欧美的臭氧污染及治理措施

凌涛，陈良华

（东南大学 经济管理学院，江苏 南京 210000）

2019年，美国洛杉矶再次被评为臭氧污染最严重的城市/《洛杉矶时报》

改革开放以来，我国经济社会发展迅猛，人民生活水平不断提升，汽车销量和保有量持续增加。但相应的，包括氮氧化合物、挥发性有机物在内的汽车尾气污染排放也在快速攀升。这些污染物在经过复杂的光化学反应后，会生成大量臭氧，提升大气臭氧浓度，引发臭氧污染。目前臭氧污染问题在我国愈发严峻，部分地区臭氧污染已超过PM2.5污染，成为大气污染的主要元凶。最早的臭氧污染事件发生于20世纪40年代的美国洛杉矶，之后欧洲、澳大利亚、日本等西方发达国家都发生过此类大气污染事件。因此，欧美国家的臭氧污染防治实践工作起步较早，在臭氧监测网络构建、标准制定、防治组织建立、环保政策制定执行和评估等方面积累了大量有益的经验，对我国科学应对和防治臭氧污染具有较强的借鉴意义。

什么是臭氧污染

洛杉矶位于美国加利福尼亚州西南部，是美国西部最大的城市。它三面环山、一面临海，温和湿润的气候让这座风景宜人的城市有了“天使之城”的美誉。20世纪初，洛杉矶就成为当时美国的一座特大城市。到1940年，洛杉矶的汽车保有量已经超过250万辆。但也正是从这时起，洛杉矶市民开始发现每到夏秋季节，白天晴朗的城市上空会弥漫一层浅蓝色的烟雾，在这样的日子里，人们会普遍感到眼睛发红、咽喉疼痛、呼吸憋闷、头晕头疼。到1943年，这种情况愈发频繁和严重。这是人类历史上的第一次臭氧污染。以臭氧为主要成分的“光化学氧化剂”是光化学污染的真身，因此臭氧污染有时也被称为光化学污染，上述事件也被称为洛杉矶光化学污染事件。

光化学污染事件的根本原因就在洛杉矶市的250万辆汽车身上，这些汽车每天要消耗1 100吨汽油，排放1 000多吨的碳氢化合物、300多吨的氮氧化合物以及700多吨的一氧化碳。此外，洛杉矶市内还有大量炼油厂、供油站等其他石油燃烧排放源。这些化合物在紫外线作用下，极易转化为以臭氧为主的光化学烟雾，同时，洛杉矶三面环山，不利于大气对流形成，这就使得光化学烟雾能长久地聚集在城市上空而不消散。洛杉矶的光化学污染一直持续了数十年之久，给当地带来了巨大的经济损失，严重威胁到当地人的生命健康。数据显示，仅1950—1951年，当地的大气污染问题就造成了15亿美元经济损害；1955年，有400多名65岁以上老人因光化学烟雾诱发的呼吸系统疾病而死亡；1970年，洛杉矶有超过四分之三的人感染红眼病。

1950年以后，臭氧污染事件开始在美国其他城市以及其他西方发达国家出现，如加拿大、西德、澳大利亚、荷兰等国都出现了这种令人双眼刺痛、呼吸憋闷的蓝色烟雾。臭氧污染也正式引发了全球关注。

读完上面的文字，不少读者可能会有这样的困惑：臭氧不是存在于大气平流层保护地球生物免受紫外线伤害的有益气体吗，怎么又成为污染源了呢？要明白臭氧污染是什么，首先必须厘清臭氧、臭氧层和地面层臭氧污染这三个概念。

臭氧是一种具有鱼腥刺激味的淡蓝色气体，具有强氧化性，可以和诸多物质发生氧化反应。作为一种强氧化剂，臭氧可用作漂白剂、皮毛脱臭剂、消毒杀菌剂等；在工业中，臭氧可以替代很多高温氧化过程，简化工艺流程提高生产效率；而平流层中的臭氧可以吸收太阳紫外线，保护地球生物。

高空臭氧层是指在大气平流层中臭氧浓度较高的部分。臭氧层中的臭氧是光化学反应的结果，在太阳短波紫外线照射下，大气中的氧分子会分解为两个氧原子，氧原子会继续与未分解的氧分子反应，最后形成臭氧。由于臭氧分子质量大于氧气，因此会沉降到臭氧层的底部，在长波紫外线的作用下，极不稳定的臭氧分子又分解为一个氧原子和一个氧分子，之后会再重复之前的光化学反应，如此循环往复，最终在离地球表面20～25千米的高空形成了臭氧层。臭氧层厚度可达5千米，但纯臭氧层的厚度却只有3毫米左右，但可别小看这3毫米的臭氧层，它能吸收太阳光中99%的紫外线，只让1%的紫外线达到地球，保护地球生物免受伤害。科学研究发现当平流层中的臭氧每减少1%，全球因白内障引发的失明人数将增加1万～1.5万人。可以说，平流层臭氧是真正的“地球卫士”。

