氢化合物,尤其是那些反应活性高的有机物(如烯烃、含有侧链的苯烃)的排放,能有效地控制光化学烟雾的形成和发展。

另外,光化学烟雾形成的光化学反应中,自由基反应占很重要的地位,而自由基的引发反应主要是由NO2光解而引起的,所以控
制氮氧化合物的排放也十分重要。

据统计，大气中CO污染物的75％、HC和NO污染物的50％来源于汽车的尾气排放。

随着汽车保有量的日益增多，汽车的排放污染已成为大气光化学污染的元凶，汽车排放的污染源来自车上的众多系统，如果不安装各种排放控制装置，那么将有大约20％的有害物质来自曲轴箱通风系统，60％来自排气系统，另有,20％来自供油系统的蒸发。

近年来生产的汽车中，差不多每一种污染源均有独自的排放控制技术及装置。

如电子控制装置、发动机曲轴箱的污染控制装置（PCV）、燃油蒸汽污染控制系统（ECS）、排气再循环系统（EGR）、空气喷射系统、催化式净化装置、微粒搜捕器等等。

其中利用催化剂对汽车的废气进行净化应用已经比较普遍，其基本原理是:
2NO(g)+2CO(g)=====N2(g)+2CO2(g)
2CO(g)+O2(g)=====2CO2(g)
从而使汽车尾气无害化。

欧共体规定，所属各国从1993年开始销售的装有汽油发动机的汽车一律要配置三元催化转换器。

该装置可净90％的有害物质。

4.2 完善车辆管理和发展公共交通
加快城市公共交通的发展和道路建设的步伐,推广环保型交通工具及尾气净化等新技术,合理分流市区交通压力并强化机动车排气污染控制工作, 从而有效减轻市中心机动车排气污染，建立和完善机动车管理体系,都是控制城市光化学污染的，改善空气质量的当务之急。

4.3 利用清洁能源
如使用氢作为发动机燃料,利用氢氧燃料电池供电来驱动运输工具(电动车),利用电磁感应的方法推动火车(超导悬浮列车)等。

核能的安全使用，风能、太阳能的开发利用。

利用清洁能源,开发无污染运输是今后的导向。

4.4 树立生态设计观念
将城市气候与城市规划及建筑设计相结合, 按主导风向规划建筑物的配置, 充分利用太阳能等气候条件, 注重自然通风和自然采光与遮阳,使用环保建筑材料,减少人均生态足迹, 提高能源和资源利用效率, 建立合理的生态建筑布局体系发挥靠山面水的优越条件, 重视绿地系统和水面的规划及生态廊道建设, 市区除了增加绿地面积和优化绿地结构, 利用多层次绿化调节气温、过滤粉尘、吸收有害气体外, 还应保护河涌湿地,适当扩大水域面积, 形成城市园林绿地和水网相结合的绿心加楔形嵌入式生态绿地系统以增强自然抗灾屏障和生态系统的调节功能。