大气细颗粒物（共8篇）
大气细颗粒物 篇1
随着人类科技的进步, 工业的飞速发展, 电力需求的增加, 汽车数量的攀升, 使大气污染问题越来越严重。虽然大气污染多数时候看不见、摸不着, 但是当各种悬浮颗粒物和有害气体达到一定浓度时, 就会降低空气的能见度。
1 PM2.5的理化性质
细颗粒物作为一种大气污染物, 与其他污染物一样, 主要来源于化石燃料燃烧的产物。其形态各不相同, 造成了生物效应也不同。类球形容易在机体内沉积, 棱角多易造成直接机械损伤, 而不规则形则更容易吸附有害成分和病原微生物[1]。无机物包括:二氧化硫 (SO2) 、二氧化碳 (CO2) 、一氧化碳 (CO) 、臭氧 (O3) 、氮氧化物 (NOX) 及重金属, 其中重金属有铜、锌、铅、镉、锰、镍等;有机物包括:甲醛、甲烷、多环芳香烃及病原微生物等[2]。这些成分中对人体健康有影响的物质绝大多数是人为来源。
2 PM2.5对人体各系统、器官的影响
空气污染对人体健康有急性和慢性的影响, 影响到许多不同的系统和器官。特别是PM2.5, 它不但自身有危害性, 还可以吸附多种有害气体和病原微生物。
2.1 对呼吸系统的影响
PM2.5通过损伤呼吸道黏膜上皮细胞, 部分沉积在肺泡内或肺间质内, 激活肺内的免疫细胞, 引起气道炎性反应, 造成呼吸系统疾病。从轻微的上呼吸道刺激、儿童的急性呼吸道感染、成人的慢性支气管炎, 到慢性肺纤维化、慢性阻塞性肺疾病, 甚至肺癌都有可能[3,4]。Sabit Cakmaka等人研究表明, PM2.5的空气浓度每增加4.5μg/m3, 使第一秒用力呼气量与用力肺活量的比值 (FEV1FVC%) 下降0.4%。因此, 还会造成呼吸道疾病恶化, 如:哮喘的发作、呼吸衰竭。
2.2 对心血管系统的影响
呼吸道的急性和慢性炎症对于急性心血管病是公认的危险因素。而PM2.5引起肺部炎症反应后, 有一部分就穿过呼吸膜进入循环系统, 影响心血管系统。一项调查研究表明, 长期吸入细颗粒物可导致心脏病, 在美国每年约有6万人因此而过早死亡。
2.3 对血液系统的影响
长期的PM2.5吸入, 使得血液中血小板数量显著上升, 缩短部分凝血活酶时间 (APTT) 及凝血酶原时间 (PT) , 更容易促使血栓形成, 最终引起缺血性疾病。
2.4 对免疫系统的影响
PM2.5被吞噬细胞吞噬后, 进入淋巴系统, 部分被清除, 部分被新的吞噬细胞吞噬。Sasha Bernatsky等人通过门诊病历分析得出, 吸入的PM2.5水平与抗-dsDNA和细胞管型呈正相关。在自身免疫性风湿病人中, 细颗粒物可能影响疾病活动, 特别是系统性红斑狼疮。
3 PM2.5的致病机制
PM2.5对机体的各个系统、器官均有不同程度损伤, 其作用机制可能是: (1) 细胞的机械损伤:对于不规则形及棱角多的细颗粒物, 对呼吸道黏膜上皮细胞、肺泡细胞、血管内皮细胞均有直接的机械损伤。 (2) 细胞DNA的氧化损伤:PM2.5对DNA的潜在损伤, 主要在于其吸附的重金属和多环芳香烃的协同作用。它破坏了DNA的双螺旋结构, 导致基因突变、DNA断裂, 使原癌基因激活、抑癌基因失活。 (3) 细胞间隙连接的抑制:PM2.5抑制细胞间隙连接通讯, 可能在癌细胞的发生、转移过程中起促进作用。 (4) 炎性因子的激活:在细胞损伤的基础上, 激活了肺和血液中的单核/巨噬细胞、NK细胞、粒细胞、肥大细胞等免疫细胞, 从而释放出大量炎性因子。 (5) 血管内皮功能障碍:高水平的活化免疫细胞和炎性因子可能导致细胞内水肿、炎性增生, 进而造成血管内皮功能障碍, 最终导致血管免疫自我平衡的失衡。 (6) 吞噬细胞的氧依赖杀伤途径的损伤:吞噬细胞在吞噬异物的同时出现氧代谢活跃, 并生成反应性氧中间产物 (ROIs) 和反应性氮中间产物 (RNIs) , 这些中间产物对吞噬的异物产生强大的杀灭作用。而PM2.5造成内皮功能障碍, 对SOD、CAT及GSH-PX均有抑制作用, 使得氧自由基堆积在肝、肾造成氧化损伤。同时, PM2.5使得肾血管内皮NOS/NO系统表达异常, 其中血清诱导型氧化氮合酶 (iNOS) 活性增加, 血清内皮型氧化氮合酶 (eNOS) 表达减少, 都使得血液中NO含量异常, 最终影响血管舒缩功能。
摘要：大气细颗粒物 (PM2.5) 作为一种新发现的大气污染成份, 可以吸附多种有害气体和病原微生物, 严重威胁着人体的健康。PM2.5的致病率、致癌率和致死率不断上升, 受到全世界各国的广泛关注。在我国空气污染问题也相当严重。现就PM2.5对人体各个系统、器官的损伤及其致病机制的研究进展做综述。
关键词：大气污染,细颗粒物 (PM2.5) ,血管损伤,器官损伤
参考文献
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大气细颗粒物 篇2
【摘 要】采集山东省城市环境空气质量状况发布的2016年2月-2016年8月年度济南市14个监测点PM2.5的监测数据，PM2.5总含量依次为：济南蓝翔技校>济南宝胜电缆>济南监测站>济南农科所>种子仓库>济南科干所>山东建筑大学>济南泉城广场>济南化工厂>济南长清区党校>山东经济学院>济南高新学校>济南开发区>济南跑马岭。PM2.5总含量较高的几个监测点位于市区，颗粒物的含量受工业和建筑业、交通运输、燃油及燃煤、居民生活的影响比较大。跑马岭监测点PM2.5总含量最低，监测点位于跑马岭地质公园内，具有良好的自然景观和丰富的人文景观，受建筑业、交通运输以及居民生活的影响较小。
【关键词】PM2.5；空气质量；监测点
1.引言
细颗粒物（PM2.5）由于其较小的粒径、巨大的比表面积等特点对人体健康，大气能见度和气候等有重要的影响。在近几年，美国和一些欧洲国家开展了大规模的PM2.5研究，内容主要涉及到 PM2.5质量浓度的时空分布、排放清单、排放特征谱、源解析以及PM2.5对人体健康影响等方面，为大气颗粒物的控制和削减提供了大量有价值的资料。
2013年通过的国家《大气颗粒物来源解析技术指南（试行）》[1]中分阶段对城市、城市群及区域源解析工作提出了要求，利用2013年环保重点城市细颗粒物浓度数据，查找大量文献，对我国细颗粒物的污染现状、水平及重点城市细颗粒物来源解析工作进行总结，为管理部门提供全面有效的信息，采取必要的应急措施以最大限度减轻PM2.5污染的不利影响。
2.研究方法与技术路线
2.1 研究方法
2.1.1 调查法：根据项目的研究内容，编制有关济南市细颗粒物PM2.5以及雾霾治理措施的社会调查表，进行问卷调查，选取济南市居民（老年人、青年人、儿童）、技术人员、环保人员、政府工作人员等发放调查表。
2.1.2 数据处理法：采集山东省城市环境空气质量状况发布的2016年2月-2016年8月期间济南市14个监测点PM2.5的监测数据，利用EXCEL、Origin软件处理数据，以图表的形式来直观表达。
2.1.3 对比法：把从山东省城市环境空气质量状况发布网上采集的监测数据和社会调查报告的调查数据对比分析。
2.2 技术路线
围绕济南市细颗粒物（PM2.5）的化学物质组成、毒性效应、城市建设、能源构成结构、污染特征几方面，对比分析山东省城市环境空气质量状况发布的2016年2月-2016年8月期间济南市14个监测点PM2.5的监测数据，从工业和建筑业、交通运输、燃油及燃煤、居民生活等多方面展开分析，对济南市细颗粒物（PM2.5）的含量进行时空分析。
3.数据采集与分析
3.1 数据采集
采集山东省城市环境空气质量状况发布的2016年2月-2016年8月年度济南市14个监测点PM2.5的监测数据，14个监测点分别为：济南泉城广场、济南开发区、济南高新学校、山东经济学院、济南市监测站、济南科干所、济南农科所、济南化工厂、济南蓝翔技校、济南宝胜电缆、济南跑马岭、山东建筑大学、济南市种子仓库、济南长清区委党校。
3.2 数据分析
从以上图表中可以看出，在2016年2月-2016年8月期间PM2.5总含量依次为：济南蓝翔技校>济南宝胜电缆>济南监测站>济南农科所>种子仓库>济南科干所>山东建筑大学>济南泉城广场>济南化工厂>济南长清区党校>山东经济学院>济南高新学校>济南开发区>济南跑马岭
PM2.5总含量较高的监测点为济南蓝翔技校、宝胜电缆、济南监测站、农科所、种子仓库、科干所，这几个监测点位于市区，颗粒物的含量受工业和建筑业、交通运输、燃油及燃煤、居民生活的影响比较大。跑马岭监测点PM2.5总含量最低，监测点位于跑马岭地质公园内，是国家AAA级风景区，同时也是国家水利风景名胜区，具有良好的自然景观和丰富的人文景观，受建筑业、交通运输以及居民生活的影响较小。
参考文献：
[1]环保部. 环发[2013]92号大气颗粒物来源解析技术指南（ 试行）[S].北京：中国环境科学出版社，2013.
