2013年霧霾爆發以來(lái)，各地采取積極措施治理(lǐ)大(dà)氣污染，使大(dà)氣環境有所改善。但(dàn)大(dà)氣污染仍然沒有控制住，近幾年秋冬季節，即使在大(dà)範圍的停工(gōng)限産的前提下(xià)，大(dà)面積霧霾現(xiàn)象在北方除北京以外(wài)的地區(qū)仍然頻繁發生，給企業生産和(hé)人民健康帶來(lái)嚴重影響。爲了(le)使未來(lái)的大(dà)氣污染治理(lǐ)更加有效，我們分析了(le)這(zhè)幾年大(dà)氣污染治理(lǐ)的得失，并提出改進建議(yì)。
1.問題
2013年重霾爆發以來(lái)，政府從(cóng)中央到(dào)地方，采取各種措施“鐵(tiě)腕治霾”，包括實施世界上(shàng)最嚴格的煙(yān)氣超低(dī)排放(fàng)标準，大(dà)範圍的煤改氣、煤改電，治理(lǐ)散、亂、污等。目前控制的三個常規大(dà)氣污染物，顆粒物(塵PM)，二氧化硫(SO2)的排放(fàng)量同比2014年前的峰值下(xià)降 80%以上(shàng), 氮氧化物(NOx)的排放(fàng)量也(yě)同比峰值下(xià)降了(le)30%。從(cóng)指标上(shàng)看(kàn)，常規污染物減排治理(lǐ)成果非常好(hǎo)，但(dàn)實際的霧霾治理(lǐ)效果遠遠低(dī)于預期。到(dào)秋冬季，北方地區(qū)不得不靠大(dà)範圍的停工(gōng)、限産來(lái)維持一定的大(dà)氣環境質量。即使如此，霧霾仍然頻繁來(lái)襲。特别是2020年春節疫情期間，在國民經濟幾乎處于停頓狀态的情況下(xià)，大(dà)範圍、長時(shí)間的重霾仍然未能(néng)避免。
污染物排放(fàng)與不利大(dà)氣擴散條件是霧霾發生的兩個主要因素。北方秋冬季霧霾頻發的原因不僅與常規污染物排放(fàng)有關，更與非常規污染物排放(fàng)有關，否則，常規污染物在峰值期間(2008-2011)更容易暴發霧霾。同時(shí)，不利大(dà)氣擴散條件不僅由自(zì)然因素引起，也(yě)與人類活動有關，特别是工(gōng)業水(shuǐ)汽排放(fàng)相關。
經過反複的研究和(hé)分析，我們認爲目前治理(lǐ)常規大(dà)氣污染物 (二氧化硫和(hé)氮氧化物)減排技術缺陷和(hé)标準缺失，導緻了(le)大(dà)量非常規污染物的排放(fàng)，而這(zhè)些(xiē)非常規污染物沒有得到(dào)監管，是當前霧霾久治不愈的根本原因，大(dà)量工(gōng)業水(shuǐ)汽排放(fàng)引發的不利大(dà)氣擴散條件是重要原因。
2.治理(lǐ)技術缺陷和(hé)标準缺失
2.1氮氧化物NOx 減排的同時(shí)，産生了(le)大(dà)量的氨排放(fàng)
目前減排氮氧化物(脫硝)主流技術 SCR 法用(yòng)氨作(zuò)爲還原劑，爲了(le)達到(dào)遠高(gāo)于歐美(měi)标準的超低(dī)控制指标，企業過量噴氨現(xiàn)象十分普遍。這(zhè)些(xiē)過量的氨氣形成铵鹽等氨氮物, 通過粉煤灰、脫硫廢水(shuǐ)、霧滴等被攜帶排出煙(yān)道(dào),最終形成氨氣排至大(dà)氣。專家估算(suàn)，按 2017年電廠(chǎng)的氨使用(yòng)量計(jì)算(suàn)，這(zhè)部分排放(fàng)的氨氣量約爲137-218萬噸。非電行業的脫硝設施不少設置于脫硫設施之後，過量的氨直接排入大(dà)氣，比電廠(chǎng)的影響更嚴重。中國科學院大(dà)氣物理(lǐ)研究所研究員王躍思團隊通過觀測發現(xiàn)，“華北是我國氨氣最大(dà)的‘熱點區(qū)’，濃度異常高(gāo)，空(kōng)間覆蓋範圍廣” 。該團隊前不久在《國家科學評論》 發表文(wén)章，直接建議(yì) “将氨(包括氨氣和(hé)铵鹽)作(zuò)爲大(dà)氣污染物列入控制性指标”。
