大氣光化學煙霧污染、監測及防治研究

杜紅梅

（老河口市環境監測站 湖北襄陽 441800）

引言

2021 年5 月，生態環境部公布了《中國生態環境狀況公報》（2020 年）。根據《公報》公布的結果顯示，2020 年，全國337 個地級及以上城市中，有135 個城市空氣質量未達標，占40.1%。其中以臭氧為首要污染物占總超標天數的37.1%，僅次于細顆粒物（占51%）。通過大氣環境監測情況來看，以臭氧為主的光化學煙霧污染問題較為突出[1]。為此，生態環境部印發《2020 年揮發性有機物治理攻堅方案》，協調推進細顆粒物與臭氧控制，開展五輪次臭氧污染防治監督幫扶，旨在強化光化學煙霧污染監測，做好光化學污染治理。

1 光化學煙霧論述

大氣環境中的非甲烷碳氫化合物與氮氧化物等一次污染物，在陽光的強烈照射下會產生系列化學反應，從而產生過氧乙酰硝酸酯、臭氧、醛及過氧化氫等二次污染物，二次污染物具有極強的氧化性。參與光化學反應過程的一次、二次污染物的氣溶膠或氣體混合物形成的煙霧，稱之為光化學煙霧[2]。隨著經濟社會的快速發展，以及城市化進程加快，城市大氣環境污染由傳統煤煙型污染為主朝著光化學污染為主轉化，尤其是在機動車保有量龐大、石油化工區密集的特大、大、中型城市，光化學煙霧污染頻現。

1.1 光化學煙霧形成機理

從圖1 光化學煙霧的形成過程來看，紫外線中碳氫化合物與氮氧化物共存時會經歷物理、化學反應。首先是二氧化氮光解生成氧原子，產生臭氧；其次是非甲烷碳氫化合物消耗，進一步氧化成高活性自由基（HO·、RO2·）過氧化氫活性自由基[3]；再次是這些高活性自由基引起一氧化氮向二氧化氮轉化，二氧化氮的產生會加速臭氧污染物生成，經過多次反復鏈式反映，一氧化氮與碳氫化合物消失，最終生成醛類、過氧乙酰硝酸酯、臭氧等二次污染物，最終形成了危害較大的光化學煙霧。

圖1 光化學煙霧的形成過程示意圖

1.2 光化學煙霧形成條件

從光化學煙霧的形成機理可知，光化學煙霧經歷三次物理、化學反應，其形成必然受到物理、化學過程影響以及大氣環境中的污染物排放量因素影響。且光化學煙霧來自一次污染物與二次污染物的混合物。因此，大氣環境中產生光化學煙霧需要滿足三個條件：一次污染物。即大氣環境中氮氧化物、一氧化碳、非甲烷烴等化合物需要達到一定濃度值，這時，為光化學反應提供了基礎條件。氣象條件。一次污染物發生物理、化學反應，最終形成光化學煙霧，需要強烈的太陽輻射、大氣擴散條件差，以及存在相應的逆溫現象。其中，過強太陽輻射會加速光化學反應速率、較差大氣擴散條件有利于污染物累積，而逆溫現象的存在則利于臭氧產生。地理條件。光化學煙霧的形成于較為封閉的地理環境之中，在這樣地理條件下，一次、二次污染物均不易于擴散或稀釋，加劇大氣環境中臭氧污染物累積。

1.3 光化學煙霧主要危害

光化學煙霧對人體、生物及能見度等均有不同程度的負面影響。其中，光化學煙霧的人身危害，主要表現在臭氧過量吸收會誘發肺部疾病，造成肺部功能不可逆損害。此外，光化學煙霧中的過氧乙酰硝酸酯、醛類等污染物超標會刺激眼部及呼吸系統，誘發紅眼病等[4]。光化學煙霧中的臭氧污染物會削弱植物的光合作用，降低農作物光合作用，抑制植物正常生長，引發病蟲害滋生蔓延，威脅生態環境安全。光化學煙霧影響大氣能見度，造成飛機晚點、誘發交通事故現象。此外，光化學煙霧還會導致建筑材料腐蝕，機械設備老化、龜裂等。

2 光化學煙霧的污染現狀

2.1 總體污染狀況

根據湖南省2018 年-2020 年生態環境公報公布的數據作為分析依據，以全省14 個城市大氣環境中臭氧監測結果，據此分析全省光化學煙霧的污染情況。其中，（1）2018 年，14 個城市的臭氧年均濃度范圍為104～161 微克/立方米，全省均值為140 微克/立方米，比上年上升2.2%。14 個城市臭氧日最大8 小時平均濃度超過二級標準（160 微克/立方米）的累積總天數為231 天，最高超標9.7 倍（長沙市）。（2）2019 年，全省14 個城市大氣環境中，臭氧年均濃度為148 微克/立方米，較2018 年的140 微克/立方米上升了5.71%。全省14 個城市湘東北的岳陽、常德、長沙、湘潭、益陽、婁底和常德等市臭氧污染物偏高。（3）2020 年，全省14 個城市大氣環境中，臭氧年均濃度為126 微克/立方米，較2019 年下降了14.86%，下降幅度較大。臭氧污染物集中于岳陽、長沙、常德等市臭氧污染物偏高。