[2]朱先磊，张远航，曾立民，等.北京市大气细颗粒物PM2.5的来源研究[J].环境科学研究，2005，18（5）： 1-5.
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科研项目：
济南市软科学科研项目《济南市细颗粒物（PM2.5）主要来源及雾霾综合治理对策研究》项目编号： （201502139）。
作者简介：
大气细粒子元素特征研究进展综述 篇3
大气颗粒物指的是悬浮在大气中的液态或固态粒子。大气颗粒物的粒径范围从几个纳米到100μm, 根据空气动力学直径可将其分为TSP、PM10和PM2.5 (分别指空气动力学直径不大于100μm、10μm和2.5μm的颗粒物) , 通常把空气动力学直径2.5μm作为粗、细粒子的分界[1]。本文将空气动力学直径小于2.5μm的颗粒物称为“细粒子”。
目前, 我国大气颗粒物污染的环境控制指标为PM10, 美国用PM2.5作为该国指标[2], 细粒子的环境污染在国外早已引起重视。大气颗粒物作为一种重要的空气质量标记物, 在超过大气质量标准或临界负荷时, 将对城市气候和生态系统产生重大影响, 能造成严重的污染事件[3]。同时大气颗粒物在许多地球物理和地球化学过程中起着重要作用, 它可以影响太阳辐射平衡和成云过程, 从而影响热量分布, 因此是影响气候的重要因素之一[4]。
研究颗粒物中元素的粒径分布特征, 能够进一步研究颗粒物的来源、构成以及输送等[5]。由于细粒子的粒径小, 比表面积大, 易于富集空气中的有毒物质[6], 而且污染源排放的元素特别是重金属元素, 容易在细粒子中富集, 不仅对气候和环境造成影响, 而且影响人体健康, 因而备受关注。
目前我国对细粒子中元素特征研究尚未进行系统研究, 只有部分城市在个别点位进行了短期的研究[2], 本文根据国内外的研究现状, 对细粒子中元素在大气中的组成特征、时空间变化规律、来源解析进行了论述。
2 细粒子的危害分析
2.1 对人体健康的危害
气溶胶粒子的状态、大小、组成及运动方式等均与人体健康密切相关, 对人体健康影响最大的是粒径为0.1～2.5μm之间的粒子[7]。颗粒物粒径大小是决定其毒性的主要因素, 这是因为被吸附在细颗粒物上的有害物质可以被人体有效吸收而进入血液中[8]。细粒子与肺组织细胞接触后, 吸附其上很难掉落, 通过刺激作用导致肺组织细胞尤其是肺泡巨噬细胞的损害, 沉积在肺泡的细粒子能存留数周或数年。
胡伟、魏复盛[9]研究发现, 细颗粒物中与健康反应有关的污染元素比粗颗粒物中的要多, 气喘、慢性咳嗽、慢性咳痰和支气管炎症状发生率与细、粗颗粒物中土壤元素都有比较明显的正相关关系, 细颗粒物中工业污染元素对人体呼吸健康的影响比粗颗粒大。
2.2 对能见度的影响
能见度指视力正常的人在当时的天气条件下, 能从背景 (天空或地面) 中识别出具有一定大小目标物的最大距离。大气能见度降低已经成为当今国际上比较突出的城市环境问题[10]。气溶胶粒子特别是细粒子可通过消光作用使大气能见度降低。
近年来我国的一些城市都开展了对气溶胶细粒子的研究, 建立了一些监测网络[11]。王京丽等[12]对北京2001年春夏秋冬四季细粒子的研究指出北京市大气细粒子质量浓度与风速、湿度呈正相关关系, 细粒子质量浓度与能见度的关系会随着季节变化而不同。王京丽等统计了不同季节细粒子对能见度的影响, 阎逢旗等[13]拟合得到了能见度与细粒子浓度关系的经验公式。美国是率先制定PM2.5细粒子国家环境标准的国家, 并投入巨资在全国设立了若干超级观测站 (Supersite) 进行PM2.5 的物理化学特性及与能见度的关系。细粒子对大气能见度的影响已引起国际上的广泛关注。
2.3 对气候的影响
大气中的细粒子与日益积累的温室气体一样, 对全球的气候有重要的影响, 导致全球降温[14]。它影响气候的方式主要有以下两种:一种是将太阳的辐射散射至外层空间而直接影响气候;另一种是增加云层中微滴的数量而间接影响气候。2000年, Rosenfeld提供的卫星图片证明, 气溶胶对降水还有一定的抑制作用[15], 可见大气颗粒物对气候有很大的影响。
3 细粒子元素研究进展
3.1 细粒子元素分析
对大气细粒子元素的仪器分析方法有质子激光X荧光分析法 (PIXE) [4,14]、电感耦合等离子体/质谱分析法 (ICP～MS) [2,16]、原子吸收法 (AAS) [17]、同步辐射X荧光分析法[18]、中子活化分析法 (NAA) [19]、酸提法[20]、X射线荧光光谱法[21]等。
随着科技的进步和对细粒子的广泛关注, 细粒子元素分析的种类也越来越细化。国内宋宇, 等[22]在1999年到2000年对北京市大气细粒子的研究中分析了EC、Fe、Ca、K、Mg、A1、Na、Zn、Mn、Ti、Pb、Ba和P共13种无机元素;王淑兰, 等[23]分析了2000年采暖季、非采暖季北京不同尺度大气颗粒物的22种无机元素S、Ca、Fe、Al、K、Mg、Zn、Na、Mn、Pb、Cu、P、Ba、Cr、As、Ti、Se、Co、Sn、Ni、V、Ag;2010年, 洪也, 等[24]分析了沈阳城区春节期间大气颗粒物的40种元素U、Be、Al、K、Se、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ga、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Cs、Ba、U、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、HO、Er、Tm、Yb、Lu、Hf、Ta、Tl、Th、U。
国外, Francoise, et al[25]在1984年法国阿尔卑斯山地面雪中大气重金属的研究中分析了Pb、Cd、Cu、Zn、Ag、Na、Mg、K、Ca、Fe、Al 和Mn等13种重金属元素;Rosa Cagginao, et al[26]2010年对地中海的Tito Scalo的细粒子研究实验中, 分析了Al、Ca、Cd、Cr、Cu、Fe、K、Mg、Mn、Na、Ni、Pb、Ti 和Zn等14种金属元素。
3.2 细粒子元素的粒径分布特征
大气气溶胶是由多种源及复杂的大气物理、化学过程产生的不同尺度的粒子组成的群体[23]。以空气动力学尺度研究大气颗粒物的元素分布特征, 可以掌握颗粒物的元素谱分布, 对于解析颗粒物元素的来源, 研究颗粒物对人体健康的危害, 评价城市大气环境质量, 制定环境控制对策具有重要意义。PM2.5的标准的提出, 主要是为了更有效地监测随着工业化日益发达而出现的, 在旧标准中被忽略的对人体有害的细小颗粒物。PM2.5指数已经成为一个重要的测控空气污染程度的指数。据了解, 到2010年底为止, 除美国和欧盟一些国家外, 世界上大部分国家都还未开展对PM2.5的监测, 大多对PM10进行监测, 我国拟于2016年实施新的PM2.5环境空气质量标准。研究不同粒径颗粒物中元素的分布, 可以进一步解析颗粒物中细粒子的来源。
