我国PM2.5的组成来源及控制技术综述

吴善兵



我国PM2.5的组成来源及控制技术综述

吴善兵

河南省信阳市环境监测站

雾霾天气的频繁出现，给人们的日常生活和身体健康带来诸多不利影响，如何改善环境空气质量成为人们日益关注的焦点。而造成雾霾天气、降低能见度、影响交通安全的主要因素就是PM2.5。该文在对PM2.5的组成特性、来源危害等方面进行多角度分析和总结的基础上，通过介绍国内现有PM2.5控制技术，提出今后的发展方向，为后续研究提供理论参考。

PM2.5特性 来源 危害 控制技术

长期以来，我国都是以二氧化硫、二氧化氮和可吸入颗粒物等9项大气污染指标作为反映空气污染指数、衡量环境空气质量状况的指标依据，直到2011年秋末冬初，北京环境监测部门发布的空气质量监测报告与美国驻京大使馆公布的监测结果以及公众的实际感受产生明显差异，“PM2.5”这一专业术语，迅速成为人们广泛关注的热点话题。

1 PM2.5的定义及组成

1.1 定义

PM2.5，英文全称为Particulate Matter2.5，简称为PM2.5，是指悬浮在空气中，空气动力学直径≤2.5μm 的颗粒物[1]。

在大气化学里，按照粒径的大小，物质粒子分为三大类，即爱根核、大核和巨核。粒径小于0.05微米的粒子称为爱根核；粒径大于0.05微米而小于2微米的粒子称为大核；粒径大于2微米的粒子称为巨核。PM2.5主要由大核粒子和爱根核粒子组成。还有一些专家，把小于2微米的粒子称为细粒子，大于2微米的粒子称为粗粒子。所以PM2.5也被称为细粒子[2]。

1.2 化学组成

PM2.5的成分很复杂，它本身是一种粒径很小的颗粒物，比表面积大，极易富集空气中的有毒有害物质，受来源、粒径、所处气候条件等因素影响，其组成主要包括无机元素、水溶性无机盐、有机物和含碳组分等，其中水溶性无机盐和含碳组分是PM2.5的主要组分，其质量浓度之和超过PM2.5质量浓度的50%。水溶性无机盐的主要成份有: 硝酸盐、硫酸盐、铵盐。无机元素的主要成份为: 硫、溴、氯、砷、铯、铜、铅、锌、铝、硅、钙、磷、钾、钒、钛、铁、锰等。有机化合物的主要成份有: 挥发性有机物(VOC) 、多环芳烃(PAH) 等;此外还有元素碳( EC) ; 有机碳( OC) ;微生物，如细菌、病毒、霉菌等[3~5]。

2 PM2.5的来源

一般来说，PM2.5的产生来源主要有自然来源和人为来源两种，虽然自然过程也会产生PM2.5，如风扬尘土、火山灰、森林火灾、漂浮的海盐、花粉、真菌孢子、细菌等，但其主要来源还是人类在生产生活过程中的排放物，并且其危害相对较大。人类既可以直接排放PM2.5，也可以通过排放某些气体污染物，然后在空气中转变为PM2.5[6]。PM2.5的化学成份中有机碳、碳黑、粉尘，属于原生颗粒物，被称为一次颗粒物。硫酸铵(亚硫酸铵)、硝酸铵等，是由人类活动排放或自然产生的二氧化硫和二氧化氮等，在大气中经过光化学反应形成的二次污染物，所以被称为二次颗粒物。

一次颗粒物中的碳黑粒子主要来源于汽车尾气排放、锅炉燃烧、废弃物焚烧、露天烧烤、秸秆焚烧和居民柴草燃烧等过程。粉尘主要来自道路交通、建筑工地和工农业生产过程的扬尘。在一次颗粒物的各个来源中，PM2.5所占的比例相差较大，道路扬尘与建筑扬尘以粗颗粒为主，由燃料燃烧产生的颗粒物，则以细颗粒PM2.5为主。

