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我国环境影响评价VOCs模拟进展和展望

VOCs污染防治是目前我国大气污染治理的重点工作之一。本研究通过收集、整理、分析我国重点行业建设项目环评报告书,并与美国VOCs模拟研究现状进行对比,从模拟因子、评价标准、模拟程度等方面出发,分析建设项目环评VOCs模拟工作中存在问题,提出建议对策,旨在规范我国环境影响评价领域VOCs模拟。

挥发性有机化合物(VolatileOrganicCompounds)简称VOCs,我国对其定义为“在标准状态下饱和蒸气压较高(标准状态下大于13.33Pa)、沸点较低、分子量小、常温状态下易挥发的有机化合物”[1]。VOCs对人体健康、大气环境等影响如下:(1)VOCs易与其他大气污染物发生光化学反应,产生臭氧(O3)等二次污染物[2,3]。(2)VOCs是大气细颗粒物(PM2.5)及二次有机气溶胶(SOA)主要前驱体[2,4,5]。(3)部分VOCs如卤代烃类,会与O3发生循环链式反应,破坏臭氧层[6]。(4)多环芳烃、卤代烃等VOCs具有一定致癌、致畸、致突变性[2,7,8]。

已有研究表明VOCs对人体呼吸、视觉等系统有刺激和毒害作用,也可通过食物链累积进入人体,诱发神经系统疾病[9]。如氯乙烯可诱发呼吸系统疾病,对二氯苯对人体具有致癌作用[10-11]。一些研究者开展了VOCs排放清单、模拟、成分谱等研究工作[12-14],例如余宇帆等建立了2006年珠江三角洲地区重点行业和分城市的VOCs排放清单[6];莫梓伟等综述了我国典型排放源VOCs成分谱组分特征,认为工业排放成分谱研究仍有所欠缺[12];谢旻等利用Calgrid模拟了中国NOx和VOCs自然源排放排放在不同季节对对流层化学的影响,发现自然源排放模拟存在较大的不确定性[13];李浩等研究结果表明,工业燃烧排放、生产工艺过程中的VOCs排放,是造成2013年夏季长三角区域高浓度O3的主要原因[14]。VOCs重点行业环境影响评价工作中,一般采用数学模型预测项目排放大气污染物对环境的影响,通过建模来模拟污染物在大气中输送、扩散、转化和清除等物理、化学机制[15]。2016年,全国地市级以上环评审批建设项目约5万多个,其中石化、化工、医药等VOCs排放项目约占8%,但较少有研究者分析我国环境影响评价VOCs模拟情况。

本研究介绍了环评项目中常用数值模型,收集石化、汽车制造、钢铁等重点行业建设项目环评报告书,分析其中VOCs模拟存在的问题,并结合当前环境管理要求提出对策建议。

1环评VOCs模拟相关模型

《环境影响评价技术导则大气环境》推荐了AERMOD、ADMS、CALPUFF等作为进一步预测模型,可模拟点源、面源、体源等,3种模型均可模拟VOCs一次污染情况,但仅有CALPUFF可模拟VOCs生成的SOA(表1),具体介绍如下。

1.1AERMOD

AERMOD(AMS/EPARegulatoryModel)是稳态烟羽模型,分为AERMOD(扩散模块)、AERMET(气象预处理模块)、AERMAP(地形预处理模块)等三大模块,可模拟大气污染物空间浓度分布,适用于模拟一次污染物(二氧化硫、二氧化氮、VOCs等一次污染物)[16]。

1.2ADMS

ADMS(AtmosphericDispersionModellingSystem)是三维高斯模式,基于Monin-Obukhov长度、边界层高度来定义边界层结构参数,在非稳定条件下垂直扩散使用了倾斜式的高斯模式,ADMS目前有多个版本(城市、环评、工业等),适用于模拟一次污染物[17]。

1.3CALPUFF

CALPUFF模式系统主要包括CALMET气象模式、CALPUFF扩散模式等,CALPUFF是拉格朗日烟团扩散模式,利用CALMET输出的气象场,模拟污染源排放污染物输送、扩散、沉降等过程,适用于从几公里到几百公里模拟。CALPUFF模式包含线性化学机制,可模拟二次硫酸盐和硝酸盐以及SOA的生成,当考虑VOCs二次化学反应时,可以选择以下三种组合情况:(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美国VOCs模拟研究进展

2.1美国VOCs定义

美国VOCs定义:“参与大气光化学反应的任何碳化合物,不包括一氧化碳、二氧化碳、碳酸、金属碳化物、金属碳酸盐、碳酸铵、微光化学反应物质(美国环保署认为其光化学反应可忽略不计)”,美国环保署共指定了60种(类)微反应物质(截至2014年12月30日)。一些VOCs组分以及微反应物质,由于其有毒有害的特性,被归入HAPs(有害大气污染物)。美国未建立VOCs相关的环境质量标准,对其时空浓度分布也没有直接模拟要求,但构建了囊括VOCs危害特性管理的体系。

