《科学通报》对话黄顺祥: 走近中国大气污染防治

空气质量与每个人息息相关, 是民生的最基本需求。但伴随着工业化和城市化进展, 大气污染像阴霾一样一直笼罩在世界很多国家和地区上空。20世纪40~60年代发生的伦敦烟雾事件和洛杉矶光化学烟雾事件给人类带来了灾难性的影响, 近几年我国和印度等一些发展中国家大气污染日益严重, 一些西方发达国家的大气污染也有卷土重来之势。根据世界卫生组织(WHO)报告, 2012年全球有370万人过早死亡与环境空气污染有关。2015年Lelieveld等人在Nature发表文章称, 大部分PM2.5造成的环境空气污染导致全球每年330万人过早死亡。2016年Liu等人研究发现中国因PM2.5污染引起137万人过早死亡。2010年Zhang等人在Lancet发表文章称中国已成为全球环境空气质量最差的国家之一。在我国政府的大力推进和治理下, 空气质量整体在逐年改善, 但部分地域和时段污染加重, 整体仍处于较严重的状态。对2014~2017年中国713个监测点PM2.5和O3污染状况统计结果表明, O3污染相对较轻, 但发展趋势与PM2.5相反, 呈逐年上升的态势。大气污染存在明显的区域特征, 我国京津冀、长三角、珠三角、成渝地区、中原腹地、长株潭等为重点污染区域。大气污染物的产生、形成、传播、扩散、转化、沉降等过程极其复杂, 由于受排放源、气象、地形、下垫面等因素的影响, 每个区域的大气污染都存在不同程度的差异特征。

科学有效的大气污染防治方案与策略, 是燃眉之急。鉴于对大气污染与防治研究的碎片化和大家对其认识的片面化, 为了整体认识我国在该领域发展现状、厘清大气污染形成和消除机理、正确认识大气污染的危害性、促进大气污染控制的科学性和精准性, 《科学通报》对话中国人民解放军陆军防化学院黄顺祥教授。

“目前我国在排放源清单、雾霾监测、预报预警、源解析、末端治理等方面取得了重要进展, 基本摸清了我国重点城市大气污染现状和主要成因: 京津冀、长三角、珠三角、成渝等为全国重污染天气高发地区; 机动车、工业、燃煤、扬尘、农业等为主要污染来源; 多种污染源与不利气象条件共同作用导致污染天气, 其中排放源是内因, 气象条件是外因, 污染过程是动因, 污染治理最主要的方法就是调控排放源; 从煤烟型转变为复合型污染是我国目前大气污染基本特征, 大气复合污染成因的理论体系基本形成; 初步厘清了NO2和SO2液相氧化反应生成硫酸盐促进颗粒物爆发性增长的机理; 自主研发的燃煤烟气除尘、脱硫、脱硝等末端治理技术得到推广应用, 在一定程度上缓解了区域性大气污染”。

图1 大气污染形成过程及对健康的影响

对于大气污染的“产生-发展-消除”全过程及污染物对健康的影响, 黄顺祥谈到:

“大气污染由物理过程、化学过程和生物过程组成, 这三个过程包含污染物的产生、排放、扩散、传输、转化、沉降等方面以及污染物进入人体后对人体健康的影响, 整体可以用一头大象来描述, 如 图1所示。排放源可分为人为源和自然源, 导致大气污染的排放源主要来自于人为源, 其中交通源、生活源、工业源和农业源就像大象的四条腿, 是人为源的主体部分。这些排放源在大气中进行扩散传输, 将污染物分散在空中。而扩散传输受气象条件控制, 气象场决定污染物扩散的速度和方向, 风速越小扩散速度就越慢, 污染物的浓度也就越大; 大气越稳定, 扩散速度就越小, 同样污染物的浓度也就越大。除了天气过程对污染物扩散传输影响之外, 城市热岛、海陆风、山谷风等各种局地环流也对污染物的传输扩散有很大的影响。地表水体、植被等引起污染物的干沉降, 降水引起污染物的湿沉降。扩散传输对污染物起到稀释作用, 而干湿沉降则起到清除作用。大气污染物形成灰霾后影响大气辐射, 大气辐射影响气温, 气温的变化又影响大气稳定度, 继而影响大气扩散。同时, 颗粒物在大气中起到凝结核的作用, 影响云滴的生产, 进而影响大气稳定度和降水。这就是大气污染与天气的双向反馈机制。在传输扩散过程中, 部分污染物由于大气氧化性的作用发生一系列化学反应和光化学反应, 生产新的污染物, 我们称为二次污染物, 比如O3和部分PM2.5都属于二次污染物产物, SO₂ → SO₄^2-, NO_x →NO₃^-, NH₃ →NH₄⁺, SO₂+NO₂→ SO₄^2-就是生产PM2.5的几类典型化学转化过程, 其反应过程也受气温、湿度等气象条件的影响。所以, 气象条件不但决定传输扩散的速度, 还影响着二次污染物的生产速度或者污染物的化学转化过程, 高湿条件下NOx可促进SO2快速生产硫酸盐, 导致PM2.5爆发性增长, 产生重污染天气。大气污染物进入人体后将发生一系列生物效应, 大气污染物中的化学成分会产生氧化应激反应、脂质过氧化与DNA损伤, 引起炎症反应、心脑血管疾病、肿瘤和出生缺陷等。这些污染物中包含多种粒子核、大量吸附在其表面的多环芳烃(PAHs)等化学成分和重金属, 并存在稳定的自由基, 进入呼吸系统、肺泡甚至血液中时, 这些自由基促进体内ROS和其他氧化性物质或自由基生成, 破坏细胞内氧化性物质和抗氧化物质的平衡, 造成氧化损伤及炎症反应。当外源性物质进入机体内时, 人体本能地生成ROS进行防御, 同时也引起如核酸、脂质、蛋白质等细胞大分子损伤。另外, 氧化应激能够导致DNA键的断裂和酶的不完全修复机制, 该机制将导致染色体改变, 这些改变反过来会作用于基因扩增, 改变基因的表达并且呆滞杂合性丢失, 从而促进癌症发展。大气污染的物理、化学和生物三大过程构成了大象的躯体。太阳不仅是气象条件变化的驱动力还是光化学反应的必要条件, 在整个大气污染的形成和清除中均起到非常重要的象鼻作用”。

