2013年霧霾爆發(fā)以來，各地采取積極措施治理大氣污染，使大氣環(huán)境有所改善。但大氣污染仍然沒有控制住，近幾年秋冬季節(jié)，即使在大范圍的停工限產(chǎn)的前提下，大面積霧霾現(xiàn)象在北方除北京以外的地區(qū)仍然頻繁發(fā)生，給企業(yè)生產(chǎn)和人民健康帶來嚴(yán)重影響。為了使未來的大氣污染治理更加有效，我們分析了這幾年大氣污染治理的得失，并提出改進(jìn)建議。
1.問題
2013年重霾爆發(fā)以來，政府從中央到地方，采取各種措施“鐵腕治霾”，包括實施世界上最嚴(yán)格的煙氣超低排放標(biāo)準(zhǔn)，大范圍的煤改氣、煤改電，治理散、亂、污等。目前控制的三個常規(guī)大氣污染物，顆粒物(塵PM)，二氧化硫(SO2)的排放量同比2014年前的峰值下降 80%以上, 氮氧化物(NOx)的排放量也同比峰值下降了30%。從指標(biāo)上看，常規(guī)污染物減排治理成果非常好，但實際的霧霾治理效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期。到秋冬季，北方地區(qū)不得不靠大范圍的停工、限產(chǎn)來維持一定的大氣環(huán)境質(zhì)量。即使如此，霧霾仍然頻繁來襲。特別是2020年春節(jié)疫情期間，在國民經(jīng)濟幾乎處于停頓狀態(tài)的情況下，大范圍、長時間的重霾仍然未能避免。
污染物排放與不利大氣擴散條件是霧霾發(fā)生的兩個主要因素。北方秋冬季霧霾頻發(fā)的原因不僅與常規(guī)污染物排放有關(guān)，更與非常規(guī)污染物排放有關(guān)，否則，常規(guī)污染物在峰值期間(2008-2011)更容易暴發(fā)霧霾。同時，不利大氣擴散條件不僅由自然因素引起，也與人類活動有關(guān)，特別是工業(yè)水汽排放相關(guān)。
經(jīng)過反復(fù)的研究和分析，我們認(rèn)為目前治理常規(guī)大氣污染物 (二氧化硫和氮氧化物)減排技術(shù)缺陷和標(biāo)準(zhǔn)缺失，導(dǎo)致了大量非常規(guī)污染物的排放，而這些非常規(guī)污染物沒有得到監(jiān)管，是當(dāng)前霧霾久治不愈的根本原因，大量工業(yè)水汽排放引發(fā)的不利大氣擴散條件是重要原因。
2.治理技術(shù)缺陷和標(biāo)準(zhǔn)缺失
2.1氮氧化物NOx 減排的同時，產(chǎn)生了大量的氨排放
目前減排氮氧化物(脫硝)主流技術(shù) SCR 法用氨作為還原劑，為了達(dá)到遠(yuǎn)高于歐美標(biāo)準(zhǔn)的超低控制指標(biāo)，企業(yè)過量噴氨現(xiàn)象十分普遍。這些過量的氨氣形成銨鹽等氨氮物, 通過粉煤灰、脫硫廢水、霧滴等被攜帶排出煙道,最終形成氨氣排至大氣。專家估算，按 2017年電廠的氨使用量計算，這部分排放的氨氣量約為137-218萬噸。非電行業(yè)的脫硝設(shè)施不少設(shè)置于脫硫設(shè)施之后，過量的氨直接排入大氣，比電廠的影響更嚴(yán)重。中國科學(xué)院大氣物理研究所研究員王躍思團隊通過觀測發(fā)現(xiàn)，“華北是我國氨氣最大的‘熱點區(qū)’，濃度異常高，空間覆蓋范圍廣” 。該團隊前不久在《國家科學(xué)評論》 發(fā)表文章，直接建議 “將氨(包括氨氣和銨鹽)作為大氣污染物列入控制性指標(biāo)”。
工業(yè)過程中的氨排放問題一直沒有得到關(guān)注。根據(jù)前不久完成的國家大氣污染防治攻關(guān)聯(lián)合中心組織的“大氣重污染成因與治理攻關(guān)項目(總理基金)”報告所述：“氨排放主要是畜牧業(yè)和農(nóng)業(yè)”，這一結(jié)論遠(yuǎn)遠(yuǎn)脫離現(xiàn)實。國際、國內(nèi)多重研究表明，在城市范圍內(nèi)，工業(yè)早已是主要氨排放源，特別是超低排放啟動后，工業(yè)氨用量大幅增加，大氣中的氨含量也隨之升高。
