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京津冀地區氮氧化物與揮發性有機物協同減排的必要性及路徑優化

作者:江蘇中創清源科技有限公司 點擊:155  發布日期:2022年06月09日

“十三五”時期以來,我國的環境污染治理力度之大前所未有,大氣環境質量明顯改善。但是,大氣污染防治形勢仍然嚴峻。2020年,全國大氣PM2.5年均質量濃度是 衛生組織準則值的6.6倍,仍有37.1%的城市PM2.5濃度超過 二級環境空氣質量標準。O3污染呈現持續升高態勢,京津冀“2+26”城市的O3日 *大8小時濃度第90百分位數約為美國洛杉磯等污染較重城市的1.5倍—1.8倍,O3已成為僅次于PM2.5的影響空氣質量的重要污染物。因此,PM2.5和O3協同控制已成為持續改善空氣質量的關鍵。

優化NOx與VOCs協同減排路徑的必要性

PM2.5和O3的生成具有共同來源,NOx和VOCs是兩者共同的前體物,因此對PM2.5和O3的協同控制具備基本條件。NOx和VOCs在一定比例下通過大氣光化學反應會產生O3。如果NOx和VOCs控制比例不當可能導致O3濃度的增加,還可能進一步影響二次顆粒物的生成。因此,只有優化NOx與VOCs協同減排路徑,才能實現PM2.5和O3的協同治理。

優化NOx和VOCs減排策略,將長期濃度的持續降低與短期減少高濃度暴露的需求銜接起來,還能在減排期間帶來顯著的健康和生態收益。從長期來看,可確立成本 *小為目標,確定達標要求下NOx和VOCs減排的 *優策略。但由于實現空氣質量達標需要大量減少前體物排放,可能需要10年以上的時間,因此即使減排總量確定,不同的NOx和VOCs控制路徑可以在減排期間產生不同的收益。由于當前O3對VOCs較為敏感,因此在VOCs排放控制速度更快的情況下,能在整個控制NOx期間內盡早額外降低PM2.5和O3濃度,減少PM2.5和O3對人群健康和生態系統帶來的不利影響,從而產生額外的且高于VOCs控制成本的健康和生態效益。

NOx深度減排是實現京津冀地區PM2.5和O3達標的關鍵

近年觀測數據表明,京津冀地區硝酸鹽區域性污染十分突出,已經成為PM2.5中 *主要的二次無機組分,其濃度快速上升已成為PM2.5爆發式增長的關鍵因素之一。NOx是硝酸鹽的前體物,因此控制PM2.5污染需要對NOx進行控制。O3高污染時段出現在夏季,受夏季氣象條件和較高的自然源VOCs排放等因素的影響,NOx的深度減排才能 *終降低這一時段的O3濃度。但需注意的是,由于非線性響應關系,從短期來看,NOx的單一減排可能使得O3濃度增加,因此,在制定近期的減排策略時,需要考慮如何協同控制VOCs和NOx。而當我們討論達標要求下的減排需求時,NOx的控制是必不可少的,它的深度減排對于持續降低PM2.5濃度、減少O3生成至關重要。

控制O3污染在歐美發達 也是一個難題,美國大洛杉磯地區(南海岸空氣盆地)是全美 *大的不達標區域。與北京的情況類似,洛杉磯也經常會出現逆溫現象,導致當地污染物擴散不出去,NOx與VOCs在大氣中相互作用形成更多O3。鑒于當地地理與氣候特點,南海岸空氣質量管理局(SCAQMD)考慮了三個O3的控制策略(僅治理NOx的策略、僅治理VOCs的策略、NOx-VOCs均等策略),通過大量數據采集和建模分析, *終決定,把NOx排放削減作為其O3控制的主要策略,同時采取適當策略性的VOCs減排。這一策略能緩解O3在NOx富集地區初期的增加,實現O3濃度達標,并為PM2.5等的治理帶來協同效應。

京津冀地區需制定季節性的減排策略

不同季節,PM2.5與O3濃度的特征有較大差異,二者對前體物排放的響應也不同,因此污染治理需要各有側重。在冬季,O3化學處于VOCs敏感區,NOx減少會使O3增加。但冬季O3濃度本身較低,應側重于對PM2.5的控制。但如果只控制NOx而不控制VOCs,可能會增加大氣氧化性并顯著影響二次PM2.5的形成,因此需要在當前冬季錯峰生產措施的基礎上進一步強化VOCs控制。夏季,PM2.5和O3需協同控制。O3對NOx排放的敏感性增大,NOx排放量的大幅減少對于O3污染控制效果比VOCs減排帶來的效果更好。因此,需要在VOCs強化措施的基礎上進一步降低區域NOx排放,促進降低O3峰值濃度。

京津冀地區VOCs和NOx減排比例如何設置?

NOx與VOCs的相對大小是影響O3化學的重要因素之一。減排比例的比值會受季節、控制區域范圍大小等的影響。當僅城市單獨減排時,VOCs的減排要高于NOx。但當區域聯合控制時,O3對NOx的敏感性增加,控制范圍越大,NOx的減排帶來的O3控制效果越好。VOCs/NOx減排比例在一年內變化也較大,考慮區域聯合控制,從冬至夏,京津冀各城市NOx/VOCs減排比例的比值中位數約從0.95(12月)降到0.02(7月)。當NOx減排量超過36%—53%時,VOCs減排效果將小于NOx。

以北京為例,冷季(1月—2月、11月—2月)VOCs/NOx的減排比值在0.68—0.87左右,主要是避免氧化性增強促進二次顆粒物生成。暖季(5月—9月)所需VOCs/NOx減排比值較低(約0.37,7月無須VOCs控制可使濃度降低)。冷暖季相交的時段,VOCs/NOx比值約為0.44。這一時期,O3濃度不高,但仍需注意NOx控制的短期不利影響。

還需注意的是,隨著減排的進行,需要考慮污染物化學生成敏感性的變化調整協同控制策略。在冷季,當NOx持續減排超過40%—51%時,其減排對于O3的控制效果將高于VOCs。在暖季,當NOx持續減排超過21%時,可進一步促進O3對NOx敏感性向正敏感性的轉變,因此當減排進行到這一程度,就可以更加重視對NOx排放的削減。

作者單位:清華大學環境學院

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