唐孝炎专访:防治臭氧污染重在减少氮氧化物排放

作者:陈芳
2017.07.13

臭氧问题权威专家、中国工程院院士、北京大学环境科学与工程学院教授唐孝炎院士接受政能亮访谈,谈臭氧污染的成因与防治。

据“新华视点”报道,6月初,环保部公布的《2016中国环境状况公报》显示,臭氧已经成为京津冀、长三角地区仅次于PM2.5的空气污染物,在珠三角地区更是取代PM2.5成为首要空气污染物。面对日益严峻的臭氧污染,环保部已采取部署PM2.5和臭氧的协同控制、出台VOCs的治理政策标准、削减氮氧化物排放等措施。

6月15日,臭氧问题权威专家、中国工程院院士、北京大学环境科学与工程学院教授唐孝炎院士接受政能亮访谈,谈臭氧污染的成因与防治。

嘉宾简介

唐孝炎,中国工程院院士、北京大学环境科学与工程学院教授、联合国环境署臭氧层损耗环境影响评估组共同主席。唐孝炎院士在大气臭氧、酸雨和大气细颗粒物化学方面作过许多具有开拓性和创造性的系统工作,创建了我国最早的环境化学专业;领导组织了兰州光化学烟雾大规模现场综合研究,最早发现我国光化学烟雾;曾获国家科技进步一等奖、国家环保总局臭氧层保护个人特别金奖、美国国家环保局平流层臭氧保护奖等国内国际多个奖项。

一、有害的臭氧与保护人体的臭氧有何不同?

政能亮:今年五月六月,环保部曾两次发布臭氧污染预警。您早在2013年接受媒体采访时就提到注意臭氧污染。对公众而言,过去臭氧一直被宣传为保护地球的东西,现在的臭氧污染是怎么回事?

唐孝炎:我们对臭氧污染的关注,始于1974年在兰州西固化工区的研究,一直到现在。

1989年到2010年这段时间,国内对臭氧问题关注比较多,但那时谈的是高层大气中的臭氧,即平流层臭氧。平流层臭氧是好东西,能吸收掉强紫外射线,使人体得到保护。我们现在讲的臭氧是近地面的,就不是好东西了,相反会带来一些影响,主要表现在对人体呼吸道和心血管的影响,对农作物和古典文物的保护也有一定的影响。

臭氧从哪儿来的?实际上跟二氧化氮(NO₂)有关。二氧化氮在太阳紫外射线作用下发生光解,产生一氧化氮(NO)和一个原子氧。这个原子氧是不稳定的,很快就会和空气中20%左右的氧气生成臭氧(O₃)。因为还有一氧化氮存在,生成的臭氧立即与一氧化氮作用,重新再生成二氧化氮,回到原点。但是由于大气中存在大量的挥发性有机化合物(VOCs),情况就有了变化。

大气中存在的挥发性有机物(VOCs)在太阳紫外射线的作用下,对大气中的自由基起增殖作用,产生大量自由基,自由基在大气中是个氧化性物质。大气是具有氧化性的,实际上这是大气的本质。如果没有大气氧化性,地球表面就会一直排放一氧化碳,转化不了二氧化碳,人类就无法生存。而引起氧化性的物质也是一直存在的,就是大气里的自由基。

但原来的自由基没那么高,20年前,国外的专家在空气清洁地区做过测定,每立方厘米空气中大概有106个自由基。2004年,我们在中国污染地区测定的自由基浓度已经达到每立方厘米空气中有108个自由基,比清洁地区多了100倍。污染地区为什么那么多的自由基?就是排放的一次污染物在大气中与挥发性有机化合物反应,由于挥发性有机化合物的排放量也很大,结果就造成自由基的增殖反应速度比干净地区快几十到百倍。

臭氧和PM2.5都是二次污染物,又都是由一次污染物转变而来。以前的臭氧本底浓度约为30个PPb左右,但在光化学烟雾时期能达到200个PPb,1个PPb等于2微克/立方米。

二、臭氧与光化学烟雾什么关系?

政能亮:您对臭氧污染的关注始于1974年领导组织的兰州光化学烟雾大规模现场综合研究,那也是首次发现我国光化学烟雾,那次的研究结果是怎样的?