氨氣是大氣中唯一的高濃度堿性氣體, 排放到大氣中的氨與硝酸或硫酸等酸性氣體發(fā)生反應(yīng), 形成硫酸鹽、硝酸鹽，氨鹽等二次細(xì)顆粒物，是大氣中氣態(tài)污染物轉(zhuǎn)變成顆粒態(tài)污染物的重要推手。另外氨(氨類物質(zhì))對霧霾的影響還表現(xiàn)在高濕環(huán)境下，溶解于液滴中的氨類物質(zhì)和硝酸鹽，作為營養(yǎng)物質(zhì)導(dǎo)致一些微生物大量快速的繁殖，使得霧霾快速發(fā)展。我們在追求超低的氮氧化物排放的同時，忽視了目前技術(shù)的局限性，使得大量的氨排向空中，轉(zhuǎn)而形成二次顆粒物和微生物的繁殖，抵消了其它顆粒物減排的效果。
近年來，華北地區(qū)降雨已經(jīng)從局部性酸雨轉(zhuǎn)變?yōu)槿嫫珘A性，這從宏觀上也證明，減排常規(guī)污染物的同時，導(dǎo)致了過量氨氣的排放。在低溫季節(jié)氨氣銨鹽濕沉降能力弱的情況下，過量氨氣排放會導(dǎo)致大氣中的細(xì)顆粒物較長時間存在，在較大范圍擴散分布。
2.2 二氧化硫(SO2)減排，濕法脫硫工藝與細(xì)顆粒物排放
目前絕大部分電廠和工業(yè)企業(yè)使用濕法脫硫工藝進(jìn)行二氧化硫(SO2)減排，盡管脫硫效果明顯，但由于中間的煙氣升溫器 (GGH)被取消，使得煙氣低溫、低空、高濕排放，脫硫漿液中的細(xì)顆粒物通過飽和濕煙氣夾帶排入大氣，可凝結(jié)顆粒物 CPM濃度偏高，且未控制。取消GGH的情況下，低溫季節(jié)，飽和濕煙氣條件下，排出的煙氣形成濃重的煙羽，二氧化硫在煙羽內(nèi)的液滴內(nèi)形成亞硫酸，進(jìn)一步形成硫酸的極好條件。這樣的排放變化過程完全無法監(jiān)控。
根據(jù)包括北京，上海等17個達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)機組的測試結(jié)果，CPM的平均值是 13.93毫克/立方米，超過了超低排放顆粒物標(biāo)準(zhǔn)10毫克/立方米。更為嚴(yán)重的是，CPM形成的顆粒物粒徑小，粒數(shù)濃度非常高，每立方厘米粒數(shù)以千萬計。同樣質(zhì)量濃度的CPM，其粒數(shù)遠(yuǎn)超過可過濾顆粒物，對大氣的消光作用也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可過濾顆粒物。這些CPM 在大氣中作為凝結(jié)核，遇冷凝并，吸濕長大，并產(chǎn)生液相下的二次復(fù)合過程，霧霾暴發(fā)時，以PM2.5質(zhì)量濃度形態(tài)顯現(xiàn)。
齊魯工業(yè)大學(xué)研究員周勇通過多重證據(jù)研究，確認(rèn)濕法脫硫后PM2.5粒數(shù)濃度暴增是2013-2014年京津冀及周邊省份霧霾大爆發(fā)的主因。而濕法脫硫工藝取消GGH是最主要的引發(fā)PM2.5粒數(shù)濃度暴增的因素，同期大規(guī)模的脫硝加劇了這一趨勢。這也說明了為什么在2011年以前，常規(guī)污染物二氧化硫、氮氧化物處于峰值時，沒有形成嚴(yán)重的霧霾，而在治理措施加大后(在新的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)、脫硝加價和嚴(yán)管政策刺激下，2012年開始進(jìn)行大規(guī)模脫硝和脫硫設(shè)施建設(shè)或改造，2012年底開始沒有GGH并和脫硝設(shè)施串聯(lián)的濕法脫硫系統(tǒng)全面推開并實行嚴(yán)格的在線監(jiān)測)，霧霾反而顯現(xiàn)了！這一現(xiàn)象不但發(fā)生在華北地區(qū)，甚至是全國性的?，F(xiàn)在冬季，從南到北，主要工業(yè)城市上空大部分時間是灰朦朦的。