硫酸铵的前体物是二氧化硫（SO2），主要来源于燃烧高硫煤的锅炉；硝酸铵的前体物是氮氧化物（NOX），主要来源于锅炉与燃油机动车，氨（NH3）主要来源于化肥生产、动物粪便、焦炭生产、冷冻车间和控制NOX的锅炉（NH3作为降解剂）。在二次粒子的生成过程中，大气相对湿度起着至关重要的作用。相对湿度不仅是决定二次粒子的生成和低空的累积的重要条件，而且是决定二次粒子粒径增大与散射率变化的首要条件[5]。

我国各地区之间PM2.5的产生来源受不同流域和地区的经济发展水平、地理环境状况、能源构成结构、生产工艺方法以及机构管理方式等的不同而差异明显。朱先磊等[7]利用CMB 受体模型解析出北京市PM2.5的主要来源为燃煤、扬尘、机动车排放、建筑尘、生物质燃烧、二次硫酸盐和硝酸盐以及有机物。肖致美等[8]解析宁波市环境空气中PM2.5的来源，结果表明城市扬尘、煤烟尘、机动车尾气尘、二次硫酸盐、硝酸盐和SOC是重要贡献源，分担率分别为19. 9%、14. 4%、15. 2%、16. 9%、9. 78% 和8. 85%。除此之外，香烟产生的烟雾其实是室内PM2.5的主要来源[4]。

综合看，主要有以下几种方式[3~10]: 化石燃料不完全燃烧；炭燃料高温燃烧过程中产生的一次有机碳，和一次有机碳发生光化学变化生成的二次有机碳；机车尾气排放的二次转化物；燃料高温燃烧；室内装修；建筑尘；土壤层尘；钢铁尘；烟草燃烧。

3 PM2.5的危害

PM2.5的基本特征是：粒径小、重量轻，在大气中的滞留时间长，可以被大气环流输送到很远的地方，造成大范围的空气污染。从毒理学角度看，这为一些细菌、病毒、重金属和致癌物质提供了良好的载体，PM2.5不易被鼻腔和呼吸道阻拦，极易被带入人体，并在人体内滞留，从而加剧对人体健康的损害[11]。研究表明，PM2.5的危害主要表现为对环境的影响、对人体健康的危害以及对农作物的影响等多方面。

3.1 PM2.5对环境的影响

PM2.5是产生雾霾天气的主要原因之一，这种天气严重地降低了空气的能见度，对地面交通安全和飞机的起降，构成安全隐患，甚至会导致一系列交通事故，造成重大的人员伤亡和财产损失。因此，每当出现雾霾天气时，高速公路和机场通常会封闭运行，这样不仅为人们的出行带来诸多不便，而且还间接地造成了大量的经济损失。

有研究表明，PM2.5与大气能见度线性相关系数高达0.96[12]，能见度降低时，PM10和PM2.5浓度明显增加，且与细颗粒物呈负相关关系，即颗粒物粒径越小对能见度的影响越明显[13]。Sloane 等[14]提出能见度降低的主要原因是气体污染物和大气颗粒物对光的吸收和散射减弱了光信号，使物体和环境背景之间对比度降低。不少学者认为硫酸盐颗粒对光的散射效应最强，但Appel 等[15]认为，硝酸盐颗粒对光的散射效应比硫酸盐颗粒更强，也有学者认为，PM2.5对光的吸收效应几乎全部是由碳黑和含有碳黑的细颗粒造成，其引起的消光效应在某些地方甚至可降低一半以上的能见度。刘岩磊等[16]认为PM2.5含有大量的硫酸与硫酸盐、硝酸与硝酸盐、烃类等粒子，当其浓度增高时，直接造成阴霾天气，从而使大气浑浊，视野模糊并导致能见度恶化，当水平能见度小于10km 时，所造成的一种非水雾组成的气溶胶系统的视野障碍。因此，PM2.5是导致大气能见度降低的罪魁祸首。