地表臭氧与臭氧层中的臭氧是同一种物质，但却具有完全不同的形成机理。地表臭氧主要是由氮氧化合物和挥发性有机物在高温、紫外线照射以及干燥空气中经过一系列复杂的光化学链式反应形成的。前面提到臭氧是一种具有强氧化作用的物质，当大气中的臭氧浓度增加到一定程度后，就会形成对周围环境和人体产生危害的臭氧污染。

从本质上说，地表臭氧污染是人类排放的一次污染经过一系列光化学反应后又产生的二次污染，据此我们就可以推测出臭氧污染发生的时空特征。从时间来看，臭氧污染主要出现在6—9月之间。城市早高峰汽车尾气大量排放，为光化学反应提供物质基础。早高峰后4～5小时，也即下午1点到4点左右，光化学反应剧烈，大气中臭氧浓度快速增加，城市臭氧污染开始出现，到傍晚时分，光照和温度下降，臭氧浓度逐渐降低，臭氧污染也就暂时消失。从空间分布来看，臭氧污染并不仅仅局限于城市中心地区，在风、地形等气象和地理因素作用下，臭氧以及其前体物（氮氧化合物、挥发性有机物等一次污染物）还可能会被传送转移到城郊、农村地区，从而在这些地区也形成臭氧污染，所以臭氧污染是一个区域性大气污染问题。

臭氧污染的危害

由于臭氧具有强氧化性，因此当大气中臭氧浓度超标后，就会产生多种的负面作用，如危害人体健康、影响植物生长、加速建筑材料老化、降低大气能见度、诱发交通事故等。

光化学烟雾中含有臭氧、过氧乙酰硝酸酯（PAN）、过氧苯酰硝酸酯（PBN）等强氧化物质。在1小时范围内，人体可接受的臭氧极限浓度是260毫克/立方米；当超过这一浓度后，人体就会感到不适；而当浓度达到320毫克/立方米后，人体就会出现剧烈咳嗽、呼吸困难以及肺功能下降等问题。此外，臭氧还会危害人体甲状腺功能，导致骨骼钙化，甚至可能诱发淋巴细胞染色体畸变，损害某些酶的活性，产生溶血反应。过氧乙酰硝酸酯、过氧苯酰硝酸酯会强烈刺激人眼，研究发现过氧乙酰硝酸酯的催泪作用是甲醛的200倍，而过氧苯酰硝酸酯对人眼的刺激又是过氧乙酰硝酸酯的100倍。长期处在光化学烟雾中，人体极易感染红眼病。除接触人眼外，光化学烟雾还会被吸入人体，这些含有大量氧化剂的有害气体会强烈刺激人体呼吸道黏膜，恶化呼吸道疾病，促使哮喘发作，并可能引发人体呼吸障碍，而长时间接触这些有害气体后，还会危害中枢神经健康，引发肺水肿，损害肺功能。

臭氧污染还会影响植物生长，妨害农业生产。与臭氧等强氧化物质接触后，植物叶片就会褪色，出现红褐色斑点，叶片背面也会从绿色转为银灰色或古铜色，延缓植物生长，降低其对病虫害的抵抗力。此外，研究还发现臭氧还会影响农作物的物候、品质以及农田土壤酶活性等。近年来，臭氧污染（光化学污染）对农业生产的影响也引起了人们的高度重视。2022年1月，南京信息工程大学的科研人员发表在《自然·食品》国际期刊上的研究论文发现，在东亚地区，因臭氧污染导致中国、日本、韩国的小麦、水稻和玉米减产严重，评估每年总损失为620亿美元，这进一步凸显了国家和区域层面防控臭氧污染的必要性。

臭氧等高氧化物质还极易与建筑装饰材料发生氧化反应，加速饰材老化、龟裂、染料褪色，同时腐蚀损害室内外设备、衣物，缩短其使用寿命。此外，以臭氧为主的光化学污染还会降低大气能见度，妨碍机动车、飞机等交通工具安全运行，诱发多种交通事故。

欧美国家的臭氧污染防治经验

美国洛杉矶的光化学污染事件影响深远，它促使美国开始加强对光化学污染研究，并催生了一系列空气污染防治法律法规。经过60多年的大气污染治理，目前洛杉矶每年发布的空气质量健康警报次数已经下降了90%以上。这充分说明了洛杉矶以及美国在臭氧污染防治方面的成效。

