城市大氣細顆粒物PM2.5監測及控制的方法研究進展

宋海嘯，玉 亮，翟付順，于守超

(聊城大學 農學院，山東 聊城 252059)

1 引言

近些年來，我國工業化與城市化進程不斷加快，在社會經濟發展的同時，諸多環境問題也隨之而來，其中最令人關注和擔心的就是京津冀等東部地區大范圍的霧霾天氣[1]。究其原因，主要是由于化石燃料 (煤、汽油、柴油) 和生物質 (秸桿、木柴) 等的燃燒、道路和建筑施工揚塵，使得空氣中的顆粒物含量急劇增多，造成大氣污濁、大氣能見度下降、霧霾出現的頻率和濃度持續增長以及對人類的危害愈發嚴重等問題[2～4]。大氣顆粒物成為城市大氣中的主要污染物，大氣氣溶膠是大氣與懸浮在其中的固體和液體微粒共同組成的多相體系，其粒徑、形狀、濃度、化學成分都隨著時間和空間的變化而有所差異。根據其粒徑的大小可分為TSP(總懸浮顆粒物)、PM10、PM2.5。PM2.5是指空氣動力學直徑在2.5μm以下的大氣顆粒物，又稱細顆粒物。PM2.5的來源分為天然源、人為源和混合源。其中人為源是城市PM2.5的主要來源，人為源又分為直接排放和間接排放。直接排放主要來自化石燃料(煤、汽油、柴油)的燃燒、生物質(秸稈、木柴)的燃燒、垃圾的焚燒和汽車尾氣的排放。間接排放是由于二氧化硫、氮氧化物和揮發性有機物在大氣中轉化產生的二次顆粒物引起的[5，6]。

PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但由于無機硝酸、硫酸鹽、有機化合物、元素碳以及粉塵等物質都富集在細顆粒物上，且與較粗顆粒物相比，細顆粒物粒徑更小。在大氣中的存留時間更長，更易被人呼吸進入肺部甚至進入血液，因此，相對于TSP、PM10，PM2.5對人體健康的危害以及對大氣能見度影響更大[7，8]。隨著PM2.5對人體的危害越來越大，社會各界對PM2.5的高度重視，所以能為社會大眾提供一個真實可信的空氣質量數據極為重要。

2 PM2.5的監測

開展PM2.5影響研究的前提是取得精準的監測數據。但是PM2.5的監測并不容易，因為PM2.5是大氣中漂浮著的各種大小顆粒物中極其微小的部分。測定PM2.5時，需要利用空氣動力學原理把PM2.5與更大的顆粒物分開。測定PM2.5的濃度的關鍵兩個步驟，即首先把PM2.5與較大的顆粒物分離，其次測定分離出來的PM2.5的重量[9]。

2.1 PM2.5的分離

國內外分離PM2.5的方法大同小異，均由具有特殊結構的切割器及其產生的特定空氣流速達到分離效果。其基本原理是：在抽氣泵的作用下，空氣以一定的流速流過切割器，較大的顆粒因為慣性大而被涂了油的部件截留，慣性較小的細顆粒絕大部分隨著空氣流而通過[10]。

2.2 PM2.5重量測定

目前，被世界各國廣泛采用的PM2.5重量測定方法主要有3種：重量法、β射線吸收法和微量振蕩天平法[11]。

2.2.1 重量法

所謂重量法是指通過具有一定切割性的采樣器，將PM2.5直接截留在濾膜上，然后用天平稱出采樣前后的重量差和體積差得出PM2.5的濃度。濾膜并不能把所有的PM2.5都收集到，一些極其微小的顆粒也可以穿過濾膜。但只要濾膜對于0.3 μm以上的顆粒截留效率大于99%，就算合格。因為所損失的極細小顆粒物對PM2.5的重量貢獻很小，對分析結果影響不大。重量法是最直接、最可靠的方法，是驗證其他方法是否準確的標桿，張俊峰[12]、鄒凇宇等[13]在使用重量法監測PM2.5數據的研究中皆證實了此觀點。之前重量法有諸多缺點，如需要人工稱重，程序比較繁瑣而費時。因此，這種方法及儀器多應用于進行單點、某時間段內的采樣與監測[9]。但近些年來相關研究人員在手工重量法的原理上設計了自動監測儀，該儀器可以實現樣品采集、濾膜平衡、濾膜稱重等環節的自動化，并且全自動檢測儀監測PM2.5的結果和手工監測的結果具有較高的一致性，其中一些重要環節也達到了中國PM2.5手工標準測定方法的相關要求[14]。