工(gōng)業過程中的氨排放(fàng)問題一直沒有得到(dào)關注。根據前不久完成的國家大(dà)氣污染防治攻關聯合中心組織的“大(dà)氣重污染成因與治理(lǐ)攻關項目(總理(lǐ)基金(jīn))”報(bào)告所述：“氨排放(fàng)主要是畜牧業和(hé)農(nóng)業”，這(zhè)一結論遠遠脫離現(xiàn)實。國際、國内多重研究表明(míng)，在城(chéng)市範圍内，工(gōng)業早已是主要氨排放(fàng)源，特别是超低(dī)排放(fàng)啓動後，工(gōng)業氨用(yòng)量大(dà)幅增加，大(dà)氣中的氨含量也(yě)随之升高(gāo)。
氨氣是大(dà)氣中唯一的高(gāo)濃度堿性氣體, 排放(fàng)到(dào)大(dà)氣中的氨與硝酸或硫酸等酸性氣體發生反應, 形成硫酸鹽、硝酸鹽，氨鹽等二次細顆粒物，是大(dà)氣中氣态污染物轉變成顆粒态污染物的重要推手。另外(wài)氨(氨類物質)對(duì)霧霾的影響還表現(xiàn)在高(gāo)濕環境下(xià)，溶解于液滴中的氨類物質和(hé)硝酸鹽，作(zuò)爲營養物質導緻一些(xiē)微生物大(dà)量快(kuài)速的繁殖，使得霧霾快(kuài)速發展。我們在追求超低(dī)的氮氧化物排放(fàng)的同時(shí)，忽視(shì)了(le)目前技術的局限性，使得大(dà)量的氨排向空(kōng)中，轉而形成二次顆粒物和(hé)微生物的繁殖，抵消了(le)其它顆粒物減排的效果。
近年來(lái)，華北地區(qū)降雨已經從(cóng)局部性酸雨轉變爲全面偏堿性，這(zhè)從(cóng)宏觀上(shàng)也(yě)證明(míng)，減排常規污染物的同時(shí)，導緻了(le)過量氨氣的排放(fàng)。在低(dī)溫季節氨氣铵鹽濕沉降能(néng)力弱的情況下(xià)，過量氨氣排放(fàng)會(huì)導緻大(dà)氣中的細顆粒物較長時(shí)間存在，在較大(dà)範圍擴散分布。
2.2 二氧化硫(SO2)減排，濕法脫硫工(gōng)藝與細顆粒物排放(fàng)
目前絕大(dà)部分電廠(chǎng)和(hé)工(gōng)業企業使用(yòng)濕法脫硫工(gōng)藝進行二氧化硫(SO2)減排，盡管脫硫效果明(míng)顯，但(dàn)由于中間的煙(yān)氣升溫器 (GGH)被取消，使得煙(yān)氣低(dī)溫、低(dī)空(kōng)、高(gāo)濕排放(fàng)，脫硫漿液中的細顆粒物通過飽和(hé)濕煙(yān)氣夾帶排入大(dà)氣，可凝結顆粒物 CPM濃度偏高(gāo)，且未控制。取消GGH的情況下(xià)，低(dī)溫季節，飽和(hé)濕煙(yān)氣條件下(xià)，排出的煙(yān)氣形成濃重的煙(yān)羽，二氧化硫在煙(yān)羽内的液滴内形成亞硫酸，進一步形成硫酸的極好(hǎo)條件。這(zhè)樣的排放(fàng)變化過程完全無法監控。
根據包括北京，上(shàng)海等17個達到(dào)超低(dī)排放(fàng)标準機組的測試結果，CPM的平均值是 13.93毫克/立方米，超過了(le)超低(dī)排放(fàng)顆粒物标準10毫克/立方米。更爲嚴重的是，CPM形成的顆粒物粒徑小(xiǎo)，粒數濃度非常高(gāo)，每立方厘米粒數以千萬計(jì)。同樣質量濃度的CPM，其粒數遠超過可過濾顆粒物，對(duì)大(dà)氣的消光作(zuò)用(yòng)也(yě)遠遠大(dà)于可過濾顆粒物。這(zhè)些(xiē)CPM 在大(dà)氣中作(zuò)爲凝結核，遇冷凝并，吸濕長大(dà)，并産生液相下(xià)的二次複合過程，霧霾暴發時(shí)，以PM2.5質量濃度形态顯現(xiàn)。