改革开放后，我国经济社会开启了一个新的高速发展时期，2020年我国汽车保有量达到了3.72亿辆，这些汽车每年向大气中排放1 593.0万吨污染物，其中包括一氧化碳769.7万吨、碳氢化合物190.2万吨、氮氧化合物626.3万吨、颗粒物6.8万吨。此外，我国非道路移动源排放对空气质量的影响也不容忽视。2020年，工程机械、农业机械、船舶、飞机等非道路移动源向大气中排放了16.3万吨二氧化硫、42.5万吨碳氢化合物、478.2万吨氮氧化合物和23.7万吨颗粒物，其中氮氧化合物排放量接近于机动车。大量氮氧化合物、挥发性有机物的排放，导致了近年来我国各地臭氧污染愈发严峻。生态环境部发布的数据显示，2019年，全国337个地级及以上城市臭氧浓度同比上升6.5%，以臭氧为首要污染物的超标天数占总超标天数的41.8%，导致全国优良天数比率同比损失2.3个百分点。京津冀及周边地区、长三角地区以臭氧为首要污染物的超标天数占比已超过PM2.5污染。

臭氧污染最早爆发在欧美国家，在长期的治理实践中，这些国家也积累了大量有益的治理经验，这些经验对我国科学应对和防治臭氧污染具有积极的借鉴意义。具体而言，美国的臭氧污染治理经验主要包括以下方面。

一是以科研成果为依据，不断修订和完善臭氧标准和防治政策。自1971年以来，美国对臭氧浓度标准进行了四次修改。1971年，美国首次将臭氧浓度纳入大气质量监测指标体系中，并将1小时监测浓度标准设定为160毫克/立方米。但是随着科学研究的不断深入，研究人员发现中等浓度臭氧环境中的长时间暴露对人体健康的危害要大于高浓度臭氧环境中的短时间暴露，这表明有必要延长臭氧浓度监测时间。为此，1979年美国环境保护局将臭氧浓度监测时间由1小时提升至8小时。此后，美国环境保护局又分别在1997年、2008年和2015年，将臭氧一级浓度标准调整为160毫克/立方米、150毫克/立方米和140毫克/立方米。臭氧监测标准的提高需要环境保护局出台更严厉的臭氧防控政策作为保障。在每次臭氧标准提升后，环境保护局都会邀请包括大气环境科学家、政策科学家在内的专业人士共同参与撰写和出台政策分析文件，分析臭氧标准提高后的经济成本和环保收益，并据此为各州设立新标准达标期限。整体来看，科学研究在美国臭氧污染标准设定和防治政策制定方面发挥着重要作用。

二是建立比较完善的臭氧防治政策执行体系。在美国的臭氧防治政策执行中，美国联邦政府环境保护局和州政府建立了比较紧密的联系，实现了较好的政策协同。首先，联邦政府环境保护局会根据相关科研成果和政策分析结论，出台政策分析文件，指导各州重新评估本州的臭氧污染现实状况，各州随后根据环境保护政策分析文件，制定州一级政府的执行标准和政策。此后，联邦政府环境保护局还将根据各州具体的执行政策文本定期评估和考核各州的政策制定情况，督促各州按预期完成既定的臭氧治理目标。

三是建立全面的臭氧监测网络。监测网络是臭氧防治政策科学制定和评估的基础，美国自20世纪90年代开始就致力于建立全面、综合的光化学评估监测网络。1990年在空气清洁法案修正案中提出臭氧浓度超标的州必须改进和完善对臭氧、氮氧化合物以及挥发性有机物的监测。目前，美国已经在全国建立了73个光化学监测站点，其中用于监测臭氧前体物（氮氧化合物、挥发性有机物等）排放的第二类监测点共有33个，占总监测点的45.20%。这些覆盖美国臭氧污染重点区域的监测网络能帮助环保监管部门实时获取相关数据，为臭氧防治政策的制定、修订和评估提供科学依据。

