大气颗粒物的影响

大气颗粒物的影响方瑾（浙江海洋学院 海洋科学学院 浙江 舟山）【摘要】：大气颗粒物是影响城市空气环境质量的重要因素，尤其在城市近地面环境，即人呼吸带高度周围，大气颗粒物对人类健康有至关重要的影响。而城市近地面环境与人呼吸带高度范围相当，近地面大气颗粒物对行人健康有直接影响。而其中可吸入颗粒物已经逐渐成为我国许多大中城市的首要空气污染物，据国家环保总局污控司大气处2004年2月统计，在全国监测统计的343个城市中，60.0%城市颗粒物PM10浓度超标。包括北京、上海等113个重点城市中，64.6%的城市超标。其中37.7%的城市超过三级标准。有308个城市总悬浮物平均浓度高于世界卫生组织的客气质量指南值，占统计城市的95.7%。【关键词】：颗粒物，空间分布，环境污染，危害人体健康，净化The influence of atmospheric particulatesFANG Jin（Marine Science College, Zhejiang Ocean University Zhoushan Zhejiang）Abstract: Atmospheric particulate matter is influence city ambient air quality is an important factor, especially in the city near the ground environment, namely human breathing zone height around, atmospheric particulate matter on human health have crucial effect. While the city near the ground environment and human breathing zone height range, near ground atmospheric particulate matter health has a direct impact on pedestrian. The particulate matter has gradually become Chinas large and medium-sized city s primary air pollutants, according to the State Environmental Protection Administration Department of pollution control air department in 2004February statistic, in national monitoring statistics of 343City,60% City particulate matter concentrations exceed the standard PM10. Including Beijing, Shanghai and so on 113 key city,64.6% City exceed the standard. In which 37.7% of the city of more than three standard. There are 308city total suspended solids concentration higher than who kind quality value, accounting for95.7% of the city.Key words：Particulate matter，Environment pollution，Endanger human body health，Purify1.大气颗粒物的组成 大气颗粒物是影响城市空气环境质量的重要因素1，尤其在城市近地面环境，即人呼吸带高度周围，大气颗粒物对人类健康有至关重要的影响2-4。城市近地面环境亦是大气颗粒物通过干湿沉降、碰撞、粘附、扬起等机制，与地面物质之间进行交换的重要场所5-6。了解大气颗粒物在城市近地表环境的时空分布特征十分必要。植物叶片是近地面环境大气颗粒物的良好载体，它通过吸附、阻滞、承接作用成为空气颗粒物过滤器7-8，通过对滞尘叶片的各种测试可探讨大气颗粒物的质量、大小、成分等诸多要素9-11。相对于固定站点的器测，植物叶片监测更是具有操作便利、消耗低、普适性强等优势。对于城市植物叶片滞尘的相关研究较多，探讨了不同植物种类叶片的滞尘效应12-17及叶片颗粒物来源14，但利用叶片滞尘效应分析城市近地面环境大气颗粒物空间变化特征的研究较少。