大气臭氧污染特征及其治理措施分析

唐山市生态环境局唐山国际旅游岛分局 周军

目前，大气中的臭氧污染主要来自于大气中的挥发性有机物和氮氧化物高温反应而产生O3，这两类污染物难以控制，导致新的污染源出现。这种情况持续发生，使臭氧污染很难控制。要想有效降低臭氧污染，就必须从源头上清除有机物和氮氧化物，另外，还需要加强对臭氧污染防治的宣传。

目前，臭氧层污染已成为造成大气污染的主要原因，因此，加强对臭氧污染问题的研究十分的必要。

一、臭氧概述

臭氧，化学式为O3，是一种氧的同质异构体。臭氧在室温下有一种特别的气味，是一种蓝色的气体，德国科学家马龙于1785年在雨后发现了清新的空气的气味。臭氧主要分布于平流层，离地表大约20公里。臭氧层能够吸收臭氧，从而防止陆地上的生物受到紫外线的侵害。但是，臭氧在地表上的分布不仅是扁平的，还有一些气体的臭氧层。最近几年，有气象专家指出，地表空气中的臭氧含量在快速增长。尽管大气中的臭氧层可以保护地球上的人类，但是，当大气中的臭氧层在接近地表时，它的浓度会明显升高，就会对环境和人体健康造成负面影响。臭氧会刺激人的内脏粘膜，也会影响人类呼吸。高密度的臭氧对动物和植物都是有害的。臭氧在水中是很容易溶解的，但是它的溶解度是由其他物质决定的。臭氧能在有离子的水里溶解为氧，臭氧极易氧化，对金属及非金属材料的表面造成严重的侵蚀。臭氧对细菌、霉菌、病毒均有较好的杀伤效果。臭氧的上述性质使得其在日常营养、医疗等方面得到了广泛的应用。

二、大气臭氧污染的主要来源

臭氧层是地球大气层中最主要的物质。臭氧一般在20千米至50千米处能起到一定的保护作用，使地球上的生物和动物能更好地生存。同时，臭氧是一种重要的光化学污染物，其自身也会产生化学烟雾，对人类的生存环境造成污染。所以，对大气臭氧污染治理要因地制宜。目前，大气层中的臭氧一般有两种来源：一种是天然来源，另一种是人工来源。它们是人类活动的源头，导致人类活动产生大量臭氧，比如气体中的臭氧。石化生产和汽车尾气排放中含有各种有毒物质，而目前大部分臭氧是在化学反应后产生的。由于人为因素的介入、经济的发展使得汽车数量急剧增长，而汽车燃油中的化学成分，如石油和有机溶剂会造成空气中的氧化氮和挥发性有机物增加，不同的物质发生化学反应，使地表的臭氧浓度持续上升。臭氧如果靠近身体，会对身体的健康有很大的影响，造成安全隐患。举例来说，美国洛杉矶1943年的首次城市化学污染就是如此，随着能见度持续下降，流泪、咳嗽等各种症状出现在各个年龄层，800余位老人因此而受害。这起污染事故所造成的生命和财产损失引起了全球高度关注。

三、大气臭氧污染所带来的危害

（一）对人体健康带来危害

臭氧通过空气可进入人体，进而会引发胸闷、头痛、咽喉肿痛等症状。另外，臭氧还会增加患者呼吸道感染、支气管炎等呼吸道疾病的发生率。臭氧消耗会破坏人体免疫系统，受其影响的孕妇容易发生胚胎畸形现象。臭氧还会损伤人体的皮肤，从而加速人们的衰老。

（二）对地球环境带来危害

臭氧不仅对大气环境有影响，而且会污染土壤，降低土壤养分含量。由于臭氧在大气中的浓度过高，会对绿色植物的光合作用产生，影响植物进行叶绿素的合成效果，造成黄叶现象的发生。与此同时，大量植物的产氧量也会随着光合作用的减少而降低，这必然会影响环境平衡。

（三）对生活影响

臭氧是一种很强的氧化剂，能和多种有机物质发生化学反应。在日常生活中，大量的家庭用具和建材由于暴露于臭氧环境中而受到损害。例如，轮胎老化、颜料褪色等，都说明了臭氧具有很强的破坏性，对人们的生活造成了极大的影响。

四、大气臭氧污染的特征

地表O3的污染主要受气温、湿度等因素的影响，特别是在高温、低湿度的情况下更是如此。从四个季度来看，夏季和秋季的日照强度都很高，这样的高温会导致O3污染。O3常常会在一天之内被过度调节，气象条件的改变对O3的浓度也有一定的影响。在阳光下，O3的含量高于晴天，而在雨天则比较低。O3污染在不同区域也有差异，我国北方地区的O3污染以6月份为主，而南方地区5月、6月、10月出现O3污染较多。结果表明，O3的浓度不仅受气候等因素的影响，而且与NOx和 VOC的排放量有关。