对于这三个过程的发展现状, 黄顺祥进一步说到: 

“目前对物理过程研究相对比较成熟, 未来7~10天的气象场预报准确率逐步上升, 但大气污染与气象的双向反馈机制仍然是一个难点。主要化学过程的认识基本清楚, 但大量未知反应机理需要进一步探索, 尤其是PM2.5爆发性增长的化学机理。对生物过程的认知仍然是初步的, 且大部分还只是建立在统计学上而缺乏理论基础, 需要逐步深入探究”。

十九大报告指出“污染防治”是我国全面建成小康社会实现第一个一百年奋斗目标必须打好的“三大攻坚战”之一, 大气污染防治作为当前的重点任务, 党和国家领导人高度重视, 社会各界高度关注, 人民群众高度关心。关于如何科学防控大气污染, 黄顺祥谈到: 

“大气污染防治是一个复杂系统工程, 具有高维非线性特征, 涉及自然、社会、人文等各类学科, 既相互联系, 又相互制约。大气污染与防治好比一颗大树, 逻辑关系如图2所示, 各种各样的排放源如同树根, 大气污染形成过程及对健康影响的物理过程、化学过程和生物过程就是这个树的主要枝干, 控制、影响和制约这三大过程的气象场就是这棵树的树冠, 要实现大气污染科学精准防治, 需要用数学方法来描述这三大过程, 用计算机技术来实现科学预测和评价, 而数学方法和计算机技术就是这棵树的主干。显然, 我们控制大气污染有三种方式: 一是控制排放源; 二是改变扩散传输条件或者气象条件; 三是对已经形成的大气污染物进行净化处理。由于大气是一个开放系统, 改变气象条件非常困难, 比如说通风走廊、人工增雨等措施, 这些措施通常是得不偿失或对于减轻大气污染只能是杯水车薪。同样, 净化已经形成的大气污染物只能对局部和有限时间有效, 仍然是高成本低收效。因此, 最有效的方法就是控制排放源, 斩草要除根, 没有了树根, 污染树就无法存活了。控制排放源有两种机制: 一种是规划层面上的长效机制, 产业结构、能源结构、运输结构、重污染源布局等优化调整, 这个过程西方发达国家大都经历了30年左右完成, 目前我国制定的目标是15年完成这个调整过程, 这能起到治本的作用; 另一种是应急层面的临时机制, 因为大气污染对健康的影响存在阈值, 依据空气质量预报, 当处于不利气象条件大气污染浓度预报超过一定阈值时采取减排限排措施, 达到短期改善空气质量的效果, 起到治标的作用。为了经济稳定发展, 我国采取了大气污染标本兼治的政策”。关于我国大气污染防治的现状, 黄顺祥提出: “虽然我国已经在很大程度上应用了一些科学手段和科学方法, 但目前大气污染应急控制在一定程度上还是一刀切的粗放式方式, 缺乏科学精准施策。根据大量的科学计算结果表明, 大气污染基本满足“二八定律”, 也就是20%的排放源导致80%的大气污染。大气污染应急控制需要找准主要矛盾及其主要方面, 导致80%的大气污染的20%排放源就是这个问题的主要矛盾, 这20%中可以实施有效控制的排放源就是矛盾的主要方面。这就是我们常说的找准污染源头, 实现靶向治理, 以较小的代价较快的时间改善空气质量。这个方面呐思系统不失为一个有效工具, 已在成都等地大气污染防治中得到实践”。