2.2.2 β射線吸收法

將PM2.5收集到濾紙上，然后照射一束β射線，射線穿過濾紙和顆粒物時由于被散射而衰減，衰減的程度與PM2.5的重量成正比。根據射線的衰減就可以計算出PM2.5的重量。由于這種方法可實現自動、連續監測，因此多應用于大氣環境監測業務應用中。趙鑫等[15]在基于β射線吸收法之上，設計了可對PM2.5濃度值進行實時監測的儀器，研究結果顯示與稱量法相比PM2.5的測量誤差相對較大，最大時誤差可達20%，PM10的測量誤差相對較小，均在5%以下。若將儀器進行改進其精度也會提高。左健等[16]、沈友弟[17]也皆在基于β射線吸收法的PM2.5測量技術的研究中得出同樣的結果。北京的美國大使館所使用的PM2.5監測儀就是基于β射線吸收法監測的[18]。

2.2.3 微量振蕩天平法

基于微量振蕩天平法研制的采樣器由空心玻璃管、濾芯等組成。該空心玻璃管一頭粗一頭細，粗頭固定，細頭裝有濾芯。工作原理為：空氣從粗頭進，細頭出PM2.5就被截留在濾芯上。在電場的作用下，細頭以一定頻率振蕩，該頻率和細頭重量的平方根成反比，于是，根據振蕩頻率的變化算出收集到的PM2.5的重量。該方法可實現自動、連續監測。除了以上3種PM2.5重量測定方法外，還有利用光散射的原理測定顆粒物濃度的方法。但是，這種方法并沒有被各國環保部門采納為標準方法，雖然目前有依據此原理制成的專業儀器在某些科研中時有運用。該測定方法的原理是：空氣中的顆粒物濃度越高，對光的散射就越強；測定光的散射后，理論上就可以算出顆粒物濃度。但在實際運用中，由于光的散射與顆粒物濃度之間的關系是受到諸多因素的影響，例如顆粒物的化學組成、形狀、比重、粒徑分布等，而這些都取決于污染源的組成。這意味著光散射和顆粒物濃度之間的換算公式隨時隨地都可能在變，需要儀器使用者不斷地用標準方法進行校正[19]。

3 PM2.5監測站網建設

3.1 國外PM2.5監測站網概況

目前，除美國和歐盟一些國家將PM2.5納入國標并進行強制性限制外，大部分國家都還未開展對PM2.5的監測。美國現行的空氣質量監測網絡對PM2.5和PM10同時監測，PM2.5監測站點已多達1028個，PM10監測站點也已經有702個，這些站點的數量和分布位置都是根據所處地的人口數量、交通環境等來設定[20]。

3.2 國內PM2.5監測站網建設

1983年，國家環境保護總局要求在部分城市建設空氣質量連續自動監測系統。近年來，各城市環境監測站也陸續開展了PM10監測站點的建設，但細微顆粒物并未被納為國家環境保護總局考核對象[5]。據中國工程院院士郝吉明介紹，目前我國已經建成世界上最多的大氣監測站，并且全國范圍內的大氣細微顆粒物監測網也已經建成，形成了覆蓋全國的PM2.5觀測網絡和產品服務系統，但由于我國幅員遼闊，人口分布不均，所以監測站在京津冀布局的更為廣泛。

