我国臭氧污染形势分析及防控对策建议

来源:严刚等

近几年,我国臭氧(O3)污染呈加重趋势,以O3为首要污染物的中度及以上污染天数占比呈上升趋势,O3已成为影响我国环境空气质量的重要因素,其中京津冀及周边地区、长三角地区污染物超标天数中以O3为首要污染物的天数占比已经超过以细颗粒物(PM2.5)为首要污染物的天数。影响O3污染的因素十分复杂,O3生成与其前体物挥发性有机物(VOCs)、氮氧化物(NOx)排放总量及其比例密切相关,呈非线性化学响应关系,且对气象因素异常敏感。因此,控制O3污染应更加强调精准性与科学性,建议“十四五”期间以VOCs、NOx减排为抓手,强化O3与PM2.5的协同控制,以大工程带动大减排,完善激励与约束并举的经济政策,显著提升监测监管能力,推动O3污染问题逐步改善。


我国O3污染形势 


自2013年相继实施《大气污染防治行动计划》《打赢蓝天保卫战三年行动计划》以来,我国环境空气质量改善效果明显,空气中二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、可吸入颗粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5)、一氧化碳(CO)浓度显著下降,尤其是PM2.5污染控制取得显著成效,但是臭氧(O3)污染却呈逐年加重的趋势,O3污染防控形势严峻。


O3污染呈逐年加重趋势


2019年,全国337个地级及以上城市(以下简称“337个城市”)O3日最大8小时浓度第90分位数的平均值为148微克/米3,相比2015年、2017年增幅分别为20.7%、8.6%,其中京津冀及周边地区、长三角地区、汾渭平原、苏皖鲁豫交界地区四个重点区域相比2015年增幅分别达34.3%、27.1%、40.7%、23.0%,均超过全国平均增幅(见图1)。2019年全国O3超标城市个数为103个,其中80%的城市分布在京津冀及周边地区(28个)、长三角地区(25个)、汾渭平原(9个)、苏皖鲁豫交界地区(21个)四个区域,这些区域已成为我国O3污染的重灾区。337个城市污染物超标天数中以O3为首要污染物的天数占比逐年增加,从2015年的12.5%增加到2019年的41.7%,仅次于以PM2.5为首要污染物的天数占比(45.0%),特别是京津冀及周边地区、长三角地区超标天数中以O3为首要污染物的天数占比已超过以PM2.5为首要污染物的天数(见图2)。O3已经成为影响我国空气质量的重要污染物。


我国臭氧污染形势分析及防控对策建议



我国臭氧污染形势分析及防控对策建议


O3污染程度总体上要明显低于PM2.5


目前我国O3日最大8小时浓度平均值的二级标准与世界卫生组织(WHO)的过渡期目标值一致,是WHO指导值的1.6倍、美国标准的1.14倍、欧盟标准的1.33倍,我国O3空气质量标准限值与欧美发达国家水平差距不大。但我国PM2.5浓度年均值、日均值二级标准仅与WHO第一阶段过渡值接轨,分别是WHO年均浓度指导值、日均浓度指导值的3.5倍、3倍,美国标准年均值、日均值的2.9倍、2.1倍;欧盟标准仅规定了PM2.5的年均值,我国标准是其1.4倍。虽然我国的O3污染在近年来呈现持续加重的趋势,但是总体而言,PM2.5仍然是影响我国大气环境和人体健康最主要的污染物。2019年我国337个城市PM2.5年均浓度的均值是WHO准则值的3.6倍,而O3日最大8小时浓度第90百分位数的均值是WHO准则值的1.5倍。全球疾病负担研究中针对我国的分析表明,我国由于大气环境PM2.5暴露导致的健康风险约为O3暴露的5倍[1]。


从O3污染水平看,我国O3污染略高于欧美,京津冀及周边地区、长三角地区污染水平高于美国西部地区。总体上,我国O3污染水平相当于美国2000年左右的水平,远低于美国1950年前后光化学烟雾事件多发时期的O3浓度。