不同粒径颗粒物中元素的含量会有不同。何鹰等对厦门不同粒径中的TSP、PM10、PM2.5中的Al、B、Ba、Ca、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mg、Mn、Na、Ni、Pb、Sr和Zn 18种元素进行了对比研究, TSP、PM10、PM2.5中元素顺序为Zn > Na > Fe > Al～Ca > Pb > K > Mg >B > Cr > Cu～Mn～Ba～Cd > Sr～Ni～Li～Co。TSP/PM10、TSP/PM2.5的每个元素的比值说明了不同粒径颗粒物中元素的关系, Ca、Cu、Fe、Pb、Zn在TSP中含量最多, Na和Mg在TSP、PM10和PM2.5中的浓度是相似的。地壳元素 (Al、Ca和K) 和海洋源离子 (Mg) 与高等[27]的研究相比是较低的。另外, 其他的人为源元素, 如Cr、Co、Cd、Ni 和 Cu在这项研究中并不高, 但是Pb、Zn有很高的浓度, 说明Pb、Zn可能是厦门空气的主要污染物。
不同粒径颗粒物中元素的地域性、富集性也有明显不同。腾恩江等[6]对中国广州、武汉、兰州、重庆4城市环境空气颗粒物分布特征研究指明4城市颗粒物元素各有自己明显的分布特征, 颗粒物中S、Cl、Se、As、Br、Cu、Zn、Pb等元素受人类活动的影响有明显的富集, 特别是易富集在细粒子中, 这些元素以S元素为代表。崔蓉, 等[20]对北京市城区大气颗粒物PM10和PM2.5的元素分析表明, Al、Fe、Ca、Mg在PM10浓度约为PM2.5的2倍, Ni元素在PM2.5中浓度高于 PM10。对各元素在PM2.5与PM10中浓度比值 (PM2.5/PM10) 分析可知, Pb、Cu、Ni的比值较大, 说明这3种元素在细粒子中富集较多;Se更多地富集在粗粒子中, 其余各元素在粗细粒子中的分布相对差异较小。
3.3 细粒子元素质量浓度的时空变化特征
徐宏辉[2]在对北京市细粒子元素垂直分布研究中将金属元素浓度垂直分布的相似性分为3类:在80m出现高值的元素, 在8m出现高值的元素, 垂直分布比较均匀。Al、Fe、Mg、Ca、Ba、Sr、Zr、Na的平均浓度都在80m出现高值, 这与张仁健, 等[28]的观测结果大部分元素在47m高度的浓度要大于8m高度的是一致的。
洪也, 等[24]对沈阳市夏秋季节大气细颗粒物元素浓度的研究指出夏秋季节Zn、K、Pb、Mn、Cu、Ba和As等受人类活动影响的元素浓度夏秋季仅为冬季的20%～50%, 示踪元素如Pb、As等含量很低, 这与张仁健, 等[29]的研究结果相似。
杨龙, 等[30]对北京市秋冬近地层PM2.5质量浓度垂直分布特征表明秋冬两季PM2.5质量浓度的垂直分布随高度增加而呈对数递减的规律。
闫向阳, 等[16]对沈阳市环境空气颗粒物分布特征的研究表明季节不同, 颗粒物中元素种类和浓度都会发生变化, 尤其是人为源排放的元素变化更为明显。
3.4 源解析
源解析技术是指对大气颗粒物的来源进行定性或定量研究的技术[31]。解析大气颗粒物的来源, 对于防治颗粒物污染是一个非常重要而又复杂的课题, 也是大气颗粒物研究领域的重要内容之一[32]。源解析技术大体上可以分为3种:排放清单 (Emissionntory) , 以污染源为对象的扩散模型 (Diffusion Model) , 污染区域为对象的受体模型 (Receptor Model) , 其中以受体模型中的化学法发展最为成熟, 化学法是以气溶胶特性守恒和特性平衡分析为前提, 与数学统计方法相结合而发展起来的, 主要提出了化学质量平衡法、因子分析法、富集因子法3种[31]。
在大气气溶胶污染研究中, 通常都应用双重归一的富集因子法来区别其自然或人为的来源。关于参比元素国际上多选用Fe、Al或Si为参比元素。如果大气颗粒物中某种元素相对地壳的富集因子值EF地壳较大时, 表明该元素有了富集。洪也、李潮流, 等[24,33]在对颗粒物元素特征研究时运用的都是富集因子法。
主因子分析法对大气颗粒物来源进行解析, 目的是找出能解释系统主要方差的最小因子数目。理论上, 几个与重要排放源相联系的因子的方差较大, 余下因子的方差急剧减小。应用spss软件对元素的化学浓度数据进行最大方差旋转的因子分析。徐宏辉, 等[2]应用因子分析方法对北京市的细粒子进行来源解析, 对进一步了解北京市的气溶胶污染状况都有重要意义。
后向轨迹法是利用气团的后向轨迹模型可以帮助找到影响当地气团的来源, 徐宏辉, 等[2]在对北京及周边地区气溶胶的组分进行分析时应用了后向轨迹法, 研究表明来自不同地区的气团会对金属元素的浓度造成不同的影响。
PMF (positive matrix factorization) 方法和其他方法相比, 它具有不需要测量源成分谱、分解矩阵中元素非负、可以利用数据标准偏差进行优化等优点[22], 多次在大气气溶胶元素特征分析中应用。宋宇等[22]利用PMF方法比较全面的确定北京市大气细粒子的主要来源:地面扬尘、建筑源、生物质燃烧、二次源、机动车排放和燃煤。段荆春等[34]利用PMF解析了北京市冬季大气颗粒物数浓度的粒径分布和来源, 比较实测值和计算值结果较为理想。
4 结语
细粒子对人体健康的危害已经引起国内外的广泛关注, 并且针对细粒子进行了进一步的研究。美国和欧盟是最早制定PM2.5标准的, 而且对其组分已进行了深入的研究, 并建立了PM2.5的常规监测网。而国内对PM2.5及其组分的研究起步较晚, 对于PM2.5中无机组分的长时间连续在线观测更鲜有报道。近几年来我国大力开展了PM2.5及其中无机组分的研究, 并取得了一定的成果, 即将实施的新的环境空气质量标准已与国际接轨。目前大多数国内研究均基于传统膜采样方法, 该方法存在采样时间长, 前处理步骤复杂, 实验过程易受污染, 实时监测难, 膜易损坏等缺点, 而连续在线采样分析方法恰好弥补了以上缺点。目前连续在线采样分析方法在国内应用较少, 研究区域主要集中在北京地区, 可以获得高分辨率的污染物浓度分析结果, 加强国内对PM2.5形成机理的深入研究。PM2.5已经引起公众的广泛关注, 拟实施的新标准已与国际接轨, PM2.5的常规监测网的建立, 连续在线的采样都会对PM2.5的研究更深入。PM2.5中的元素分析会明确细粒子与粗粒子来源的区别, 对提出完善的颗粒物污染改善措施具有深刻的意义。
