上海市空气污染排放清单及大气中高浓度细颗粒物的形成机制

【摘要】： 上海是中国经济活动总量最大、工业门类最全、能源消耗强度最大、污染物排放密度最高的城市。近年来,随着产业结构和工业布局的调整、清洁能源替代及工业区环境综合整治等系列污染控制措施的实施,上海市环境空气质量总体上得到了改善。2008年上海市环境空气中PM_(10)的年日均浓度为0.084毫克/立方米,比2004年下降了15%;SO_2年日均浓度同比下降了5.6%;NO_2下降了9.7%。但是,与国际大都市相比,上海环境空气质量仍处于较高污染的水平。以PM_(10)为主的大气污染指标是发达国家城市的2—5倍,特别是细颗粒物PM_(2.5)的年平均浓度高达0.050—0.059mg/m~3,超过国际卫生组织年平均值标准0.015 mg/m~3的3—4倍。以PM_(2.5)为代表的细颗粒物已成为制约上海市环境空气质量改善的关键问题。 本博士论文,以上海市环境空气中PM_(10)和PM_(2.5)的污染因子为研究对象,以大气污染物排放清单的建立和分担率研究为核心,结合现场监测、实验室分析、统计分析和数值模型,开展了上海市细颗粒气溶胶污染的时空分布、化学组成、形成机制和来源研究。本研究通过对污染源的全面识别和梳理,结合全国污染源普查及重点国控企业大气污染物排放核查的创新工作方法,应用及修订多种污染物排放定量技术方法和手段,探索了石化行业VOCs无组织排放的定量难题,建立了以气溶胶污染为控制目标,以常规大气污染物(PM、PM_(10)、PM_(2.5)、SO_2、NOx、CO、VOCs和NH_3)为目标污染物的2006年上海市大气污染物排放清单及改进的2007年点源大气污染物排放清单。该清单空间精度为1×1km~2网格精度、高度1km,涉及33种工业行业点源(12896家工业企业)、20种民用与工业面源以及机动车、船舶、飞机和火车在内的流动污染源。 2006年排放清单研究显示,上海市各类污染源向环境空气中排放的总量分别为:PM—58.2万吨、PM_(10)—27.9万吨、PM_(2.5)—11.1万吨、SO_2—56.4万吨、NOx—46.4万吨、CO—141.7万吨、VOC—57.4万吨和NH_3—1.4万吨,是全世界污染物排放量最多的城市。面源是PM、PM_(10)、PM_(2.5)、VOC和NH_3的首要来源;点源是SO_2和NOx的第一来源;流动源是CO的第一来源,分担率为46%。其中,道路扬尘是上海市一次颗粒物(PM、PM_(10)和PM_(2.5))的首要来源,对全市总量的分担率为54%、45%和26%。造成上海环境空气中气溶胶二次组分的主要污染物SO_2的主要来源是电站锅炉和工业分散燃料,其分担率分别为57%和12%;主要污染物NOx的主要排放来源是电站锅炉和机动车,分别为全市总量的36%和18%;有机气溶胶的来源即污染物VOC的主要排放源是涂料、生产工艺储罐和机动车,其分担率分别为28%、23%和16%。NH_3的排放主要来自畜禽养殖和点源生产工艺,分别占全市总量的66.7%和19.7%。 本研究还应用MODELS3/CMAQ数值模型对上海冬季污染的来源开展了情景模拟分析,测试了电厂、非电工业源、流动源和面源等主要污染源类别对上海市细颗粒污染的贡献和影响。2008年冬季数值模型模拟结果显示,上海市气溶胶PM_(10)、PM_(2.5)的浓度受面源排放的影响较其它排放源更大,浓度贡献率为68.3%;其次是流动源和非电站点源排放。电站点源是造成SO_2连续多天较高浓度的最主要排放源,浓度贡献率为32.1%;其次是流动源和非电站点源,周边外来源的影响占15.3%。造成NO_2高浓度的最主要排放源则是流动源,其次是电站点源和非电站点源。 本研究利用2004-2008期间上海市环境空气中PM_(10)及PM_(2.5)自动监控网络和气溶胶滤膜现场监测,深入分析了所采集的35万余个监测数据。结果表明,上海细颗粒污染呈现冬春季节高(1、3、4、11和12月)、夏秋季节(7、8和9月)较低,日变化双峰(6:00—8:00、18:00—19:00)双谷,以及东部沿海区域低、西北部污染浓度高的时空间分布特点。PM_(2.5)/PM_(10)常年平均值在0.5以上,不同污染类别下,气态污染物与颗粒物的污染呈现出显著差异。重霾污染日,SO_2/PM_(10)(0.38)和NO_2/PM_(10)(0.24)明显低于优良日(0.51和0.62),而PM_(2.5)/PM_(10)比值显著升高达到61%。PM_(2.5)中水可溶性组分占到59%,硫的转化率(SOR)和氮的转化率(NOR)分别达到0.67和0.61,表明一次SO_2和NOx转化成的硫酸盐、硝酸盐以及铵盐是形成上海PM_(2.5)高浓度的主要因素。在受沙尘输送影响下的高污染日,上海市环境空气中SO_2/PM_(10)、NO_2/PM_(10)、PM_(2.5)/PM_(10)进一步降至0.066、0.073和15.5%。SO_2/PM_(10)、NO_2/PM_(10)和PM_(2.5)/PM_(10)比值可作为判断沙尘日、非沙尘日和霾污染日的重要指标。 本研究成果揭示了上海市细颗粒气溶胶的污染特性及变化规律,阐明了沙尘长距离输送影响条件下,上海市气溶胶尤其是典型重霾污染的特性、来源、形成机制及其对大气空气质量的影响。 本研究已经在国际SCI杂志和中国核心期刊、书籍上发表了9篇论文,其中第一作者4篇;还有1篇已投到国际SCI杂志,1篇拟投国际SCI杂志,均为第一作者。本研究主要成果已获得2008年度“上海市科学技术进步奖”二等奖。