4 PM2.5產生的影響

4.1 對大氣層以及氣候產生的影響

即使大氣中細微顆粒物的含量比很小，但它卻對大氣環境造成了很大程度的破壞，空氣中存在的大小不一的顆粒物還會不同程度的影響了能見度[21]。顏芬[22]在調查研究中認為，大氣氣溶膠和氣體分子會對在傳播過程中0.4～0.7 μm的可見光造成削弱，并且大氣中細微顆粒物粒徑小于2.5 μm的粒子(PM2.5)對可見光的削弱作用遠大于粒徑大于2.5 μm的顆粒，也就是說PM2.5在是影響能見度的主導因素，PM2.5的濃度值和可見度呈負相關。在無污染的大氣環境中人類的正常可視距離為30 km左右，在被城市污染的大氣環境中人類的可視距離為5 km左右，在重度霧霾污染的大氣環境中人的可是范圍僅僅只有十幾米甚至是幾米[23]。在日常生活中，如果PM2.5的濃度值達到嚴重程度，將會大大提高大型交通事故的發生率。PM2.5也是其他大氣污染的罪魁禍首，PM2.5可以在大氣中停留很長時間，少則30 d，多則可達70 d左右，不僅停留時間長，PM2.5的流動性也很強，它可以被輸送到上千公里之外的范圍，造成大規模的大氣環境污染[24]。PM2.5阻礙可見光到達地面，使地球吸收太陽能量降低，導致氣候、溫度等受其影響，也就造成了地球表面溫度降低，地球上空溫度升高。如果這一現象一直持續惡化，那么地球將會面臨極其恐怖的冰河期[9]。

4.2 對人類健康產生的影響

畢曉萍[25]從氣象和醫學角度分析得出，大氣中直徑大于10 μm的顆粒物會被人類的呼吸道組織阻隔在人體外面，對人沒有危害。顆粒物直徑在2.5～10 μm范圍之內的，可以進入人類的上呼吸道，但是絕大多數被人通過唾液等被排出體外，對人體傷害不大。但是，直徑小于2.5 mm的顆粒物被吸入人體后，能夠到達支氣管，使得肺部氣體交換系統紊亂，直接導致人類患上哮喘、支氣管炎以及結膜炎等疾病。直徑小于2.5 μm的顆粒吸附著無機硝酸、硫酸鹽等有害物質以及鉛、鉻、鎘等重金屬，它們會通過支氣管和肺泡進入血液，這些有害物質會溶于血液之中對人體造成極大的傷害。張凡等[26]通過研究發現PM2.5可導致人體肺功能和呼吸功能下降、呼吸系統感染、免疫能力下降，促使過敏性結膜炎惡化、心臟病發病率升高，甚至會導致不良妊娠、早產以及嬰兒出生體重過輕并且還會毒害生殖系統等。哈佛大學曾對8000名成年人進行了長達16年的顆粒物與疾病的關系研究，結果表明PM2.5出現的頻率和濃度與死亡率呈正相關關系[21]。

5 PM2.5污染控制方法

從20世紀40年代開始，以美國、英國、歐盟等工業化發達的國家為代表，首先開展了對空氣污染的治理，但由于各國的大氣污染源、大氣細微顆粒物的成分及污染程度等方面的不同，各國采取控制大氣污染的方法也不盡相同。

5.1 美國

從20世紀90年代開始，美國連續頒布和實施一系列法律法規和實施嚴格地污染控制措施，諸如《清潔空氣能見度條例》、《清潔空氣州際條例》等[27]。并且積極提高先進的科技水平來控制顆粒物的排放，如柴油機改造、改用新型壁爐等使得大氣顆粒物的排放量、煤煙型污染和酸雨基本得到了控制[28]。

