大气污染原因和环境监测治理技术研究

李祥芹

（山东省临沂生态环境监测中心，山东 临沂 276000）

0 前言

无论是人类活动还是自然环境都会导致大气中混入其他物质，当此类物质浓度过高时会引发大气污染，这种污染将会导致生态环境质量下降，还会对人们的生活环境和身体健康造成威胁。而且，如果不进行妥善治理，大气污染问题只会越来越严重。从工业革命以来，大气污染问题始终困扰着人们，而且随着工业发展大气污染范围也不断扩大。当前，我国高度重视大气污染治理问题，不断地提升环境监测与污染治理技术水平。

1 大气污染

无论是人类活动还是自然环境都会导致大气中混入其他物质，当此类物质浓度过高时会引发大气污染，这种污染将会导致生态环境质量下降，还会影响人们的生活环境和身体健康。例如，北京地区的主要大气污染问题是PM2.5（细颗粒物）超标，它们大多源于人类的生产生活中的行为，将会严重污染空气，并危害人体健康。

2 大气污染成因

大气污染物主要分为气溶胶状态污染物和气体状态污染物，前者包括粉尘、PM2.5、悬浮物、烟液滴以及PM10等；后者以硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物、碳氢化合物和含卤素化合物为主。产生大气污染物并导致其浓度超标的原因也分为自然原因和人为原因。

2.1 自然原因

自然环境变化会导致大气环境中的污染物增多，在部分污染物排放方面，自然源排放量甚至会超过人为源。造成大气污染的自然原因有很多种，多数为自然灾害。例如火山喷发、森林火灾以及沙尘暴等；而自然植物释放和海浪飞沫传播也会导致大气污染。该文对常见的大气污染成因和污染物类型进行了总结，其结果见表1。

表 1 大气污染的自然源

2.2 人为原因

与自然原因相比，大气污染的人为原因很多，且影响力更强。在实践中，人们的生产生活方式是导致大气污染的主要原因。

首先是工业生产。现代工业发达，大部分工业生产都以化石能源为燃料，部分企业在生产时还会使用化工原料。基于此，工业生产过程中往往含有大量的有毒有害固体和气体，其不当排放就会导致大气污染。而且，企业对污染物排放的控制能力和治理手段也将会对大气污染程度造成影响。

其次是煤炭燃放。进入冬季以后，北方地区大多会以燃烧煤炭的方式取暖，从而导致大气污染物激增。近几年，供暖锅炉改造计划不断落实，许多地区都以清洁能源代替煤炭供暖，但是仍有许多区域保持燃煤供暖。许多供暖公司为了获取更大的经济利益，并没有有效地开展污染治理工作，使得燃煤区域雾霾问题严重。

再次是尾气排放。汽车尾气排放也是造成大气污染的主要人为原因，其污染物主要包括一氧化碳、碳氢化合物、硫氧化物等[1]。除了汽车以外，船舶、飞机等交通运输工具也会排放尾气，如果未经处理必然会对大气造成严重污染。

最后是施工扬尘。随着城市的发展，工程项目建设规模越来越大，项目数量也越来越多，施工时会产生大量扬尘，从而污染空气。当前，人们对扬尘问题的关注度并不高，施工单位在该方面的预防和管理措施也不完善，都加剧了空气污染。与扬尘类似的污染因素还有农业活动，人们开展农业活动时容易因农药、化肥颗粒飘散或秸秆燃烧污染大气环境。

3 大气环境监测与治理技术的应用

大气污染治理是预防、缓解以及消除大气污染的主要方法，在工作中将基于政策扶持、法规约束和技术方法支持，有效治理大气污染问题。现阶段，开展大气污染治理工作，需要控制有毒有害物质排放量以及空气中的污染物浓度，相关工作应该以国际和国家污染防治指标为依据。在进行大气环境污染治理前，相关工作人员需要先确定污染物成分、浓度，被污染区域的实际发展情况和污染成因，而这些信息都需要通过大气污染环境监测获取。环境监测是1种基于特定目的，在规定时间内对选定区域的环境要素进行观察、测定和分析的过程，是环境保护的基础，可以为环境管理和污染治理提供依据[2]。在大气污染治理方面，环境监测将发挥极大的辅助和支持作用。当前，由于人类活动造成的大气污染更为常见，因此该文将围绕人类活动引发的大气污染研究污染成因与环境监测治理技术。

