1、我国大气环境 PM2.5 的来源、分布、危害现状分析摘要：本文通过对我国大气细颗粒物PM2.5的时间、空间分布特征以及来源解析的相关研究进行总结，得出PM2.5随时间、空间及气象条件变化的规律。列举了我国部分大城市的PM2.5的监测数据，通过对我国整体PM2.5的分析，指出各主要污染源所占的比重及存在的问题，为空气环境的治理提供参考。关键词：PM2.5 大气污染物 污染源 分布特征 比重 变化规律 存在问题 0 前言引起大气环境质量下降的首要污染物是可吸入颗粒物（空气动力学当量直径为0.110m） ，是对人体健康危害最大的颗粒物质，其中粒径在2.5m以下的细颗粒物即PM2.5尤甚，它不仅能够通
2、过消光作用降低大气能见度，而且由于其在大气中的传输距离远、停留时间长，对大气质量有重要的影响。此外，由于他们具有较大的比表面积，故容易吸附有害元素及化合物，且粒径越小，越容易随呼吸通过鼻纤毛进入血液或沉积在肺部，使人罹患呼吸系统疾病或心脑血管疾病，甚至导致早逝。因此，PM2.5逐渐成为城市大气环境质量评价和研究的重点内容。研究我国PM2.5的分布特征、化学组成、来源等性质，对于尽快开展PM2.5源头控制研究以及应对区域PM2.5复合型污染具有重要意义。1 什么是 PM2.5 颗粒图1&2 PM2.5颗粒的示意图 PM2.5颗粒在空气动力学中是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入
3、肺颗粒物，其直径还不到人的头发丝粗细的1/20。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，富含有大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。专家们表示：按照世界卫生组织的评价标准，如果将PM2.5纳入国家环境质量监控体系，全国空气质量达标的城市会从现在的80%下降到20%。1.1 PM2.5、PM10 和 PM100 的区别PM，英文全称为particulate matter(颗粒物） 。科学家用PM2.5表示每立方米空气中这种颗粒的含量，这个值越高，就代表空气污染越严重。 在城市空气质量日报或周报中的可吸入颗粒物和总悬浮颗粒物是人们较为熟悉
4、的两种大气污染物。 可吸入颗粒物又称为PM10，指直径大于2.5微米、等于或小于10微米，可以进入人的呼吸系统的颗粒物；总悬浮颗粒物也称为PM100，即直径小于或等于100微米的颗粒物。图3 环境大气颗粒物粒径分布图2.PM2.5 的危害2.1 人体的健康危害气象专家和医学专家认为，由细颗粒物造成的灰霾天气对人体健康的危害甚至要比沙尘暴更大。图4 PM2.5的健康危害图2.1.1 呼吸道的危害粒径10微米以上的颗粒物，会被挡在人的鼻子外面；粒径在2.5微米至10微米之间的颗粒物，能够进入上呼吸道，但部分可通过痰液等排出体外，另外也会被鼻腔内部的绒毛阻挡，对人体健康危害相对较小；而粒径在2.5微
5、米以下的细颗粒物，直径相当于人类头发的1/10大小，不易被阻挡。被吸入人体后会直接进入支气管，干扰肺部的气体交换，引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病。 2.1.2 溶于血液的危害每个人每天平均要吸入约1万升的空气，进入肺泡的微尘可迅速被吸收、不经过肝脏解毒直接进入血液循环分布到全身；其次，会损害血红蛋白输送氧的能力，丧失血液。对贫血和血液循环障碍的病人来说，可能产生严重后果。例如可以加重呼吸系统疾病，甚至引起充血性心力衰竭和冠状动脉等心脏疾病。总之这些颗粒还可以通过支气管和肺泡进入血液，其中的有害气体、重金属等溶解在血液中，对人体健康的伤害更大。人体的生理结构决定了对PM2.5没有任
6、何过滤、阻拦能力，而PM2.5对人类健康的危害却随着医学技术的进步，逐步暴露出其恐怖的一面。2.1.3 寿命的危害在欧盟国家中，PM2.5导致人们的平均寿命减少8.6个月。而PM2.5还可成为病毒和细菌的载体，为呼吸道传染病的传播推波助澜。目前国际上主要发达国家以及亚洲的日本、泰国、印度等均将PM2.5列入空气质量标准。而最为悲催的是，PM2.5尚未被列入我国环境空气质量指标，因此这就成了美国大使馆数据和政府官方数据直接冲突的根本原因。 中国工程院院士、中国环境监测总站原总工程师魏复盛研究结果还表明，PM2.5和PM10浓度越高，儿童及其双亲呼吸系统病症的发生率也越高，而PM2.5的影响尤为显
7、著。图5 PM2.5对人体的具体危害2.2 试验论证整体环境科学 （Science of Total Environment）上增刊登过北京大学医学部公共卫生学院教授潘小川及其同事一项新发现：2004年至2006年期间，当北京大学校园观测点的PM2.5日均浓度增加时，在约4公里以外的北京大学第三医院，心血管病急诊患者数量也有所增加。虽然PM10和PM2.5都是心血管病发病的危险因素，但PM2.5的影响显然更大。 世界卫生组织在2005年版空气质量准则中也指出：当PM2.5年均浓度达到每立方米35微克时，人的死亡风险比每立方米10微克的情形约增加15%。一份来自联合国环境规划署的报告称，PM2.