3.2 PM2.5对人体健康的危害

空气中PM2.5也存在于正常天气时，而不仅仅是在灰霾天气时才存在，并且它对人体的危害非常大。PM2.5对人体健康造成的危害常常是多方面的，不仅对呼吸系统危害惊人，对心血管、神经系统等也有极坏影响。目前认为PM2.5主要通过引起肺炎症反应以及氧化损伤，引发系统性炎症反应与神经调节改变，从而影响呼吸系统、心血管系统和中枢神经系统等。流行病学研究表明，心律失常、心肌梗死、心力衰竭、动脉粥样硬化、冠心病[17~18]等都与PM2.5暴露有关。

人类在呼吸的过程中，直径为5μm以上的颗粒可以到气管支气管，但是5μm以下，特别是1~3μm的颗粒，就会进入肺泡里，肺泡在进行气体交换的同时，这些颗粒被巨噬细胞吞噬，而永远停留在肺泡里，或者溶解在血液，随血液循环到达全身各处，此外它还可以作为细菌病毒的载体，对人体造成危害[6]。

世界卫生组织在2005年版《空气质量准则》中也指出：当PM2.5年均浓度达到每立方米35μg 时，人的死亡风险比每立方米10μg的情形约增加15%。一份来自联合国环境规划署的报告称，PM2.5每立方米的浓度上升20mg，中国和印度每年会有约34×104人死亡。据统计，欧盟国家中，PM2.5导致人均寿命减少8.6个月。而当污染较轻时，首先对易感人群，即儿童、老人、呼吸性疾病及心血管疾病患者产生影响，随着雾霾的增加污染也不断增加，继而影响到全体人群。

气象专家和医学专家认为，由细颗粒物造成的灰霾天气对人体健康的危害甚至比沙尘暴还大。粒径10μm以上的颗粒物，会被挡在人的鼻子外面；粒径在2.5μm至10μm之间的颗粒物，能够进入上呼吸道，但部分可通过痰液等排出体外，另外也会被鼻腔内部的绒毛阻挡，对人体健康危害相对较小；而粒径在2.5μm以下的细颗粒物，不易被阻挡，被吸入人体后会直接进入支气管，干扰肺部的气体交换，引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病[19]。

一般情况下，粒径在100μm以上的尘粒会很快在大气中沉降，10μm以上的尘粒可以滞留在呼吸道中；5～10μm的尘粒大部分会在呼吸道沉积，被分泌的粘液吸附，可以随痰排出；小于5μm的尘粒可以深入肺部，0.01～0.1μm的尘粒，50%以上将沉积在肺腔中，引起各种尘肺病[20]。大气颗粒物的表面可以吸附空气中的各种有害气体及其他污染物，而成为它们的载体，如可以承载重金属、强致癌物质多环芳烃及其他细菌等，使得职业性癌症的发病率升高[21~22]。环境流行病学研究表明，从轻微的呼吸系统症状的产生到心肺疾病门诊人数和死亡率的增加都与大气污染有密切关系[23]。潘小川的研究报告指出：2004年～2006年期间，当北京大学校园观测点的PM2.5日均浓度增加时，在约4km以外的北京大学第三医院，心血管病急诊患者数量也有所增加。尽管PM10和PM2.5都是心血管病的危险因素，但PM2.5的影响显然更大[24]。钱孝琳等[25]在“PM2.5污染与居民每日死亡关系分析”中建立了居民短期PM2.5暴露反应关系，并指出PM2.5浓度每升高100μg/m3，居民死亡发生率增加12.07%。闫庆倩等[26]利用动物实验比较广州、东莞、深圳和肇庆4 个城市的大气PM2.5对呼吸系统的毒性作用，结果显示，PM2.5可使大鼠肺组织发生氧化应激损伤和炎性反应。赵学彬等[27]则研究这4个城市的大气PM2.5对血管内皮细胞的毒性作用，认为NO、SOD、LDH与细胞存活率有关联，氧化应激损伤可能是其作用机制之一。