本文即以大气颗粒物污染严重的石家庄市为代表，着重探讨低矮灌木大叶黄杨叶片滞尘量和叶片滞尘颗粒物粒度在空间上的变化，为利用植物叶片监测大气颗粒物的研究提供参考。 不同来源的颗粒物由于形成条件不同, 其粒径分布、化学组成也大不相同。粗颗粒主要通过机械作用产生, 而后两种颗粒则主要来自燃料的燃烧, 包括燃烧后的直接排放和通过化学转化生成气态污染物18 。PM10是大气中的主要污染物, 它的成分比较复杂, 主要由有机物、硫酸盐、硝酸盐以及地壳类元素组成。其中有机物的组成相当复杂, 已检测出多环芳烃、联苯类和含氮、硫、氧等原子的化合物, 共110 多种。目前由于城市工业化的进一步发展, 大气中颗粒物的性质已发生变化, 形成燃煤污染向机动车尾气排放的颗粒物和气态污染物的转变, 造成大量小而细的颗粒悬浮于城市空气中达数周, 并进入肺的深部, 对居民健康造成不良影响19 。2.大气颗粒物的危害2.1 对人体的危害大气中的颗粒物的成分非常复杂，而且与地域不同又很大的差别，它一般有各种无机盐类、有机物和微生物组成无机盐类主要包括硫酸盐、硝酸盐等各种阴离子和各种重金属；有机物主要是各种饱和的和不饱和的烃类物资；微生物主要是各种病毒细菌。大气颗粒物按其动力学直径的大小，可分为总悬浮颗粒物TSP、可吸入颗粒物PM10。其中PM10可以通过人体的体内，而PM2. 5还可以通过呼吸进入人体的肺泡里，为此这两种颗粒物对人体的危害是非常大的。国外大量流行病学研究资料表明，可吸入颗粒物PM10的浓度的上升与疾病的发亡率的关系很密切，其中尤其是和呼吸系统疾病和心脏病。其中有大量资料研究表明, PM10每上升10g/m3，每天总死亡率上升1%，呼吸系统疾病上升34%，心血管疾病上升14%，哮喘上升3%，肺功能下降0. 1%。10Ostro等人在智利圣地亚哥调查了3到5岁的儿童的上下呼吸道疾病与颗粒物的关系。他们发现2岁以下和3到15岁的儿童下呼吸道发病率与PM10有显著的关系，3到15岁儿童的上呼吸道感染率和PM10也有很显著的关系，对2岁以下的儿童，PM10每上升50g/m3，其下呼吸道发病率上升3%到9%。同时国内外的其他研究人员也发现了类似的结论，如中国的胡伟等研究了中国4个城市空气污染与儿童肺功能指标的关系。他们的研究结果表明，PM10、PM2. 5、TSP与FEVl、FEVl/FVC80%的异常率由显著的统计相关型。这就说明空气的颗粒物污染是导致儿童小气道通气功能不正常的主要原因。10近年来，生物颗粒物的污染问题也逐渐成为了研究的主要问题了。因为他们有很多种病毒，这些病毒大多对人体有很大的危害的，他们可以通过空气传染人体，而且传染速度非常快，因此他们对人体的危害是非常大的，今后要重点研究他们的来源。2. 2对环境的影响2. 2. 1对能见度的影响 大气颗粒物的天气效应主要体现在其对能见度的影响。自20世纪70年代以来，大气颗粒物对能见度的影响就一直是环境保护部门关心的重点对象了。大量研究表明，PM2. 5与能见度的关系很密切。通过国内外大量研究人员的研究，能见度降低的主要原因如下：物体和环境之间没有了对比度；大气颗粒物和气体污染物对光的吸收和散射减弱了光的信号。对光的散射效应：光的散射是能见度降低的主要原因，颗粒无的散射能使6090%的能见度降低。其中大颗粒物对他的影响不是很大的，只要是小颗粒物对他的影响，尤其是那些大小与可见波长相近的颗粒物引起的影响最大了。因此，我们通常认为散射主要与PM2. 5有关系。同时也有研究人员发现，能见度的好坏也与颗粒物的组成有很大的关系。其中就有不少研究人员发现，细颗粒物中的硫酸盐是最主要的散射物资，其次就是有机碳了，但是在某些地方硝酸盐也是主要的物资。如Sisler等就研究发现，细颗粒的硫酸盐、有机物对bext的贡献率相当，范围在2030%，粗颗粒的贡献率在1020%，硝酸盐的贡献率很低。10但是也有研究人员认为硫酸盐不是最主要的散射物资，如Apple等就认为，细颗粒硝酸盐的散光效应就比硫酸盐的强。对光的吸收效应：颗粒物对光的吸收效应也是使能见度降低的主要原因。颗粒物对光的吸收效应不单跟颗粒物的大小有关，也与颗粒物的组成成分有关。其中元素碳的吸光系数为5-20m2/g，远远大于其它物资的吸光系数。因此，我们可认为PM10和PM2. 5对光的吸收主要是元素碳引起的。2. 2. 2对温度的影响以前很多人认为颗粒物具有“原伞效应”，它能反射和吸收太阳的辐射，减少紫外线，使地面的辐射减少，降低温度。在后面的很多研究的模型中也发现，颗粒物在增加不多的情况下,地面有增温的现象。同时也有研究人员认为，颗粒物越多，增温效应越大。美国科学家最新公布的一项研究表明，煤烟效应是造成最近100多年来地球表面升温的最主要原因之一，它的危害程度是温室效应的2倍多。据有关报道。被吸收的太阳光能导致冰雪融化，这样的话就会进一步提高冰雪对太阳能的吸收率。