摘要：为深入了解细粒子的元素特征研究进展, 对细粒子元素的仪器分析方法、粒径分布特征、元素的时空分布特征、来源解析进行了探讨, 为进一步开展空气颗粒物的元素分析提供参考。
大气细颗粒物 篇4
1 PM2.5的理化特性
空气中的扬尘、花粉等天然存在的因素是PM2.5的来源之一,另有一些生活燃料燃烧,如:木炭等的燃烧所释放出的热量及残留物所排放出的混合气态污染物是PM2.5来源的另一途径。此外,天然存在的因素与人为因素混合交叉时所排放的颗粒物也对空气质量有一定的影响[1]。PM2.5是一种二次颗粒物,由空气中一次颗粒物与气态污染物一系列化学反应转化生成的二次颗粒物组成,受大气相对湿度影响的产物[2]。因其颗粒物自身特有的物理特性以及形成的复杂性与化学性,决定了其成分的多样性和伴随细菌等特性,以及颗粒物粒径尺寸与散射率的大小[3]。人为因素所导致的PM2.5的来源受不同国家的经济发展状况、能源结构及管理工艺方法的不同有很大差别。PM2.5的化学成分:无机成分、有机成分、微量金属元素、碳质成分、生物物质(细菌、病毒、霉菌等)[4]。PM2.5是大气中的主要污染物,是有害物质的载体,颗粒物的化学成分是对人体健康造成危害的关键因素。
PM2.5以水溶性组分,水溶性有机、无机组分,各种形式和含量不同的碳组分,无机碳酸盐碳因其所占比例较小在分析时一般忽略。其他碳组分浓度之和常到PM2.5浓度的15%~75%,PM2.5中的组成成分较为复杂,有机碳是含量最高的组分,而不同的化学组分的颗粒物物质对人体健康的影响也不尽相同[5]。
2 PM2.5卫生学标准
WHO提出对于颗粒物PM2.5年平均浓度为10μg/m3,24h平均浓度为25μg/m3;SO2,24h平均浓度为20μg/m3,过渡时间可达125μg/m3,10h平均浓度为500μg/m3。有人进一步提出应关注颗粒物成分中重金属、硫酸盐等对健康的影响。我国的PM2.5质量标准于2012年修订的《环境空气质量标准》增加了PM2.5环境质量标准限值,但有关PM2.5的很多科学问题尚未开展深入的研究,许多问题与差异也给环境标准的完善、修订以及环境管理和污染控制带来困难[6]。日益严峻的PM大气颗粒物对我们的环境以及身心健康造成巨大威胁。但随着国家的对环境改善力度和决心的加大,近年来对环境污染中大气颗粒物治理措施的不断增强,环境空气的质量也正在朝着可控的方向发展。关于PM2.5浓度的检测标准,国际标准为在指定区域监测点平均三年的年平均PM2.5浓度小于或等于15μg/m3,目前中国的标准为年平均浓度和24h平均浓度,限值分别为35μg/m3和75μg/m3[7]。
3 PM2.5对健康的影响
3.1 PM2.5对心血管系统的影响
PM2.5引起的心血管系统疾病发病率和死亡率增高的心血管事件有很多[8],包括心律失常、心率变异性改变、动脉粥样硬化、心肌缺血、心肌梗死等方面,这些症状尤其是在老年人、心血管疾病易感患者的健康危害较为明显。流行病学调查表明,欧洲城市中当前PM2.5的空气污染水平与死亡率息息相关[9]。空气污染会对人体健康造成危害,尤其是对于心肺疾病,PM2.5引起死亡率的增加,与剂量—反应的时间质效应上呈现一种正相关。大气颗粒物的浓度,以及大气颗粒物作为一种介质载体,自身可以携带一些重金属、微生物、挥发性有机物的二次污染物等。对于流行病学的研究和毒理学的生物机制[10],大气混合污染物联合作用后的结果有重要意义,大气颗粒物PM2.5对于健康会产生一些不良影响,会提高气道反应加剧呼吸系统疾病的发展以及心肺系统疾病的发生。大气PM2.5每增加10μg/m3心血管系统疾病发病率增加12%~14%,表现出PM2.5浓度与机体心血管系统发病率的正相关性。颗粒物的粒径及物理化学性质的多样性,当细颗粒物中大量含有的水溶性成分通过肺及毛细血管屏障进入心血管系统,除短期急性影响外,长期累积还会造成严重的危害。对于颗粒物引起的心血管系统亚临床的病理生理反应,包括系统炎症、血栓、氧化应激、血压增加、血管功能紊乱和动脉粥样硬化,心率变异性的降低[11]。
3.2 PM2.5可吸入颗粒物对心血管系统影响的机制途径
⑴颗粒物经呼吸道进入肺组织,肺部会出现氧化应激及局部炎症反应,从而氧化应激会损害生物膜脂质、DNA与蛋白质,出现凝血功能的障碍,削弱血管功能,使线粒体损伤,出现氧化应激;发生炎症反应时,颗粒物刺激肺组织产生炎症因子(如IL-1、IL-6、IL-8、TNF等)。⑵通过肺部毛细血管的超细颗粒物进入血循环,破坏循环系统氧化应激的状态和炎性水平,促进炎症因子、趋化因子的表达,引起全身系统性炎症反应,系统性的氧化应激反应和炎症反应进一步引发血管内皮功能的紊乱、血液高凝状态、血管舒缩功能异常及自主神经功能的紊乱等,导致心血管系统的损害;当心肌层缺血反应或心肌细胞离子通道功能改变,会引起心脏功能障碍,使患心脏病危险性增加[12]。⑶PM2.5可通过诱导心血管内皮细胞的NOS活性,对心血管系统产生氧化应激的损伤做出反应,氧化应激反应和炎症反应可能是PM2.5心血管系统毒性的作用机制之一。⑷肺部产生炎症介质时,随血液循环会累及到心脏,使凝血功能发生障碍,流速减慢且血管内膜上有脱落细胞的沉积,血小板的聚集使得血液黏稠度上升,严重时形成血栓。
3.3 PM2.5迁移与心血管系统疾病的相关性
细颗粒物所携带的细菌和金属离子等通过呼吸系统的气血屏障随血液循环进入机体的心血管系统,一方面对心肺脉管系统造成直接损害,当其所携带的成分进入血液循环时,机体产生相应的应激反应从而影响心血管系统[9]。总而言之,PM2.5可吸入颗粒物对于心血管系统的危害最终表现是各种作用叠加的结果。
3.3.1 PM2.5对血压的影响
有研究表明[13],PM2.5可使暴露人群的血压升高,收缩压(SBP)、舒张压(DBP)、脉压(PP)。结果显示,较高的BP、PP与大气中的PM2.5水平相关,PM2.5月平均浓度每增加10μg/m3,PP升高1.12mm Hg,BP升高0.99mm Hg,这种大气污染产生的反应可能表现为血压调控受损。PM2.5浓度变化和血压升高程度呈线性相关。
3.3.2 氧化应激和炎症反应