唐孝炎:1974年,当时我们在北大陕西汉中分校设立了环境化学学科,甘肃省环保所找到我们描述了兰州西固地区出现的夏季的污染,使当地的小学生上课时流泪,发现兰州夏季出现的污染和冬季烧煤产生的二氧化硫污染不一样,而且出现了跟美国洛杉矶光化学烟雾事件类似的征状,除了对人体的影响,发现植物也受到伤害。1950年代初期,美国洛杉矶光化学烟雾事件中,最早的发现是电线经常遭到腐蚀,臭氧除了对人体有影响以外,对植物和各地的文物古迹都会造成影响。

这种情况下,甘肃环保所找到我们,希望帮他们鉴别是哪一种污染。那时候正处文革时期,研究条件非常困难,我们跟国外没有任何交道,有些书籍和文献都是影印的,完全靠自己动手建立测定和验证的方法。

经过三四年的时间,我们正式测到了一种在大气中不会自己生存的物质,叫过氧乙酰硝酸酯,英文名为PAN,这是光化学烟雾的特征污染物。并且也发现了区域输送现象,在西固化工区西部45公里下风向地区测到了高值的臭氧,跟当时洛杉矶光化学烟雾的传输征状类似。通过测到的PAN,加上高值的臭氧和VOC、NOx等气态污染物,1978年,我们确定兰州污染是光化学烟雾。

1980年得到国家科委和国家环保局的对兰州工作的支持后,我们在兰州又正式开展了大规模的大气物理和化学的监测,一直到1984年,这项研究工作才基本结束。这次进一步弄明白了兰州光化学烟雾的成因:兰州西固有一片石油化工区排放了大量挥发性有机化合物(VOCs),附近还有个氮肥厂排放了大量氮氧化物,这两种物质排到空气中与太阳光中的弱紫外光接触,发生非常快速的系列光化学反应。在这个过程中,原来的一次污染物转变成二次污染物,而气态二次污染物最明显的就是臭氧,还有大量的自由基,以及一些细小颗粒物即我们现在关注的PM2.5。

70年代兰州西固地区的光化学烟雾与洛杉矶光化学烟雾,最大不同是源的不同。

三、造成臭氧污染的源有哪些?

政能亮:源分别是什么?

唐孝炎:洛杉矶的光化学烟雾的主要来源是汽车尾气,兰州主要是化工污染,那时候没有多少汽车,这是主要的区别。之后,我们到东北大庆、上海金山化工等石油化工区也研究了臭氧问题,发现每个地方都有自己的特点。因为与地理位置、太阳光强度、一次污染物的排放都有关系。

洛杉矶当时有二三百万辆机动车,但受洛杉矶光化学烟雾影响最大的地方,是在其下风向的几百公里处,说明是输送过去的。因为汽车多的地方排放的一氧化氮和臭氧发生作用,使臭氧削减了,必然在输送一段时期后在比较远的地方出现高值。兰州的情况正好相反,因为没有那么多的一氧化氮。兰州西固本地当时测的臭氧浓度是200多个PPb,到了下风向地区变成400多个PPb。

政能亮:造成臭氧污染的源并不是单一的?汽车多的地方臭氧不会太高什么原因?

唐孝炎:只要条件符合,臭氧是会生成的,并不完全取决于是汽车尾气、石油化工或者其它什么。

根据我们的观测,城市地区的地面的臭氧浓度一般来讲不容易过高,我们曾经在北京前门交通中心点测到过臭氧的浓度为零,原因就是那里的汽车很多,汽车尾气中的一氧化氮马上会把升高的臭氧作用掉,即NO+O₃,变成NO2+O2。

臭氧晚上也不会太高,因为没有太阳光了,它必须是在太阳光紫外射线的作用下,才会很快生成。

四、普通人如何感知臭氧污染?

政能亮:我们现在的臭氧浓度高吗?有没有要特别注意的地方?

唐孝炎:这儿的臭氧浓度虽然超标但不算高。我们国家最早的臭氧标准,是1979年我做完兰州试验定的,每年只能允许有一次达到200微克/立方米,设定标准主要考虑人体承受能力。世界卫生组织规定的地面臭氧的指导值(2005年)为100微克/立方米,这是保证人体健康的限值,一般国家的标准在达不到这个值的时候,可以略高。我们国家现在是跟着美国标准走的,判断臭氧超标常常是连续八小时的均值高于150微克/立方米。

政能亮:按照这个标准,我们国家最近几年出现的臭氧超标情况多吗?

