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    科技論文:中國“霧霾”形成機理研究

    博士招生信息網      2014-10-26      來源:顧為東,國家973計劃項目

                      中國“霧霾”形成機理研究

    [摘要] 中國霧霾引起全社會廣泛關注,其形成機理既具普遍性,又具特殊性。本文通過數理分析和實證驗證手段,剖析中國霧霾形成機理普遍性是傳統土壤塵、燃煤、生物質燃燒、汽車尾氣與垃圾焚燒、工業污染和二次無機氣溶膠為凝結核生成霧霾;特殊性是中國霧霾形成速度和擴散快、凝結核體積(直徑)跳躍式和突發性增長,均與區域微生物種群及土壤、水源嚴重面源污染密切相關。由于中國水土環境受到富營養化嚴重污染,造成環境中微生物種群繁雜和富集;土壤中氨氮濃度高,造成冬春季節水分蒸發帶走大量富營養水分,在低空與氣溶膠相結合,在凝結核吸水膨脹同時,也為吸附在凝結核的微生物快速分裂繁殖提供養分,長期以往形成具有地域特征微生物種群,為霧霾快速形成、頻發和爆發性增長提供了外部條件。
          綜上,中國工業化進程中工業等污染和廣大農村的土壤、水源嚴重污染的疊加效應,是中國嚴重霧霾形成的特殊機理。

    [關鍵詞] 霧霾;二次氣溶膠;蒸發;土壤;微生物;氨氮

    前 言

    2012年冬以來,霧霾頻繁肆虐于中國北京及廣大中東部地區上空。霧和霾區別在于水分含量:含水量達到90%叫霧,低于80%的叫霾,80%~90%之間是霧和霾混合物;霧的厚度幾十米至200米左右,霾可達1-3公里 。中國霧霾結構和生成機理與歐美等國比較,既具有共性,也具有特殊性。

    1、中國“霧霾”的不同表現形式

    (1)中國“霧霾”對人體直接傷害低,與歐美不一樣。歐美嚴重霧霾有大量直接致死記錄,1952年倫敦霧霾致12000人喪生。中國嚴重霧霾頻發,但直接傷害致死案例目前沒有一例。但呼吸系統慢性疾病,特別是肺癌發病率大范圍上升,肺癌已逐漸成為常見病,過去10年北京至少新增60%肺癌患者。圖1-1、1-2顯示北京和京津冀霧霾情況。

    (2)中國“霧霾”強度在宏觀上與大氣污染物排放強度呈反向變化趨勢,與歐美不一樣。夜間,運行中汽車大幅減少、工廠停產、工地停工、發電廠負荷下降,大氣污染排放強度降低,霧霾強度卻顯著增強;早上,生產生活恢復正常,污染排放強度提高,霧霾強度卻呈穩定或下降趨勢。這不是偶然現象,而是一般性規律,圖2-1,2-2,2-3數據來自中國環保部。

    (3)中國“霧霾”在節能減排趨勢中逆勢增長,與歐美不一樣。中國推廣燃煤機組煙氣超低排放技術,提高天然氣使用比例。2013年,天然氣消費1600億立方米;能源消耗強度下降3.7% 。北京通過政府補貼全部取消家庭燃煤取暖。京津冀粉塵量大幅下降。但霧霾并沒有減少,反而頻率越來越高、重“霧霾”越來越多。

    (4)中國“霧霾”與新能源應用比例正相關,與歐美不一樣。中國新能源應用比例顯著提升,風電、太陽能、水電發展速度和裝機總量均居世界第一,但霧霾發生頻率和嚴重程度不僅未能扼制和下降,卻大幅提高。

    中國霧霾結構與歐美顯著不同,要從其特殊性入手,剖析產生的深層次原因。

    2、中國“霧霾”形成機理的深度分析

    通過對氣溶膠顆粒的成份進行DNA測序,發現1300多種微生物 。表明中國霧霾頻發和嚴重性與我國東部地區水土環境面源污染、大量滋生微生物種群有直接關聯。長期以來,我國經濟發展方式粗放,產業結構和布局不合理,污染物排放總量居高不下。如北京已被2000多座垃圾場包圍,每天垃圾處理缺口8000噸,仍以每年8-10%速度增長。見圖3-4。面對嚴峻形勢,我國加強土壤環境保護和污染治理,堅決向土壤污染宣戰 。

    中國嚴重霧霾快速形成與擴散,與微生物繁殖有關。微生物繁殖速度驚人。圖5表明,當微生物飄移到大氣中吸附在氣溶膠凝結核表面,進入生命周期遲緩期;當土壤中水分蒸發,攜帶氨氮營養物與氣溶膠凝結核結合,為微生物生長提供水分、養料和氧氣,使微生物進入對數生長期。