2.2VOCs光化学反应模拟

美国较为关注VOCs光化学过程(尤其是臭氧生成)的模拟,常用的光化学模型有CMAQ、CAMx,均属于第三代空气质量模型,在污染模拟中可考虑各种污染现象。

2.3HAPs模拟及健康风险评估

美国重点关注有毒有害挥发性有机物在大气中的浓度时空分布、环境健康风险。大气浓度分布通常采用AERMOD、CALPUFF等模型模拟,模拟考虑干沉降、湿沉降参数,模拟结果用于环境健康风险评估,美国人体健康风险评价导则(HHRAP)中根据AERMOD、CALPUFF模拟的大气中污染物浓度、干湿沉降结果,考虑多种途径进入人体,进行全面健康风险评估。

3我国重点行业环评VOCs模拟研究进展

本研究收集了27本石化行业、汽车制造、钢铁等建设项目报告书,对评价等级、评价标准、数值模型、模型参数等内容进行研究,并重点分析环评中VOCs模拟存在的一些问题。

3.1石化行业环评VOCs模拟剖析

石化行业涉及的有机物质种类繁多,在开采、炼制、生产和运输等环节均有VOCs产生。石化企业管阀件和接口的跑冒滴漏、石化产品储罐运输、有机废水冷却呼吸等过程均会形成无组织VOCs排放[21-22]。本研究对11本石化项目环评报告进行分析,发现该类项目大气影响以二级评价为主,VOCs模拟因子主要选取非甲烷总烃(NMHC)和甲醇,常用模型为AERMOD,石化项目环评均对VOCs进行了一次模拟,但均未分析VOCs二次反应生成SOA的情况。

3.2汽车制造行业环评VOCs模拟剖析

汽车生产主要包括冲压、焊装、涂装、总装4个环节,VOCs污染主要产生于涂装环节。常用涂装工艺为“前处理+电泳+密封+中涂+面涂+烘干”,其中前处理工序是对车身表面进行彻底清洁。电泳工序用于在车身内外涂装底漆,所用的油漆量最大,但多采用水性环保漆,VOCs产生量很小。中途、面涂工序中一般采用传统溶剂型漆,在喷漆和烘干过程中会造成大量溶剂挥发,VOCs产生严重[23]。

本研究针对11本汽车制造环评报告进行分析,发现大部分汽车制造环评对大气环境进行三级评价,使用最多的模型为ADMS、AERMOD;二甲苯、NMHC是常用VOCs模拟因子,很多项目中未模拟苯、酮类等污染因子(模拟因子漏项);不同报告书中选用的空气质量标准存在较大差异,其中《工业企业设计卫生标准》(TJ36-79)是使用最多的环境质量标准,但该标准制定时间过于久远(1979年)、限值过松(例如二甲苯限值过高、缺少NMHC限值),导致对标价值不大,且不少报告书在评价过程中使用了以色列、前苏联等地区的标准;汽车制造项目环评均对VOCs进行了一次模拟,但均未分析VOCs二次反应生成SOA的情况。

3.3钢铁行业环评VOCs模拟剖析

长流程钢铁企业工序较多,焦化、烧结、热轧、冷轧等工序均排放VOCs,成分谱有所不同[24],焦化VOCs以乙烷、乙烯、苯等为主,烧结VOCs以甲苯、苯、二甲苯、乙苯等为主[25],热轧VOCs以甲苯、二甲苯、苯、乙苯等为主,冷轧VOCs以甲苯、二甲苯、苯、乙苯等为主[26]。

本研究对5本钢铁行业环评报告书(均为长流程钢铁项目)分析,发现我国钢铁环评较少模拟VOCs一次污染情况,也未对VOCs二次反应产生SOA情况进行分析。

4环境影响评价VOCs模拟研究的不足及展望

4.1本研究发现同类行业环评选用的VOCs模拟因子、环境质量标准均存在一定差异,钢铁项目较少模拟VOCs一次污染物,所分析27本石化、汽车、钢铁项目环评均未模拟VOCs二次反应生成SOA情景,此外一些VOCs属于恶臭物质,相关环评报告书也未考虑模拟企业排放恶臭对周围环境影响。

4.2建议对建设项目环评VOCs的排放因子、成分谱、环境质量标准进行规范,开展VOCs模拟方法标准化应用研究,特别是加强VOCs在环评工作二次污染模拟研究,进一步推进VOCs环境人体健康工作。
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