齊魯工(gōng)業大(dà)學研究員周勇通過多重證據研究，确認濕法脫硫後PM2.5粒數濃度暴增是2013-2014年京津冀及周邊省份霧霾大(dà)爆發的主因。而濕法脫硫工(gōng)藝取消GGH是最主要的引發PM2.5粒數濃度暴增的因素，同期大(dà)規模的脫硝加劇(jù)了(le)這(zhè)一趨勢。這(zhè)也(yě)說明(míng)了(le)爲什(shén)麽在2011年以前，常規污染物二氧化硫、氮氧化物處于峰值時(shí)，沒有形成嚴重的霧霾，而在治理(lǐ)措施加大(dà)後(在新的大(dà)氣污染物排放(fàng)标準、脫硝加價和(hé)嚴管政策刺激下(xià)，2012年開(kāi)始進行大(dà)規模脫硝和(hé)脫硫設施建設或改造，2012年底開(kāi)始沒有GGH并和(hé)脫硝設施串聯的濕法脫硫系統全面推開(kāi)并實行嚴格的在線監測)，霧霾反而顯現(xiàn)了(le)！這(zhè)一現(xiàn)象不但(dàn)發生在華北地區(qū)，甚至是全國性的。現(xiàn)在冬季，從(cóng)南到(dào)北，主要工(gōng)業城(chéng)市上(shàng)空(kōng)大(dà)部分時(shí)間是灰朦朦的。
由于可凝結顆粒物CPM沒有包括在目前的顆粒物标準之中，因此沒有得到(dào)監管。這(zhè)一顆粒物指标上(shàng)的漏洞，說明(míng)了(le)爲什(shén)麽環保指标上(shàng)的成果對(duì)不上(shàng)實際的大(dà)氣污染情況。因爲指标隻管住了(le)可過濾的固體顆粒物，對(duì)霧霾影響更嚴重的CPM沒有得到(dào)監管，超低(dī)排放(fàng)評價顯著低(dī)估了(le)顆粒物的實際排放(fàng)水(shuǐ)平，所謂的超低(dī)排放(fàng)，實際上(shàng)是非關鍵緻霾指标的超低(dī)，不可能(néng)實現(xiàn)對(duì)症下(xià)藥來(lái)治理(lǐ)霧霾！ 2018年各地采取的俗稱“除濕脫白(bái)”的煙(yān)羽中污染物治理(lǐ)措施，治理(lǐ)濕法脫硫後的白(bái)色煙(yān)羽，對(duì)控制 CPM 有一定效果，但(dàn)由于各種原因，被主管部門(mén)叫停！這(zhè)也(yě)就是爲什(shén)麽疫情期間，隻有全面實現(xiàn)超低(dī)排放(fàng)的電廠(chǎng)和(hé)有限的其它工(gōng)業排放(fàng)，霧霾依然席卷大(dà)半個中國。
2.3工(gōng)業水(shuǐ)汽排放(fàng)
濕度是霧霾形成的一個關鍵因素，觀察表明(míng)，重度霧霾都是伴随着高(gāo)濕天氣發生的。北方秋冬季形成明(míng)顯霧霾前的敏感階段及成霾過程中，煤炭/天然氣燃燒、濕法脫硫、冷卻塔等排放(fàng)的水(shuǐ)氣，對(duì)當時(shí)大(dà)氣濕度有20%左右的貢獻，對(duì)霧霾的形成也(yě)有較大(dà)貢獻。
在工(gōng)業集中的地區(qū)，水(shuǐ)汽形成的水(shuǐ)蒸汽氣溶膠，使得局部的雲層增厚，在城(chéng)市上(shàng)空(kōng)形成一個“鍋蓋”，使污染物無法自(zì)由擴散，大(dà)氣中包括CPM在内的各類細顆粒物，在這(zhè)種人爲排放(fàng)水(shuǐ)汽形成的高(gāo)濕環境下(xià)，吸濕增長(研究表明(míng)，如果空(kōng)氣濕度達95%，在短時(shí)間内可凝結顆粒物粒徑能(néng)增長6-16倍)，與各種污染源排出的硫氧化物、氮氧化物、VOC等污染物化合，形成二次顆粒物，導緻霧霾加重。
城(chéng)市周邊大(dà)量工(gōng)業水(shuǐ)汽的排放(fàng)，還會(huì)造成靜穩，逆溫的天氣增加。水(shuǐ)汽形成的水(shuǐ)蒸汽氣溶膠，使得局部的雲層增厚，在城(chéng)市上(shàng)空(kōng)形成一個“鍋蓋”，大(dà)氣流動性減弱，形成靜穩環境，使污染物無法自(zì)由擴散；由于濕态水(shuǐ)溶性離子顆粒物的消光作(zuò)用(yòng)，大(dà)氣邊界層阻擋太陽光線照射至地面，地表溫度低(dī)，形成逆溫環境，同時(shí)這(zhè)些(xiē)工(gōng)業水(shuǐ)汽都帶有熱度，高(gāo)于環境溫度，在高(gāo)空(kōng)遇冷冷凝，釋放(fàng)出熱量，使高(gāo)空(kōng)的氣溫升高(gāo)，也(yě)有助于逆溫天氣的形成。靜穩，逆溫環境導緻污染物在近地表大(dà)氣邊界層内累積，形成霧霾。