3.1 环境监测技术

当前，人们对环保问题极为重视，环境保护工作内容和方式也在不断丰富，这使得环境监测技术的类型不断增多。针对不同的大气污染物，适用的监测技术各不相同。例如，以光度法、库伦滴定法监测二氧化硫；以安装尾气排放监测系统和氮氧化物监测系统的方式，监测氮氧化物含量；以大气监测仪和滤膜监测技术进行固体颗粒物含量监测等。除此之外，在大气污染环境监测工作中，还应用了许多面向所有污染物的监测技术。

3.1.1 立体监测技术

大气环境的立体监测技术主要面向地基、车辆以及飞机，这种监测技术具有极强的全面性，可以对不同来源的大气污染物进行合理监测。此类型监测技术主要分为3个部分：1） 地基监测。2） 车载测量。3） 机载测量。地基监测是利用地基监测设备对大气环境中的污染物成分进行分析，此时可以采用被动变换红外线光谱检测技术和多波段广仪监测技术来实现。车载测量和机载测量，都是通过安装相应的适宜的监测设备来确定大气污染物成分和浓度的监测技术。前者需要在车辆上安装车载测量设备，从而对车辆行驶中排放的尾气和污染物吹移情况进行监控与预测，进而预估污染物移动数量；后者则是在飞机中安装检测设备，记录和监测飞机飞行区域的大气环境，从而获得准确的污染信息。例如采用车载DOAS进行某地区二氧化氮、二氧化硫时空分布特征的监测，可以在地基平台上直观地看到污染物的排放量与通量，利用机载平台获取道VOCs的排放通量与柱浓度分布结果，测得放空前通量下降了32%，放空后先上升80%、再迅速降低88%，且VOCs最大浓度也在放空后呈现出先快速增加、后急剧降低的趋势。将上述监测数据与变化曲线进行总结，能够为该区域范围内VOCs减排效果的评估提供技术支持，完成对相关监测数据的综合处理与利用。

现阶段大气污染物的监测大多数是以光学原理作为技术依据，融合环境科学、光谱学等多学科领域的知识内容，并综合运用吸收光谱、光的散射等方法进行环境污染机理的研究。在立体监测技术的实际应用环节，以雾霾过程时空分布监测为例，选用细粒子激光雷达作为监测设备，该设备基于激光技术原理完成对被测对象的连续、高时空分辨率、高精度探测，以对流层范围内的细粒子作为观测对象，观察其时空分布特征，就可以直观地了解大气中污染物的发展演变过程，并掌握对流层中的雾霾污染与光化学污染严重情况，对污染物来源、种类以及污染过程进行准确判断。根据2020年11月2—14日的消光系数与退偏比观测结果可知，在2020年11月3日监测区域内开始出现颗粒物，在2020年11月5—6日中午时段污染区域面积开始迅速扩大，观察到API指数由2020年11月2日前的60迅速攀升至111，属于轻型污染；在距离地面0.2 km～0.9 km处，消光系数值主要分布在0.5 km-1～0.8 km-1，从整体来看，消光系数呈现出逐渐增大的趋势；退偏比数值主要分布在0.1～0.2，说明此处主要呈现为局地污染。