（一）具有时间特征

大量研究表明，大气中的臭氧污染是可以随时间而变化的，即臭氧浓度一般是根据地球的温度发生变化的，与热量有很强的相关性。由于温度的影响，大气中臭氧浓度有很强的季节性，每个月都有变化，以6月份变化较大，与此同时，在一月份，地球周围臭氧浓度每天都有明显的周期性变化，也就是说，臭氧是氮氧化物光化学反应形成的二次污染物，其产生后，时间峰值浓度一般在2至5个小时。自然气候决定臭氧的浓度。多项研究表明，阴雨天臭氧浓度较低，而在天气晴朗的时候，臭氧浓度高。

（二）具有空间特征

多项研究表明，臭氧的空气污染可能会随空间而改变，在中国北方，通常市区臭氧浓度总体呈V型。南方地区臭氧浓度总体呈M型，浓度达到顶峰后即会逐渐下降。总体而言，南方的浓度不仅比北方高，而且在10月份还会再次达到高峰。与此同时，西部地区与东部地区臭氧浓度存在着差异。由于大气臭氧污染程度较高，且受人口密度的影响，各地区的臭氧浓度也不相同。同时，在西部欠发达地区，人口密度较低、工业规模小、车辆较少、植被覆盖较好，臭氧对大气的污染程度相对较小，因此，在对城市及其周边地区臭氧浓度的分析中，会发现该地区臭氧浓度较高，且污染程度较高。在城市地区，废气中会含有大量车辆尾气和污染物，使臭氧浓度升高。在郊区的工厂，经常会产生大量污染物，使臭氧浓度升高。与此同时，风向也会导致臭氧浓度升高以及较低，由于该物质活性的增加导致城市地区空气污染物的增加，从而导致其短期释放，使得其他污染物通过强风向城郊地区转移，随后反应缓慢，臭氧恢复缓慢，这也是城市周边臭氧浓度较高的主要原因之一。

五、大气臭氧与其他主要污染物的相关性分析

第一，对臭氧和氧化层进行相关分析。臭氧浓度与NOx浓度呈极其显著的负相关关系。在日变化条件下，最小臭氧浓度与最大的NOx对应，而最大的臭氧浓度和最小的NOx值是一样的。之所以如此，是因为大气中的氧化氮含量较高，能够阻止臭氧的生成。所以，当氮氧化物浓度比较高时，臭氧的污染程度一般比低氮浓度的时候要低。第二，对臭氧与SO2进行相关分析。臭氧与SO2浓度呈极其显著的负相关关系。在24小时内，SO2的最大值与最低的臭氧浓度相对应，而最大的臭氧量通常与最低的硫值相对应。由于臭氧的高氧化作用，二氧化硫可以被氧化为三氧化硫。结果表明，在白天，臭氧浓度越高，SO2浓度越低。在夜间，由于太阳辐射强度低，光合作用被抑制，臭氧浓度下降，而SO2产生三氧化硫的反应速率减缓，SO2的浓度增加。第三，对臭氧与PM10进行相关分析。臭氧与PM10间也呈现负相关关系。随着臭氧浓度的增加，PM10的含量逐渐下降，而臭氧浓度的下降则导致PM10的增加。在15时至17时、18时至23时，臭氧和PM10呈显著的负相关关系，这也许是因为注意力高度集中的缘故。PM10能将大量的紫外线反射，从而抑制光化学反应，抑制臭氧的生成。第四，对臭氧与PM2.5进行相关分析。臭氧与 PM2.5也有一定的相关关系。臭氧浓度越高，PM2.5的浓度越低。在早上，二者的关系是非常显著的，原因也许是 PM2.5和水汽在地表附近的空气中形成了烟雾，这些烟雾阻碍了紫外线照射，从而抑制了臭氧的生成。兰州的独特地形让 PM2.5很难传播，从而避免了水平方向上的臭氧的生成。第五，对臭氧与 CO进行相关分析。臭氧与一氧化碳间也有一定的负相关性，在6时至15时，两者之间的正相关关系更加显著，原因是为了生成O3，需要燃烧CO。结果表明，CO浓度随O3浓度的增加而减少。在2时至4时，阳光照射较弱，光合作用被抑制，一氧化碳含量下降，臭氧浓度增加。

六、基于大气臭氧污染的相关治理措施

（一）建立积极有效的污染预警系统

臭氧污染的控制应遵循以预防为主的原则，建立有效的臭氧污染预警系统是防治臭氧污染的关键。中国预警系统正式建立于2016年年初。国家空气质量预警系统已经投入使用，通过这一系统，相关新闻平台可以发布空气污染讯息。对大气污染进行监测和发布，可为大气污染控制提供有效指导。今后，应借鉴国际先进技术和成功经验，不断优化和完善空气质量预警系统。

