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为大气环境做“体检” 让“二次污染”无处循行

2019-12-06 10:12来源: 科技日报编辑:遥城

  秋末冬初本是大气污染高发季,但2019年京津冀的冬天远比往年更“碧蓝”。在这蓝天白云之下,有一项重要的技术在为打赢蓝天保卫战“保驾护航”,它就是——大气监测预警技术。
  “大气‘监测预警’就像医院中的检验科,精细、准确、清楚地告诉你,大气是否有污染,整个污染程度如何。”在近日由中国21世纪议程管理中心召开的“大气污染监测预报预警技术交流会”上,中国工程院院士刘文清表示,虽然当前的PM2.5平均浓度显著下降,但是以臭氧、挥发性有机物为代表的“二次污染”不断显现,这对大气监测提出挑战,也是打赢蓝天保卫战必须攻克的难题。
  交流会上,包括张远航、刘文清院士在内的专家就“大气污染成因与控制技术专项”(以下简称“大气专项”)中大气污染精细化监测预警技术的创新与突破进行了深入探讨,他们认为区域空气质量的调控,内因是排放,外因是气象,控制重在源头的监测和减排。
  捕捉大气污染的隐形“杀手”
  自由基,一个听起来活跃的名称,却在大气污染防治中扮演着“阴阳师”的角色。
  一方面,它是大气有毒物质的“清道夫”,自由基的存在不断调节着大气环境中的有毒成分,使其不能聚集。另一方面,自由基会与人为排放的挥发性有机物发生氧化,再与氮氧化物发生反应,生成臭氧和二次气溶胶,对臭氧污染和颗粒物污染起到“核心”作用。
  一把双刃剑竖在大气中,我们应该如何审视它?大气专项专家组给出的态度是客观精准、越细越好。
  准确监测自由基是基于当前大气污染格局的变化趋势,北京大学环境学院研究员、“大气自由基及活性前体物在线测量技术”项目负责人李歆接受科技日报记者采访时表示,自2013年国务院颁布《大气污染防治行动计划》(简称“国十条”)以来,多方措施使PM2.5等一次污染缓解显著,但是,从颗粒物化学组成看,二次成分(即一次污染物的大气氧化产物)占比正逐年上升。而且,由挥发性有机物和氮氧化物在光照条件下发生链式反应生成的臭氧,其浓度水平和超标率在全国主要城市地区也呈现上升态势。
  在上述“此消彼长”的污染物转换中,自由基就是那个缺其不可的“催化剂”。因此,自由基成为监测大气污染变化的一个重要指标,它的浓度与活跃度成为李歆团队眼中衡量大气氧化性水平的标志物。
  自由基能轻松监测到吗?跟常规的气态污染物相比,自由基的浓度非常低。李歆介绍,大气中臭氧的浓度标准是160μg/m3(微克每立方米),换算成数浓度为2×1012 cm-3(分子每立方厘米)。而对大气氧化性贡献最大的羟基自由基(OH)的峰值浓度水平仅在107cm-3(分子每立方厘米)左右,相当于传统气态污染物浓度的十万分之一。而且,自由基的活性非常强,OH自由基的表面被任何物质碰到都会湮灭,这意味着它时刻都处在变化状态,使得测准自由基又增加了难度。
  其实,测量OH自由基,从上世70年代开始研究,一直到现在仍有未能攻克的技术难题。李歆团队也是采用国际上已经成熟的技术路线——激光诱导荧光的方法,即用一束激光打到OH自由基上,激发OH自由基释放出荧光,通过监测荧光信号的强弱来判断OH自由基的浓度。
  他们的方法创新之处在于,让激光测得稳、测得精、测得准。而背后依靠着自主设计的一套测反馈系统、一系列条件实验和软件模拟、一条自主建设的自由基浓度的发射装置……也正是这项技术和设备的成套应用,使得我国成为世界上第六个独立掌握这种技术来捕捉隐形“杀手”——自由基的国家。
  监测固定污染源的超细颗粒
  随着“国十条”等政策的出台,污染物排放标准越发严格,如今针对固定污染源的大气环境监测技术早已进入了超细颗粒物监控时代。