O3超标以轻度污染为主,但中重度污染占比呈增长趋势


2019年全国337个城市O3日最大8小时平均浓度超标率为7.9%,超标天中轻度污染占比88.6%,京津冀及周边地区、长三角地区、汾渭平原、苏皖鲁豫交界地区O3超标天中轻度污染占比分别为79.8%、89.7%、90.0%、91.0%,全国及重点区域O3超标天均以轻度污染为主。2015—2019年,全国337个城市O3超标天中中度及以上污染占比从7.2%上升到11.4%,其中京津冀及周边地区中度及以上污染占比上升最为显著,比例上升幅度高达11.3个百分点(见图3),全国及重点区域中度及以上污染天占比呈增长趋势。因此,O3污染防治在提高优良天比率的同时,应着重加强中重度污染控制,有效降低O3污染的急性健康影响。


我国臭氧污染形势分析及防控对策建议


O3污染区域性特征显著


O3及其前体物影响范围广、持续时间长、传输距离远,呈现明显的区域性污染特征。区域内城市间及区域间O3相互影响显著,污染分布较为均匀,一般无明显的污染热点城市。全国空气质量观测数据显示,我国O3污染过程主要集中在以“北京—西安—杭州”为顶点的三角区范围内,假定区域内一半以上城市O3日平均浓度同时超标为一次区域性污染过程,该区域内2019年内共发生16次区域性O3污染过程,极端条件时O3超标城市占比达90%以上,影响面积约78万千米2,O3污染的区域性特征明显强于PM2.5。其中,京津冀及周边地区2019年共发生了20余次区域性O3污染过程,最大影响范围达28个城市,最长持续时间为19天。因此,建议“十四五”期间O3防控应在更大的区域范围进行联防联控。


影响O3污染的因素


O3是大气中VOCs和NOx等污染物在太阳紫外线辐射作用下,通过光化学反应生成的二次污染物。O3形成机理十分复杂,不同地区、不同时段O3污染成因存在较大差异,但是共性特征包括:前体污染物VOCs和NOx排放总量大,特别是VOCs尚未得到有效控制;O3与VOCs、NOx排放之间呈现非线性响应关系,O3生成化学过程复杂;O3污染对光照、温度、相对湿度和降水等气象因素异常敏感。


O3生成前体物排放量大


“十二五”以来,我国全面实施NOx排放总量控制,NOx排放量在2012年首现“拐点”,以燃煤电厂为主的高架源NOx治理取得显著成效,但移动源和大量工业炉窑NOx排放量降幅较小。目前,我国人为源VOCs排放量巨大,据估算约为2500万吨,超出同期烟粉尘、NOx排放量的40%左右,是SO2排放量的3.6倍,远高于美国、欧盟等发达经济体。此外,VOCs排放来源、构成极为复杂,从排放来源看,涉VOCs排放的工业门类多达460余个,工业企业数量有上百万家,还有大量来自交通源、生活源、天然源的VOCs排放;从排放构成看,已监测出的VOCs组分有数百种。VOCs、NOx排放总量大且集中在重点区域是导致O3污染较重的根本原因,此外由于VOCs排放来源广泛、多以无组织排放为主,减排难度较大,使得VOCs与NOx减排比例失衡,可能也是造成O3污染加重的因素之一。


前体物之间的比例关系


O3生成不仅与前体物VOCs、NOx排放量有关,同时与两者的比例密切相关,呈现复杂的非线性响应关系。经典的EKMA曲线可用于揭示VOCs和NOx生成O3的复杂关系[3](见图4),在VOCs和NOx为坐标轴的图上,O3等值曲线是一条条近似等高线的“L”型曲线,连接不同O3等值线的拐点可以形成一条“脊线”,在脊线上方,NOx相对VOCs过量,称为VOCs控制区—O3防控以控制VOCs排放为主;在脊线下方,VOCs相对NOx过量,称为NOx控制区—O3防控以控制NOx为主。在VOCs控制区,VOCs排放保持不变,减排NOx,O3浓度有可能上升。相关研究表明,我国O3污染重点区域总体上为VOCs与NOx协同控制区,但多数市区为VOCs控制区,主要受烯烃、芳香烃和醛类的控制。因此,“十四五”期间O3控制应强调VOCs和NOx协同减排,特别是应加大VOCs的减排力度。