8、5每立方米的浓度上升20毫克，中国和印度每年会有约34万人死亡。3 PM25 质量浓度的分布特征随着我国工业化进程的加快，许多地区的大气环境质量受到影响，大气气溶胶中PM25超标情况严重。这和中国以煤炭为主的能源结构有较大关系，煤炭的燃烧不仅能直接排放大量的一次细颗粒物，而且燃烧产物SO 等前体气态污染物能够通过光化学反应生成二次细颗粒物排放到大气中。为探究我国大气细颗粒物随时间、空间变化的分布特征，将我国不同地区、不同时间的PM25质量浓度监测值进行汇总，如表1所示。表1 我国部分典型地区PM2.5质量浓度检测值汇总表mgm(-3)城市 采样地点 监测时间 PM2.5 我国标准北京 市区 1
9、990 0.077北京 车公庄 2001 0.1160.129清华园 2001 0.0970.102北京 环测站 2003 0.100上海 市区2001 2001 0.065南京 城市功能区 2001 0.196 0.035（年平均）南宁 城市功能区 2002 0.229 0.075（24h平均）广州 公交站 2009 0.1730.344珠海西区 城市 2011 0.104农村 2011 0.078青岛 沿海地区 1998 0.076青岛 八关山 2007 0.097贵州 农村 2011 0.157由表1可以看出，我国各地PM25质量浓度分布呈现出时间和空间上的差异，但其质量浓度值普遍超出我
10、国2012年2月颁布的国家标准。例如，北京、上海两直辖市由于发展建设速度快、工业相对发达、汽车保有量大等原因，PM25浓度超标严重。此外，PM25质量浓度较高的地区还包括工业发达如南京、南宁等地的城市功能区，秸秆等生物质燃烧较为严重的贵州农村地区以及机动车尾气排放严重的广州市公交站等监测点。相比之下，青岛、珠海等沿海地区PM25质量浓度较低，这可能和这些地区海陆风的转换等气象条件有利于污染物的稀释扩散以及工业污染源相对较少有关。由于功能区、污染物来源、气象条件等的不同，PM25的质量浓度分布存在着时间、空间上的相应差异。3.1 PM25 质量浓度随时间变化的分布特征大量研究表明，同一地区PM2
11、5的质量浓度分布存在明显的季节变化规律。采暖期普遍高于非采暖期，这主要是由于煤的燃烧产生的一次、二次颗粒物是此时期大气中颗粒物的主要来源 。例如南宁、上海等地的PM25的质量浓度冬、春季明显大于夏、秋季，又如台湾的彰化地区冬季PM25的质量浓度高于65 gm 3，而夏季PM25的质量浓度则低于40 g m3。国外PM25研究者也得到了相同的季节变化规律。 Christopher H 认为产生这种规律的另一个原因是季节变化能够引起空气中水的含量(即湿度)改变，寒冷的冬季有利于重金属随水分结晶，从而增大了PM25的重金属质量浓度，从而导致其质量浓度增加。32 PM25 质量浓度随空间变化的分布特征
12、区域发展常有个体差异，区域内不同的人为污染源会对PM25的质量浓度值产生不同的贡献量。此外，空间位置不同，地形、土壤、气候等自然条件就不相同，也会造成PM25质量浓度的差异。如在同段时间内，我国台湾地区东、西部的PM25质量浓度差异明显，东部明显低于西部。2010年美国国家航空航天局(NASA)公布的大气环境质量地图表明，全球PM25最高的地区在北非和我国的华北、华东、华中地区。2004-2005年每日空气质量报告表明，中国的PM25分布有如下空间特点：中国空气污染最重的是北部和西北部地区，中南和东北地区次之；最清洁的地区是南部，其次是东南部。北方城市比南方城市污染严重，正是由于北方有较高质量
