环境管理_城市环境空气颗粒物源解析技术及进展

城市环境空气颗粒物污染趋势 来源与源解析技术原理 南开大学环境科学与工程学院2013 08 主要内容 我国城市环境空气质量状况和发展趋势我国PM2 5的来源颗粒物源解析技术南开大学近年的研究工作 空气质量达标城市比例 城市环境空气质量有改善趋势 但污染形势依然严峻 按照旧标准 二级100 g m3 可吸入颗粒物年均浓度达到或优于二级标准的城市所占比例呈升高趋势 按照环保部的估算 如果参照新环境空气质量标准 我国颗粒物浓度达标城市将不到20 颗粒物污染形势十分严峻 中国煤炭及能源消费总量逐年增加 中国历年能源消费量 亿吨 我国机动车保有量逐年递增 2012年全国机动车保有量已达2 4亿辆 其中汽车保有量1 2亿辆 机动车排放对我国环境空气质量的影响正越来越显著 中国历年机动车保有量 千万辆 我国颗粒物污染类型的演变 发展趋势 复合污染 我国PM2 5污染形势十分严峻 我国主要城市PM10和PM2 5浓度值均高于新标准 且远高于国外 细粒子污染占总体颗粒物污染比例总体较高 其中南方城市细粒子所占比例较北方城市高 我国PM2 5污染来源构成情况 PM2 5来源复杂 防控难度很大 我国城市扬尘污染依然严重 是颗粒物污染的主要来源 机动车尾气排放对PM2 5贡献显著 碳 氮氧化物 挥发性有机物 机动车尾气 道路扬尘 PM2 5 二次有机物 二次颗粒物对PM2 5的贡献显著 二次颗粒物也称二次粒子 它不是直接由污染源排放的 而是大气中的气态污染物通过光化学氧化反应生成的 主要包括二次硫酸盐 二次硝酸盐和二次碳颗粒 大气氧化过程 燃煤源 机动车排放 其它排放源类 SO2气体 NOx气体 VOCs 硫酸盐 硝酸盐 二次有机碳 二次颗粒物的形成机制 臭氧 醛 酮 酸等 大气颗粒物源解析的由来 大气颗粒物的来源非常复杂 既有有组织源又有无组织开放源 常规的源模型 扩散模型 已不能满足实际工作的需要 源模型不能建立全面的颗粒物污染源与大气环境质量之间的输入响应关系 颗粒物污染普遍且严重 为了有效地控制颗粒物的污染 需要清楚颗粒物的来源 对大气颗粒物的来源进行定性或定量研究的技术称之为源解析技术 大气颗粒物源解析技术 CMB受体模型的建立基于以下假设 其基础是质量守恒 在多种受体模型中 化学质量平衡 CMB 受体模型原理简单易懂 可以定量地给出各类排放源的分担率 成为了实际研究工作中研究最多 应用最广的受体模型 1 可以识别出对环境受体中的大气颗粒物有明显贡献的所有污染源类 并且各源类所排放的颗粒物的化学组成有明显的差别 2 各源类所排放的颗粒物的化学组成相对稳定 化学组分之间无相互影响 3 各源类所排放的颗粒物之间没有相互作用 在传输过程中的变化可以被忽略 大气颗粒物源解析技术 甲乙甲50 乙50 不能用甲乙来拟合 化学质量平衡模型的基本原理 Ci 受体大气颗粒物中元素i的浓度测量值 g m3 Fij 第j类源的颗粒物中元素i的含量测量值 Sj 第j类源贡献的浓度计算值 g m3 J 源类的数目 j 1 2 J I 元素的数目 i 1 2 I 大气颗粒物源解析技术 技术路线 大气颗粒物 TSP和PM10 来源解析研究 排放源类识别 受体采样的时空选择 离子组分 无机元素 碳组分 有机组分 粒度分布 建立源成分谱 建立受体成分谱 化学质量平衡受体模型 CMB 各类排放源贡献值 各类排放源分担率 颗粒物污染防治对策 大气颗粒物源解析技术 对所研究的区域内的主要颗粒物污染源进行调查研究 确定对受体中颗粒物有贡献的主要排放源类 采集所确定的主要颗粒物排放源类的样品并进行前处理 比如采集燃煤飞灰等 根据所研究区域的大小及区域内污染源的分布情况 结合气象因素 确定受体样品采集的点位及分布 同时 根据一年内颗粒物污染变化情况 确定受体样品的采样周期和采样时间 选择适当的采样滤膜和采样器 采集受体样品 分析源和受体样品中的化学组分 建立源和受体的成分谱 把源和受体的成分谱纳入CMB模型进行拟合计算 得到各源类对受体的贡献值和分担率 