我国臭氧污染形势分析及防控对策建议



强辐射、高温、低湿等气象条件


O3浓度受太阳辐射、温度、相对湿度、风向和风速等气象条件影响大,同时也会与颗粒物等其他污染物发生相互作用。在区域性O3污染过程中,O3浓度与日最高温度呈现较好的正相关关系,在晴朗的天气条件下,区域性O3污染多发生于日最高温度高于30℃的情况,O3污染过程的结束,多与区域性的降雨或风速变强有关。对京津冀及周边地区的分析结果表明,温度越高、相对湿度越低、风速越小,越有利于光化学反应的进行,在平均气温30℃以上、日平均相对湿度在25%~75%、持续偏南风、较低风速时O3日平均浓度普遍较高[4-5]。与PM2.5相比,O3对气象因素的影响更加敏感。


以2019年9月为例,全国平均气温同比升高1.1℃,华北东南部、华中、华南等地湿度同比下降10%左右,导致9月O3日最大8小时浓度第90百分位数的平均值同比上升24.7%;此外,模型模拟结果发现,重点区域夏季7月O3日最大8小时平均浓度受气象条件影响的年际变化可达30%。因此,对于O3的评价与考核应尽可能采用多年滑动平均值,以消除气象条件的随机影响。


O3污染防控对策建议


强化PM2.5与O3协同控制


在未来一段时间,持续降低PM2.5浓度仍将是我国大气环境管理的核心目标,而在控制PM2.5污染的同时,强化与O3的协同控制,尽快遏制O3浓度快速上升的趋势并使之下降,将是蓝天保卫战下一阶段工作的主线。


VOCs和NOx是造成PM2.5和O3污染的共同前体物。PM2.5与O3的协同控制,主要反映在更加科学地开展VOCs和NOx排放控制。因此在下一阶段的工作中,应当根据PM2.5与O3协同控制的需求,调整污染物减排和污染治理的重点,强化对VOCs与NOx减排要求,从管理理念、控制指标、重点任务、重点措施、环境政策等方面出发,建立支撑PM2.5与O3协同控制的大气环境管理框架;通过优化大气污染防治区域划分、不同时段重点污染物减排策略设计等,形成有利于协同控制和精准治理的大气环境管理体系。


减排VOCs为近期O3污染防治重心


O3污染防治的主要目的是减少其暴露对于人体健康的影响。病理学和流行病学的研究均表明,日死亡率与O3浓度存在弱的正相关关系,但O3年平均浓度与健康表现的相关关系不突出[6],因此控制O3应当把重点放在相对高浓度的O3污染上,更加强调以中重度O3污染控制为主,降低O3污染的急性健康影响,保护人群健康,提升公众幸福感、获得感、安全感;与此同时兼顾O3轻度超标天数的控制,推进O3污染程度总体降低,空气质量全面改善。


在全球气候变化的大背景下,近年来区域性极端气象条件出现的频率越来越高,如2019年9月后半段和2020年5月前半段,我国东部很多城市都出现了远超过常年平均水平的高温天气,推高了O3浓度,一些城市甚至出现了O3重度污染。因此气象波动带来的影响会加大未来O3浓度变化趋势的不确定性,给我国设置O3浓度相关的环境目标造成一定困难。但是,由于我国出现中度和重度O3污染的城市基本上都属于VOCs控制区,大幅削减VOCs排放量必将有利于减少中重度O3污染。因此在“十四五”期间,可以通过设置VOCs减排指标,推动大规模的区域性VOCs减排,实现O3污染防治目的。


加快实施VOCs减排重大工程


协同控制PM2.5与O3污染,核心是持续科学大幅削减主要大气污染物排放量,尤其是要加大VOCs减排力度。结合我国VOCs排放特征、分布特点等,建议以京津冀及周边地区、长三角地区、汾渭平原、苏皖鲁豫交界地区以及珠三角、成渝、长株潭、辽宁中部等为重点区域,以工业涂装、石化、化工、包装印刷以及油品储运销等为重点领域,以结构减排、工程减排、管理减排、协同减排为主要路径,全面实施原辅材料替代、通用设施无组织排放管理、治污设施“三率”(废气收集率、治污设施同步运行率和去除率)提升、汽油油品升级、含VOCs废物高效收集转运处置等重大工程,构建综合产品标准、排放标准、管理制度、技术政策、经济政策“五位一体”的VOCs综合管理体系,推动实现VOCs排放大幅削减。