3.3 PM2.5对植物和农作物的影响

影响植物和农作物生长的因素有很多，除去其本身的遗传因素外，大多为环境因素。它涵盖温度供应、水分供应、辐射能、大气组成、土壤结构和土壤组成、生物因素等。PM2.5引起的灰霾天气，对生态系统也产生巨大的破坏作用。植物枝叶上沉积过多的粉尘不但影响外观，而且妨碍光合作用，导致植物枯死[28]。同时也会导致农作物的日照百分比大大减小，从而减弱了农作物的光合作用。并且出现灰霾天气时，空气湿度多在80%~90%之间，这使农作物的蒸腾作用大大降低，进而直接影响到了它们对土壤矿物质的吸收。上文中我们已经知道PM2.5大部分来源于汽车尾气排放，其过低的排放高度不仅对人体造成危害，同时也影响到了土壤的质量。它改变了土壤的酸碱性，使其含有的重金属、有毒物质增多，不再适应原农作物生长。农作物大多会出现病虫害甚至萎蔫干枯，由此导致的减产高达25%[6]。

4 PM2.5的控制技术

PM2.5受其来源不同的影响难以控制，不但要采取有效措施控制一次粒子，还必须控制极具难度的形成二次粒子的前体物，如NOx、SO2、VOC 等。

控制一次粒子必须改进现有除尘器，进一步提高除尘效率。国内外许多研究人员对PM2.5脱除机理和运行工艺进行了研究，提出相对高效且经济实用的控制技术: 湿式电除尘器、电—袋混合式除尘器和凝并器。湿式电除尘器能够提供比干式电除尘器高出几倍的电晕功率，从而大大提高PM2.5的捕集效率，且不存在粉尘收集后的再飞扬。电—袋混合式除尘器实现了电除尘和袋除尘的结合，通过调整各自负荷，还可以适应更广泛性质的尘粒。凝并是细微颗粒间发生碰撞接触结合成为较大颗粒的过程，凝并技术主要有: 声凝并、电凝并、磁凝并、化学凝并等，电凝并已取得实用成果[29]。

二次粒子控制的重点是控制其前体物: NOx、SO2、VOC。NOx控制方法主要有三类: 燃料脱氮、改进燃烧方式和生产工艺、烟气脱硝，其中烟气脱硝是现阶段控制NOx最重要的方法，工业应用已经比较成熟，但净化效率不高，NH3和燃料气消耗量大[30]。SO2控制技术主要是烟气脱硫，按工艺特点分为干法、半干法和湿法三大类，其中湿法烟气脱硫技术应用最为成熟，利用石灰或石灰石作为吸收剂，吸收净化烟气中SO2，反应生成亚硫酸钙，再将这一产物氧化成石膏( CaSO4·2H2O) 。VOC 的控制技术主要是回收技术和销毁技术，回收技术是一种物理方法，该技术通过改变温度、压力或采用选择性催化技术等[31]。

5 结语

综上所述，随着以PM2.5为主要因素形成的雾霾天气的频繁出现，使得粒径更小，对人体健康、能见度和气候变化影响更为重要的大气细颗粒物PM2.5污染问题越来越突出，已成为严重影响城市环境空气质量和公众健康的公害之一。目前国内对PM2.5相关性研究还不够深入，针对可吸入颗粒物，尤其是PM2.5的控制力度尚待加强；对超细颗粒的系统研究较少；对先进抑尘技术深入研究和引进力度不大。因此，控制PM2.5的污染是当前一项长期而艰巨的任务，一方面应加强对超细颗粒的源解析研究，结合PM2.5自身的特点，利用国外在PM2.5方面已取得的经验和研究成果，收集研究区域的污染特征谱，考虑当地气象条件，运用先进的采集、分析技术，并结合各种源解析技术的优势，开发出适合当地环境特点的源解析模型；另一方面在吸收和引进国外先进技术的基础上，加大对颗粒物特别是超细颗粒物凝并技术研究的支持力度，结合具体的实例和应用效果，不断探索出控制PM2.5的最佳实用技术。

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