13、浓度的首要污染物 细颗粒物。在局部地区，由于地形、气候等原因，高土壤颗粒物质量浓度会影响PM25质量浓度，进而影响空气质量。33 PM25 质量浓度随气象条件变化的分布特征气象条件如光照强度、风速、降水量等都会对PM25的形成和扩散产生影响。高的光照强度有利于光化学反应的发生而促进二次粒子的生成。风速影响颗粒物的扩散，通常风速越大，空气中污染物质的稀释扩散越快。但是有些情况下由于地形的差异，风速太大也能造成颗粒物质量浓度提高，例如我国西北部由于较强的西北风引起沙尘暴造成中国北方地区颗粒物质量浓度激增。降水对空气污染物有冲刷作用。4 我国 PM25 来源解析41 基于化学组成分析的 PM25 来
14、源初步判定细颗粒物的来源不同，其上附着的物质就不同，因此可以根据化学组成初步判定其来源。PM25由于粒径较小、比表面积大，故大气环境中的元素及化合物极易吸附在其表面，主要包括如下几类：(1)有机物。主要有多环芳烃、烷烃类、有机脂肪酸等，另外还有少量的亚硝胺、杂氮环化物、醌类、酚类等。PM25上的有机物因来源不同而异。(2)金属。重金属主要为Ca、Na、Mg、Cu、Fe、Al、As、Cd、K、La、Mo、Mn、Pb、Sb和Rh等。Ying Wang 通过Cr离子分析得到北京春季PM25的主要来源是西部和西北部的扬尘，CaA1的质量比值表明北京PM25的来源不是单一污染源，工业废气和汽车尾气是主要
15、来源，而煤和生物质燃烧是第二来源。(3)无机离子。主要为硫酸根、氯离子等阴离子以及无机阳离子，如除重金属离子外的氨根离子。(4)微量无机非金属元素。如Se、Cl、Br、As等。杨复沫等发现北京冬季PM25的微量元素富集因子在春季最低，反映出受到沙尘暴天气的频繁影响。Se、Br的质量浓度是北京A层土壤中相应元素含量的1 0008 000倍，说明他们主要来自人为污染。其中Se的富集因子最高，说明北京市细颗粒物离子来自于燃煤污染。4.2 基于化学一统计学的 PM25 源解析基于化学一统计学方法，通过对PM25上附着的全部化学成分进行定量测定来解析其来源是目前PM25研究的热点方向之一。PM25的源解
16、析能够帮助找到其污染源及对应的贡献率，从而有的放矢地为城市的污染控制提供可靠的依据。朱先磊等采用化学质量平衡法(CMB)对2000-2001年间北京PM25进行源解析，结果显示PM25的各个主要来源依次为：燃煤、土壤扬尘、机动车尾气、建筑扬尘、生物质燃烧、二次硫酸盐及有机物等；徐敬等采用PMF法分析了2003-2004年北京地区的PM25的化学组成，也得出了相似的源解析结论；将上述结论和1989-1990年间PM25源解析结果进行纵向对比，发现10年间的二次硫酸盐、硝酸盐以及扬尘的贡献率略有增加，燃煤以及机动车尾气的排放贡献增加较为明显。将我国部分典型城市PM25的源解析结果汇总，如表2所示。
17、表2 典型城市PM2.5源解析结果一览表城市 年份 燃煤 机动车尾气扬尘 二次粒子生物质燃烧有机物 海盐离子北京 1990 32.7 35.7 24.1 7.7 - - -2000 16.4 15.5 18.1 9.6 4.5 15.0 3.3厦门 2005 40.5 30.2 11.7 - - - 1.4宁波 2010 14.4 15.2 30.88 26.71 - 8.85 -济南 2010 20.9 27.1 32.8 - - - -长沙 2010 18.0 22.7 38.2 - - - -根据表2，各地的源解析结果显示我国PM25主要来源有燃煤、机动车尾气、扬尘(包括土壤扬尘和建筑扬