工(gōng)業水(shuǐ)汽排放(fàng)不但(dàn)對(duì)大(dà)氣擴散條件産生影響，同時(shí)，水(shuǐ)汽中夾帶大(dà)量細顆粒物。除了(le)濕法脫硫後的白(bái)色煙(yān)羽含有巨量可凝結顆粒物和(hé)可溶性鹽，目前爲了(le)節約用(yòng)水(shuǐ)，不少電廠(chǎng)冷卻塔使用(yòng)中水(shuǐ)作(zuò)爲補充水(shuǐ)，不斷的循環，使水(shuǐ)汽中的含鹽量大(dà)幅上(shàng)升。據估算(suàn)，一個百萬千瓦機組的冷卻塔每小(xiǎo)時(shí)可排 200-400公斤的溶解性顆粒物到(dào)空(kōng)中，是同樣機組煙(yān)氣總顆粒物TPM排放(fàng)濃度的4-8倍！
3.霧霾形成與暴發過程分析
盡管在多年的努力下(xià)，常規污染物二氧化硫 SO2，氮氧化物 NOx, 和(hé)顆粒物(塵PM)已經降到(dào)低(dī)位，但(dàn)由于技術缺陷和(hé)标準缺失，所産生的非常規污染物(可凝結顆粒物CPM， 氨和(hé)工(gōng)業水(shuǐ)汽)沒有得到(dào)治理(lǐ)和(hé)控制，以至北方地區(qū)秋冬季霧霾沒有得到(dào)有效控制，其形成與爆發的過程如下(xià)：
在低(dī)溫靜穩幹燥氣象條件下(xià)，粒數巨大(dà)沒有得到(dào)管控的可凝結顆粒物 CPM 排放(fàng)到(dào)大(dà)氣中形成固态或液态的細顆粒物；濕法脫硫，冷卻塔等工(gōng)業水(shuǐ)蒸氣排放(fàng)推高(gāo)相對(duì)濕度，大(dà)氣中的幹态水(shuǐ)溶性離子顆粒物吸濕長大(dà)；煙(yān)氣中殘留的氮氧化物、硫氧化物，VOCs和(hé)氨氣等和(hé)吸濕長大(dà)後的幹态水(shuǐ)溶性離子顆粒物，水(shuǐ)汽夾帶的細顆粒物在大(dà)氣中發生二次複合，形成硝酸鹽，硫酸鹽，有機鹽和(hé)氨鹽等二次顆粒物。由于濕态水(shuǐ)溶性離子顆粒物的消光作(zuò)用(yòng)，大(dà)氣邊界層阻擋太陽光線照射至地面，地表溫度低(dī)，形成逆溫環境。這(zhè)些(xiē)鹽粒在逆溫，靜穩大(dà)氣的影響下(xià)，在較低(dī)的大(dà)氣邊界層内富集，形成霧霾。
在高(gāo)濕天氣，這(zhè)個過程顯著加快(kuài)和(hé)加強，濕态水(shuǐ)溶性離子顆粒物粒徑大(dà)幅增長，新排放(fàng)的水(shuǐ)蒸氣和(hé)夾帶的細顆粒物在更低(dī)的大(dà)氣邊界層内擴散，地表的空(kōng)氣密度升高(gāo)，大(dà)氣的垂直層結構相對(duì)穩定，空(kōng)氣的上(shàng)下(xià)間流動顯著減弱，靜穩，逆溫環境加強，同時(shí)，水(shuǐ)溶性離子顆粒物中铵根，硝酸根等營養物，促使微生物快(kuài)速繁殖，PM2.5質量濃度快(kuài)速增長，霧霾爆發，并會(huì)維持一段時(shí)間，直至大(dà)氣環境發生改變(如大(dà)風(fēng)，下(xià)雨，冷空(kōng)氣入侵等)。
4. 建議(yì)
4.1 确定霧霾主因後進行針對(duì)性治理(lǐ)，避免秋冬季的“停工(gōng)限産”措施