（二）建立针对性的应急预案

根据臭氧浓度变化趋势，结合大气臭氧污染的时间特点，有针对性地制定应急预案和应对机制，进而明确提出企业减排措施，尤其是对环境污染物质排放的企业，应制定季节性排放标准，并在生产许可证中注明，以约束这些企业和行业清洁生产，控制大气臭氧污染源，在正常生产过程中减少污染物的排放，改善大气中的臭氧污染。

（三）制定部门问责制度

首先，在城市中，交通管理机构必须根据时段或路段来安排车辆，如交通管理机构不积极，则由环境保护机构承担相关责任，特别是大货车、黄牌车辆和冒烟、改装车辆，要在公安机关备案。其次，每季度发布一次审核通报，发布有关部门环境保护措施的影响，并对市区内停车收费较高的特殊情况进行统计和分析。

（四）积极进行臭氧污染数据的预报

臭氧污染研究最早开始于欧洲，而臭氧污染预报于2002年和我国的天气预报相结合，由中国科学院主办，正式向国内外发布了臭氧浓度预报，臭氧日预报于2007年在上海市气象台进行了首次公布。

预测臭氧浓度的方法主要有统计法和定量法。各个地区测量大气臭氧浓度的方法不同，如地质较为简单但范围较广的地区，较准确的统计预报和较简单的实用预报等不同类型的预测方法都适用，与北京、天津和河北相比，工业污染臭氧层的范围较小，有利于对臭氧层进行大范围的监测，其定量模型能较好地预测和分析区域空气质量。以数字空气质量模型为基础的综合预报技术在复杂的三维环境中不断发展，采用多元回归、神经网络等数学方法进行预测，建立若干不同的预报模型进行计算，以获得最佳的预报结果，从而能够对更为复杂的臭氧天气进行预测，在多值情况下，为微处理器提供最精确的预报，从而能够在海上进行大气臭氧作业。

（五）采取相关技术严格控制污染源

治理污染源的关键是控制臭氧污染。强化对工业企业的监督管理，石油化工和塑料生产企业要特别注意加强对污染物排放的监测和检测，如对大气污染相对比较严重的企业，都必须安装相应的检测设备，并与环保部门共同进行，使环保部门能及时获取相关信息，环境监测部门要求这些工业企业严格执行国家排放标准，根据污染物的排放清单对污染源进行深入分析，加强企业污染监测能力，研究污染类型和原因，采取有效的控制措施，控制大气臭氧污染。强化机动车尾气污染治理。机动车尾气排放加剧了环境污染，大气中臭氧污染的控制越来越受到人们的重视。为减少汽车尾气排放，地方政府采取了一系列措施，国家应制定汽车排放减排制度和标准，坚决禁止重污染排放的汽车上市销售，汽车制造商应严格遵守，提高排放净化的标准，或增加尾气净化装置，从而减少尾气排放，控制大气臭氧污染。煤污染是造成大气臭氧污染的主要原因之一，加强煤污染治理。优先控制臭氧的碳污染，禁止小煤矿锅炉运输，加快热电一体化进程，加强煤质控制，禁止生产和使用劣质煤，防止燃煤污染，对采煤设施进行技术改造，以降低煤炭造成的大气污染。

七、结束语

臭氧污染对所有人的身体都有很大的危害，而人类又是造成臭氧污染的罪魁祸首。因此，为了降低大气臭氧层的污染，保护大气环境，必须采取措施。臭氧污染的治理是一个长期而又困难的工作，不是一朝一夕就可以完成的，要持续推进臭氧治理的战略决心，不断深化四个方面的结构调整，力争在移动能源、工业能源、公共能源等方面实现新的突破。由于大气臭氧在时间和空间上的特点，大气臭氧污染会对人类健康产生一定的危害，因此，应从建立预警系统入手，加强对其的控制，并对污染来源进行监测。

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臭氧是氧气的一种同素异形体，化学式是O3，式量47.998，有鱼腥气味的淡蓝色气体。臭氧有强氧化性，是比氧气更强的氧化剂，可在较低温度下发生氧化反应，如能将银氧化成过氧化银，将硫化铅氧化成硫酸铅、跟碘化钾反应生成碘。松节油、煤气等在臭氧中能自燃。有水存在时臭氧是一种强力漂白剂。跟不饱和有机化合物在低温下也容易生成臭氧化物。用作强氧化剂，漂白剂、皮毛脱臭剂、空气净化剂，消毒杀菌剂，饮用水的消毒脱臭。在化工生产中可用臭氧代替许多催化氧化或高温氧化，简化生产工艺并提高生产率。液态臭氧还可用作火箭燃料的氧化剂。存在于大气中，靠近地球表面浓度为0.001～0.03ppm，是由大气中氧气吸收了太阳的波长小于185nm紫外线后生成的，此臭氧层可吸收太阳光中对人体有害的短波（30nm以下）光线，防止这种短波光线射到地面，使生物免受紫外线的伤害。