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京津冀地区NOX与VOCs协同减排的必要性及路径优化

发表时间:2022-05-31

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优化NOxVOCs协同减排路径的必要性


PM2.5和O3的生成具有共同来源,NOx和VOCs是两者共同的前体物,因此对PM2.5和O3的协同控制具备基本条件。NOx和VOCs在一定比例下通过大气光化学反应会产生O3。如果NOx和VOCs控制比例不当可能导致O3浓度的增加,还可能进一步影响二次颗粒物的生成。因此,只有优化NOx与VOCs协同减排路径,才能实现PM2.5和O3的协同治理。


优化NOx和VOCs减排策略,将长期浓度的持续降低与短期减少高浓度暴露的需求衔接起来,还能在减排期间带来显著的健康和生态收益。从长期来看,可确立成本最小为目标,确定达标要求下NOx和VOCs减排的最优策略。但由于实现空气质量达标需要大量减少前体物排放,可能需要10年以上的时间,因此即使减排总量确定,不同的NOx和VOCs控制路径可以在减排期间产生不同的收益。由于当前O3对VOCs较为敏感,因此在VOCs排放控制速度更快的情况下,能在整个控制NOx期间内尽早额外降低PM2.5和O3浓度,减少PM2.5和O3对人群健康和生态系统带来的不利影响,从而产生额外的且高于VOCs控制成本的健康和生态效益。

NOx深度减排是实现京津冀地区PM2.5和O3达标的关键

近年观测数据表明,京津冀地区硝酸盐区域性污染十分突出,已经成为PM2.5中最主要的二次无机组分,其浓度快速上升已成为PM2.5爆发式增长的关键因素之一。NOx是硝酸盐的前体物,因此控制PM2.5污染需要对NOx进行控制。O3高污染时段出现在夏季,受夏季气象条件和较高的自然源VOCs排放等因素的影响,NOx的深度减排才能最终降低这一时段的O3浓度。但需注意的是,由于非线性响应关系,从短期来看,NOx的单一减排可能使得O3浓度增加,因此,在制定近期的减排策略时,需要考虑如何协同控制VOCs和NOx。而当我们讨论达标要求下的减排需求时,NOx的控制是必不可少的,它的深度减排对于持续降低PM2.5浓度、减少O3生成至关重要。

控制O3污染在欧美发达国家也是一个难题,美国大洛杉矶地区(南海岸空气盆地)是全美最大的不达标区域。与北京的情况类似,洛杉矶也经常会出现逆温现象,导致当地污染物扩散不出去,NOx与VOCs在大气中相互作用形成更多O3。鉴于当地地理与气候特点,南海岸空气质量管理局(SCAQMD)考虑了三个O3的控制策略(仅治理NOx的策略、仅治理VOCs的策略、NOx-VOCs均等策略),通过大量数据采集和建模分析,最终决定,把NOx排放削减作为其O3控制的主要策略,同时采取适当策略性的VOCs减排。这一策略能缓解O3在NOx富集地区初期的增加,实现O3浓度达标,并为PM2.5等的治理带来协同效应。

京津冀地区需制定季节性的减排策略

不同季节,PM2.5与O3浓度的特征有较大差异,二者对前体物排放的响应也不同,因此污染治理需要各有侧重。在冬季,O3化学处于VOCs敏感区,NOx减少会使O3增加。但冬季O3浓度本身较低,应侧重于对PM2.5的控制。但如果只控制NOx而不控制VOCs,可能会增加大气氧化性并显著影响二次PM2.5的形成,因此需要在当前冬季错峰生产措施的基础上进一步强化VOCs控制。夏季,PM2.5和O3需协同控制。O3对NOx排放的敏感性增大,NOx排放量的大幅减少对于O3污染控制效果比VOCs减排带来的效果更好。因此,需要在VOCs强化措施的基础上进一步降低区域NOx排放,促进降低O3峰值浓度。


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京津冀地区VOCs和NOx减排比例如何设置


NOx与VOCs的相对大小是影响O3化学的重要因素之一。减排比例的比值会受季节、控制区域范围大小等的影响。当仅城市单独减排时,VOCs的减排要高于NOx。但当区域联合控制时,O3对NOx的敏感性增加,控制范围越大,NOx的减排带来的O3控制效果越好。VOCs/NOx减排比例在一年内变化也较大,考虑区域联合控制,从冬至夏,京津冀各城市NOx/VOCs减排比例的比值中位数约从0.95(12月)降到0.02(7月)。当NOx减排量超过36%—53%时,VOCs减排效果将小于NOx。

以北京为例,冷季(1月—2月、11月—2月)VOCs/NOx的减排比值在0.68—0.87左右,主要是避免氧化性增强促进二次颗粒物生成。暖季(5月—9月)所需VOCs/NOx减排比值较低(约0.37,7月无须VOCs控制可使浓度降低)。冷暖季相交的时段,VOCs/NOx比值约为0.44。这一时期,O3浓度不高,但仍需注意NOx控制的短期不利影响。

还需注意的是,随着减排的进行,需要考虑污染物化学生成敏感性的变化调整协同控制策略。在冷季,当NOx持续减排超过40%—51%时,其减排对于O3的控制效果将高于挥发性有机物。在暖季,当NOx持续减排超过21%时,可进一步促进O3对氮氧化物敏感性向正敏感性的转变,因此当减排进行到这一程度,就可以更加重视对NOx排放的削减。

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