PM2.5文献综述

大气中PM2.5扩散模型的建立与求解 摘要：大气中细颗粒污染物PM2.5（含量）超标，导致环境污染严重，在很大程度上危害着人类的健康，研究其扩散模型及制定治理方案变得尤为重要。拟从形成PM2.5的水溶性离子，颗粒有机物，以及微量元素入手，建立回归模型获取相关系数，进而获取AQI中的其他基本检测指标同PM2.5的相关性并对其相关性进行分析。在处理PM2.5的分布与演变过程中，建立二维衰减扩散模型，依据获取的数据，考虑风力、湿度和季节等因素，对某监测点的数据进行定量与定性的分析。 1.前言 1.1背景 经过多年的经济快速发展、城市扩张和人口增长，我国城市大气污染当前由烟煤型转变为烟煤与油烟并重的复合型，大气污染物复杂且多样，全国已形成“三区十群”大气污染中心，城市环境空气质量管理面临更大的挑战。PM2. 5 是大气中的主要污染物之一，也是引起环境、气候变化的重要因素，更是在不利的气象条件下大气雾霾污染的主要成因。2013 年1 月，灰霾或雾霾天气侵袭大半个中国，最严重时大气污染物覆盖面积高达130 多万平方公里，多个城市出现持续性重度或严重污染，部分城市能见度低于500 m，PM2. 5 指数超过900 μg /m3［1］。PM2. 5 粒径小、表面积极大，极易吸附大量的有毒、有害物质和强致癌物，在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。加之人体的生理结构决定了对PM2. 5没有任何过滤、阻拦能力，而PM2. 5 吸附的有害气体、多环芳烃类强致癌物、二口恶英类、重金属等能溶解在血液中，因此随着医学技术的进步，PM2. 5 对人类健康的危害逐步暴露出更加恐怖的一面，越来越受到公众和媒体的密切关注。

1.2 PM2.5相关知识 1.2.1 PM2.5的定义 PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。它的直径还不到人的头发丝粗细的1/20。虽然PM2.5只是大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。与较大的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。2012年2月，国务院同意发布新修订的《环境空气质量标准》增加了PM2.5监测指标。 PM，英文全称为particulate matter(颗粒物)。科学家用PM2.5表示每立方米空气中这种颗粒的含量，这个值越高，就代表空气污染越严重。可吸入颗粒物又称为PM10，指直径大于2.5微米、等于或小于10微米，可以进入人的呼吸系统的颗粒物;总悬浮颗粒物也称为PM100，即直径小于或等于100微米的颗粒物。 1.2.2 PM2.5的来源 PM即Particulate Matter，PM2.5则指的是空气中由固态粒子和液态离子混合而成的粒径小于2.5微米的细粒子。它的直径甚至不足头发的1/20，而且其上经常存在一些对人体有害的化学成分和病毒，这导致PM2.5很容易进入人体内部，并带入化学物质和病毒，从而对人体造成伤害（见表一）。它主要来源有以下几种： 一， 道路、建筑源及农业产生的扬尘。它所带来的细粒子主要是尘土性微粒，而且，在冬季扬尘而产生的细粒子就会大大减少。 二， 煤炭、石油的燃烧。不同于扬尘，这种方式产生的细粒子在冬季也不会减少，反而会因为居民需要供暖等原因而增加。 三， 生物质的燃烧，如麦秸燃烧、农村家庭厨房燃料等。由于秋季农户会燃烧麦秸，这类细粒子主要在秋季产生较多。 四， 机动车排放。在各大城市中，机动车的排放量很大，一部分PM2.5也就由此产生。 五， 在空气中形成的二次污染物。在雾霾天气中，SO2等污染气体会经过光化学反应变为硫酸盐、硝酸盐等硫酸根、硝酸根粒子。 表一 北京市细粒子6类主要来源中重要性较高和较低的化学成分 来源 重要性较高的化学成分 重要性较低的化学成分 地面扬尘 Ca、Mg、Al、Na、Fe EC、有机物

建筑源 Ca 有机物 生物质燃烧 K、有机物 二次源 SO24- 、有机物 EC 机动力排放 EC、有机物、Pb 燃煤 EC、有机物、SO24 - 、Cl - SO24 -

以北京市为例，见图一，PM2.5主要由硝酸盐、硫酸盐、铵盐、钠钾钙、有机碳、元素碳、氯和其他物质组成,根据季节不同各个成分也会有变化。可以发现，其中许多化学成分，这些成分被人体直接呼入后就会对人体造成危害。

图一：不同季节北京市PM2.5的化学组成 PM2.5相比PM10，二者来源基本相同，但PM2.5中二次颗粒物所占比例较大。北京市环保局表示，发达国家发展过程中分阶段出现的煤烟污染、机动车尾气污染等问题，在北京近些年集中显现。研究表明，北京PM2.5约60%来源于燃煤、机动车燃油、工业使用燃料等燃烧过程，23%来源于扬尘，17%来源于溶剂使用及其他。不同地区各染源贡献率有所不同，如表二：