当冰雪融化的时候，就能吸收90%的太阳光，这样就会导致地球的温度上升，加快冰雪的融化，加大对地球人类的危害。2. 2. 3对降水的影响城市中的很多污染源都会像大气中排放颗粒物，这些颗粒物将会与水汽结合形成雨。据有些资料表明，有很多城市的降雨量比郊区的大，大概多510%。大气颗粒物不单在形成的云的时候对它的化学过程有影响，同时他还会影响降雨的酸碱度。中国的研究人员，黄美元等在运用云下雨谁算化模型模拟研究了不同难度和酸度的气溶胶对雨水中几种离子组成的影响，得出了颗粒物的酸碱度是决定是酸化还是碱化的主要原因。2.3 对社会经济的影响大气颗粒物会对我们的社会造成以下的影响：对植物的影响，大气颗粒物会影响植物吸收太阳光,严重影响植物的发育，严重的会造成植物的死亡；颗粒物中带有很多重金属和很多有毒的有机和无机化合物，他们随雨水进入地表，会严重污染我们的水源和土壤，这样就会间接危害我们人类的健康；大气颗粒物，尤其是酸性大气颗粒物。当他们随雨水进入地面时，会严重毁坏我们的各种建筑物, 造成很大的经济损失。3. 大气颗粒物的毒作用机制研究表明，大气颗粒物的理化性质与粒径密切相关。10m 以下的颗粒物可进入鼻腔，7m 以下的颗粒物可进入咽喉，小于2.5m 的颗粒物可深达肺泡，其表面吸附大量的有毒有害物质，经过呼吸沉积在肺，进而进入血液循环23。大量流行病学研究资料提示，大气中PM10浓度每上升10g / m3，每日死亡率则上升1%，呼吸系统疾病上升3% 4%，心血管疾病发病率上升1% 4%24。此外，哮喘及其他呼吸系统疾病。3.1 自由基的氧化应激大量的研究表明，颗粒物具有产生或诱导产生自由基的能力，可引起体内的氧化应激反应。其表面吸附的可溶性过渡金属如铁、铜、锰、镍等可通过一系列反应在体内生成羟自由基( OH) 和活性氧( ROS) 25。此外，颗粒物进入机体后，还可通过多种途径产生更多的自由基，如醌类在氧化还原循环过程中可以释放出大量ROS，导致氧化应激 26-27。半醌类可催化体内的氧化还原循环, 产生O2- ，最终形成毒性更多的OH；而组织中的还原型物质( 抗坏血酸、谷胱甘肽等) 可将氧化型醌类还原, 再产生O2-；如此循环往复，不断对机体产生损害。Delling er 等人 28 应用电子自旋共振技术也发现PM中含有稳定的半醌类自由基，它们可吸附于颗粒物表面并持久具有氧化还原活性。3.2 PAH 的遗传毒作用 柴油机排放的颗粒物( diesel ex haust par ticles, DEP) 中所含的有机化合物大部分为PAHs29。PAHs 是大气中主要的致癌物，它含有多种活性成分，如醌类，通过产生ROS 和形成加合物，诱导体内的突变过程。此外，PAHs在机体生物代谢过程中，与相应的酶发生环氧化反应并与DNA 和蛋白形成PAH 加合物，导致细胞遗传物质的突变和癌变。Sato等人发现30，受试者在连续四周接触含DEP 的污染气体后，肺组织的突变率及8- 羟基- 2 脱氧鸟苷( 8- hydroxy- 2 - deox yguanosine, 8- OhdG) 水平均明显增加，证明DEP 可直接引起H2O2 及OH 产生，导致组织突变，且突变的形式主要是碱基在配对过程中发生G: C 到T: A 的突变，经过研究认为这一突变形式是颗粒物引起癌变的重要作用机制。3.3 吞噬作用与炎症颗粒物进入肺泡后，被肺巨噬细胞和中性粒细胞吞噬或转移出肺31。巨噬细胞及中性粒细胞在吞噬颗粒物的过程中产生呼吸爆发，释放出大量ROS，或通过转录因子刺激前炎性细胞素的释放，引起细胞内的氧化应激32-34。由于吞噬细胞的吞噬能力有限，当吸入的颗粒物超过巨噬细胞的吞噬能力时，颗粒物与上皮细胞的作用时间延长，引起上皮细胞的氧化应激，并刺激巨噬细胞和其它间质细胞释放前炎性介质，产生炎症，造成免疫系统受损35。4. 运动与可吸入颗粒物目前，有关PM10的流行病学研究大部分都是针对普通人群，而对运动员这一特殊群体的研究报道较少。从以往为数不多的有关大气污染与运动的研究结果中得知，运动可能更增加颗粒物对人体健康的危害36 ，大致归纳为以下三个方面的原因。4.1 运动导致呼吸频率增加由于运动时体内代谢旺盛，呼吸系统将发生一系列变化以适应机体代谢的需要，出现呼吸加深加快和肺通气量增加。尤其在以有氧代谢为主的运动中，氧气量可以从安静时的500 ml 上升到2000 ml，呼吸频率可从12 18 次/ min 上升到50 次/ min，通气量可达100 L/ min 以上37。Watt 等人38 研究发现，在公路附近进行作业的人PM10的吸入量明显高于在同一地区静坐的人。同样，Van Wijinen 等人39 在阿姆斯特丹火车道周围的大气环境中进行实验也发现，运动强度越大,受试者吸入PM10的量就越多。