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科技论文:中国“雾霾”形成机理研究

在职博士网      2014-10-26       来源: 顾为东,国家973计划项目

                  中国“雾霾”形成机理研究

[摘要] 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,在凝结核吸水膨胀同时,也为吸附在凝结核的微生物快速分裂繁殖提供养分,长期以往形成具有地域特征微生物种群,为雾霾快速形成、频发和爆发性增长提供了外部条件。
      综上,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。

[关键词] 雾霾;二次气溶胶;蒸发;土壤;微生物;氨氮

前 言

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%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。

1、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60%肺癌患者。图1-1、1-2显示北京和京津冀雾霾情况。

(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,图2-1,2-2,2-3数据来自中国环保部。

(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% 。北京通过政府补贴全部取消家庭燃煤取暖。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。

2、中国“雾霾”形成机理的深度分析

通过对气溶胶颗粒的成份进行DNA测序,发现1300多种微生物 。表明中国雾霾频发和严重性与我国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,我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%速度增长。见图3-4。面对严峻形势,我国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5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。

附着在气溶胶颗粒上的微生物在适宜条件下迅速繁殖,使气溶胶体积迅速增大,最终形成雾霾。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,体积可迅速增长到2.5微米、5微米,甚至10微米。图6显示雾霾指数突变,左图最高点在中午12∶00附近;右图最高点在凌晨00∶00附近。按传统解释,指数高点应有污染突发性事故发生,但事实上并没有,这只能用微生物快速分裂解释。

3、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微生物获得充分氧气。

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,也带来严重环境代价,图7显示中国2012年GDP增长7.8%,外部环境损失占GDP的9.2%。

我国每年化肥使用量4000万吨,是美国、印度总和,亩均施用量是美国3倍。江苏亩均化肥施用量是全国4-5倍。图8为污染状况。我国每年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。” 我国每年由于土壤污染而导致的粮食减产达到100亿公斤。

富营养水体中的氨氮会随土壤水分蒸发,挥发到大气中,成为微生物营养剂。笔者实验证明了这一点,如图9-12所示。

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份进行鉴定发现,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13显示碳铵处理氨挥发动力学曲线。

图14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份蒸腾凝结和微生物繁殖,尤其冷空气南下造成空气水份加速凝结,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。

4、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。二是从特殊性角度入手,深入研究雾霾中微生物种群和分类。筛选起主要作用微生物,确定其种群的区域性集聚地,针对性制定治理举措;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的微生物群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一定空间,但雾霾特殊性也给中国政府带来治理复杂性,提高治理难度。

中国雾霾生成机理给我们敲响警钟。治理雾霾不仅是针对传统雾霾形成机理,还要根据中国雾霾特殊性,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,治理雾霾的难题就迎刃而解。

(顾为东 作者按:本文得到国家973计划(2007CB210300)和国家科技支撑计划(2013BAB08B04)资助,二〇一四年三月)

      作者:顾为东,男,1956年生,博士,江苏省宏观经济研究院院长,江苏省非并网风电与高载能工程实验室主任,中国能源学会副会长,国家发改委学术委员会专家,江苏省宏观经济学会副会长,国家”973”计划“大规模非并网风电系统的基础研究”项目(2007CB210300)首席科学家。

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