细颗粒物的粒径小,在大气中表面积大、悬浮时间长、更易吸附有害物质,其中颗粒物中的某些阴离子可产生大量的氧自由基,从而加剧氧化应激;因氧化应激反应产生的内源性氧化产物将消耗人体内的抗氧化因子,从而使炎症反应加剧。这种恶性效应长期累积后会加剧心肌的负荷,导致心肌严重损伤,心脏功能进一步恶化。吸入的颗粒物由巨噬细胞所吞噬,多数情况下可阻止肺内有害的炎症反应发生,但过度的吞噬会影响吞噬细胞的正常存活和功能,从而加剧氧化应激[14]。颗粒物的某些成分可将还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶的上调,干扰线粒体的功能,进而影响氧化应激。氧自由基可激活细胞内信号转导通路,通过作用于某些细胞膜受体(如:表皮生长因子受体)和TLR受体,例如促进分裂原活化蛋白酶(MAPK),进而导致促炎症因子的转录上调及细胞因子、核因子的表达上调。有研究表明[15],暴露于PM2.5能引发机体系统炎症反应,当体内出现炎症反应导致机体内的白细胞和血小板开始从骨髓释放,释放的炎性介质进入循环系统会再次对其造成刺激,周而复始。当炎症介质和氧自由基在肺内产生时,并不只会局限于肺脏,它们会进入血液循环,激活炎症细胞、免疫细胞、巨噬细胞、中性粒细胞等;其中进入血液循环的携带金属成分的颗粒物则会加剧全身的氧化应激和炎症反应,从而损害心血管系统。有实验表明[16],血液中的炎症因子(如:IL-1、IL-6、IL-8、TNF)和干扰素暴露于颗粒物大气污染后将会升高,作用于肝脏产生的急性反应蛋白,其中IL-6、TNF在炎症反应中起关键作用,但在损害心血管系统中起到核心作用。有研究表明,细胞凋亡的减少是观察前炎症细胞因子的分泌,使排除表皮生长因子受体信号转导通路及促炎细胞因子支气管上皮细胞。然而,除了这个原因,还有能够充分证明PM2.5—抗凋亡作用的炎症反应可以解释为[17]:污染暴露后,机体为了维持体内长时间的炎症状态,可能会延迟修复损伤组织的过程。
3.3 PM2.5对凝血功能障碍和血管功能障碍
临床观察,发现可能导致心血管系统损伤的一条通路,暴露于大气细颗粒物对心肺疾病的影响与纤维蛋白原的增加有关。PM2.5能增加心肌缺血以及缺氧的易感性,心肌细胞的凋亡与心血管内皮的损伤、氧化应激与炎症反应相关,凝血功能的障碍使血小板与细胞因子增多。有研究认为[18],由于PM2.5进入机体后导致其血压、心率、脉管系统的收缩与扩张、自主神经功能的改变,对高血压的发生与发展起着重要作用,并且表现出一定的剂量—反应关系,呈现一定的正相关性,临界点的阈剂量值是值得探索的一个视点。
3.4 PM2.5对心血管系统的细胞毒性研究
目前国内外对大气污染颗粒物,体外研究多采用肺泡上皮细胞、肺泡巨噬细胞、血管内皮细胞或心肌细胞。通过测定细胞存活率、细胞总凋亡率、DNA损伤程度和细胞氧化损伤程度的测定,探讨其对培养的不同细胞凋亡的诱导作用及其机制,初步探索大气污染颗粒物PM2.5对机体系统影响的作用机制。PM2.5通过呼吸系统随血液循环进入机体其他系统已在动物实验中得以证实[19]。相关研究表明,使用一种单污染物的模型,许多金属的吸入与心血管疾病相关联,其中以大气颗粒物携带的钙、炭黑、钒、锌、铝、镍、氯、硅、钛等,使得住院的风险上升。许多有机物与死亡率的上升短期相关;金属镉增加肺、心血管疾病的风险。研究表明:裂解红细胞,通过ELISA试剂盒对血液的离心后分离出血浆,用流式细胞计量,对血管内皮生长因子(VEGF)的分析,镍纳米颗粒与PM2.5有关,会引起心脏速率(HR)和心脏速率变异性(HRV)、血管反应性改变、动脉粥样硬化。在有关PM的曝光新型动物研究等流行病学资料以显示类似结果:通过对于指标的检测,检测心脏的各标记、血管的完整性、炎症反应、破坏血管内皮细胞、血管内皮生长因子(VEGF)、基质细胞衍生因子的分析,得出镍或其他过渡金属是在引发心血管疾病、炎症的关键角色。CRP[20](C-反应蛋白)是PM的心血管系统疾病有用的生物标志物。吸入纳米镍不仅导致骨髓内皮祖细胞数目的减少,并且功能也降低。许多的研究也证实在人类任一短期或者水平长期暴露于PM2.5存在对于心血管疾病上升的危险。
4 总结与展望
大气颗粒物来源解析 篇5
大气颗粒物来源解析是指通过化学、物理学、数学等方法定性或定量识别环境受体中大气颗粒物污染的来源。这是一项长期复杂且系统的技术性工作,涉及多种技术方法、模型选择、样品采集与分析、化学成分谱的科学构建、模拟运算以及解析结果评估与应用等,是科学、有效开展颗粒物污染防治工作的基础和前提。
大气颗粒物源解析技术不是空气污染治理技术,是宏观环境管理定量化技术; 解析结果的准确性强烈依赖输入数据的质量,且解析结果有一定的时效性、区域性; 同时,解析结果的应用要结合气象因子。
应用价值开展来源解析意义何在?
我国大气颗粒物源解析具有以下几个特点: 污染源种类多、来源复杂; 污染源数量多; 同一类型污染源排放特征差别大; 控制技术差异大; 大气颗粒物浓度高; 大气处于高度复合污染条件下。
大气颗粒物来源非常复杂,不仅有人为污染源的排放,而且还有自然源的贡献; 通过了解大气颗粒物的物理化学特征,不但可以定性识别和判断各类污染排放来源,而且可以定量解析各污染来源贡献的大小( 负担率) 。这有助于制定大气污染防治规划,也是制定环境空气质量达标规划和重污染天气应急预案的重要基础和依据; 确定排放源的种类和排放源的贡献,据此有针对性地采取措施,能够科学、有效地治理污染严重的污染物及排放源; 有效控制大气污染,提高空气质量。
有专家表示,并非每个城市都必须做源解析,目前我国主要是燃煤、工业生产、扬尘和机动车4种主要来源。对于有些城市来说,即使不做源解析,也可以很清楚地知道主要问题出在哪儿。但对于有些城市即使污染源较为清楚,也需要做源解析,比如对京津冀来说,削减燃煤很重要; 不过,问题在于削减哪种燃煤,是老电厂煤改气,还是散煤削减,这完全不一样。而对于一些减排已达到一定程度的城市来说,则更需用源解析的工具来寻找污染的“元凶”,通过不同燃煤、扬尘等的唯一特征物,追溯到具体的污染来源。
大气细颗粒物 篇6
近年来, 在转型综改试验区建设的推动下, 山西省大气环境质量有了明显改善, 但在原有煤烟型污染尚未有效治理的情况下, 复合型大气污染已成为防治大气污染的主要工作。PM2.5是雾霾天气的主要诱因, 也是新阶段复合型大气污染的主要原因。从近日环保部发布的第一季度全国74个城市空气质量报告来看, 按照城市空气质量综合指数评价, 太原市排名第10位, 属于污染较重城市。2013年第一季度, 太原市PM2.5超标天数占77.78%, 主要污染物为PM2.5。PM2.5能到达细支气管甚至肺泡区域, 引发呼吸系统、循环系统甚至内分泌系统等多种疾病[1], 严重影响人体身心健康, 有效控制PM2.5对当前山西省改善灰霾天气污染及危害具有重要作用。
1 山西省PM2.5污染现状
