太原市臭氧污染防控研究思路分析

司雷霆， 王 浩， 李 洋

(1.山西科城環保產業協同創新研究院，山西 太原 030031；2.山西麗浦環境檢測有限公司，山西 太原 030032)

1 概述

環境空氣中的臭氧(近地面臭氧)在大氣化學反應過程中起著重要的作用，過量臭氧會對環境造成危害，影響動、植物的生長和人體健康[1]。近年來，隨著經濟全球化和市場經濟的快速發展，我國城市化和工業化進程明顯加快，臭氧污染事件在城市中頻發。在大氣污染的嚴峻形勢下，國家出臺了一系列相關政策，各省市也不斷推進臭氧污染防治，雖取得了一定效果，但在大部分城市中，臭氧污染問題仍然較為突出。

生態環境部公布的相關數據顯示，2016年，全國338個地級及以上城市中，PM2.5平均質量濃度為47 μg/m3，比2015年下降6.0%，臭氧日最大8 h平均質量濃度為138 μg/m3，比2015年上升3.0%；2017年，全國338個地級及以上城市中，PM2.5平均質量濃度為43 μg/m3，同比下降8.5%，臭氧日最大8 h平均質量濃度為149 μg/m3，同比上升8.0%；2018年，全國338個地級及以上城市中，PM2.5質量濃度為39 μg/m3，同比下降9.3%，臭氧日最大8 h平均質量濃度為151 μg/m3，同比上升1.3%。整體來看，臭氧年均值呈穩定增長的趨勢，以臭氧為特征污染物的大氣光化學污染已成為我國城市區域越來越突出的大氣環境問題。

近地面臭氧主要來源于平流層臭氧的輸送和對流層的光化學反應[2]。由人類活動排放的氮氧化物(NOx)和揮發性有機物(volatile organic compounds，VOCs)經過復雜大氣化學過程所產生的二次污染是近地面臭氧的主要來源[3]。空氣中的VOCs作為臭氧生成的重要前體物，直接或間接地危害著人類健康，其光化學反應主導著光化學煙霧的進程，對城市區域環境大氣中近地面臭氧的產生有著至關重要的影響[4]。

VOCs種類繁多，化學結構迥異，大氣化學反應的能力各異，形成臭氧的活性也大相徑庭，并且不同區域由于產業結構、能源結構、經濟發展程度等差異較大，其VOCs來源和組成差異也較大。因此，研究各區域VOCs的濃度水平、組成特征、時空分布特征、排放來源、臭氧生成潛勢等特征，明確區域內生成臭氧的VOCs關鍵物種，研究區域臭氧生成潛勢，有助于精準把握城市區域內臭氧污染防治的主控方向，從而能夠提出針對性的管控措施。本文通過結合太原市臭氧污染研究現狀，分析了下一步臭氧污染防治的研究思路，旨在為進一步的研究提供一些參考。

2 現狀及存在問題

近年來，以臭氧污染為特征的光化學污染問題，成為困擾和影響太原市改善環境空氣質量、保護市民健康的重大環境問題。太原市生態環境局公布的相關數據顯示，2013年-2018年，太原市PM2.5年均濃度逐年降低的同時，臭氧濃度呈現明顯上升趨勢。2015年太原市臭氧年均值較2014年增長20.7%，較2013年增長1.5%；2017年太原市市區環境空氣中臭氧日最大8 h平均質量濃度為185 μg/m3，與2016年相比臭氧年均值上升32.14%；2018年在太原市353個非一級天數中，以臭氧為首要污染物的天數為100 d，占比達到28.3%，臭氧年均濃度相比2017年上升3.2%。從臭氧濃度變化趨勢分析，其呈現持續抬升態勢，臭氧成為繼PM2.5后的另一項主要污染物。因此，在當前“治霾”的同時，如何協同緩解太原市的臭氧污染，已經成為當前太原市大氣環境保護工作亟待解決的重點和難點之一。