4.2 运动时呼吸方式的改变运动时呼吸方式也发生变化，即以口呼吸代替鼻子呼吸，这就导致较多的污染物通过嘴进入到呼吸系统，鼻腔内过滤装置清除异物的能力也较安静状态时明显下降。Muns 等人40 发现，经过几天大强度的长跑运动后，运动者鼻腔黏膜纤毛清除污染物的能力较实验前明显的削弱。4.3 运动引起肺扩散能力增强Turcotte 等人41 提出，运动时气流速度加快，气体在肺的扩散能力增强，因此，他们推测运动时吸入肺内的污染物的扩散能力也会相应增加，使更多的颗粒物进入呼吸系统更深的区域。可见，运动时吸入体内的颗粒物不仅数量急剧增多，且扩散速度及范围也相应增加，这可能是运动员较普通人群更易受到可吸入颗粒物危害的原因。5.颗粒污染物的净化5.1 机械分离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。5.1.1 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。重力沉降室结构简单、造价低、压力损失小、便于维护、且可以处理高温气体。20主要缺点是只能捕集粒径较大的颗粒物，仅对50微米以上的颗粒物具有较好的捕集作用，因而效率低，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。5.1.2 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。通常是使气流冲击在挡板上，气流方向发生急剧改变，气流中的颗粒物惯性较大，不能随气流急剧转弯，便从气流中分离出来。5.1.3 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。离心除尘器也称为旋风除尘器,具有结构简单、占地面积小、投资低、操作维修方便、压力损失中等、动力消耗不大、可用各种材料制造、能用于高温或高压及腐蚀性气体、并可直接回收干颗粒地优点。一般用来捕集5至15微米以上地颗粒物,除尘效率可达80%左右,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。5.2 静电沉积静电沉积是让气溶胶通过电晕放电电场使其中的颗粒荷电，荷电颗粒在电场力的作用下从气相中分离。提倡把静电沉积设备陈伟静电除尘器。电除尘器是一种高效、低阻、适用范围较广的颗粒物捕集设备，既可用于废气净化，也可用于空气调节；既可控制固体微粒，也可控制液体微滴；并可用于高温、高湿、高压气体的净化，其缺点在于：设备体积庞大，建造费用较高，对颗粒物的导电性有一定要求。其原理是当微粒进入电晕放电的电场，就会带上电荷。荷电微粒在电场力的作用下向极性与之相反的电极运动，并沉降到该电极上。产生电晕的电极称为放电极或电晕极，供尘粒沉积的电极称为集尘极。205.3 过滤除尘过滤，是让气溶胶通过滤层，使颗粒污染物与载气分离，是一种高效颗粒污染物分离技术，并具有适用面广、可靠性高等优点。过滤净化装置有多种结构形式和滤层（课由纤维材料、颗粒材料或多孔材料构成），分别适用于不同性质（温度、压强、颗粒物大小等）和成分的气溶胶，满足不同净化要求。5.3.1 袋式除尘器利用棉、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。该方法除尘效率高，一般可达99%以上，适应极强，能够处理不同类型的颗粒污染物，操作弹性大，除尘效率对入口颗粒污染物浓度及气流速度变化具有一定稳定性，结构简单, 使用灵活，便于回收干料，不存在污泥处理。但袋式除尘器的应用受到滤布的耐温、耐腐蚀等操作性能的限制，一般使用温度应低于300e。5.3.2 颗粒层除尘器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。除尘过程中大颗粒污染物主要借助惯性力，小于0. 5微米的颗粒物主要靠滤料及被过滤下来的颗粒表面的拦截和附着作用过滤下来，净化效率随颗粒层厚度增高而提高。颗粒层除尘器按其功能可分为单颗粒层除尘器和组合颗粒层除尘器两种。5.4 湿式除尘器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。湿式除尘主要通过惯性碰撞、扩散、凝聚、粘附等作用来捕获尘粒。湿式除尘常用的有喷淋塔、填料塔、泡沫塔、卧式旋风水膜除尘器、中心喷雾旋风除尘器、水浴式除尘器、射流洗涤除尘器、文丘里洗涤除尘器等。20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, 并可能造成二次污染。6. 对大气颗粒物危害的预防6.1控制颗粒物进入大气目前控制空气中的颗粒物浓度，主要是减少颗粒物排入空气中。