表二：各城市PM2.5 污染源贡献率（%） PM2.5产生的主要来源，是日常发电、工业生产、汽车尾气排放等过程中经过燃烧而排放的残留物，大多含有重金属等有毒物质。 一般而言，粒径2.5微米至10微米的粗颗粒物主要来自道路扬尘等;2.5微米以下的细颗粒物(PM2.5)则主要来自化石燃料的燃烧(如机动车尾气、燃煤)、挥发性有机物等。 1.3 PM2.5的危害 和单纯的雾相比，“霾”是空气遭受污染的产物，所以霾天气比雾天更危害人体健康。近年来，受全球气候异常的影响，我国北方地区干旱日重，加上城市温室气体的大量排放，出现霾天气的日子呈上升趋势。专家研究发现，由细颗粒物造成的灰霾天气对人体健康的危害甚至要比沙尘暴更大。 粒径10微米以上的颗粒物，会被挡在人的鼻子外面;粒径在2.5微米至10微米之间的颗粒物，能够进入上呼吸道，但部分可通过痰液等排出体外，对人体健康危害相对较小; 而粒径在2.5微米以下的细颗粒物(也即“PM2.5”)，直径相当于人类头发1/10大小，被吸入人体后会进入支气管，干扰肺部的气体交换，引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病。这些颗粒还可以通过支气管和肺泡进入血液，其中的有害气体、重金属等溶解在血液中，对人体健康的伤害更大。 危害人体的是PM2.5吸附物，对人体危害最大的不是颗粒物本身，而是颗粒物上吸附的化学物质。PM2.5对健康的影响，本质上讲是PM2.5表面吸附的各种化学物质对健康的影响，比如吸附了致癌物就有致癌效应，吸附了二口恶英就有生殖危害，要是吸附了重金属就有重金属的危害，关键是要看PM2.5吸附了什么东西。 研究结果显示，如果PM2.5超标后，每增加10微克/立方米的话，医院心血管系统的急诊及死亡要增加6-7%，高血压病的急诊要增加5%。特别是1-3微米的颗粒物，就会进入肺泡里去，肺泡是用来做气体交换的地方，那些颗粒被巨噬细胞吞噬，就永远停留在肺泡里，对心血管、对神经系统、对其它都会有影响，不是单纯对呼吸系统。 环保专家还分析说，其实PM2.5，也不是一个粒子，是一个粒子束，是由多个粒径更小的颗粒构成的组合体，这些小颗粒中，除了粒径为0.4微米到1微米的致霾颗粒，还有很多粒径为1微米到2.5微米之间的非致霾颗粒，这些颗粒，虽然不会导致雾霾产生，但由于它们同样能进入人体。因此，即便是天空中没有雾霾出现，也要关注PM2.5的数值。 3.大气细颗粒污染物PM2.5的污染特征 我国部分城市大气细颗粒物的浓度美国在1997 年颁布了PM2.5 的空气质量标准[2]，规定年均值为15 μg/m3，日均值为65 μg/m3。WHO 在2006 年4 月发布《全球大气质量指南》，推荐PM2.5 的年均值为10 μg/m3，日均值为25 μg/m3,我国还没有相关于PM2.5 的标准。目前，我国还没有对PM2.5 进行大规模的系统监测，只有部分城市进行了一些短期的研究，监测结果见图1[3-14]。从图中可以看出，相对于美国和WHO 的空气质量标准（或推荐值），我国的细颗粒物污染非常严重。沿海地区如青岛、上海、香港、深圳、珠海以及厦门等城市PM2.5 的污染水平较低而内陆地区细颗粒物污染严重，这可能与特殊的地理位置和气象条件有关。 1.4 PM2.5的现状 世界卫生组织认为，PM2.5日均值小于25μg/m3为安全标准，而在北京一些地

区甚至能超过300μg/m3，达到了严重污染。我国现在采用的标准是世界卫生组

织制定的“过渡目标-1”，也就是年均值达到35μg/m3以下，日均值达到75μg/m3以下。 图二：世界PM2.5浓度分布图

由图二可见，我国的PM2.5污染十分严重。 在欧洲、美国等主要发达国家，2010年底时PM2.5就已经作为需要进行强制性限制的空气质量标准，政府也会在最新的测量数据出炉时很快地向民众公布。 而在我国，PM2.5在2011年底才纳入常规空气质量标准，目前也只在各大重点污染城市有监测。据环保部部长在2011年的发言，我国的PM2.5将分“四步走”： 第一步，2012年，将在京津冀、长三角、珠三角等重点区域以及直辖市和省会城市开展 PM2.5和臭氧监测； 第二步，2013年在 113个环境保护重点城市和环保模范城市开展监测； 第三步，2015年在所有地级以上城市开展监测； 第四步，而2016年则是新标准在全国实施的关门期限，届时全国各地都要按照该标准监测和评价环境空气质量状况，并向社会发布监测结果。 也就是说，按照计划，至2016年才能在全国真正实现定期向民众发布检测结果。