除此之外，还可以建立大气污染天地空一体化检测技术体系，基于地、空、天检测平台完成多元化监测。此时，需要基于气溶胶激光雷达、温度廓线探测激光雷达、多波长水汽拉曼激光雷达、风廓线雷达和MAX-DOAS扫描成像DOAS进行地基遥感观测；通过常规空气自动站、气象参数一体式监测仪、能见度仪、紫外辐射计、浊度计、黑碳仪和单颗粒气溶胶质谱仪等进行地基原位观测；利用无人机和系留气艇集合光学探测技术、遥感和监测技术完成搭建空基平台进行大气监测；最后采用卫星遥感观测技术进行天基平台监测。

3.1.2 遥感监测技术

遥感监测技术包括大气成分遥感监测、臭氧层遥感监测、居民生活区遥感监测3个部分，主要方法是利用遥感监测技术从不同角度开展大气环境监测。在监测大气成分时，温室气体、干湿沉降、辐射以及臭氧总量都属于被监测对象，基于该技术可以有效地分析大气成分及其分布情况，从而明确污染物含量以及变动趋势，十分有利于制定大气污染治理方案[3]。

卫星遥感技术的主要原理是利用遥感器探测地面环境变化，结合地物的光谱特征响应结果探测具体变化的情况。但是遥感技术不能直接识别出气体的物理含量，主要以气溶胶吸收光谱的情况及其辐射效应作为判断标准，通过测算空气中气溶胶的含量，了解大气分子的分布特征。以某市环境空气质量污染监测工作为例，管理机构选用Terra/Aqua-MODIS、高分五号等卫星作为数据源，借助大数据反演技术获取PM2.5、臭氧浓度等数据，并结合地基常规环境监测资料完成对全市区域内不同时段、不同区划尺度大气污染物浓度的综合监测。在监测频次设计时，首先以月度、季度为单位，自动生成污染物浓度含量的遥感监测分析报告；其次以冬防期作为重点观测范围，在每一年的11月中旬到第二年3月中旬整合该市重污染天气的监测预报信息进行特定区域范围内污染物浓度、颗粒物含量的推演，获取到PM2.5、臭氧浓度等指标的每日监测结果；最后选定秸秆焚烧季节，结合地理环境勘测结果、综合运用GPS等辅助技术，在全市范围内完成秸秆焚烧火点的分别定位，并以24 h为单位获取污染物浓度的实时监测结果。通过上述监测频次与方案的设计，将该市成功划分为3×3 km的大气监测网格，从中筛选出PM2.5、臭氧浓度最高的网格设为热点进行重点监管，并向所辖市区发出预警通报，便于协调相关工作人员进行区域范围内的精确排查，有效提升大气污染治理工作的实效性。

3.2 污染治理技术

治理大气污染需要从实际出发，所以常用的大气污染治理技术也都与污染成因息息相关。现阶段，“对症下药”和“统筹管理”是治理大气污染的主要原则，大气污染治理技术的方法也都具有针对性特点。

3.2.1 燃料燃烧污染治理

这种污染主要来自于锅炉燃烧与炼焦生产等工业领域，如果需要治理因锅炉燃烧而引发的大气污染，就必须对锅炉结构和性能进行优化，并且不断提升污染治理意识。此时，可采用原煤脱硫技术减少燃料中的无机硫，进而从根本上减少燃料燃烧后的硫化物排放量。同时，还可以采用液态化燃煤技术改进燃煤，从而有效治理燃烧污染。当然，相关工作人员还能采用新能源开发、生物燃料燃烧、石灰处理技术和优化锅炉烟囱设计的方式治理因燃料燃烧引起的环境污染。

以某焦化股份有限公司的焦炉烟道气体治理项目为例，该公司以往在从事炼焦生产环节，将焦炉烟气中携带的大量二氧化硫、氮氧化物和粉尘等污染物直接排入大气中，引发酸雨、臭氧层破坏等自然灾害，并且危害人体健康。为了解决该问题，该公司在市环保部门的指导下于2016年末起全面开展焦炉烟气脱硫脱硝项目的建设工作，投入1.8亿元购置5套脱硫脱硝装置与1套供氨系统，采用“SDS干法脱硫+布袋除尘器+SCR脱硝”工艺路线进行焦炉烟气的净化处理，在烟道上方增设紧急喷淋装置、起到降低气体温度的作用。通过检测该项目投入使用后的运行结果可知，其焦炉烟道废气中的二氧化硫含量≤30 mg/Nm³、氮氧化物含量≤150 mg/Nm³、粉尘含量≤30 mg/Nm³，单座焦化炉年均减排量共计1336 t，满足当地超低排放要求，实现节能减排与环境保护目标。

