美國大氣許可中PM2.5評估方法以及對我們的啟發

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　　大家都知道，隨著我國大多城市從煤煙型污染為主轉向煤煙型污染和光化學污染物共存，二次污染越來越嚴重，單純地控制一次顆粒物的排放有時很難達到預期效果。而現行大氣環評導則推薦的法規預測模式適合模擬一次污染物的傳輸及擴散，難以處理復雜的化學轉化過程。結合美國環保署許可申請中有關PM2.5模擬的指南，提出我國下一步環境影響評價工作中一次及二次PM2.5的評估方法建議。對于一般大氣環境影響評價，可以采用有簡單化學機制的CALPUFF模式進行預測;對于極少數污染源排放量非常大的項目，在條件滿足的情況下，可選用CMAQ等第三代光化學模式進行預測。原文刊于《環境影響評價》2015年第6期。

　　《環境空氣質量標準》(GB3095—2012)將于2016年1月1日起實施。標準中新增了細顆粒物(PM2.5)指標。近年來，以PM2.5為主導因素的區域灰霾現象日趨嚴重，對公眾健康和城市景觀構成巨大威脅，PM2.5也越來越受到廣大民眾的關注。

　　在PM2.5的來源中，除直接排放的一次粒子以外，由氣態前體物通過大氣化學反應生成的二次粒子也占了較大比例�，F行大氣環評導則推薦的預測模式，包括適用于小尺度的AERMOD、ADMS模式及中尺度的CALPUFF模式，適用于模擬一次污染物的傳輸與擴散，但難以處理復雜的化學轉化過程。而以CMAQ為代表的光化學模式，對基礎數據、計算機軟硬件、技術人員等要求較高，不適合應用于常規環評項目。目前還沒有完全適合戰略或區域環評的大氣評價技術導則，也沒有推薦的適用于環評項目模擬二次污染物的區域空氣質量模式，無法指導項目環評對PM2.5的轉化及臭氧的生成機理進行預測與評價。本文結合美國環保署許可申請中的PM2.5模擬指南，圍繞我國環境影響評價中一次及二次PM2.5的評估問題進行了探討，以期能對國內環評工作的開展提供一些參考。

　　一，PM2.5的來源及組分

　　PM2.5可分為一次粒子和二次粒子，一次粒子從人為源或自然源直接排放，二次粒子在大氣中通過前體物間的化學反應生成，或氣相污染物凝結或沉降到一次粒子上。二次PM2.5的前體物主要有NOx、SO2、NH3和VOCs。在城市區域內，前體物形成的PM2.5是總PM2.5的重要組成部分，甚至可以超過一次源的貢獻。二次PM2.5的主要組分為硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽等二次無機氣溶膠，以及氣態有機物經大氣化學反應形成的二次有機氣溶膠。硫酸鹽粒子比較穩定;而硝酸鹽在氣粒之間轉化以維持化學平衡，當溫度高于30℃時，大部分以氣態(如硝酸)形式存在，當溫度低于15℃時，大部分以粒子形式存在。

　　朱憲磊等通過CMB化學質量平衡源解析法得出，北京市二次硫酸鹽、硝酸鹽以及二次有機氣溶膠對PM2.5的年貢獻率可達15.6%～20.2%;包貞等采用類似方法得出杭州硫酸鹽和硝酸鹽對PM2.5的年貢獻率可達28.7%;李偉芳等研究得出天津冬季硫酸鹽和硝酸鹽對PM2.5的貢獻率達24.9%。這些研究說明，二次氣溶膠對PM2.5的貢獻率較大。另外，隨著我國除塵設備效率的提高，二次PM2.5在顆粒物中的占比相對增大，單純地控制顆粒物一次排放源有時很難達到預期效果。因此，在環評過程中進行PM2.5評估時，將二次PM2.5包含在內是很有必要的。

　　二，二次PM2.5數值預測模式

　　二次污染物的生成源自多種物理和化學過程，物理過程如形成凝結核、冷凝和蒸發等，化學過程如氣相化學、液相化學等，真實大氣中的化學物種和化學反應可達到百億和千億個。美國國家海洋和大氣局的NCARMasterMechanism包括了1855個化學物種和5405個反應，而英國利茲大學的MasterChemicalMechanism(MCM)包括了6700個化學物種和16700個反應。大多應用于三維光化學模式中的化學機制都對化學物種進行了分類重組，比較終的化學物種及化學反應簡化到幾十到幾百個，常用的如根據結構進行物種分類的CB(碳鍵)系列機制，根據分子進行物種分類的SAPRC(加州大氣污染研究中心)系列機制。目前在國內部分高校及科研單位已有應用的三維光化學模式見表1，其中，CMAQ和CAMx為美國環保署推薦的用于區域顆粒物、臭氧及灰霾模擬的法規模式。CMAQ的核心化學傳輸模塊(CCTM)中，將顆粒物分為3種模態：艾特肯核模態(小于0.1微米)、積聚模態(0.1～2.5微米)、粗模態(2.5～10微米)，其中前兩種即為PM2.5。

　　我國大氣環評法規模式CALPUFF也包含了簡單的化學機制，如考慮硫酸鹽和硝酸鹽生成的化學機制MESOPUFFII和RIVAD/ARM3。這兩種機制均需使用O3和NH3的小時或月均背景濃度，結合SO2、NOx以及時空變化三維氣象條件，計算小時變化的轉化速率及化學平衡常數，而無須調用區域污染源排放清單。

