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中国雾霾形成机理的深度分析

[2016-11-18] 点击:

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雾霾治理是一把双刃剑,从表征上看,中国雾霾很严重、发生频率高,但PM2.5浓度300~500mg/m3时对人体直接危害远低于欧美国家。这给中国政府治理雾霾提供了一定空间,但雾霾的特殊性也给政府带来了治理复杂性,提高了治理难度。中国雾霾生成机理给我们敲响了警钟。治理雾霾不仅要针对传统雾霾形成机理,还要根据中国雾霾的特殊性,注重包括土壤、水源严重污染的治理修复,减少微生物飘逸和阻断微生物营养供给路径。
▲ 来源: 农业环境科学  作者:顾为东

文章选自《宏观经济》2014年第6期
顾为东 为江苏省宏观经济研究院院长、国家“973”计划风能项目首席科学家。

中国雾霾引起全社会广泛关注,其形成机理既具普遍性,又具特殊性。本文通过数理分析和实证验证手段,剖析中国雾霾形成机理的普遍性是传统土壤尘、燃煤、生物质燃烧、汽车尾气与垃圾焚烧、工业污染和二次无机气溶胶为凝结核生成雾霾;特殊性是中国雾霾形成速度和扩散快、凝结核体积(直径)跳跃式和突发性增长,均与区域微生物种群及土壤、水源严重面源污染密切相关。由于中国水土环境受到富营养化的严重污染,造成环境中微生物种群繁杂和富集;土壤中氨氮浓度高,造成冬春季节水分蒸发带走大量富营养水分,在低空与气溶胶相结合,在凝结核吸水膨胀的同时,也为吸附在凝结核的微生物快速分裂繁殖提供了养分,长期以往形成了具有地域特征的微生物种群,为雾霾快速形成、频发和爆发性增长提供了外部条件。中国工业化进程中工业等污染和广大农村的土壤、水源严重污染的叠加效应,是中国严重雾霾形成的特殊机理;欧美是以大气环境科学研究雾霾,中国则应以大气环境与生物科学协同努力研究与防治雾霾。远期治本,近期则应以雾霾生成机理和雾霾形成临界点研究与治理为主,标本兼治。

2012 年冬以来,雾霾频繁肆虐于中国北京及广大中东部地区上空。雾和霾区别在于水分含量:含水量达到90%的叫雾,低于80%的叫霾,80%—90%之间是雾和霾混合物;雾的厚度几十米至 200米左右,霾可达1—3公里。中国雾霾结构和生成机理与欧美等国比较,既具有共性,也具有特殊性。

中国雾霾的不同表现形式

1、中国雾霾对人体直接伤害低,与欧美不一样。欧美严重雾霾有大量直接致死记录,1952年伦敦雾霾曾致12000人丧生。中国严重雾霾频发,但直接伤害致死案例目前没有一例。但呼吸系统慢性疾病,特别是肺癌发病率大范围上升,肺癌已逐渐成为常见病,过去10年北京至少新增了60%的肺癌患者。图1显示了北京和京津冀地区的雾霾情况。

2、中国雾霾强度在宏观上与大气污染物排放强度呈反向变化趋势,与欧美不一样。夜间,运行中汽车大幅减少、工厂停产、工地停工、发电厂负荷下降,大气污染排放强度降低,雾霾强度却显著增强;早上,生产生活恢复正常,污染排放强度提高,雾霾强度却呈稳定或下降趋势。这不是偶然现象,而是一般性规律。

3、中国雾霾在节能减排趋势中逆势增长,与欧美不一样。中国推广燃煤机组烟气超低排放技术,提高了天然气使用比例。2013 年,天然气消费1600 亿立方米,能源消耗强度下降 3。7%。②北京通过政府补贴全部取消了家庭燃煤取暖。京津冀粉尘量大幅下降。但雾霾并没有减少,反而频率越来越高,重雾霾越来越多。

4、中国雾霾与新能源应用比例正相关,与欧美不一样。中国新能源应用比例显著提升,风电、太阳能、水电发展速度和装机总量均居世界第一,但雾霾发生频率和严重程度不仅未能扼制和下降,却大幅提高。

中国雾霾结构与欧美显著不同,要从其特殊性入手,剖析产生的深层次原因。

中国雾霾形成机理的深度分析

通过对气溶胶颗粒的成分进行DNA测序,发现1300多种微生物(Cao等,2014),表明中国雾霾频发和严重性与东部地区水土环境面源污染、大量滋生微生物种群有直接关联。长期以来,中国经济发展方式粗放,产业结构和布局不合理,污染物排放总量居高不下。如北京已被2000多座垃圾场包围,每天垃圾处理缺口 8000吨,仍以每年 8%—10%的速度增长(公布为北京每天产各类垃圾 1.8万吨,北京市环境专家认为近3万吨)(图3)。面对严峻形势,中国政府已加强土壤环境保护和污染治理,坚决向土壤污染宣战。