3.2.2 硫化物治理

大气污染物中的硫化物多以二氧化硫和三氧化硫的形态出现，虽然它们自身毒性不大，但是却容易与氧气和水分子发生反应，形成酸雨或硫酸烟雾，进而造成建筑腐蚀，危害人体健康。在治理该类型的污染时，需要做好脱硫处理。例如，采用烟气脱硫除尘技术，减少烟气排放中的硫化物含量，从而避免出现大气污染。此时可以基于“石灰石+石膏”方式进行湿法烟气脱硫。同时，污染治理人员还可以应用联合脱硫脱硝技术进一步减少空气污染物的含量。应用该技术不仅可以治理硫氧化物污染，而且可以治理氮氧化物污染。例如，以“传统脱硫+氧还原”技术处理排放气体；以脱硫脱硝技术搭配烟气处理系统处理硫氧化物和氮氧化物等。相关工作人员还可以利用光催化法来辅助脱硫脱硝技术，这样可以降低治理成本、提高治理效率并规避二次污染风险。

3.2.3 有机废气治理

工业生产常常产生大量有机废气，有效处理这些废气是治理大气污染的重要方法。由于大部分有机废气都易燃易爆且有毒有害，所以其处理难度很高，治理安全要求也比较高。在该环节，治理人员应该从减少有机废气量、加速有机废气反应燃烧等方面着手治理[4]。例如，采用冷凝回收法治理，兼顾污染治理和资源再利用；采用直接吸附法、吸附回收法和吸附催化燃烧法治理，减少有机废气总量；采用直接燃烧、热力燃烧或催化燃烧法，提高高浓度有机废气治理效率；采用纳米微电解氧化法，治理大气中的需氧类污染物。

3.2.4 氮氧化物治理

氮氧化物治理技术主要以控制、回收和利用大气污染物中的氮氧化物为基础，可以基于催化还原、吸收和吸附等方式帮助气体脱氮，从而实现氮氧化物的无害化处理。例如，基于催化还原法、吸附法、直接吸收法、氧化吸收法和氧化还原吸收法治理大气中的氮氧化物污染。还可通过改进燃烧技术和燃烧设备的方式，控制氮氧化物浓度。

4 大气污染监测与治理技术的应用

为了提高大气污染治理效果，相关工作人员需要着力提升污染监测与治理技术的应用有效性。此时，需要合理开展污染治理管理工作。例如，科学评价大气污染治理效率，为优化监测治理技术和制定监测治理方案奠定基础。当然，在这一过程中相关工作人员还需要明确空气污染指数的计算方法，进而通过有效计算及时监控大气污染情况。空气污染指数计算的指向性十分明确，可以对特定的大气污染物进行检测。例如，将大气污染物一氧化硫的污染指数设定为I，将浓度设定为C，可以通过公式（1）计算一氧化硫的污染指数。

在该公式的空气污染指数分级限值中，最贴近污染物浓度C的2个数值是C大和C小，前者大于污染物浓度限值，后者小于污染物浓度限值。公式中的I大和I小，是贴近污染物污染指数的2个数值，同样是1个大于污染指数限值，1个小于污染指数限值。

4 结论

总的来说，明确大气污染成因，提高大气污染环境监测与治理的技术水平，是缓解大气环境污染、提高生态环境质量、实现可持续发展的必经之路。在实际作业环节中，相关工作人员不仅要保证大气环境污染监测与治理技术的合理应用，更需要加强技术管理，为技术应用质量分析做准备。