太原市多环芳烃(PAHs)排放清单与分布特征分析

蒋秋静 ,李跃宇 ,胡新新 ,卢 彬 ,陶 澍 ,王 戎 (.太原市环境科学研究院,山西 太原 03000；.北京大学城市与环境学院,北京 0087)

多环芳烃(PAHs)是指分子中含有2个以上苯环的碳氢化合物,是有机高分子化合物在高温(500～800℃)下不完全燃烧,热解后形成的物质在低温(100～300℃)状态下重组而成的有机化合物[1].PAHs来源分为自然源和人为源,前者主要来自于森林和草原火灾、火山爆发及植物合成;后者主要来源于有机物,如煤、石油等的不完全燃烧.PAHs由于其致癌性及在环境中长期稳定存在,对生态环境和人体健康构成严重威胁,受到国内外学者的广泛关注.在美国国家环境保护局(US EPA)公布的129种优先控制污染物中,PAHs就占了16种[2].估算其排放量对于研究PAHs对人体健康的影响[3],为远距离输送提供基础数据[4]和PAHs的防控均具有重要意义.

DONG等[5]研究韩国蔚山市PAHs的排放情况,发现其排放来源主要为:机动车(31.27%)、石油(19.78%)、木材(12.15%)和煤炭(8.64%).Zhang等[6]估算了2003年全国16种优控PAHs的年排放总量约为11.41万t,其中室内生物质、生活燃煤和炼焦工业占总排放量 91%左右.丁潇等[7]对老工业基地鞍山市大气PM10中PAHs的污染来源进行了分析,发现冬季主要污染源为燃煤、机动车尾气和炼钢工业排放,夏季主要污染源为燃煤、机动车尾气、生物质燃烧和炼钢工业排放,冬季燃煤排放的贡献比重明显增加.另外布尔萨[8]、安格伦[9]、台湾[10]、北京[11]、福州[12]、深圳[13-14]、腾冲[15]等地也开展了类似研究.

山西省是我国能源重化工基地之一.据估算,山西省2003年PAHs的排放总量达到18461t,占全国总量的16%[16],其炼焦用煤所占比例远高于全国大部分地区,体现出作为能源产地的特殊性.作为山西省会,太原市由于资源和历史的原因,构成了以冶金、煤焦、机械、化工、电力等传统重污染产业为主的工业结构和以煤为主的能源结构,占工业经济总量的85%以上,煤炭消费量占能源消费总量的 98%,万元生产总值耗能是全国平均水平的 2倍以上,造成了太原市严重的空气污染和健康影响.研究表明,太原市空气与土壤中的PAHs污染均较严重[17-18],且PAHs污染来源正由煤烟尘为主的污染向机动车排放和煤燃烧为主的复合型污染转变[19].

本研究仅考虑人为源的排放,根据太原市PAHs的主要排放源的活动量及排放因子,以US EPA 16种优控PAHs为对象,对 2010年太原市PAHs的排放量进行估算,并按照空间、人口类型、万元GDP等因素对PAHs排放分布进行了分析.

1 研究方法

研究区域为太原市(三县一市六城区).化石燃料消耗量、电解铝、生物质等数据引自全国(太原)第一次污染源普查[20]和统计局数据[21].由于农村生活燃煤缺乏完整的统计资料,因此依据《太原市农村环境综合整治规划》以及实地调查,根据人口和人均用煤量估算;交通燃油依据机动车保有量及机动车单车耗油量估算;森林火灾来源于资料调研.主要排放源的 PAHs排放因子来自Zhang等[8,15]和Chen等[22]的研究成果.

PAHs排放量的计算公式如下:

式中:Q为PAHs排放量,t/a;F为燃料消耗量,104t/a;R为排放因子,mg/kg;t为年份(2010);i为地区(县、市、区),i=10;j为能源类型,j=11;k为 PAHs种类,k=16.

