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我國環境影響評價VOCs模擬進展和展望

發布時間:2018-05-10

揮發性有機化合物(VolatileOrganicCompounds)簡稱VOCs,我國對其定義為“在標準狀態下飽和蒸氣壓較高(標準狀態下大于13.33Pa)、沸點較低、分子量小、常溫狀態下易揮發的有機化合物”[1]。VOCs對人體健康、大氣環境等影響如下:(1)VOCs易與其他大氣污染物發生光化學反應,產生臭氧(O3)等二次污染物[2,3]。(2)VOCs是大氣細顆粒物(PM2.5)及二次有機氣溶膠(SOA)主要前驅體[2,4,5]。(3)部分VOCs如鹵代烴類,會與O3發生循環鏈式反應,破壞臭氧層[6]。(4)多環芳烴、鹵代烴等VOCs具有一定致癌、致畸、致突變性[2,7,8]。

已有研究表明VOCs對人體呼吸、視覺等系統有刺激和毒害作用,也可通過食物鏈累積進入人體,誘發神經系統疾病[9]。如氯乙烯可誘發呼吸系統疾病,對二氯苯對人體具有致癌作用[10-11]。一些研究者開展了VOCs排放清單、模擬、成分譜等研究工作[12-14],例如余宇帆等建立了2006年珠江三角洲地區重點行業和分城市的VOCs排放清單[6];莫梓偉等綜述了我國典型排放源VOCs成分譜組分特征,認為工業排放成分譜研究仍有所欠缺[12];謝旻等利用Calgrid模擬了中國NOx和VOCs自然源排放排放在不同季節對對流層化學的影響,發現自然源排放模擬存在較大的不確定性[13];李浩等研究結果表明,工業燃燒排放、生產工藝過程中的VOCs排放,是造成2013年夏季長三角區域高濃度O3的主要原因[14]。VOCs重點行業環境影響評價工作中,一般采用數學模型預測項目排放大氣污染物對環境的影響,通過建模來模擬污染物在大氣中輸送、擴散、轉化和清除等物理、化學機制[15]。2016年,全國地市級以上環評審批建設項目約5萬多個,其中石化、化工、醫藥等VOCs排放項目約占8%,但較少有研究者分析我國環境影響評價VOCs模擬情況。

本研究介紹了環評項目中常用數值模型,收集石化、汽車制造、鋼鐵等重點行業建設項目環評報告書,分析其中VOCs模擬存在的問題,并結合當前環境管理要求提出對策建議。

1環評VOCs模擬相關模型

《環境影響評價技術導則大氣環境》推薦了AERMOD、ADMS、CALPUFF等作為進一步預測模型,可模擬點源、面源、體源等,3種模型均可模擬VOCs一次污染情況,但僅有CALPUFF可模擬VOCs生成的SOA(表1),具體介紹如下。

1.1AERMOD

AERMOD(AMS/EPARegulatoryModel)是穩態煙羽模型,分為AERMOD(擴散模塊)、AERMET(氣象預處理模塊)、AERMAP(地形預處理模塊)等三大模塊,可模擬大氣污染物空間濃度分布,適用于模擬一次污染物(二氧化硫、二氧化氮、VOCs等一次污染物)[16]。

1.2ADMS

ADMS(AtmosphericDispersionModellingSystem)是三維高斯模式,基于Monin-Obukhov長度、邊界層高度來定義邊界層結構參數,在非穩定條件下垂直擴散使用了傾斜式的高斯模式,ADMS目前有多個版本(城市、環評、工業等),適用于模擬一次污染物[17]。

1.3CALPUFF

CALPUFF模式系統主要包括CALMET氣象模式、CALPUFF擴散模式等,CALPUFF是拉格朗日煙團擴散模式,利用CALMET輸出的氣象場,模擬污染源排放污染物輸送、擴散、沉降等過程,適用于從幾公里到幾百公里模擬。CALPUFF模式包含線性化學機制,可模擬二次硫酸鹽和硝酸鹽以及SOA的生成,當考慮VOCs二次化學反應時,可以選擇以下三種組合情況:(1)甲苯、二甲苯、SOA;(2)α-蒎烯、β-蒎烯、SOA;(3)甲苯、二甲苯、α-蒎烯、β-蒎烯、SOA[18~20]。

2美國VOCs模擬研究進展

2.1美國VOCs定義

美國VOCs定義:“參與大氣光化學反應的任何碳化合物,不包括一氧化碳、二氧化碳、碳酸、金屬碳化物、金屬碳酸鹽、碳酸銨、微光化學反應物質(美國環保署認為其光化學反應可忽略不計)”,美國環保署共指定了60種(類)微反應物質(截至2014年12月30日)。一些VOCs組分以及微反應物質,由于其有毒有害的特性,被歸入HAPs(有害大氣污染物)。美國未建立VOCs相關的環境質量標準,對其時空濃度分布也沒有直接模擬要求,但構建了囊括VOCs危害特性管理的體系。