5.2 歐盟

歐盟各成員國根據歐盟的大氣環境標準并結合本國現實情況制訂了符合各自國情的法律法規。總結歐盟各成員國對一次顆粒物采取的減排方法措施主要是：改用新型燃料能源(傳統的煤發電改為氣發電)、大氣污染治理措施升級(提高工業污染防治設備的性能)。經過長期的發展，歐盟對大氣污染的控制技術逐漸成熟，其取得了顯著的成效。從20世紀90年代到21世紀初期，經過各成員國長達20年的共同努力，歐洲經濟區PM10的總排放量下降了27%。自20世紀末期以來，城市環境中SO2、NOX、NHX以及揮發性有機物等氣態前體物轉化產生的大氣細微顆粒物其危害和數量超過了生產生活中的直接排放的細微顆粒物，因此從1999年開始，歐盟開始把注意力放在了臭氧和大氣細微顆粒物的二次污染，各成員國開始采取綜合治理手段，如低硫燃料替代高硫燃料、機動車減排、開發新能源汽車、政府大力推行智能交通系統等[28～30]。

5.3 中國

我國對大氣顆粒物的研究起步較晚，但由于工業化和城市化的迅速發展，我國城市空氣污染愈發嚴重和普遍，大氣污染給人們帶來的危害也越來越大，我國有關研究人員便開始了積極的調查研究，也相繼出臺了一系列相關的法律法規。但在我國經常會出現這樣尷尬的一面：我國官方發布的空氣質量優良，但公布的結果和個人的主觀感受大相徑庭，而且美國大使館發布的環境質量卻差的爆表。之所以會出現這一現象，是因為我國日常環境空氣檢測系統沒有把大氣細微顆粒物作為監測對象[30，31]。我國于1982年首次發布了《大氣環境質量標準》(GB 3095-82)，之后相繼進行了三次修訂，但是細微顆粒物均沒被納入環境空氣污染物一般項目，2008年環境保護部下達了修訂《環境空氣質量標準》(GB 3095-1996)項目計劃，此次修訂將細微顆粒物納入環境空氣污染物一般項目[32]。“十二五”規劃中將脫硫脫硝作為環保重點，并且2012年國務院同意發布新修訂的《環境空氣質量標準》[33]。目前，從能源利用結構來看，我國煤炭在能源結構中占3/4的比重，而且傳統的煙煤型污染大氣污染特征正在悄然發生轉變，現在正在向復合型污染轉變，這也就是說顆粒物污染帶來的危害將會更大 ，對其管控也將會更加棘手。據研究調查顯示，1996年我國機動車保有量為800多萬輛，截至2017年年底，我國機動車保有量已達3.1億輛。隨著我國機動車數量猛速增長，汽車尾氣排放的顆粒物已然成為從城市大氣污染的罪魁禍首[34]。顆粒物的來源和化學成分過于復雜，由氧化硫和氧化氮等形成的二次顆粒物成為了最主要污染物，所以政府應該統籌兼顧，形成多污染物、多污染源協同控制的觀念，加大對煤資源使用的監管力度，從源頭抓起，嚴格管控住煤污染的排放源(淘汰燃煤鍋爐等)，提高設備性能。在針對汽車尾氣排放方面的主要措施有：①提高汽油和柴油品質，②加強對企業的監管，嚴禁生產銷售未達到國家排放標準的車輛,③開發清潔能源代替傳統燃料[5,35]。

6 結語

之前我國對PM2.5的監測不夠廣泛，不夠連續，得到的結果具有局域性，數據的系統性較差，有限的數據不能夠真實有效的反映我國顆粒物污染的整體現狀。隨著PM2.5的危害越來越大，范圍越來越廣，政府和人民也對PM2.5的監測更加重視，“十二五”規劃以來，我國大氣環境監測單項技術成績突出，并且全國范圍的PM2.5監測網絡已建成，但由于地域和人口分布等因素，監測站點在東部沿海地區分布更為廣泛。隨著我國汽車保有量的快速增漲，汽車尾氣對人的健康威脅越來越大，我國應當借鑒國際上其他國家室內PM2.5的控制標準，結合我國國情盡快制定符合我國目前情況的室內PM2.5的控制標準。同時政府應當加大力度開發和推廣新型清潔能源，使用電汽車代替燃油汽車，加大環保宣傳力度。在城市建設中建設用地和綠化用地應保持平衡，遵循見縫插綠的理念，利用植物的降塵、滯塵等作用消減PM2.5對人體的危害。