由于可凝結(jié)顆粒物CPM沒有包括在目前的顆粒物標(biāo)準(zhǔn)之中，因此沒有得到監(jiān)管。這一顆粒物指標(biāo)上的漏洞，說明了為什么環(huán)保指標(biāo)上的成果對不上實際的大氣污染情況。因為指標(biāo)只管住了可過濾的固體顆粒物，對霧霾影響更嚴(yán)重的CPM沒有得到監(jiān)管，超低排放評價顯著低估了顆粒物的實際排放水平，所謂的超低排放，實際上是非關(guān)鍵致霾指標(biāo)的超低，不可能實現(xiàn)對癥下藥來治理霧霾！ 2018年各地采取的俗稱“除濕脫白”的煙羽中污染物治理措施，治理濕法脫硫后的白色煙羽，對控制 CPM 有一定效果，但由于各種原因，被主管部門叫停！這也就是為什么疫情期間，只有全面實現(xiàn)超低排放的電廠和有限的其它工業(yè)排放，霧霾依然席卷大半個中國。
2.3工業(yè)水汽排放
濕度是霧霾形成的一個關(guān)鍵因素，觀察表明，重度霧霾都是伴隨著高濕天氣發(fā)生的。北方秋冬季形成明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、冷卻塔等排放的水氣，對當(dāng)時大氣濕度有20%左右的貢獻(xiàn)，對霧霾的形成也有較大貢獻(xiàn)。
在工業(yè)集中的地區(qū)，水汽形成的水蒸汽氣溶膠，使得局部的云層增厚，在城市上空形成一個“鍋蓋”，使污染物無法自由擴散，大氣中包括CPM在內(nèi)的各類細(xì)顆粒物，在這種人為排放水汽形成的高濕環(huán)境下，吸濕增長(研究表明，如果空氣濕度達(dá)95%，在短時間內(nèi)可凝結(jié)顆粒物粒徑能增長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(dǎo)致霧霾加重。
城市周邊大量工業(yè)水汽的排放，還會造成靜穩(wěn)，逆溫的天氣增加。水汽形成的水蒸汽氣溶膠，使得局部的云層增厚，在城市上空形成一個“鍋蓋”，大氣流動性減弱，形成靜穩(wěn)環(huán)境，使污染物無法自由擴散；由于濕態(tài)水溶性離子顆粒物的消光作用，大氣邊界層阻擋太陽光線照射至地面，地表溫度低，形成逆溫環(huán)境，同時這些工業(yè)水汽都帶有熱度，高于環(huán)境溫度，在高空遇冷冷凝，釋放出熱量，使高空的氣溫升高，也有助于逆溫天氣的形成。靜穩(wěn)，逆溫環(huán)境導(dǎo)致污染物在近地表大氣邊界層內(nèi)累積，形成霧霾。
工業(yè)水汽排放不但對大氣擴散條件產(chǎn)生影響，同時，水汽中夾帶大量細(xì)顆粒物。除了濕法脫硫后的白色煙羽含有巨量可凝結(jié)顆粒物和可溶性鹽，目前為了節(jié)約用水，不少電廠冷卻塔使用中水作為補充水，不斷的循環(huán)，使水汽中的含鹽量大幅上升。據(jù)估算，一個百萬千瓦機組的冷卻塔每小時可排 200-400公斤的溶解性顆粒物到空中，是同樣機組煙氣總顆粒物TPM排放濃度的4-8倍！
3.霧霾形成與暴發(fā)過程分析
盡管在多年的努力下，常規(guī)污染物二氧化硫 SO2，氮氧化物 NOx, 和顆粒物(塵PM)已經(jīng)降到低位，但由于技術(shù)缺陷和標(biāo)準(zhǔn)缺失，所產(chǎn)生的非常規(guī)污染物(可凝結(jié)顆粒物CPM， 氨和工業(yè)水汽)沒有得到治理和控制，以至北方地區(qū)秋冬季霧霾沒有得到有效控制，其形成與爆發(fā)的過程如下：
在低溫靜穩(wěn)干燥氣象條件下，粒數(shù)巨大沒有得到管控的可凝結(jié)顆粒物 CPM 排放到大氣中形成固態(tài)或液態(tài)的細(xì)顆粒物；濕法脫硫，冷卻塔等工業(yè)水蒸氣排放推高相對濕度，大氣中的干態(tài)水溶性離子顆粒物吸濕長大；煙氣中殘留的氮氧化物、硫氧化物，VOCs和氨氣等和吸濕長大后的干態(tài)水溶性離子顆粒物，水汽夾帶的細(xì)顆粒物在大氣中發(fā)生二次復(fù)合，形成硝酸鹽，硫酸鹽，有機鹽和氨鹽等二次顆粒物。由于濕態(tài)水溶性離子顆粒物的消光作用，大氣邊界層阻擋太陽光線照射至地面，地表溫度低，形成逆溫環(huán)境。這些鹽粒在逆溫，靜穩(wěn)大氣的影響下，在較低的大氣邊界層內(nèi)富集，形成霧霾。