2 结果与讨论

2.1 太原市PAHs排放源燃料消耗

表1给出了2010年太原市PAHs主要排放源燃料消耗情况.结果显示,2010年太原市煤炭消耗量为4.24×107t,其中热电、工业炉窑(不包括炼焦炉)耗煤量为 2.85×107t,占耗煤量的 67.2%;炼焦炉耗煤量为1.23×107t,占耗煤量的29%,居民生活炉灶即生活燃煤为 1.62×106t,占耗煤量的3.8%;机动车保有量为 5.01×105辆,交通用油为8.60×104t,非交通燃油PAHs排放源包括锅炉、工业窑炉,耗油量分别为 1.95×104t和 1.79×105t;室内燃烧的薪柴和秸秆量约为 3.82×105t和7.62×104t;电解铝产量为8.00×104t,其他能源消耗量较小[21].

2.2 太原市PAHs排放清单

根据式(1)～式(4),估算得到 2010年太原市PAHs排放清单(表2).结果显示,2010年太原地区PAHs总排放量为 332.10t.生活燃煤和炼焦煤是太原市排放 PAHs的主要来源,占总排放量的65%以上,其次为室内薪柴、热电及工业用煤和交通燃油,分别占总排放量的 13.9%、11.65%、7%,其他排放源的贡献只有 1%,几乎可以忽略不计.表3给出了太原市 PAHs排放与全国排放水平[8,23]的对比情况.尽管太原市面积占全国陆地总面积的不到 1‰[24],但是该地区 2010年的PAHs的排放量占全国排放总量的 2.9‰,区域内平均排放密度为 44.62kg/km2,是 2003年全国平均排放密度的3.72倍,排放密度大约是英国的3倍,是美国的12.75倍[25].全国PAHs主要排放源是室内秸秆(34.6%)、工业炼焦(27.2%)和室内薪柴(21.2%),而生活燃煤的贡献只有 6.8%[26].表明太原市PAHs排放中生活燃煤比例远高于国家平均水平.

表1 2010年太原市PAHs主要排放源燃料消耗Table 1 The fuel consumptions of the emission sources in Taiyuan (2010)

表2 2010年太原市PAHs排放清单Table 2 Sources list of 16 PAHs emissions in Taiyuan (2010)

表3 太原市16种优控PAHs排放与全国排放水平对比表Table 3 Comparison of 16 PAHs emissions in Taiyuan and in the whole country

表4 2010年太原市各地区PAHs排放清单Table 4 The regional list of PAHs emissions in Taiyuan (2010)

太原市的社会经济特征是导致PAHs高排放量、高排放密度以及高生活燃煤比例的主要原因.

首先,作为能源重化工基地.2010年太原市工业生产值占地区生产总值 32.4%,其中重工业占 93%.原煤产量 3.5×107t,占全国原煤产量的1.15%;钢铁产量为 1.5×107t,占全国钢铁产量的2.7%,焦炭产量高达 1.08×107t,占全国焦炭产量的 3.06%,电解铝产量高达 8×104t.石油、煤炭等燃料的不完全燃烧是 PAHs的主要来源之一[8],太原市热电及工业煤燃烧和非交通燃油燃烧造成的PAHs的排放分别占全国相应排放的1.91%和 0.12%,相应的排放密度分别是全国同期的25.86倍和1.63倍.其中,炼焦和电解铝过程中伴随着大量的PAHs排放[27-29],造成的PAHs排放分别占全国排放的 0.32%和 0.15%,排放密度分别是全国的4.42倍和2.1倍.

其次,太原市农村人口占总人口近 1/3,且采暖期长达5个月,每年需耗费大量的煤炭.由于农村地区燃具简陋,通气性差,PAHs排放因子显著高于工业燃煤[22],从而导致太原市 PAHs排放中生活燃煤比例远高于国家平均水平.另外秸秆焚烧现象也相当普遍[30],尽管燃料总量仅为工业燃煤的1/20,但仍造成了大量的PAHs排放.

2.3 太原市PAHs排放的空间分布

表4给出2010年太原市各地区PAHs的排放清单,结果显示,PAHs排放量最大的地区是清徐县,占总排放量的 27%,其次分别是古交市(17%)、晋源区(13%)、尖草坪区(12%)、小店区(7%).通过对各区人均收入与万元 GDP排放量的比较(图 1)可知,两者呈负相关关系(R2=0.727),说明居民收入越高,其万元GDP排放量越低,原因可能是随着收入的增加,燃料更为清洁且燃烧器具更为先进.另外,娄烦县、阳曲县和古交市的结果离散度较大,原因可能为阳曲县和古交市PAHs排放受电解铝和炼焦的影响较大,而娄烦县工业企业很少,从而导致结果值的偏离程度较大.