唐孝炎:我们国家的一些大城市,如北京、上海、南京、成都、合肥等到夏天都有超标,珠三角地区秋季有超标。天气很好,PM2.5浓度不高,但臭氧超标了。对孩子和老人有些影响,主要是呼吸道、气管、肺部以及心血管等。

政能亮:臭氧污染在大城市会像PM2.5那样暴发吗?

唐孝炎:现在不会,因为国家已经注意到了臭氧污染,臭氧浓度超标也不会高出太多,不会出现兰州和洛杉矶那样程度的光化学烟雾。

政能亮:与雾霾主要发生在冬季不同,臭氧污染主要在夏季?

唐孝炎:北京4月份就开始了,一直到9月份,个别到10月份。往南边去,太阳光越强,越高,但南方夏季雨水较多,臭氧不会太高,广州高值出现在9-11月。

政能亮:对公众而言,臭氧污染并没有像雾霾那样引起足够的关注,如何提高这方面的认识?

唐孝炎:臭氧是没有颜色,有一点味道,但不是特别强的气体,很难感觉到。有一个日本专家他可以用鼻子感觉出来臭氧的浓度,我到现在也感觉不出来。目前这种两三百个ppb的浓度一般是闻不着的。PM2.5 是颗粒体,它的组分对阳光有吸收和散射的作用,因此可以看到灰蒙蒙的一片。但是用作净化剂的臭氧能闻得到味道。

政能亮:除了影响人体,臭氧影响农作物是怎么回事?

唐孝炎:影响小麦、水稻等农作物颗粒的生长过程,导致产量下降。对蔬菜也有毁坏作用,譬如兰州当时发现西红柿、菠菜的叶子反面生锈的现象。光化学烟雾很有意思,影响植物的纤维,叶子正面看不出来,反面会生锈。

五、臭氧和PM2.5有没有关系?

政能亮:臭氧和PM2.5都是二次污染物,这个怎么理解?

唐孝炎:PM2.5和臭氧都是二次污染物,挥发性有机化合物与氮氧化合物造成大气氧化性的增强,使得一次污染物——二氧化硫、氮氧化合物与有机物,发生转化变成二次污染物。实际上是大气氧化性大大加强了,也就是说自由基的浓度升高了。臭氧和PM2.5在大气氧化性的作用下一般情况应该都是增高的,但是二者的形成条件是有所不同的。 臭氧是需要在光辐射较强的情况下容易产生,而PM2.5则会影响阳光的强度,所以当气象条件特别是逆温层形成的时候,空气的流通量较小的情况下,PM2.5的生成影响了地面受到的辐射量,也就影响了臭氧的生成。所以,在夏秋季节的气象条件下,臭氧的影响会比较显著。到了晚秋和冬季,阳光强度已不利于臭氧的生成,当气象条件不利时,高浓度的一次污染物快速转变成PM2.5,甚至出现重污染。

政能亮:您很早就关注了臭氧问题和PM2.5,但公众关注点更多在雾霾,以为臭氧污染是最近才有。

唐孝炎:实际霾与雾都是气象术语,霾是PM2.5造成的后果。

早在1995年有关部门让我去谈下一个五年计划应抓的重点,我就讲到必须注意细颗粒物,但当时没有引起足够重视,专家讲的话一般要滞后多年才能被接受。

1997年我就提出,我们国家的大气污染类型已经变型了,由原来一直关注的煤烟型污染到了复合型污染,就是煤烟加上汽车尾气、扬尘、各种各样的VOCs,变成了非常复合的大气污染环境。

2013年我国开始出现重污染天气,实际上我们很早就测了,只是那时候没有测PM2.5,但PM10污染指数已经达到七八百甚至上千。大家关注是因为看见天灰蒙蒙的,但实际看到的不是PM2.5,而是PM2.5对大气光的一种反应。我们这里呈现是灰蒙蒙的,有的国家是黄色,也有的国家是粉红的,什么颜色跟一次污染物的组成和量的多少有关。灰蒙蒙的颜色,跟一次污染物中的黑炭有关。

PM2.5是由气态物质转化变成颗粒状态。这一转化过程是大家现在花大力气在研究的,是由纳米级开始的,好多问题还在探索过程中,但大面上已经清楚了,就是氮氧化物在太阳光作用下发生了一系列的光化学反应,速度快的不得了,中间起主要作用的就是自由基。

六、产生VOCs和氮氧化合物的源有哪些?