在高濕天氣，這個過程顯著加快和加強，濕態(tài)水溶性離子顆粒物粒徑大幅增長，新排放的水蒸氣和夾帶的細(xì)顆粒物在更低的大氣邊界層內(nèi)擴散，地表的空氣密度升高，大氣的垂直層結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，空氣的上下間流動顯著減弱，靜穩(wěn)，逆溫環(huán)境加強，同時，水溶性離子顆粒物中銨根，硝酸根等營養(yǎng)物，促使微生物快速繁殖，PM2.5質(zhì)量濃度快速增長，霧霾爆發(fā)，并會維持一段時間，直至大氣環(huán)境發(fā)生改變(如大風(fēng)，下雨，冷空氣入侵等)。
4. 建議
4.1 確定霧霾主因后進(jìn)行針對性治理，避免秋冬季的“停工限產(chǎn)”措施
為了維持北方地區(qū)的環(huán)境質(zhì)量，從 2017年開始實施“大氣污染應(yīng)急管控防治措施”，即在污染天氣各地要求企業(yè) “停工限產(chǎn)”。這一措施雖然緩解和減輕了霧霾污染的影響，但給各地的經(jīng)濟帶來嚴(yán)重的傷害，同時也掩蓋了環(huán)保治理的問題和缺陷。從經(jīng)濟上考慮，治理目前的大氣污染問題，對于一個省，只是一個百億級的投入(如果通過節(jié)能措施減排, 投入的成本還可回收)，但大面積的停工限產(chǎn)，經(jīng)濟損失是千億級別，而且年復(fù)一年。根據(jù)前面的分析，重度霧霾不是一次排放造成，而是大氣擴散條件變差后，二次顆粒物暴增所引起，“停工限產(chǎn)”的作用有限。因此，我們建議在“十四五”期間，取消“大氣污染應(yīng)急管控防治措施”，停止各種名目甚至加碼的“停工限產(chǎn)”，保障國民經(jīng)濟，特別是北方地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。
4.2 設(shè)立國務(wù)院霧霾治理辦公室
由于霧霾形成的復(fù)雜性和治理的長期性，光憑環(huán)保部門的力量是不夠的，這幾年各地政府都設(shè)立了“大氣污染防治辦公室”，協(xié)調(diào)環(huán)保，能源，交通，工業(yè)，科技，城市管理等部門的合作，建議國務(wù)院也設(shè)立“霧霾治理辦公室”，從頂層開始，整合資源，全面協(xié)調(diào)大氣污染治理的工作，而不是目前環(huán)保部門單打獨斗，頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳，并且受制于一些利益集團和固有的思維模式，不能開展真正有效的治理。
4.3 通過余熱回收，治理濕法脫硫后排出的煙氣
濕法脫硫后排出的煙氣不但含有水汽和細(xì)顆粒物，還有余熱。為貫徹落實《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)大氣污染防治行動計劃的通知》,發(fā)改委 2015年就發(fā)布《余熱暖民工程實施方案》鼓勵回收煙氣余熱，并在 150 個區(qū)縣開展試點。目前余熱回收利用技術(shù)已完全成熟，為了迅速抑制霧霾，特別是重霾的發(fā)生，應(yīng)該強制回收濕法脫硫后煙氣的余熱和水汽，使企業(yè)達(dá)到節(jié)能、節(jié)水、降霾、減碳和增收的五重效益。這是目前經(jīng)濟成本最低，控制霧霾最有效的方法。
4.4回收工業(yè)排放的水汽和余熱
根據(jù)各地的工業(yè)布局和環(huán)境容量，采取積極措施鼓勵或要求回收電廠冷卻、冶煉、化工等行業(yè)各工序排出的水汽、余熱。此舉能減輕甚至拿掉城市上空的 “鍋蓋”，大幅度改善大氣擴散條件，減少霧霾的產(chǎn)生，并能減少隨水汽排出的鹽粒和污染物。同時重復(fù)利用水，減少工業(yè)用水總量，降低企業(yè)成本，余熱還可以回收利用，產(chǎn)生經(jīng)濟效益。
4.5增加超低排放的內(nèi)容，彌補排放指標(biāo)上缺失
要把氨(包括氨氣和銨鹽)納入控制性指標(biāo)，嚴(yán)格控制氨的使用。城區(qū)的氨排放除了電力、工業(yè)的脫硝外，還包括機動車，特別是柴油車的氮氧化物減排中的氨排放，和尿素制作過程中的氨排放等。
顆粒物超低標(biāo)準(zhǔn)必須包括可凝結(jié)顆粒物CPM。目前直接檢測CPM 比較困難，可通過間接檢測方法(如測冷凝水中的電導(dǎo)率)進(jìn)行監(jiān)測。