2.2 主要污染特點

從全省14 個市的監測結果情況來看，長沙、岳陽、常德、湘潭等地的臭氧污染物濃度偏高于全省其他城市。且從這些城市的臭氧污染物濃度監測結果的變化來看，每月臭氧百分位濃度變化中，第一季度符合二級標準，5-9 月百分位濃度持續上升，7、8 月份達到峰值，超過國家二級標準。隨后，全省臭氧百分位濃度含量逐漸降低。究其原因，岳陽、長沙、常德等地工業發展較快，與湘南、湘西山區偏多，光照強度較少有關。從日監測變化情況來看，長沙、岳陽等市大氣環境中的臭氧污染物監測值在1:00 達到峰值，此后緩慢降低。總體來看，12:00-14:30 為臭氧監測濃度最高值出現時區，3:00-7:00 為臭氧監測濃度最低值出現時區。

2.3 監測網絡布設

從2018 年-2020 年湖南省14 市大氣臭氧監測濃度值現狀及其變化特點來看，總體呈現出下降趨勢，湘東北城市大氣臭氧污染物濃度高于湘西南。總體臭氧污染物濃度呈現逐漸下降的可喜成績，但光化學污染現狀依然需要引起各方高度重視。為此，構建科學合理的光化學污染監測網絡，為光化學污染環境監測及時提供第一手數據信息，用以支持和引導全省光化學污染防治[5]。鑒于全省光化學污染呈現出較為明顯的時間和空間分布特點和規律，因此，在布設臭氧監測網點時要因地制宜，科學布設，根據城市大氣臭氧污染物監測情況，適當增減相關監測網點。具體來說，應在臭氧濃度高的區域、主城區下風向、城市上風向等場所布設監測點位。監測的時間選擇方面，應更加注重5-9月份，以及12:00-14:30 時間節點的臭氧監測頻次，及時掌握更多的第一手監測數據，為指導地區臭氧污染防治，做好光化學污染治理提供精準指導。

3 光化學污染防治措施

3.1 加強監測，因地制宜管控

據統計，當城市大氣環境中的臭氧污染物濃度達到0.08mg/L時，光化學煙霧接近于危險水平，當光化學煙霧達到0.2mg/L 時，會對人體及生物造成傷害，而當光化學煙霧中的臭氧濃度達到了1.0mg/L 時，會嚴重傷害人的肌體健康。因此，需要強化城市大氣臭氧等主要污染物的光化學煙霧實時監測，科學布設監測點位，尤其是在城市發達地區、機動車保有量較大城市以及化工企業聚集區，尤其要做好臭氧的實時監測，動態掌握，及時預警，做到因地、因時管控[6]。

3.2 源頭控制，減少污染排放

強化源頭控制，尤其是要減少氮氧化物、碳氫化合物等排放，采取切實可行的措施，抑制光化學煙霧形成條件。針對工業化、城市化發展的現狀，要從化工企業污染排放、交通工具污染排放以及取暖設施煤煙型污染排放等入手，采取區域集中供熱，合理選用化學抑制劑，減少機動車尾氣氮氧化物及碳氫化合物的排放量，從源頭降低污染物排放。

3.3 改進技術，做好污染治理

從光化學煙霧的形成機理及條件來看，改進技術是應對光化學煙霧污染的一項重要手段。以機動車尾氣排放為例，針對城市機動車保有量的持續增加，城市機動車尾氣排放出的污染物含有大量碳氫化合物和氮氧化物，這也是加劇城市臭氧污染物濃度超標的重要因素，為此，可通過在機動車上安裝尾氣凈化裝置，最大限度地減少機動車尾氣排放，此外，也需要加快汽油改良，或者推廣使用清潔能源，大力推廣天然氣燃料或者油電、純電動力機動車[7]。使用苯酚、苯胺以及苯甲醛等化學抑制劑，消除OH·自由基化學反應，使反應鏈受到抑制而難以生成煙化學霧。

結語

綜上，隨著城市發展，機動車保有量增加以及化工企業的集聚，城市光化學煙霧成為制約城市可持續發展的重要環境因素，要準確掌握光化學煙霧的形成機理、形成條件以及現實危害性，結合全省各地臭氧污染物變化及分布特征，并提出大氣光化學煙霧治理措施，制定科學監測方案，布設合理點位，做好污染源頭治理，為打贏藍天保衛戰貢獻力量。