盡管目前相關研究單位對太原市人為源VOCs排放清單及不同排放來源臭氧貢獻初步開展了研究，并且借助環境空氣質量在線監測網絡，初步了解了全市近地面大氣臭氧濃度水平的變化規律。但研究成果尚未對全市區域建立較為完善的源分類分級、高分辨率的精細化清單，無法給出VOCs排放的定量結果，無法有效地為VOCs控制和臭氧污染的管控提供科學指導。基于VOCs研究的臭氧污染防治領域，太原市工作基礎仍然十分薄弱，主要表現在：1) 城市尺度內環境大氣VOCs和臭氧濃度水平、時空分布特征、組分不清，VOCs與臭氧濃度的響應關系不明；2) 環境VOCs來源不清；3) 重點行業VOCs源排放成分譜不清；4) 大氣VOCs優先控制物種不清等。上述現狀，導致當前揮發性有機物治理和臭氧污染防治科學性和針對性相對不足。為了實現VOCs的科學減排和大氣環境臭氧污染的精準調控，亟需對太原市區域內VOCs的相關特征及其臭氧生成潛勢進行進一步研究，以便開展太原市基于化學反應活性控制的臭氧防控工作。

3 研究思路分析

在下一步的研究中，應重點針對薄弱環節就太原市大氣VOCs污染特征、來源、重點源成分譜及優先控制物種進一步開展研究；建立太原市VOCs人為源排放清單；篩選VOCs排放重點源，構建基于組分的VOCs人為源清單和重點源VOCs成分譜庫；結合大氣環境VOCs觀測，摸清太原市大氣VOCs濃度和化學組成的空間分布特征，開展臭氧生成潛勢(ozone formation potential，OFP)分析及基于OFP的VOCs污染源分級，識別誘發臭氧生成的VOCs關鍵物種和優先控制的重點源項及主控區域。具體思路如下：

1) 建立太原市VOCs源排放清單

對太原市VOCs人為源進行分類分級，收集排放源活動水平和選取合適的排放因子，編制高分辨率、精細化的太原市人為源VOCs排放清單，并進行清單的空間分配。

2) 研究太原市環境空氣中VOCs時空分布規律

在太原市城區合理布點，針對臭氧超標明顯的夏季進行采樣和分析，結合太原市主城區常規監測污染物(SO2、NOx、CO、O3、PM2.5、PM10)數據，深入分析大氣環境中VOCs濃度及相關組分的空間分布規律及時間變化特征，基于觀測的臭氧與VOCs之間濃度變化的響應關系，以及其在不同城區的區域變化特征。

3) 構建重點行業人為源VOCs源譜庫

結合太原市涉VOCs排放的固定源和無組織源分布、排放情況，及目前國家及山西省VOCs防控的重點行業特點(包括有機化工、表面涂裝、包裝印刷、橡膠和塑料制品制造、醫藥制造、焦化、電力等)，建立本地化重點行業人為源VOCs源成分譜庫，并結合VOCs源排放清單，建立分組分的VOCs人為源排放清單。

4) 臭氧生成潛勢分析

采用最大增量反應活性系數法(MIR系數法)，對VOCs組分排放清單及環境空氣中VOCs主要組分均進行OFP估算，并將基于源清單的OFP估算結果與基于環境空氣中VOCs觀測數據的OFP相互比較和驗證，識別控制太原市臭氧生成的關鍵VOCs物種及來源、本地重點污染源、重點區域等。

5) 提出太原市大氣臭氧污染防治策略

根據太原市社會經濟發展的狀況和環境保護要求，基于實地調查及現場監測，利用建立的VOCs源清單網絡化結果，明確重點區域(具體到區縣)及其基于OFP的優先控制污染源，結合前期環境空氣VOCs研究中分析所得的污染區域、時段及重點來源，綜合考慮太原市目前企業采取的VOCs治理技術及運用現狀、排放標準和實施情況，分區域、分行業提出差別化臭氧污染防治策略。

4 結語

本研究思路以減緩臭氧污染為主要目標，擬在在同步觀測的基礎上，掌握太原市大氣VOCs濃度水平、化學組成、空間分布特征等；通過多種途徑獲取本地污染源排放信息，提高排放估算的準確性；建立高精度、分組分的太原市VOCs排放清單，分析區域內的VOCs排放強度、排放來源和排放量的空間分布特征；建立太原市重點源VOCs成分源譜庫，結合文獻調研獲取最新源譜并進行校正，確保譜庫正確反映VOCs排放的組分特征；開展OFP研究，探討太原市形成臭氧的關鍵物種、重點污染源、主控區域，研究提出分區域、分行業差別化的臭氧污染防治策略，為太原市臭氧污染防治提供技術支撐。