山西省作为全国能源和重化工基地, 尽管近年来在环保方面做了很多工作, 在大气污染物排放控制及改善城市环境空气质量方面取得较显著的成效, 但山西的大气污染仍很严重, 尤其以O3和PM2.5等污染物为代表的二次污染问题日益凸显, 灰霾天气逐渐增多。山西省在 《山西省大气污染防治2013年行动计划》 中提出全省11个设区市颗粒物、细颗粒物浓度分别比2012年下降2%、4%的工作目标, 提出治理重点任务共计36条, 加大力度控制PM2.5排放, 但2013年山西省11个省辖城市环境空气中PM2.5年均浓度为77 μg/m3, 相对于环境空气质量标准35 μg/m3超标1.20倍, 仍未达到国家二级标准。在灰霾天气最严重的2013年1月10日—17日, 太原市PM2.5平均浓度为121 μg/m3, 超过国家二级标准2.46倍, 山西省复合污染问题已非常突出。
2 PM2.5污染治理现状
山西省在2013年已开始将PM2.5作为约束性考核指标, 将PM2.5直接与政府政绩考核挂钩, 强力推进大气污染防治工作。目前, 在 《山西省大气污染防治2014年行动计划》 中提出3项工作内容及37条具体工作任务。但是山西省长期以煤为主的能源构成造成较为严重的大气污染, 在未来减排空间大幅压缩的情况下, 污染物排放量削减任务将更加艰巨, 单一的污染物控制很难满足污染治理需要, 长期以来, 山西省尚未实现多污染物综合控制, 污染治理重点为SO2、NOx和工业烟粉尘, PM2.5控制相对薄弱, 污染源排放底数不清, 对于一次颗粒物、二次颗粒物间的比重、转换关系都处于未知状态, 这些都将制约污染治理有的效性, 因此山西省治理PM2.5更应注重基础性问题。
3 PM2.5污染治理措施
PM2.5防治是世界性难题, 需从立法、产业政策、环评等多方面协同进行才能达到效果。综合国内外PM2.5治理经验, 控制PM2.5主要措施有:实施区域联防联控;改变燃料构成, 降低煤炭等高污染能源消耗量, 开发清洁能源;加强多污染物协同控制;调整产业结构与合理工业布局并重合力治污。然而, PM2.5浓度取决于源排放、化学变化及气象地理条件等复杂因素的交织作用[2], 实施有效治理不仅需要借鉴成功经验, 还需要结合山西省实际、区域地理位置及气象气候特征, 在山西省PM2.5防治工作中, 源解析、污染源清单等都尚未明确, 控制措施缺乏科学性和合理性, 因此制定治理措施时应重点关注。
3.1 推进PM2.5源解析工作
PM2.5成分复杂, 来源也因区域不同而不同, 朱先磊等[3]研究认为PM2.5的主要来源为燃煤、机动车排放、建筑尘、扬尘、生物质燃烧、二次硫酸盐和硝酸盐及有机物。贾劼[4]对太原市大气颗粒物来源解析认为太原市大气总悬浮颗粒物主要来源是土壤尘 (即城市扬尘) 和燃煤尘。PM2.5来源一部分为总悬浮颗粒物中细颗粒物, 也存在各种大气污染前体物通过光化学反应形成的二次污染。山西省对区域内PM2.5源解析、成分特征谱的研究鲜见报道。为进一步推进PM2.5治理, 亟需开展区域PM2.5污染源解析及对O3、VOC等污染底数摸排, 同时开展区域光化学污染前体物排放与大气颗粒物来源解析研究, 以了解山西省PM2.5与上述污染物的关联性, 以建立城市空气质量改善科技支撑体系为核心目标, 建立符合山西省社会经济、自然地理特征的源解析模型, 进而制定PM2.5污染减排技术。
3.2 加强PM2.5监测能力建设
山西省PM2.5监测工作还在起步阶段, 目前仅太原市自2013年1月1日起开始发布监测数据, 全省缺乏规范、健全、完善的监测网络, 《山西省落实大气污染防治行动计划实施方案》 中要求到2015年底完成全省细颗粒物监测全覆盖, 太原市建设2个国家直管监测点, 其它10个设区市分别建设1个国家直管监测点, 在此基础上建设城市、区域和背景三个尺度的监测网络, 形成层次分明、功能完善的监测系统, 以明确污染源位置、污染量、排放规律, 建立尽可能详尽的PM2.5污染源排放清单, 明确PM2.5污染水平和分布特征, 在此基础上针对污染源排放情况制定目标明确的污染控制技术体系。
3.3 实施多污染物协同控制
研究表明, SO2、NOx和VOC等气态前体物转化产生的PM2.5超过生产生活中直接排放的PM2.5, 是空气中PM2.5的主要污染源, 光化学反应有利于促进NOx和VOC反应生成细粒子, 但山西省现行的污染治理技术主要是以单污染物控制或单污染物控制技术组合进行, 治理成效与污染源关系不清, 无法根据减排空间针对性提出治理措施。治理PM2.5需要确定各前体物与其转换的空气质量推演模型, 进行前体物污染的控制和治理, 针对形成PM2.5污染的前体物污染源, 开展多污染物协同控制技术, 同时开发重要行业重点污染源关键污染物的控制技术, 研究形成多行业、多污染物协同控制技术体系。
3.4 深入实施污染分区分类管理
在国家 《重点区域大气污染防治“十二五”规划》中, 将山西省太原、大同、朔州、忻州列为大气污染防治重点区域, 要求到2015年PM2.5年均质量浓度下降5%, 相对山西省其它地市要求高1%。山西省在制定PM2.5防治措施时也应分区域分重点, 结合实际, 依据山西省自然地理特征、区域内污染物的空间输送规律及经济发展水平实施差异化管理控制, 制定有针对性的污染防治措施。对于被列为重点治理区的太原、大同、朔州、忻州应制定更严格的控制措施。
3.5 推进能源结构转变
目前山西省能源消费仍以煤炭为主, 虽然消费总量增速放缓, 但消费总量仍有3×108t以上, 占能源消费总量的80%左右。煤炭利用产生的硫酸盐和硝酸盐是PM2.5前体物的主要来源, 欧美等发达国家的发展经验表明, 控制煤炭消费总量可有效降低PM2.5污染, 结合山西省省情, 转变能源构成重点是实现煤炭资源的清洁高效利用和实施清洁能源替代:a) 推进传统能源高效集约开发, 提高煤电转换比例, 调整传统火电内部结构, 重点发展超临界、超超临界等高效发电技术, 实现热电联产;b) 积极开展天然气利用, 发展煤层气产业, 因地制宜发展风能、太阳能、生物质能等清洁能源和可再生能源, 实现节能减排的目的。
4 结语
随着经济社会快速发展, 大气中污染物浓度上升趋势增大, 对人体健康、大气能见度具有更加显著的危害和潜在影响, 近年来, 尤其是进入冬季以后, 山西省灰霾天气多发, 严重影响人们的生产生活, 改善灰霾天气已成为当下迫在眉睫的任务, 需要全社会共同努力, 加强舆论监督, 为改善大气环境质量营造良好氛围。
参考文献
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[2]杨复沫, 马永亮, 贺克斌.细微大气颗粒物及其研究概况[J].世界环境, 2000 (4) :32-34.
[3]朱先磊, 张远航, 曾立民, 等.北京市大气细颗柱物PM2.5的来源研究[J].环境科学研究, 2005, 18 (5) :1-5.