18、尘)、二次粒子、生物质燃烧、有机物、海盐粒子等，且各源的贡献率因所在功能区不同而异。各城市PM25来源呈现出因个体发展状况不同而产生差异。例如，近几年来济南城市建设速度加快，城市扬尘成为PM25主要来源。宁波的源解析结果显示二次粒子的比重较大，这可能与其石化企业生产过程中排放了大量的光化学反应前体污染物，如二氧化硫、氮氧化物等，进而生成二次粒子有较大关系。而北京市机动车保有量很高(据统计，2010年底北京市机动车数量达到了4809万辆，在全国31个省市自治区中排名第一)，导致北京城市机动车尾气为PM25的主要来源。此外，纵观北京市1990-2000年源解析数据的变化，主要的几大来源分别是煤的燃
19、烧、交通尾气、扬尘以及二次气溶胶，其中各个来源的贡献率随着时间的不同呈现出了一定的变化趋势。2000年燃煤对PM25的贡献率由10年前的327降至164 ，降幅接近50 ，这一结果与北京市加大治理燃煤污染源的力度密不可分。贡献率同样呈现下降趋势的还有交通尾气污染源，可见机动车尾气限排也对PM25的削减起到了一定的效果。4.3 PM2.5 主要来源具体分析根据现有的研究表明，可以估算出我国PM25污染主要来自于燃煤、交通、建筑等方面(见表3)。表3 我国PM2.5污染物的主要来源污染源 百分比（%）燃煤以及次生硫化物和氮氧化物 45交通运输 20工业和建筑业 20其他方面 15同时根据绿色和平组
20、织提供的数据， 我们可以更清楚的得到我国PM25的行业来源分解(见表4 )。4.3.1 燃煤污染源方面PM25的数值之所以会急剧增加，主要是由于冬天北方城市进行燃煤供暖。据计算，北京一年要消耗掉2300万t标准煤，天津则是7000万t，而河北更是多达27亿吨标准煤【l0】 。虽然我国目前火电行业的脱硫设备的安装率已经达到了87，但很多火电厂为了节约运行成本实际上并不将这些设备投入运行。表4 我国PM2.5的行业来源分解行业 百分比（%）火电厂燃煤 17工业燃煤 19其他工业污染 17机动车燃油 16城镇居民生活和商业燃煤 4城镇居民生活和商业其他燃料燃烧 16农村燃煤 8农村生物质能 1农村其
21、他燃料燃烧 2我国环保部曾公布，我国实际上火电厂将脱硫设备投入运行的数量大约占总脱硫设备数量的95，但仍有很多专家估计实际上这个数字可能会更低一些。在目前全部安装的脱硫设备中，国家所测算的综合脱硫效率为73 左右。基于以上的数据，也就是说只有不到65的火电的硫排放得到了控制。这也是为什么我国每吨煤耗排放的SO依旧高达00063 t，仅相当于1994年德国的水平。不过环保部门也表示2013年全年，我国新增脱硝机组装机容量将超过15亿kW。根据2013年10月26日光明日报的报道，2013年上半年全国化学需氧量排放总量11993万t， 同比下降了237；氨氮排放总量1259万t，同比下降了21 5
22、；二氧化硫排放总量10569万t， 同比下降了248 ； 氮氧化物排放总量11675万t， 同比下降了302。这4项污染物的减排有望全面实现年度目标。4.3.2 交通污染源方面目前，汽车尾气的排放无疑是PM25的重要组成部分。我们可以通过分析粒子中硝酸根离子成分的多少，来分析出该地区汽车尾气占该地区PM25组成成分的比重大小。虽然我国正极力地发展公共交通事业，希望通过发展地铁和铁路交通来缓解PM25给城市所带来的环境压力。但如果结合我国实际对交通发展的节奏来看，我国现有的公共交通事业的发展是完全跟不上需求的。因为据相关估计，目前我国铁路和地铁的发展目标和趋势表明，在未来的8年内铁路和地铁的运输