大多数都是采取综合措施,如减少产生大气颗粒物的污染源，调整城市的能源结构，其中改进各个污染源的生产工艺是很重要的，使他们推行清洁生产。6.2加强措施清除空气中颗粒物湿化空气或降雨都可起到净化空气作用，特别是对颗粒物有较好的效果，花卉草木等也都可吸收空气中的颗粒物。最新的研究证明，海面上的云层（海云）对清除空气中颗粒物等污染物的效果最好。大陆上空的对流云层和降雨都没有海云的效果好，主要原因是海洋上空有大量的海盐。它帮助清洁空气污染物的原理是：气流（风）使海水产生的浪花,又经气流气化，使带有盐的气雾加入到空气中,形成海盐颗粒物，又随气流混合于云层内吸收大陆空气颗粒物，产生大量的云团并导致降雨，这样不断反复循环，起到清除空气中颗粒物的作用。22它明显可以净化海和近海上空的颗粒物，但还不能净化内陆所有的空气，这可能是沿海地区空气中颗粒物相对少的原因。6.3个人防护颗粒物的措施目前，还没有能大量清除空气中颗粒物的理想方法，所以个人只能以减少吸入的被动措施为主。如要尽量减少到城市的繁华地区、特别是少去机动车较多的地方，住所要远离高速公路和大马路，注意家庭生活燃料的选择，排除室内的油烟,不吸烟或减少吸烟，保持居室内外的湿度，房前屋后多种树木花草。6.4大力培养环境保护人员国家在研究大气处理措施的资金方面要加大，这样就能研究出更多更好的处理措施。7. 大气颗粒物治理措施7. 1 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, 是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。7. 2 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。7. 2. 1 水域生态工程方案城市中的水域是唯一不起尘的地域，而且还具有吸尘、降尘和调节城市气候的重要作用，是城市生态平衡的重要因素。因此，要充分利用城市地质条件，保持并扩大现有水域面积，同时积极开发新的水域，提高水域覆盖率。该工程方案除了具有生态效益外，还可考虑其经济效益，例如，建设水上训练基地或旅游度假村等。7. 2. 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0。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，方案对绿化工程作出重点规划。绿化工程的设计思想：以林为主，草花为辅，建设大型防护林带和城市森林公园，尽快形成城市森林系统，使绿化工程最大限度地发挥环境保护和生态平衡作用;规划设计大、中、小型的以林为主, 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, 作到黄土不露天；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) 围绕城市外部建立外防护林带，形成以抵抗外来大气颗粒污染物的防护。再在城市中，沿河流、湖泊建立内防护林带，保证城市大气颗粒污染物的净土。(2) 建立城市森林公园，给城市建造有一个/ 肺0，便于城市消耗以产生的城市大气颗粒物污染。(3) 许多城市都在近郊有储灰场，用来堆积城市建筑、日常生活所产生的灰尘、垃圾。储灰场是重要起源之一。该工程拟先在储灰坑周围建设高大防护林地，以阻挡灰坑起尘。注重储灰场的封闭问题，尽可能的避免其灰尘外扬。生活垃圾场周围也需建设高大防护林地，以阻挡垃圾山起尘。服务期满后进行土地恢复处理。还要做好裸地绿化工作，尽量做到城市退耕还林，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。结束语由于城市持续高速的经济增长和污染控制的困难，城市空气污染治理将存在一个很长时期。通过对上文的论述我们可以清楚地看到，大气颗粒物对我们人类的危害是越来越严重了，它危害我们人类的健康，同时还使地球的天气气候越来越恶劣了，而且颗粒物已经严重影响了我们经济的发展。由于其组成、结构的复杂性，对我们人类的健康和发展都有着重大的影响，对城市空气和发展有着恶劣的影响，对地球环境也有着不可忽视的影响。目前，还存在着治理难、治理资金投入大、技术水平有限等问题。因此，大气颗粒物污染任重而道远。为此，要加大各种研究力度，使我们的天空再一次变得清澈。参考文献1 任阵海,万本太,苏福庆,等.当前我国大气环境质量的几个特征J.环境科学研究, 2004, 17(1): 1-6.Ren Zhenhai, Wan Bentai, Su Fuqing, et al. 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