城市大气颗粒物污染治理方案 篇7
一、大气颗粒物污染简介
大气颗粒物指除气体之外的所有包含在大气中的物质, 包括所有各种各样的固体或液体气溶胶。其中, 有固体的烟尘、灰尘、烟雾, 以及液体的云雾和雾滴。粒径大到200微米, 小到0.1微米。
统计数据表明, 目前我国烟尘和粉尘排放量虽有逐年下降的趋势, 但影响城市空气质量的主要污染物仍是颗粒物。2004年的环境状况报告显示, 46.8%的城市颗粒物浓度超过二级标准;颗粒物污染较重的城市主要分布在西北、山西、内蒙、辽宁、河南、湖南和四川。总的来说, 随着300多个城市中达到二级标准的比例逐年增加, 中国城市的空气质量有所好转。
对于我国城市而言, 污染源主要为各种工业生产过程中产生的大气污染和居民燃煤污染。另外, 近年来私人轿车的数量急速增多和市政建设等也都带来了严重的环境问题。
二、大气颗粒物治理措施
(一) 加强污染物排放管理的建议。
政府部门需加强大气颗粒物污染管理力度。政府部门应将大气颗粒物排放制度化, 如进行以下流程:首先, 政府需明确污染排放许可证颁发的法规和管理流程, 包括许可证申请的严格化、污染指数检测报告的准确化、许可证管理人员的考核、许可证管理机关的执法权明确化、许可证审批程序的合理化以及管理资金的流向明朗化;其次, 在执法办事的过程中需要严格执行污染排放许可证颁发的法规和管理流程, 提高工作人员的素质以及办事效率。
(二) 城市生态环境整治建议。
城区生态环境综合整治方案的设计范围是以城市中心区的建成区为核心地域向外延伸。
1、水域生态工程方案。
城市中的水域具有吸尘、降尘和调节城市气候的重要作用, 是唯一不起尘的地域。保持并扩大现有水域面积, 提高水域覆盖率, 可控制大气中的污染物的扩散。
2、绿色生态工程方案。
绿化是城市生态建设的另一重要组成部分。绿化可以调节气候、减少污染、净化空气、防风固沙, 是非常经济的生物防治措施, 称之为“城市肺”。中心区TSP中扬尘比例较高, 与城市绿化率不高有着密切关系。因此, 方案对绿化工程做出重点规划。以林为主, 草花为辅, 建设大型防护林带和城市森林公园, 使绿化工程最大限度地发挥环境保护和生态平衡作用;建立林、草、花相间的城市立体景观系统, 使中心区内已建成地域的裸地全部绿化, 在建地域的裸地应随建设工程的结束时间而完成绿化工程。
(1) 在城市外部建立外防护林带, 并形成以沿河流、湖泊建立内防护林带, 使其最大限度地净化城市空气。
(2) 建立城市森林公园, 消耗城市日常产生的大气颗粒物污染。
(3) 在城市近郊储灰场和垃圾场附近建设高大防护林地, 以阻挡储灰坑和垃圾山起尘。
(4) 对于服务期满的土地进行恢复处理。还要做好裸地绿化工作, 退耕还林, 将废弃的、或暂时无用处的裸地充分利用, 建立绿化带或防护林带。
(三) 城市工业环境整治方案。
目前, 我国许多城市内或近郊都存在一些具有一定大气污染的工厂。对于这些工厂, 我们不仅要采取以上的管理方案, 还需严格按照国家相关部门的要求, 要求工厂进行废气的处理, 达到环保要求。对于大气颗粒物污染, 可以概括为以下几种控制技术, 机械力除尘、过滤除尘、静电除尘和湿式除尘四种类型, 其中前三种可统称为干式除尘。
1、机械力除尘。
机械力除尘是借助质量力的作用达到除尘目的的方法, 相应的除尘装置称为机械式除尘器。质量力包括重力、惯性力和离心力, 主要除尘器形式为重力沉降室、惯性除尘器和旋风除尘器等。
(1) 重力沉降。利用颗粒污染物与气体密度不同, 使颗粒污染物在重力作用下自然沉降下来, 与气体分离的过程。但因其效率低, 只能作为初级除尘手段, 主要用于高效除尘装置的前级除尘器。
(2) 惯性除尘。利用颗粒污染物与气体在运动中惯性力不同, 使颗粒污染物从气体中分离出来的过程。
(3) 离心除尘。利用旋转的气流所产生的离心力, 将颗粒污染物从气体中分离处理的过程。其中, 离心除尘器是机械式除尘器中效率最高的。主要缺点是对5微米以下的细小颗粒物去除效果不理想。
2、过滤除尘。
过滤除尘是使气流通过多孔滤料, 将气流中颗粒污染物截留下来, 使气体得到净化的过程, 主要有袋式除尘及颗粒层过滤除尘两种方式。
(1) 袋滤除尘。利用棉、毛或人造纤维等加工的滤布捕集颗粒污染物的方法, 主要通过筛分、惯性碰撞、扩散、静电、重力沉降等作用机制, 依靠滤料表面来捕集颗粒污染物, 属于外部过滤。
(2) 颗粒层过滤除尘。通过将松散多孔的滤料填充在框架内作为过滤层, 颗粒物在滤层内部被捕集的一种除尘方法, 属内部过滤方式。
3、静电除尘。
利用高压电场产生的静电力 (库仑力) 的作用从气流中分离悬浮粒子 (尘粒或液滴) 的一种方法。静电除尘处理气量大, 可应用于高温、高压场所, 广泛应用于工业除尘。静电除尘器的主要缺点是设备庞大、占地面积大、一次性投资费用高。
4、湿式除尘。
也称为洗涤除尘。该方法是用液体洗涤含尘气流, 使尘粒与液膜、液滴或气泡碰撞而被吸附, 凝聚变大, 尘粒随液体排出, 气体得到净化。由于洗涤液对多种气态污染物具有吸收作用, 因此它能净化气体中的固体颗粒物, 又能同时脱除气体中的气态有害物质, 某些洗涤器也可以单独充当吸收器使用。湿式除尘器结构简单、造价低、除尘效率高, 在处理高温、易燃、易爆气体时安全性好。不足是用水量大, 易产生腐蚀性液体, 产生的废液或泥浆进行处理, 可能造成二次污染。
5、粉尘与烟气处理。
粉尘和烟气主要来源于燃烧设备和工业生产工艺。对粉尘的净化控制, 主要是三类技术。对于烟气的处理技术, 主要是三种:一是洗涤吸收技术, 典型装置是烟气洗涤塔;二是吸附技术, 典型装置是过滤层净化器;三是催化处理技术, 典型装置有催化燃烧器、热催化器等。
三、结论
由于城市持续高速的经济增长和污染控制的困难, 城市空气污染治理仍面临着巨大的挑战。大气颗粒物污染是大气污染的主要方面。其对人类身心健康, 城市居住环境以及地球生态环境都有着巨大影响。目前, 由于治理资金以及技术等问题, 大气颗粒物的治理仍任重而道远。每种控制方法都有其使用条件和使用环境, 对于不同地域和不同条件还应根据各自需求选择正确的方式方法。
参考文献
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[2]田丰.水利工程建设与保护生态环境可持续发展[J].辽宁工业大学学报 (自然科学版) , 2009.2.
大气细颗粒物 篇8
近年来,由于大气颗粒物污染的日趋严重,其检测技术得到了国内外学者的普遍重视。目前,常用的颗粒物质量浓度的测定方法是光散射法。国外对于光散射颗粒物质量浓度测量法的研究开展得比较早,现今技术也比较成熟,商业化的产品也比较多[1],其中以美国SKC和TSI公司的商品最多。我国对光散射浓度测量方面的研究起步较晚,直到上世纪70年代才开始,与欧美等发达国家相比,技术上还存在一些不足[1]。
经过近四十年的发展,我国也逐渐有一些产品商业化,如PC.3A激光可吸入粉尘测试仪和PC.3A激光可吸入粉尘连续测试仪等[2]。但这些产品以及国内环境研究工作者对大气颗粒物的研究也主要集中在PM2.5以上的颗粒物,而对人体健康危害更大的细小颗粒(PM2.5以下)研究较少,因此设计并制作细小颗粒物实时监测和预警系统具有十分重要的科学研究价值。
本文设计的大气颗粒物自动监测预警系统,通过Easy ARM1138嵌入式系统对大气颗粒进行实时采集,并对数据进行处理,可检测粒径范围为0.1μm-10μm,而且,系统可应用于细小颗粒物的检测。整个系统简单、使用灵活、操作方便。系统设备具有现场应急监测和自动遥测预警的双重功能,且监测和采集速度快,可靠性高,具有很好的经济价值。
1 光散射法
光散射法是通过测量颗粒物受光照射后所发出的散射光信号的大小来测量颗粒物的质量浓度。它由于测量速度快、高灵敏度、重复性好、可测粒子尺寸宽及适于在线非接触测量等优点而被广泛应用。利用光散射原理测量颗粒物质量浓度的方法也有两种:光度计法(群颗粒散射法)和粒子计数法(单粒子光散射法)。本文利用光度计法测量颗粒物质量浓度,该方法是利用Mie散射理论及颗粒物的各参量来反演颗粒物质量浓度的,它的原理是颗粒物质量浓度与光度计接收到的散射光通量成线性关系[1]。