23、量的年平均增长幅度不超过4。这已经远远低于了全国交通总运输量的年平均增长幅度的预期， 即61 。如果继续以这个速度发展地铁和铁路交通的话，那么则必须通过增加乘用车数量的方式来实现对总运输量的增加，换句话说就是必须以8 的年平均增长率来发展乘用车的数量。那么到2030年乘用车的总数量将可能达到36亿辆。届时，汽车尾气将有可能对空气带来更严重的污染。如果继续保持现有规划的增速，那么在未来的lO年一20年内，我国将可能再增加大约50 的煤炭消费量，而乘用车的数量也可能会增加300。如果这段时间单位煤耗和单位汽车的排放量不变，那么届时我国的空气质量将有可能进一步恶化8O。4.3.3 工业和建筑业污染源
24、方面值得我们关注的是如果单独将北京的空气污染物数据与一般TSP的解析结果相比较的话，则会发现这些细颗粒物的来源中几乎不含有建筑扬尘，这是因为建筑扬尘主要存在于较大的颗粒物当中，也就是说北京的PM25污染物在这部分的主要来源是工业方面。但就全国而言，根据表4我们可以推断出，主要是由工业燃煤与其他工业污染共同构成了这部分的PM25污染物。因此，脱硫、脱硝设备和净化技术的升级对于我国的PM25的治理是至关重要的。据统计，截止至2010年年底，我国烟气脱硝机组容量已经达到了80675 MW，其中，采用SCR脱硝机组数为159台， 装机容量为74936MW；SNCR脱硝机组数为19台，装机容量为5339
25、MW；SNCRSCR脱硝机组数为2台，装机容量为400 MWt。可见，目前我国已经投入了大量的脱硫、脱硝设备的安装，但正如上文所说，PM25一直得不到有效的控制，其原因大部分是实际中投入运行的机组数量有限。4.3.4 其他污染源方面其他污染源方面主要包括了化肥、农药、抽烟、油漆、烹饪、森林、海洋等方面。而餐饮油烟与烟花爆竹则往往是大家不被重视的空气污染源。根据干跃思的研究，北京2013年1月出现了长时间的灰霾天气， 而在此期问里餐饮油烟对PM25的贡献比重占到了13，这一比重几乎与北京地面扬尘和工业排放相等。并且，北京市餐饮业的污染物排放量近年以来还呈现出快速上升的趋势。而在青岛，刘咸德等人对
26、其PM25的来源进行了定性研究，确定其主要污染源为海洋源、十壤扬尘、硫酸盐等，而机动车尾气的贡献比重则相对较小。此外，我国的生物质资源也十分丰富。我国每年会产生超过6亿t的农作物秸秆，其中，有315 的秸秆用作农村地区的炊事能源，有25的秸秆则在农田里就地焚烧。而生物质在其燃烧的过程中会产生大量的细颗粒物，不仅会影响当地乃至周围地区的空气质黾，还会大大降低该区域的大气能见度，并且更会对当地居民的健康带来损害。5 展望源头控制对于防治PM25污染尤为重要。我国PM25的研究工作起步较晚，研究的系统性和深度比发达国家尚有较大差距。应在全面认识PM25的污染特性及分布特征等的基础上，善用源解析的技术
27、和手段，准确找出PM25的污染源头，从而有的放矢地提出PM25的源头削减措施，高效应对PM25区域复合型污染。参考文献1邵龙义，时宗波，黄勤，等都市大气环境中可吸人颗粒物的研究J环境保护，2000，(1)：24262杨复沫，马永亮，贺克斌细微大气颗粒物PM25及其研究概况J世界环境，2000，(4)，32343于建华，虞统，魏强，等北京地区PM10和PM25质量浓度的变化特征J环境科学研究，2004，(1)：45474张军营，魏凤，赵永椿，等PM25和PM10排放的一维炉煤燃烧实验研究J工程热物理学报，2005，26(6)：2572605尹振东气象条件对可吸入颗粒物浓度的影响J环境科学与管理，2005，30(3)：4647.6徐敬，丁国安，颜鹏，等北京地区PM25的成分特征及来源分析J应用气象学报，2007，18(5)，645654.