即源解析结果 根据大气颗粒物源解析结果 制定颗粒物污染控制方案 大气颗粒物源解析技术的实施 CMB受体模型的建立基于以下假设 其基础是质量守恒 在多种受体模型中 化学质量平衡 CMB 受体模型原理简单易懂 可以定量地给出各类排放源的分担率 成为了实际研究工作中研究最多 应用最广的受体模型 1 可以识别出对环境受体中的大气颗粒物有明显贡献的所有污染源类 并且各源类所排放的颗粒物的化学组成有明显的差别 2 各源类所排放的颗粒物的化学组成相对稳定 化学组分之间无相互影响 3 各源类所排放的颗粒物之间没有相互作用 在传输过程中的变化可以被忽略 大气颗粒物源解析技术 甲乙甲50 乙50 不能用甲乙来拟合 化学质量平衡模型的基本原理 Ci 受体大气颗粒物中元素i的浓度测量值 g m3 Fij 第j类源的颗粒物中元素i的含量测量值 Sj 第j类源贡献的浓度计算值 g m3 J 源类的数目 j 1 2 J I 元素的数目 i 1 2 I 大气颗粒物源解析技术 技术路线 大气颗粒物 TSP和PM10 来源解析研究 排放源类识别 受体采样的时空选择 离子组分 无机元素 碳组分 有机组分 粒度分布 建立源成分谱 建立受体成分谱 化学质量平衡受体模型 CMB 各类排放源贡献值 各类排放源分担率 颗粒物污染防治对策 大气颗粒物源解析技术 对所研究的区域内的主要颗粒物污染源进行调查研究 确定对受体中颗粒物有贡献的主要排放源类 采集所确定的主要颗粒物排放源类的样品并进行前处理 比如采集燃煤飞灰等 根据所研究区域的大小及区域内污染源的分布情况 结合气象因素 确定受体样品采集的点位及分布 同时 根据一年内颗粒物污染变化情况 确定受体样品的采样周期和采样时间 选择适当的采样滤膜和采样器 采集受体样品 分析源和受体样品中的化学组分 建立源和受体的成分谱 把源和受体的成分谱纳入CMB模型进行拟合计算 得到各源类对受体的贡献值和分担率 即源解析结果 根据大气颗粒物源解析结果 制定颗粒物污染控制方案 大气颗粒物源解析技术的实施 大气颗粒物排放源分类 颗粒物排放源类及排放特点颗粒物来源复杂 不能简单归属于一个行业 以煤烟尘为例 建材 化工 冶炼 钢铁 煤烟尘 工业锅炉 民用燃煤 电厂 大气颗粒物排放源分类 什么是颗粒物化学成分谱 颗粒物化学成分谱是CMB受体模型计算的基础 包含了颗粒物主要化学组成的含量信息 分为源成分谱和受体成分谱 源成分谱是描述颗粒物源类化学组成的数据集合 建立的源成分谱既要具有代表性 又要能保持各自的 个性 受体成分谱是描述研究区域环境受体颗粒物污染化学组成特征的数据集合 要能够反映研究区域典型颗粒物污染的空间和时间分布特征 颗粒物排放源类化学组成特点 土壤风沙尘 化学成分变化不是十分明显 煤烟尘 化学组成变化明显 煤质不同 燃烧方式不同除尘方式不同等 建筑尘 化学组成变化明显 不同标号的水泥 各类建筑材料等 钢铁尘 化学组成变化明显 炼钢 炼铁 机械加工等 扬尘 作为重要的开放源类和混合尘源类 其化学组成在空间和时间上存在着变化 大气颗粒物排放源分类 同一源类的颗粒物可以通过多种排放途径进入到环境空气中 以电厂煤烟尘为例 电厂煤烟尘 大气环境 点源 吹灰场 二重源解析技术方法 颗粒物进入环境空气中的途径问题 扬尘的定义 各单一尘源类所排放的颗粒物进入环境空气中后 部分颗粒物由于重力等作用沉降到地面 道路 建筑物顶 窗台等各类可以容纳颗粒物的地方 这部分沉降下来的颗粒物在自然力或人类活动等的影响下再次或多次进入环境空气中 这部分颗粒物就叫扬尘 土壤风沙尘 建筑尘 煤烟尘 机动车尘 钢铁尘 海盐粒子等称为单一尘源类 二重源解析技术方法 扬尘的特点 扬尘是一种混合源类 既可以视为环境空气中颗粒物的排放源类 又可以视为各单一尘源类所排放的颗粒物的接受体扬尘对环境空气中颗粒物的贡献客观存在采用CMB受体模型可以计算各单一尘源类对扬尘的分担率 也可以计算扬尘对环境空气中颗粒物的分担率 二重源解析技术方法 石家庄市和济南市扬尘组成解析结果 二重源解析技术方法 