    附著在氣溶膠顆粒上的微生物在適宜條件下迅速繁殖,使氣溶膠體積迅速增大,最終形成霧霾。如常溫常壓下,氣溶膠顆粒只有0.1微米,但隨微生物迅速繁殖,體積可迅速增長到2.5微米、5微米,甚至10微米。圖6顯示霧霾指數突變,左圖最高點在中午12∶00附近;右圖最高點在凌晨00∶00附近。按傳統解釋,指數高點應有污染突發性事故發生,但事實上并沒有,這只能用微生物快速分裂解釋。

    3、大氣中微生物繁殖條件分析

    微生物繁殖條件是溫度、水分、氧氣和養分。研究發現,微生物溫度適應能力強,在水分蒸發進入大氣,隨空氣溫度降低會再次凝結,冬季成霜,春季成霧;物體懸浮狀態接觸空氣面積最大,使吸附在凝結核表面微生物獲得充分氧氣。

    微生物生長最重要的養分是氨氮,氨氮融入氣溶膠與微生物相遇,成為微生物快速繁殖的營養劑。氨氮來源于土壤和水源富營養化污染。改革開放以來,中國經濟快速發展,也帶來嚴重環境代價,圖7顯示中國2012年GDP增長7.8%,外部環境損失占GDP的9.2%。

    我國每年化肥使用量4000萬噸,是美國、印度總和,畝均施用量是美國3倍。江蘇畝均化肥施用量是全國4-5倍。圖8為污染狀況。我國每年COD排放2400萬噸,氨氮排放245萬噸,遠超環境容量。

    有專家指出:“許多土壤污染地區已超過土壤的自凈能力,沒有外來的治理干預,千百年后土壤也無法自凈,有的地塊永遠都無法自凈,甚至出現環境報復。” 我國每年由于土壤污染而導致的糧食減產達到100億公斤。

    富營養水體中的氨氮會隨土壤水分蒸發,揮發到大氣中,成為微生物營養劑。筆者實驗證明了這一點,如圖9-12所示。

    筆者實驗在低溫高效熱泵型蒸餾裝置中進行,對土壤中提取的水在43℃進行真空蒸餾。疾控中心對蒸餾水成份進行鑒定發現,蒸餾水消除原水中礦物質和重金屬等物質,而氨氮等富營養物含量較高。這為前面論述提供有力支撐。研究表明,土壤含水量80克/千克,土壤水分散失引起氨揮發量最高 ,如表2所示。圖13顯示碳銨處理氨揮發動力學曲線。

    圖14虛線為假設傳統霧霾濃度發展趨勢,實線為微生物、水分及氨氮作用下霧霾濃度發展趨勢線。冬春季節夜間氣象條件有利于水份蒸騰凝結和微生物繁殖,尤其冷空氣南下造成空氣水份加速凝結,極易形成嚴重霧霾;白天水分蒸騰作用隨大氣濕度增大而減弱,溫度上升也使水分凝結作用減弱,使水分和氨氮減少,微生物活性減弱,霧霾強度下降。

    4、結論

    中國霧霾不僅源于工業化進程中工業污染生成的二次氣溶膠顆粒,還源于廣大農村土壤、水源嚴重污染導致以微生物為主的二次氣溶膠顆粒,兩者疊加效應導致中國霧霾快速形成與擴散。

    霧霾治理,一是從普遍性角度入手,減少傳統二次無機氣溶膠等凝結核產生。二是從特殊性角度入手,深入研究霧霾中微生物種群和分類。篩選起主要作用微生物,確定其種群的區域性集聚地,針對性制定治理舉措;深入研究控制土壤等面源污染的具體舉措,減少和阻斷蒸發水分中氨氮等營養物;探索區域性與霧霾相關聯的微生物群發生規律和治理辦法。同時大力推進城市公共環境衛生,消滅城市衛生死角。

    霧霾治理是一把雙刃劍,從表征上看,中國霧霾很嚴重、發生頻率高,但PM2.5濃度300-500mg/m3時對人體直接危害遠低于歐美國家。這給中國政府治理霧霾提供一定空間,但霧霾特殊性也給中國政府帶來治理復雜性,提高治理難度。

    中國霧霾生成機理給我們敲響警鐘。治理霧霾不僅是針對傳統霧霾形成機理,還要根據中國霧霾特殊性,注重包括土壤、水源嚴重污染的治理修復,減少微生物飄逸和阻斷微生物營養供給路徑。通過全社會的共同努力,早日將霧霾形成的臨界點降下來,治理霧霾的難題就迎刃而解。

    (顧為東 作者按:本文得到國家973計劃(2007CB210300)和國家科技支撐計劃(2013BAB08B04)資助,二〇一四年三月)

          作者:顧為東,男,1956年生,博士,江蘇省宏觀經濟研究院院長,江蘇省非并網風電與高載能工程實驗室主任,中國能源學會副會長,國家發改委學術委員會專家,江蘇省宏觀經濟學會副會長,國家”973”計劃“大規模非并網風電系統的基礎研究”項目(2007CB210300)首席科學家。

    (編輯:北師大在職博士網
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