　　三，美國大氣許可中的PM2.5評估方法

　　上述光化學模式較難在環評中大規模應用。首先，這些模式對輸入基礎數據要求較高，如區域多組分污染物排放清單，而目前我國還沒有建成可供這些模式直接使用的標準區域污染源排放清單，一般環評項目也只能獲取新建或改建污染源的排放參數;其次，這些模式基本都在Unix/Linux系統下運行，需要具備高性能并行計算機等硬件條件，還需對相關專業人員進行為期半年以上的培訓，而一般環評單位較少具備運用這些模式的能力，環評費用也很難支撐運用這些模式;再次，這些模式的參數化方案比較復雜，控制參數也較多，對于參數的選取也沒有統一的標準，這給環評項目的復核帶來一定困難。

　　同樣，美國也遇到類似問題。美國環保署于2013年3月發布了環境許可申請中PM2.5模擬的征求意見稿，并于2014年5月發布了正式稿，給出了是否需要模擬一次或二次PM2.5的污染物比較小排放量標準、推薦模式及推薦模擬方法。

　　污染物比較小排放量

　　對于一次PM2.5，如果新建或改擴建導致的一次PM2.5排放量小于10噸/年，則不需進行一次PM2.5模擬，反之則需進行模擬;如果PM2.5的前體污染物NOx和SO2排放量都小于40噸/年，則不需要進行二次PM2.5模擬，反之若NOx和SO2排放量有任一個或者都大于40噸/年，則需要進行二次模擬。

　　PM2.5評估方法

　　對于一次PM2.5的模擬，美國環保署仍舊推薦使用AERMOD、CALPUFF等法規模式模擬，如果一次二次PM2.5都需要模擬，一次PM2.5也可以選用可選模式如光化學模式CMAQ、CAMx模擬。

　　對于二次PM2.5，根據前體污染物排放量的大小，可使用以下推薦方法：

　　(1)定性法：當PM2.5前體物排放量僅少量超標，監測的PM2.5背景濃度較低，直接PM2.5排放量也較低或與一次、二次PM2.5在時間和空間上無相關性，從而一次PM2.5與背景濃度的疊加影響較大地低于PM2.5空氣質量標準，則一次和二次PM2.5疊加起來不超標的可信度非常高，性質上可定義為不超標。

　　(2)定性/定量混合法：大多數情況下可能很難簡單判斷一次PM2.5、背景濃度以及二次的PM2.5疊加影響是否符合空氣質量標準。當新增前體污染物排放量較大時，可能需要使用定量分析二次PM2.5的濃度�？捎棉D化因子將PM2.5前體污染物排放等價成一定數量的直接排放PM2.5，轉化因子可能隨著地區不同而有差異。從而仍可以使用AERMOD、CALPUFF等法規模式模擬排放量疊加后的PM2.5總濃度，并分析是否超標。

　　(3)光化學模式法：當新增前體污染物排放量極大時，需要使用光化學模式法模擬二次PM2.5的影響。

　　四，美國PM2.5評估方法對我國的啟示

　　按照我國環評實際情況，若近期需要對PM2.5的預測評估作出要求，可參照美國環保署的相關經驗，從污染物比較小排放量和評估方法等角度進行一定程度的借鑒。

　　污染物比較小排放量

　　污染物比較小排放量的制定與相關空氣質量標準有關，表3為中美兩國PM2.5的空氣質量標準。按照國內的二級標準計算，中美標準的比較小比值為2.14，則直接排放的比較小排放量應為21.4噸，NOx和SO2的比較小排放量應為85.7噸。

　　除直接根據規定的污染物比較小排放量確定是否需進行一次或二次PM2.5模擬外，也可應用估算模式判斷是否需要進行下一步詳細預測。

　　PM2.5評估方法

　　對于一次PM2.5的模擬，可仍舊使用大氣環評導則推薦的法規模式模擬。對于二次PM2.5，可應用以下評估方法：

　　(1)轉化因子法：通過確定我國各地區的二次PM2.5前體物轉化因子，將前體物排放量換算為一次直接排放PM2.5，再使用現行導則推薦的AERMOD、ADMS、CALPUFF等法規模式模擬。轉化因子可通過分析光化學模式中前體物與模擬PM2.5各組分的相關性獲得。

　　(2)CALPUFF模式：由于二次PM2.5組分中相當大的比例為二次生成的硫酸鹽和硝酸鹽，采用CALPUFF模式評估也基本能反映二次PM2.5的污染特征。第二屆火電行業環境保護研討會綜合現行主流大氣預測模式的特點及環評項目的可操作性，也建議目前采用CALPUFF模式進行PM2.5預測計算。伯鑫等采用CALPUFF模式預測了京津冀地區火電企業的大氣污染影響，其中就包括二次生成的硫酸鹽和硝酸鹽，結果表明，SO2、NOx這些前體物減排后能大幅度減少PM2.5濃度。CALPUFF模式還包含后處理工具，可以將一次及二次PM2.5的預測濃度進行逐時疊加，從而得到PM2.5的總濃度。CALPUFF中的模型參數較多，模式的標準化應用研究可見前期研究成果。

　　(3)光化學模式：對于個別環評項目，如其污染物排放量非常大，且位于區域污染物排放清單比較完備的地區，可推薦選用CMAQ、CAMx等光化學模式進行模擬。

　　作者簡介：王剛、吳成志，三捷環境工程咨詢(杭州)有限公司。

　　小編寄語：

　　沒有人是一帆風順的，在做一件事情中總是充滿挑戰和艱難，不過這樣人生才更有意義，學習水處理知識也是如此，堅持努力，總有一天您會掌握的更好更全面。

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