二重源解析技术原理示意图 以煤烟尘为例 A代表煤烟尘对受体总的分担率 B代表扬尘对受体的分担率 C代表煤烟尘在扬尘中的分担率 D代表煤烟尘以扬尘的形式进入到受体中的分担率 E代表煤烟尘除去进入扬尘的部分后对受体的分担率 D B CE A D 以扬尘形式进入 到受体的煤烟尘 D 直接进入到 受体的煤烟尘 E E D C 扬尘对 受体的 贡献 B 大气环境中的 煤烟尘 A 二重源解析技术方法 二重源解析的步骤 不考虑混合尘源类扬尘 仅用各单一尘源类进行解析 一次源解析 得到一次解析结果Ai 以环境受体中颗粒物来源的实际情况划分颗粒物排放源类 把地区扬尘也纳入CMB模型进行解析 得到结果Bi 把扬尘作为受体 用各单一尘源类对其进行解析 得到各单一尘源类在扬尘中的分担率Ci 用扬尘作为受体时的解析结果Ci和扬尘对环境受体的分担率B对一次解析结果Ai进行修正 得到各单一尘源类除去进入扬尘的部分后直接对受体的贡献率Ei 对Bi和Ei进行对照分析 并检验和印证源解析结果 综合得到二重源解析结果 二重源解析技术方法 济南市环境空气中TSP二重源解析结果 实例分析 二重源解析技术方法 D B CE A D 注 Ai代表源类i对受体总的分担率 Bi代表扬尘对受体的分担率 Ci代表源类i在扬尘中的分担率 Di代表源类i以扬尘的形式进入到受体的分担率 Ei代表源类i除去进入扬尘的部分后对受体的分担率 二重源解析技术说明了扬尘这一混合尘源类与各单一尘源类之间的关系 揭示了单一尘源类以不同的形式通过不同的途径对大气颗粒物贡献的规律 揭示了扬尘这一特殊污染源的本质特征 二重源解析技术同时解析出了扬尘和其它单一尘源类对受体的分担率 解决了扬尘与其它单一尘源类存在严重共线性问题及一套数据多个解析结果的问题 利用二重源解析技术得到了各单一尘源类进入到扬尘中的比例及各单一尘源类在扬尘中的分担率 为颗粒物分类治理提供了科学依据 二重源解析技术方法 南开大学近年来的主要研究成果 以二重源解析理论和复合受体模型为核心的大气颗粒物来源解析成套技术 以开放源污染为控制重点的颗粒物目标容量总量控制技术方法 颗粒物开放源控制理论 颗粒物采样仪器的研发 各类解析模型软件的开发 中文版NKCMB2 0软件系统 采用有效方差最小二乘法的算法 用VC 编写了NKCMB2 0软件 并在软件中实现了 穷举法 进行CMB模型结果选择的方法 NKCMB2 0最大的特点是在很短的时间内可以得到所有可能的结果 并按穷举法的排序方法对这些结果进行排序 极大地节约了运算时间 为结果的选择提供了有效的方法 提高了源解析结果的可靠性 具有自主知识产权的颗粒物源解析软件NKCMB2 0 再悬浮采样器解决了开放源粉末样品按一定粒径要求采集的问题 是获得大气颗粒物排放源成分谱滤膜样品的必备手段 旋转式颗粒物再悬浮结构的设计和装置具有创新性 先进性 填补了国内空白 能够采集空气动力学直径为100 m 10 m 2 5 m的颗粒物样品 颗粒物再悬浮采样器 能够模拟烟尘进入环境空气中的实际状态 采集到空气动力学直径为100 m 10 m 2 5 m的烟尘样品 解决了采集的煤烟尘成分谱真实性问题 只要更换不同粒度范围的切割头 便可以从各种固定源的排气筒中采集不同粒度范围的颗粒物 烟道气空气稀释湍流采样器 获一项发明专利 专利号 ZL03119498 2 两项实用新型专利 专利号 ZL03258297 8 ZL03240576 6 可同步采集一对TSP PM10 PM2 5的样品 提供了PM2 5样品的采样手段 小流量便携式双通道空气颗粒物采样器 技术推广与应用 2002年被科技部批准为 国家科技成果重点推广计划 项目 大气颗粒物源解析技术 技术依托单位 2003年南开大学的 大气颗粒物源解析技术 被确认为国家重点环境保护实用技术 2004年批准建设 国家环境保护城市空气颗粒物污染防治重点实验室 200 年被科技部批准为 国家科技成果重点推广计划 项目 城市空气颗粒物污染防治技术 项目承担单位 2007年制定的国家