中国严重雾霾快速形成与扩散,与微生物繁殖有关。微生物繁殖速度惊人,图4 表明,当微生物飘移到大气中吸附在气溶胶凝结核表面,进入生命周期迟缓期;当土壤中水分蒸发,携带氨氮营养物与气溶胶凝结核结合,为微生物生长提供水分、养料和氧气,使微生物进入对数生长期。

表1列出了几种常见微生物的代时和每日增殖率。

表1列出了几种常见微生物的代时和每日增殖率。

附着气溶胶颗粒上微生物在适宜条件下迅速繁殖,气溶胶体积迅速增大突破临界点,最终形成重度雾霾。如常温常压下,气溶胶颗粒只有 0.1 微米,但随微生物迅速繁殖,体积可迅速增加到 2.5微米、5 微米甚至 10 微米。图5 显示了雾霾指数突变,左图最高点在中午 12 点附近,右图最高点在凌晨零点附近。按传统解释,指数突变应有污染突发性事故,但事实上并没有,这只能用微生物快速繁殖来解释。

大气中微生物繁殖条件

分析微生物繁殖条件是温度、水分、氧气和养分。研究发现,微生物温度适应能力强,在水分蒸发进入大气,随空气温度降低会再次凝结,冬季成霜,春季成雾;物体悬浮状态接触空气面积最大,使吸附在凝结核表面的微生物获得充分氧气。

微生物名称乳酸菌大肠杆菌细菌 根瘤菌枯草杆菌光合细菌酿酒酵母小球藻藻类 念球藻硅藻草履虫表1 微生物的代时和每日增殖率图5 指数在短时间内突变微生物生长最重要的养分是氨氮,氨氮融入气溶胶与微生物相遇,成为微生物快速繁殖的营养剂。氨氮来源于土壤和水源富营养化污染。改革开放以来,中国经济快速发展,也付出了沉重的环境代价,图 6 显示中国 2012 年 GDP 增长 7。8%,外部环境损失占GDP的9。2%。中国每年化肥使用量 4000 万吨,是美国、印度的总和,亩均施用量是美国的 3倍。江苏亩均化肥施用量是全国的 4—5 倍。中国每年 COD 排放2400 万吨,氨氮排放 245 万吨,远超环境容量。有专家指出:“许多土壤污染地区已超过土壤的自净能力,没有外来的治理干预,千百年后土壤也无法自净,有的地块永远都无法自净,甚至出现环境报复。”中国每年由于土壤污染而导致的粮食减产达到100亿公斤。富营养水体中氨氮随土壤水分蒸发,挥发到大气中,成为微生物的营养(图7、图8)。、

笔者实验证明了这一点。

笔者实验在低温高效热泵型蒸馏装置中进行,对土壤中提取的水在43℃进行真空蒸馏。疾控中心对蒸馏水成分进行鉴定发现,蒸馏水消除原水中矿物质和重金属等物质,而氨氮等富营养物含量较高。这为前面论述提供了有力支撑。研究表明,土壤含水量80克/千克,土壤水分散失引起氨挥发量最高,如表2所示。图9显示碳铵处理氨挥发动力学曲线。图10虚线为假设传统雾霾浓度发展趋势,实线为微生物、水分及氨氮作用下雾霾浓度发展趋势线。冬春季节夜间气象条件有利于水分蒸腾凝结和微生物繁殖,尤其冷空气南下造成空气水分加速凝结,极易形成严重雾霾;白天水分蒸腾作用随大气湿度增大而减弱,温度上升也使水分凝结作用减弱,使水分和氨氮减少,微生物活性减弱,雾霾强度下降。

结 论

中国雾霾不仅源于工业化进程中工业污染生成的二次气溶胶颗粒,还源于广大农村土壤、水源严重污染导致以微生物为主的二次气溶胶颗粒,两者叠加效应导致中国雾霾快速形成与扩散。

雾霾治理,一是应从普遍性角度入手,减少传统二次无机气溶胶等凝结核产生。二是应从特殊性角度入手,深入研究雾霾中的微生物种群和分类。筛选起主要作用的微生物,确定其种群的区域性集聚地,针对性地制定治理举措;深入研究控制土壤等面源污染的具体举措,减少和阻断蒸发水分中氨氮等营养物;探索区域性与雾霾相关联微生物群的发生规律和治理办法。同时大力推进城市公共环境卫生,消灭城市卫生死角。

雾霾治理是一把双刃剑,从表征上看,中国雾霾很严重、发生频率高,但PM2。5浓度300~500mg/m3时对人体直接危害远低于欧美国家。这给中国政府治理雾霾提供了一定空间,但雾霾的特殊性也给政府带来了治理复杂性,提高了治理难度。

中国雾霾生成机理给我们敲响了警钟。治理雾霾不仅要针对传统雾霾形成机理,还要根据中国雾霾的特殊性,注重包括土壤、水源严重污染的治理修复,减少微生物飘逸和阻断微生物营养供给路径。通过全社会的共同努力,早日将雾霾形成的临界点降下来,治理雾霾的难题就会迎刃而解。

农业环境科学 作者:顾为东

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