图1 人均收入与万元GDP排放量的关系Fig.1 The relationship between the per capita and the PAHs emissions per GDP

通过对农村人口与排放量的比较(图2)可知,两者呈正相关关系(R2=0.813),说明农村人口越多,其 PAHs排放量越大,主要是由于农村的燃料结构和炉灶的燃烧效率不高导致的.在太原市目前的 PAHs排放水平下,各地区居民生活水平的高低决定了燃烧条件的优劣,农村人口的数量影响地区整体生活水平的高低,从而影响 PAHs排放量的高低.

图2 农村人口与总排放量之间关系Fig.2 The relationship between the rural population and overall volume of PAHs emissions

2.4 太原市PAHs排放谱源分析

通过对太原市各地区的16种优控PAHs排放量的计算,得到了太原市 PAHs排放谱(图 3),可以看出,NAP排放量最大,占 PAHs总量的39.18%,PHE(13.7%)和 ACY(9.17%)排放量也很大.特别值得注意的是致癌性 PAHs排放量为35.11t,占总排放量的10.6%,而且致癌性PAHs的比例与生活燃煤和室内生物质燃烧排放谱中致癌性 PAHs比例(13.8%)比较接近,原因可能为太原市PAHs排放主要来源是生活燃煤和室内生物质燃烧.另外,太原市 PAHs排放以低环(2、3环)为主,占总排放量的 81%,其次为中环(4环),占总排放量的9%,高环(5、6环)占总排放量的10%.16种优控 PAHs中 7种致癌物质主要是中、高环PAHs,而产生中、高环PAHs的排放源主要是居民生活炉灶,其次是炼焦炉,前者的排放量是后者的1.67倍.因此在控制PAHs排放方面,应以控制生活燃煤排放为主,提高燃烧效率,推进使用清洁能源.生活燃煤和室内生物质燃烧排放的 PAHs共占总排放的50%,是非常重要的排放源.这些排放更多的体现了农业和居民日常生活的排放,与中国作为人口众多的农业大国的国情相吻合[31],也与燃煤产生PAHs的成分谱吻合[32].

图3 2010年太原地区PAHs排放谱Table 3 The PAH emission profile in Taiyuan (2010)

2.5 PAHs排放量估算的不确定性

PAHs排放量估算的不确定性主要取决于燃料消耗量和排放因子的不确定.燃料消耗量分为工业和非工业两部分,前者来源于污染源普查动态更新,是通过系统调查和物料衡算得来的,是企业实际消耗量.后者包括城市和农村,城市居民能源消耗亦来源于污染源普查动态更新;农村居民的能源消耗主要来源于样本调查,最终估算而得,存在一定的不确定性.机动车年行驶里程和各车型之间的油耗存在差异,导致交通用油的不确定性较高[33].而相对于燃料消耗量来说,排放因子的情况更加复杂,其来源于大量的文献数据,以上两个因素增加了本研究的不确定性.因此,在今后的研究中将开展与之相关的测定,以便得到更具有典型意义的排放因子.

3 结论

3.1 太原市2010年PAHs的排放总量为332.10t,其中7种致癌性PAHs排放总量为35.11t.因燃煤而排放的 PAHs占排放总量的 77%,排放量最大的是清徐县,其次分别是古交市、晋源区、尖草坪区.人均收入与万元 GDP排放量呈负相关(R2=0.727);农村人口与PAHs总排放量呈正相关(R2=0.813).在 PAHs排放谱中,NAP的排放量最大,其次是PHE、ACY等.另外排放的PAHs以低环为主,其次为中环、高环.

3.2 太原市 PAHs的排放特征与其社会经济特征有关:一方面,炼焦、发电等工业用煤占能源消费量的绝大部分,导致大量的 PAHs排放;另一方面,由于生活燃煤燃烧条件较低劣,使其成为重要的PAHs排放源.

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