欧洲在20世纪50年代就开始进行臭氧监测，是世界上较早关注臭氧污染的地区。为加强欧盟内部空气污染协同治理，减少二氧化硫、氮氧化合物以及挥发性有机物的排放，1979年欧盟多国签署了《远距离越境空气污染公约》。这是欧盟内部第一个区域性空气污染治理公约，此后欧盟成员国又在1988年、1991年分别签署了《索菲亚协议》《日内瓦协议》，不断收紧臭氧前体物排放标准。但由于上述协议并没有法律效应，欧盟成员国的臭氧浓度反而逐渐增加，臭氧污染愈发严重。2001年欧盟委员会正式通过了具有法律约束力的《国家空气污染排放限值指令》，为成员国设定了氮氧化合物等有害气体的减排指标，要求各成员国必须在2010年之前实现减排计划，否则将承担法律责任。2002年，欧盟开始将臭氧作为常规污染物进行监测，建立科学的臭氧评估标准和评价体系，并在成员国内部分享臭氧前体物减排技术，对前体物实施总量控制。2012年，欧盟进一步修订和完善了《哥德堡协议》，开始注重对包括二氧化硫、氮氧化合物、发挥性有机物以及PM2.5等污染物的协同治理和控制。2016年，欧盟又发布了新的国家限排指令，为臭氧前体物排放设定了2020—2029年目标及2030年后的减排承诺。欧盟臭氧防治政策逐渐向多污染源协同治理方向转变。

经过几十年的治理，欧洲国家臭氧浓度逐渐降低，一年中臭氧超标天数大幅减少。这说明欧洲臭氧防治政策是有效的，一些治理措施和经验也是值得我国借鉴的。这些措施和经验具体包括：（1）在臭氧污染防治方面，建立了分工明确、责任清晰的强力管理组织。欧盟主要由欧盟委员会、欧盟理事会、欧洲议会、欧洲法院等机构组成，在臭氧防治领域，欧盟委员会是主要执行组织，下设有“环境空气质量委员会”，主要负责包括臭氧在内的大气污染防治政策制定、具体贯彻执行，以及监督各成员国政策实施。对于预期无法完成相关空气污染减排目标的成员国，欧盟委员会会对其提出警告、建议。在多次警告、建议无效后，欧盟委员会有权向欧盟法院提起诉讼，欧盟法院也有权对未完成环境指标的国家处以相应金额的罚款。（2）不断完善臭氧污染防治的法律法规。自1970年以来，欧盟内部已发布了50多条空气质量标准法律法规，主要涉及固定源（工厂、焚烧厂等）排放标准、移动源（机动车发动机、燃油等）排放标准、国家排放总量控制指标、大气污染浓度指标等。（3）加强臭氧监测网络建设。自1950年在德国北海岸建立臭氧观测点开始，目前欧洲成员国已经建立了近1 800个臭氧监测站点，绝大部分国家都有10年以上臭氧监测预警经验和数据，这为欧盟臭氧治理政策的制定和评估提供了科学基础。（4）深化臭氧污染防治的跨区域联防联控机制。臭氧污染是一个动态的区域性污染，在小国众多的欧洲地区，单独靠一国之力难以有效应对，因此欧盟内部一直在探索和深化臭氧污染防治的跨区域联防联控机制，包括《远距离越境空气污染公约》《哥德堡协议》等都对成员国在减排技术合作、污染信息分享、区域监测网络构建、减排指标协同方面有明确要求，这些联防联控机制在欧盟空气污染质量方面作用明显。（5）深入推进臭氧污染防治科学研究。1977年，欧洲国家联合建立了欧洲大气污染物远距离传输监测和评价合作方案（EMMP），自该方案启动以来，目前已建立了5个研究计划中心和4个工作组，在科学监测、编制减排清单、大气污染模拟、政策成本效益及污染防治效果评估方面进行了大量卓有成效的工作，相关科研成果为欧盟臭氧污染的科学精准治理提供了科学依据。

欧美国家臭氧污染防治的成功经验对我们有很多启示。一方面我们要重视臭氧污染治理科研工作，将科学研究作为污染治理政策的关键和基础。另一方面要加强臭氧监测网络的建设，全面、及时掌握全国臭氧污染的新动态、新发展，为臭氧防治政策的调整和评估提供数据支撑。再一方面是注重臭氧污染的协同治理。臭氧是流动的空气污染，要从根本上治理臭氧污染，靠一个市、一个省很难产生效果，因此需要从中央政府层面做好组织规划和区域协调，以实现臭氧防治的区域协同和政策协同。最后是积极调整能源结构。石油等化石能源燃烧是臭氧前体物的主要来源，未来要从根本上治理臭氧污染，我国还需要大力发展绿色能源，增加可再生能源供应，调整我国能源结构。

当然，我们在看到欧美国家臭氧污染防治阶段性成果的同时，也不应忽视这些国家臭氧污染正面临的新变化和新形势。2020年，普林斯顿大学的科研人员在分析了欧洲1960—2018年气象和空气质量数据后发现，欧洲高温热浪天气削弱了植被对臭氧的抑制和减弱作用，加剧了欧洲臭氧污染。这一新发现也意味着未来全球的臭氧污染治理将面临来自全球气候变暖因素的更大压力和挑战。