根据Mie散射理论,当一束强度为I0的自然光入射到一个各向同性的球形微粒时,其散射光强为:
式中,I(θ)为散射光强度,I0为入射光强度,λ为入射光波长,i1、i2为散射光的两个强度函数,i1=S1(m,θ,a),i2=S2(m,θ,a),分别对应于散射光强度的两个垂直的偏振分量,其中a为粒子的尺度系数,S1、S2光的振幅函数,m=m1+im2为粒子对周围介质的复折射率Θ[3]。由Mie理论可知,散射光强度与颗粒物粒径、入射光波长相关。即在温度和湿度较稳定的洁净环境下,当光照射在空气中悬浮的颗粒物上时,产生散射光。在颗粒物性质一定的条件下,颗粒物的散射光强度与其质量浓度成正比[4]。通过测量散射光强度,应用质量浓度转换系数K值,可求得颗粒物质量浓度。
2 系统的实现
2.1 系统的硬件设计
该颗粒物监测预警系统的主要大气颗粒物信号采集模块、Easy ARM1138控制单元、GPRS无线通信模块以及一些外围设备构成,监测系统的构成如图1所示。系统主要实现光电传感器的数据采集,完成A/D采样、大气颗粒物的浓度计算以及数据的存储及显示,如果颗粒物浓度连续超标,要进行语音报警,同时对污染情况进行分析,并根据实际污染情况或污染趋势以文本的形式向工作人员发送预警信息,这大大提高了系统的便携性和数据的实时性。
(1)信号采集模块
信号采集模块主要由二极管激光器、光电传感器及信号调理部分组成。本文选用波长为785nm,功率为100mw的半导体二极管作为光源,相对于氦氖激光器而言,该类激光器光敏区光强均匀性好,粒子信号离散度相对较小,大大提高了不同粒径颗粒的分辨率[5]。
光电传感器主要由光电二极管构成,它将入射的散射光转化为相应强度的光电流。当大气通道中不存在颗粒物时,激光器发射的激光将全被大气通道底部的光陷阱吸收,光电传感器无信号输入;当空气中存在颗粒物时,颗粒物会随着空气以一定的速率通过光敏区,入射激光照射到颗粒物上会产生相应散射光,光电传感器接收到散射光后,能够感应颗粒物的散射光并输出相应的电信号,电脉冲信号的峰值与散射光亮成一定的比例,即在散射光强度稳定的情况下,悬浮微粒的粒径不同,其散射光强度随之不同,电脉冲峰值也不同。
光电二极管完成光电转换后,此时的光电流较小,对于一个微米量级的颗粒,产生的电脉冲信号一般为产μA量级[1],因此需要对信号进行调理,首先需要利用匹配低噪声的精密运算放大器将微弱的电流信号转化成电压信号,然后进行线性放大及阻抗匹配。信号调理部分主要由电流电压转换电路,电压跟随电路,二级放大电路和积分电路构成。信号调理电路如图2所示。
(2)Easy ARM1138控制单元
Easy ARM1138微控制器是围绕ARM CortexTM-M3处理器内核来设计的,系统使用的是LM3S1138的最小系统。Cortex-M3处理器是专门为那些对成本和功耗非常敏感但同时对性能要求又相当高的应用而设计的,是广大片上系统的理想解决方案。由于该处理器集成一个10位的ADC模块,支持8个输入通道,以及一个内部温度传感器[6]。因此无需使用A/D采样芯片,Easy ARM1138完全可以满足系统的要求,从而减少了系统的外围设备。
(3)外围设备
温湿度传感器使用SHT11,该温湿度传感器将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上,测量精确度高。实时时钟采用SD2405时钟芯片,精度高,实时性好,该芯片使用标准的I2C协议,便于ARM处理。对于信号的快速采集,从读写速度、时序控制等方面考虑,采用SRAM芯片CAT24C256作为数据存储器,它是一个256Kb的串行CMOS E2PROM,支持标准(100k Hz)和快速(400k Hz)的I2C协议,主要用来存储实时的大气颗粒物浓度数据以及浓度超标时的报警参数。数据显示使用WLA56可控制彩色TFT液晶显示屏,主要用来显示颗粒物浓度,温、湿度信息等数据。报警模块由语音芯片ISD4003构成,ISD4003的单片录放时间4至8分钟,音质好,广泛用于便携式电子产品中,它在系统中主要实现浓度超标时的语音报警功能。
(4)GPRS无线通信模块
系统的无线通信由GPRS模块构成,当被测大气中的颗粒物浓度连续超标时,系统通过RS232将数据传送给GPRS模块,GPRS模块把污染信息传送给工作人员。GPRS模块选用ZWG-03A设备,该设备是基于GSM网络的一款智能短信设备,通过串口通信,给设备上电后,接上PC的串口电缆,向设备发送命令即可进行配置。协议简单,操作简单而可靠。
(5)电源模块
系统电源部分都采用三端稳压管实现。为整个系统提供±12v、±5v、3.3v和3v的电压,确保电路的正常稳定工作。由于系统中,既有数字电路又有模拟电路,为了避免数字电路产生的噪声会影响模拟电路,使模拟电路的小信号指标变差,这两部分单独供电,使得模拟地和数字地分开。在做PCB板时,在电源处单点共地。
2.2 系统的软件设计
软件部分主要实现光电传感器的数据采集,完成A/D采样、大气颗粒物的浓度计算以及数据的存储及显示,如果颗粒物浓度连续超标,要进行语音报警,同时对污染情况进行分析,最后以文本的形式向工作人员发送预警信息。由于电路系统的背景噪声相对较大,例如放大电路的温漂、电路中存在的不确定噪声等,因此,系统在LM3S1138进行A/D采样后,通过软件设定阈值和采样取平均值的方法,对数据进行处理,以达到低通滤波的效果,从而使得系统的背景噪声大大地减小。系统的软件流程如图3所示。
3 测试结果与分析
文中采用TSI公司的Dust TrakⅡ作为标定用的测量仪对系统的K值进行标定。标定后,分别将TSI与本文的监测系统置于测量环境中的同一测点,同一高度,同一方向,同时测量颗粒物的质量浓度。由于空气中颗粒物分布的不均匀,气泵的流量也不同,两台仪器的测量结果不可能是完全一致的。对测量的数据进行比较,结果如图4所示。
图4(a)是软件没有对数据进行处理时,两仪器颗粒物浓度的测量结果,从中可以看出,本系统与Dust TrakⅡ的结果相差比较大,线性度不是很好,这可能是由于系统在稳定性及精度上仍存在一定的不足。主要原因有以下几方面:一是光电传感器输出功率不是特别稳定;二是温湿度的干扰;最后也是最主要的原因是由于电路系统的背景噪声较大。为了降低系统的背景噪声,除了信号调理部分的电压跟随与积分电路以外,在软件部分又对信号进行了处理,如对A/D采样结果进行加权平均,并设定阈值,对采样结果进行一定的软件滤波,通过这样的改进后,测得的结果如图4(b)所示,从图中可以看出数据集中在斜率为45°的直线上,显然,通过改进,系统的线性度有了较大的提高。
4 结束语
随着自动化及信息技术的迅速发展,监测系统已逐步向高质量、多功能、集成化、自动化、系统化、智能化的方向发展[7]。本文利用光散射法设计并建立了适用于细微颗粒物的大气颗粒物监测预警系统。实践证明,该系统不仅能满足恶劣环境检测的要求,而且具有测量准确、实时性强、成本低等优点,可在对环境质量要求很高或是环境大气监测领域推广使用,对改善城市生态环境,创造良好的投资环境起到促进作用。
参考文献
[1]王莹.提高光度计法可吸入颗粒物质量浓度测量系统的精度研究[D].南京:南京理工大学,2007:5-6,17.
[2]许玉凤,卞保民.基于光度计法的粉尘质量浓度测量系统的研究与开发[D].南京:南京理工大学,2007:34-35.
[3]SY Du,DW Kang,XE Lei,et al.Numerical study on adjusting andcontrolling effect of forest cover on PM10 and O3[J].AtmosphericEnvironment,2007(41):797-808.
[4]胡澄,邹丽新.基于MIE散射理论的粉尘浓度测量研究[D].苏州:苏州大学,2007:9-10.
[5]易磊隽,张溢.尘埃粒子计数器的国产化研究与开发[D].四川:四川大学,2006:9-10,39.
[6]LM3S1138微控制器数据手册[Z].广州周立功单片机发展有限公司,2008:20-24.