爲了(le)維持北方地區(qū)的環境質量，從(cóng) 2017年開(kāi)始實施“大(dà)氣污染應急管控防治措施”，即在污染天氣各地要求企業 “停工(gōng)限産”。這(zhè)一措施雖然緩解和(hé)減輕了(le)霧霾污染的影響，但(dàn)給各地的經濟帶來(lái)嚴重的傷害，同時(shí)也(yě)掩蓋了(le)環保治理(lǐ)的問題和(hé)缺陷。從(cóng)經濟上(shàng)考慮，治理(lǐ)目前的大(dà)氣污染問題，對(duì)于一個省，隻是一個百億級的投入(如果通過節能(néng)措施減排, 投入的成本還可回收)，但(dàn)大(dà)面積的停工(gōng)限産，經濟損失是千億級别，而且年複一年。根據前面的分析，重度霧霾不是一次排放(fàng)造成，而是大(dà)氣擴散條件變差後，二次顆粒物暴增所引起，“停工(gōng)限産”的作(zuò)用(yòng)有限。因此，我們建議(yì)在“十四五”期間，取消“大(dà)氣污染應急管控防治措施”，停止各種名目甚至加碼的“停工(gōng)限産”，保障國民經濟，特别是北方地區(qū)的可持續發展。
4.2 設立國務院霧霾治理(lǐ)辦公室
由于霧霾形成的複雜(zá)性和(hé)治理(lǐ)的長期性，光憑環保部門(mén)的力量是不夠的，這(zhè)幾年各地政府都設立了(le)“大(dà)氣污染防治辦公室”，協調環保，能(néng)源，交通，工(gōng)業，科技，城(chéng)市管理(lǐ)等部門(mén)的合作(zuò)，建議(yì)國務院也(yě)設立“霧霾治理(lǐ)辦公室”，從(cóng)頂層開(kāi)始，整合資源，全面協調大(dà)氣污染治理(lǐ)的工(gōng)作(zuò)，而不是目前環保部門(mén)單打獨鬥，頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳，并且受制于一些(xiē)利益集團和(hé)固有的思維模式，不能(néng)開(kāi)展真正有效的治理(lǐ)。
4.3 通過餘熱回收，治理(lǐ)濕法脫硫後排出的煙(yān)氣
濕法脫硫後排出的煙(yān)氣不但(dàn)含有水(shuǐ)汽和(hé)細顆粒物，還有餘熱。爲貫徹落實《國務院關于印發大(dà)氣污染防治行動計(jì)劃的通知(zhī)》,發改委 2015年就發布《餘熱暖民工(gōng)程實施方案》鼓勵回收煙(yān)氣餘熱，并在 150 個區(qū)縣開(kāi)展試點。目前餘熱回收利用(yòng)技術已完全成熟，爲了(le)迅速抑制霧霾，特别是重霾的發生，應該強制回收濕法脫硫後煙(yān)氣的餘熱和(hé)水(shuǐ)汽，使企業達到(dào)節能(néng)、節水(shuǐ)、降霾、減碳和(hé)增收的五重效益。這(zhè)是目前經濟成本最低(dī)，控制霧霾最有效的方法。
4.4回收工(gōng)業排放(fàng)的水(shuǐ)汽和(hé)餘熱
根據各地的工(gōng)業布局和(hé)環境容量，采取積極措施鼓勵或要求回收電廠(chǎng)冷卻、冶煉、化工(gōng)等行業各工(gōng)序排出的水(shuǐ)汽、餘熱。此舉能(néng)減輕甚至拿掉城(chéng)市上(shàng)空(kōng)的 “鍋蓋”，大(dà)幅度改善大(dà)氣擴散條件，減少霧霾的産生，并能(néng)減少随水(shuǐ)汽排出的鹽粒和(hé)污染物。同時(shí)重複利用(yòng)水(shuǐ)，減少工(gōng)業用(yòng)水(shuǐ)總量，降低(dī)企業成本，餘熱還可以回收利用(yòng)，産生經濟效益。
4.5增加超低(dī)排放(fàng)的内容，彌補排放(fàng)指标上(shàng)缺失
要把氨(包括氨氣和(hé)铵鹽)納入控制性指标，嚴格控制氨的使用(yòng)。城(chéng)區(qū)的氨排放(fàng)除了(le)電力、工(gōng)業的脫硝外(wài)，還包括機動車，特别是柴油車的氮氧化物減排中的氨排放(fàng)，和(hé)尿素制作(zuò)過程中的氨排放(fàng)等。
顆粒物超低(dī)标準必須包括可凝結顆粒物CPM。目前直接檢測CPM 比較困難，可通過間接檢測方法(如測冷凝水(shuǐ)中的電導率)進行監測。