2.2VOCs光化學反應模擬

美國較為關注VOCs光化學過程(尤其是臭氧生成)的模擬,常用的光化學模型有CMAQ、CAMx,均屬于第三代空氣質量模型,在污染模擬中可考慮各種污染現象。

2.3HAPs模擬及健康風險評估

美國重點關注有毒有害揮發性有機物在大氣中的濃度時空分布、環境健康風險。大氣濃度分布通常采用AERMOD、CALPUFF等模型模擬,模擬考慮干沉降、濕沉降參數,模擬結果用于環境健康風險評估,美國人體健康風險評價導則(HHRAP)中根據AERMOD、CALPUFF模擬的大氣中污染物濃度、干濕沉降結果,考慮多種途徑進入人體,進行全面健康風險評估。

3我國重點行業環評VOCs模擬研究進展

本研究收集了27本石化行業、汽車制造、鋼鐵等建設項目報告書,對評價等級、評價標準、數值模型、模型參數等內容進行研究,并重點分析環評中VOCs模擬存在的一些問題。

3.1石化行業環評VOCs模擬剖析

石化行業涉及的有機物質種類繁多,在開采、煉制、生產和運輸等環節均有VOCs產生。石化企業管閥件和接口的跑冒滴漏、石化產品儲罐運輸、有機廢水冷卻呼吸等過程均會形成無組織VOCs排放[21-22]。本研究對11本石化項目環評報告進行分析,發現該類項目大氣影響以二級評價為主,VOCs模擬因子主要選取非甲烷總烴(NMHC)和甲醇,常用模型為AERMOD,石化項目環評均對VOCs進行了一次模擬,但均未分析VOCs二次反應生成SOA的情況。

3.2汽車制造行業環評VOCs模擬剖析

汽車生產主要包括沖壓、焊裝、涂裝、總裝4個環節,VOCs污染主要產生于涂裝環節。常用涂裝工藝為“前處理+電泳+密封+中涂+面涂+烘干”,其中前處理工序是對車身表面進行徹底清潔。電泳工序用于在車身內外涂裝底漆,所用的油漆量最大,但多采用水性環保漆,VOCs產生量很小。中途、面涂工序中一般采用傳統溶劑型漆,在噴漆和烘干過程中會造成大量溶劑揮發,VOCs產生嚴重[23]。

本研究針對11本汽車制造環評報告進行分析,發現大部分汽車制造環評對大氣環境進行三級評價,使用最多的模型為ADMS、AERMOD;二甲苯、NMHC是常用VOCs模擬因子,很多項目中未模擬苯、酮類等污染因子(模擬因子漏項);不同報告書中選用的空氣質量標準存在較大差異,其中《工業企業設計衛生標準》(TJ36-79)是使用最多的環境質量標準,但該標準制定時間過于久遠(1979年)、限值過松(例如二甲苯限值過高、缺少NMHC限值),導致對標價值不大,且不少報告書在評價過程中使用了以色列、前蘇聯等地區的標準;汽車制造項目環評均對VOCs進行了一次模擬,但均未分析VOCs二次反應生成SOA的情況。

3.3鋼鐵行業環評VOCs模擬剖析

長流程鋼鐵企業工序較多,焦化、燒結、熱軋、冷軋等工序均排放VOCs,成分譜有所不同[24],焦化VOCs以乙烷、乙烯、苯等為主,燒結VOCs以甲苯、苯、二甲苯、乙苯等為主[25],熱軋VOCs以甲苯、二甲苯、苯、乙苯等為主,冷軋VOCs以甲苯、二甲苯、苯、乙苯等為主[26]。

本研究對5本鋼鐵行業環評報告書(均為長流程鋼鐵項目)分析,發現我國鋼鐵環評較少模擬VOCs一次污染情況,也未對VOCs二次反應產生SOA情況進行分析。

4環境影響評價VOCs模擬研究的不足及展望

4.1本研究發現同類行業環評選用的VOCs模擬因子、環境質量標準均存在一定差異,鋼鐵項目較少模擬VOCs一次污染物,所分析27本石化、汽車、鋼鐵項目環評均未模擬VOCs二次反應生成SOA情景,此外一些VOCs屬于惡臭物質,相關環評報告書也未考慮模擬企業排放惡臭對周圍環境影響。

4.2建議對建設項目環評VOCs的排放因子、成分譜、環境質量標準進行規范,開展VOCs模擬方法標準化應用研究,特別是加強VOCs在環評工作二次污染模擬研究,進一步推進VOCs環境人體健康工作。

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