  在清华大学能源与动力工程系教授丁艳军的项目报告中,记者看到,我国及世界热电厂等固定污染源颗粒物排放检测设备,虽能在线监测5mg/m3(毫克每立方米)以下的超低排放,但仅能测量排放烟尘的总质量浓度,无法实现细、超细颗粒物粒谱分布的高精度在线监测。
  “传统的单路光颗粒物光学散射技术,只能获得与烟尘总质量浓度相对应的一维光学信息,而且当环境条件变化时,烟尘粒谱和折射率就会发生变化,该技术因无法感知烟尘特征变化,进而会影响测量结果的准确性。”丁艳军告诉记者,项目组根据光波与颗粒物之间的散射关系,利用信号测量和反演信号处理算法得出烟尘浓度中的PM10、PM2.5、PM1数值,最终实现固定污染源粒谱与质量浓度联合测量。
  值得关注的是,课题获得的理论方法和关键部件均申请了专利,其中散射光信号气溶胶特征获取方法及其应用申请了PCT国际发明专利,日本和美国专利均已授权。
  对于固定污染源的监测,除了需要有高精尖的技术标准,还得有符合我国实际工况的污染物监测技术。
  丁艳军告诉科技日报记者,对于工业烟气脱硝氨逃逸监测,进口仪表无论来自美国、欧洲,还是日本,都无法满足我国大量高灰燃煤机组烟气中氨逃逸的监测,因为烟气中大量的飞灰使得测量激光无法穿透而失效。
  项目组针对这种情况,研发了高精度、高灵敏度、可在线标定的原位取样氨逃逸在线监测技术,实现了我国大量高灰燃煤机组烟气脱硝的氨逃逸监测。此外,还针对飞灰吸附大量逃逸氨的最新研究成果,在国际上首先研发出烟尘中飞灰吸附氨的在线监测技术,成功实现了烟气脱硝氨逃逸总量的全面监测。
  “这将为我国工业过程中广泛存在的烟气脱硝氨逃逸的全面监测和严格控制提供关键技术支持和保证。”丁艳军说。
  探寻大气边界层污染的三维立体信息
  2018年冬,一个为期15天、跨越2000公里的大型气象观测实验如期举行。
  “这是一次大规模、多平台、多要素大气污染综合观测试验。”该实验项目负责人、中国科学院大气物理研究所研究员胡非表示,这次实验是为了获取京津冀地区点面结合、三维立体的大气污染分布信息,特别是获取大气边界层中大气污染物与气象要素的高分辨垂直分布和时间演变特征。
  实验的难度在于高空探测,又是守望京津冀地区,因此取名“望都实验”。与地面固定污染源监测技术不同,“望都实验”主要针对大气边界层中污染物和气象要素垂直结构同步联合探测的不足,展开综合探测与技术突破。
  原因在于,距离地面1到2千米的大气边界层主导着地气之间的物质和能量交换,是人类生活和工程活动的主要场所,也是大气污染和气象灾害的主要发生地。胡非告诉记者:“如此高的范围内,要实现空间上全覆盖、成分上要素全、时间上可连续成为一个具体的难点。”
  一场“地空”一体的大气污染监测实验在京津冀地区“上演”——32米长、体积为1800多立方米的大型气艇像放风筝一样飘在1000米高空,“空中国王”飞机搭载着设备在空中穿行,激光雷达以北京为中心进行走航观测、京津冀地区的一批地面观测台站等也实施同步协同观测……,为了支撑我国南北方大气污染特征的对比,2000公里外的珠三角、356米高的深圳气象塔和600米高广州电视塔的监测设备同期配合“望都实验”开展观测。
  在这次观测试验中,项目自主研发的新型臭氧激光雷达、二氧化氮激光雷达、高空湍流超声风速仪探测系统以及涡度相关PM2.5湍流通量观测系统等也首次亮相。
  胡非表示,此次实验得到了以前主要基于地面观测或便携式仪器探空观测所不能得到的污染物物理化学要素精细结构的新信息和新现象,可为揭示京津冀地区重污染形成机制、污染物源解析以及大气污染优化控制提供科学参考。

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