政能亮:无论是PM2.5还是臭氧,很关键的两种物质就是VOCs和氮氧化合物。产生VOCs的源有哪些?

唐孝炎:现在我们国家的主要问题还是出现在城市,城区基本是VOCs起控制作用,农村郊区人为的VOCs量就少了。VOCs的污染源主要是工业,相当部分是城市的化工工业,几乎所有的燃烧源都会产生VOCs。VOCs还来自于我们的日常生活和活动。比如机动车、加油站、建筑涂料、家具制造、餐饮、喷涂,平时量不是很大,但到重污染时影响就大了。还有就是大量的无组织排放。

政能亮:氮氧化合物的源主要有哪些?

唐孝炎:来自燃烧过程。和二氧化硫主要来自于含硫原料的燃烧不同,氮氧化合物除了来自于含氮原料的燃烧以外,它还来自空气里含有的氮气和氧气在高温燃烧时自己合成变成的氮氧化合物。

政能亮:很多地方政府和企业以为天然气是清洁能源,以为更换了天然气能源就没污染了,其实不是?

唐孝炎:天然气不能说是清洁燃料,比煤、油好一点,就是没有硫。使用天然气的时候,燃烧的温度超过了氧气与氮合成的温度,就会有氮氧化合物产生。用天然气替代煤,硫没有了,但是氮氧化合物的排放量不比用煤少。成都最明显,天然气用的很多,以为自己没问题了,但现在成都氮氧化合物浓度很高,夏天太阳光强的时候,臭氧问题就突出了。

七、如何防治臭氧污染?

政能亮:目前在臭氧的防治上有什么办法?

唐孝炎:就是减VOCs,减氮氧化合物。但每个地方还不一样,因为VOCs和氮氧化合物之间是非线性关系,并不是减VOCs这么多,NO₂也减这么多就是好的。在北京奥运期间我们测试,VOCs减的很多,氮氧化合物也往下减,结果,臭氧浓度反而会升高,所以减VOCs是更主要的。这是由每一个城市的地理位置、气象和污染物的排放种类等方方面面的因素决定的。现在我们国家的VOCs排放量还在上升,迫切的就是一定要把VOCs降下来。VOCs的源和活性组分的情况是很复杂的,分布亦广,如果不把VOCs的排放降下来,要避免臭氧的升高是行不通的。

现在政府已经认识到这一点,十三五规划已将VOCs的减排最为重要指标之一。我们国家治理污染有个先后次序,最早只注意到二氧化硫,十二五规划时才抓氮氧化合物,十三五规划开始抓VOCs。说实在的有些滞后了,国外经验告诉我们,早一点采取措施不会那么严重。

我们这些年的治理是有成效的,但不可能一下子治理那么多,这也是事实,因为中国还要发展,每年还要保证6%左右的GDP增长,全治理的干干净净,哪来的发展?

现在我们面临的客观情况是这样的:一是气象完全控制不了,只能听天由命;二是污染源可以控制,但是控制不了太多;第三,污染源位置,这是可以采取措施的。气象是外因,污染物多是内因,如果我们能一下把污染物解决了,气象条件再差也不要紧。但目前情况我们不可能一下把污染物降到很多,怎么办?必须抓紧气象条件,环保部门与气象部门密切合作。先总结这几年的重污染过程,总结哪些气象条件下最容易出现重污染过程,哪些重污染源在重污染气象条件经过的地区。如果正好在某一个气象点的路径上,能不能考虑搬迁?但企业搬迁要注意一个问题,避免石油化工与钢铁连在一起,这是我们1989年在湄洲湾做研究时最大的教训,同一个地区既是钢铁又是石化,VOCs加上二氧化硫、氮氧化物等一次排放物,PM2.5等问题都会暴发。

另外我们可以学习美国的办法,对秸秆燃烧是限烧不是禁烧,根据气象条件分成几个区域,比如今天下午A区可以烧,必须今天下午烧掉,第二天或第三天B区烧,根据气象条件一个区一个区地轮流。

美国的光化学烟雾跟伦敦的烟雾事件至今已有60多年的历史了,他们采取了很多的措施,得到了有效的治理,但是也还没有根本地解决问题。不过,他们的治理经验是我们今天应该和正在学习的。我们的大气污染问题不是一朝一夕就形成的,也不是一朝一夕就能解决的,这是发展过程中必然会出现的问题,要完全解决污染物问题是一个长期的过程,需要有充分的思想准备。

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