通过严格执行大宗有机溶剂产品VOCs含量限值标准,大力推进低(无)VOCs含量原辅材料替代工程,从源头大幅度削减VOCs产生量。通过加强储罐、装卸、设备管线组件、污水处理厂等通用设施污染源项管理,全面加强无组织排放控制。通过提高“三率”,提升生产过程全链条VOCs综合去除效率。通过“一行一策”“一企一策”等管理制度,提升涉VOCs企业的精细化管控水平。通过加严控制夏季汽油油品蒸汽压,降低汽车VOCs蒸发排放。此外,VOCs减排不仅应着眼于生产过程,还应扩展至含VOCs废物储存转运处置的末端环节,杜绝VOCs污染的跨介质、跨地域转移。应将盛装过VOCs物料的包装容器、含VOCs废料(渣、液)、废吸附剂等通过加盖、封装等方式密闭存放,充分利用危险废物管理制度体系,通过及时转运、高效处置等方式,实现VOCs排放协同控制。


完善激励与约束并举的经济政策


将VOCs排放全面纳入环境保护税是促进企业加强污染治理和弥补环境外部性的长效经济手段。VOCs环境保护税配合排污许可证、总量控制、重点行业VOCs综合治理等政策手段,将有力推进VOCs综合治理和污染减排。征收VOCs环境保护税应遵循循序渐进、逐步推进的原则,优先选择VOCs排放量大、光化学反应活性强,同时治理技术、排放核算方法均较为成熟的重点行业先行征收,为全面征收积累经验。此外,应充分考虑企业治理水平实行差别化征税政策,对治理水平高、排放浓度低的企业减免税收;对超标排放企业加征税率,使环境保护税更好地发挥价格杠杆和调剂作用。


消费税政策是调节产品结构、引导消费方向、推动产品升级换代的有力经济手段。为从源头上管控含VOCs产品的生产和使用,建议进一步扩大有机溶剂产品消费税征收范围,包括溶剂型涂料、油墨、胶粘剂、稀释剂等。关于纳税人范围,建议覆盖境内生产和境外进口产品。关于税率计算,应综合考虑传统溶剂型产品和低VOCs含量产品的价差、使用成本差异、治理成本差异等因素,选择合理的税率。


夯实VOCs综合治理基础能力


我国VOCs控制起步晚,管理基础薄弱,加强VOCs综合治理基础能力建设至关重要。应建立以质量改善为核心的VOCs综合管控技术体系,围绕环境空气质量改善目标需求,基于当地O3和PM2.5污染生成机理,确定主控因子。强化大气VOCs观测结果应用,获取环境中VOCs的时空分布、浓度及化学组成,充分考虑各种VOCs物质的环境效应和毒性,利用本地VOCs排放清单和源解析结果,确定VOCs控制的重点地区、重点行业和重点物种,建立起一套与空气质量管理紧密挂钩的VOCs综合管控方案。


针对重点行业制定“一行一策”差异化、分源项、全过程的防控措施。鉴于VOCs物质易挥发、无组织逸散排放占比大的特征,要打破传统污染控制偏好于末端排放的控制方法,紧密结合行业特色、源类特点,建立起从源头替代到过程控制再到末端治理的全过程防控技术路径。


综合运用各种监测监管手段,确保治污措施落地见效。加强无组织排放和有组织排放、厂区环境和厂界环境的监测力度。加强对治理设施运行情况的监控,包括设备运行时间、关键运行参数、耗材或药剂使用量、危险废物处置量、有机溶剂消耗量、能源消费量等,通过连续监测记录,确保治污设施正常高效运行。加强物料衡算监控手段的利用,根据企业溶剂使用量,以及溶剂回收量、残留废物中VOCs含量、治理设施VOCs去除量等综合判定污染排放情况,实现对生产工艺全流程VOCs减排情况的监管和评估。


作 者:

严刚,生态环境部环境规划院副院长

薛文博、雷宇、宁淼,生态环境部环境规划院研究员

武卫玲、刘伟,生态环境部环境规划院