京津冀地區氮氧化物與揮發性有機物協同減排的必要性及路徑優化
【谷騰環保網訊】“十三五”時期以來，我國的環境污染治理力度之大前所未有，大氣環境質量明顯改善。但是，大氣污染防治形勢仍然嚴峻。2020年，全國大氣PM2.5年均質量濃度是世界衛生組織準則值的6.6倍，仍有37.1%的城市PM2.5濃度超過國家二級環境空氣質量標準。O3污染呈現持續升高態勢，京津冀“2+26”城市的O3日最大8小時濃度第90百分位數約為美國洛杉磯等污染較重城市的1.5倍—1.8倍，O3已成為僅次于PM2.5的影響空氣質量的重要污染物。因此，PM2.5和O3協同控制已成為持續改善空氣質量的關鍵。
優化NOx與VOCs協同減排路徑的必要性
PM2.5和O3的生成具有共同來源，NOx和VOCs是兩者共同的前體物，因此對PM2.5和O3的協同控制具備基本條件。NOx和VOCs在一定比例下通過大氣光化學反應會產生O3。如果NOx和VOCs控制比例不當可能導致O3濃度的增加，還可能進一步影響二次顆粒物的生成。因此，只有優化NOx與VOCs協同減排路徑，才能實現PM2.5和O3的協同治理。
優化NOx和VOCs減排策略，將長期濃度的持續降低與短期減少高濃度暴露的需求銜接起來，還能在減排期間帶來顯著的健康和生態收益。從長期來看，可確立成本最小為目標，確定達標要求下NOx和VOCs減排的最優策略。但由于實現空氣質量達標需要大量減少前體物排放，可能需要10年以上的時間，因此即使減排總量確定，不同的NOx和VOCs控制路徑可以在減排期間產生不同的收益。由于當前O3對VOCs較為敏感，因此在VOCs排放控制速度更快的情況下，能在整個控制NOx期間內盡早額外降低PM2.5和O3濃度，減少PM2.5和O3對人群健康和生態系統帶來的不利影響，從而產生額外的且高于VOCs控制成本的健康和生態效益。
NOx深度減排是實現京津冀地區PM2.5和O3達標的關鍵
近年觀測數據表明，京津冀地區硝酸鹽區域性污染十分突出，已經成為PM2.5中最主要的二次無機組分，其濃度快速上升已成為PM2.5爆發式增長的關鍵因素之一。NOx是硝酸鹽的前體物，因此控制PM2.5污染需要對NOx進行控制。O3高污染時段出現在夏季，受夏季氣象條件和較高的自然源VOCs排放等因素的影響，NOx的深度減排才能最終降低這一時段的O3濃度。但需注意的是，由于非線性響應關系，從短期來看，NOx的單一減排可能使得O3濃度增加，因此，在制定近期的減排策略時，需要考慮如何協同控制VOCs和NOx。而當我們討論達標要求下的減排需求時，NOx的控制是必不可少的，它的深度減排對于持續降低PM2.5濃度、減少O3生成至關重要。
控制O3污染在歐美發達國家也是一個難題，美國大洛杉磯地區（南海岸空氣盆地）是全美最大的不達標區域。與北京的情況類似，洛杉磯也經常會出現逆溫現象，導致當地污染物擴散不出去，NOx與VOCs在大氣中相互作用形成更多O3。鑒于當地地理與氣候特點，南海岸空氣質量管理局（SCAQMD）考慮了三個O3的控制策略（僅治理NOx的策略、僅治理VOCs的策略、NOx-VOCs均等策略），通過大量數據采集和建模分析，最終決定，把NOx排放削減作為其O3控制的主要策略，同時采取適當策略性的VOCs減排。這一策略能緩解O3在NOx富集地區初期的增加，實現O3濃度達標，并為PM2.5等的治理帶來協同效應。
京津冀地區需制定季節性的減排策略
不同季節，PM2.5與O3濃度的特征有較大差異，二者對前體物排放的響應也不同，因此污染治理需要各有側重。在冬季，O3化學處于VOCs敏感區，NOx減少會使O3增加。但冬季O3濃度本身較低，應側重于對PM2.5的控制。但如果只控制NOx而不控制VOCs，可能會增加大氣氧化性并顯著影響二次PM2.5的形成，因此需要在當前冬季錯峰生產措施的基礎上進一步強化VOCs控制。夏季，PM2.5和O3需協同控制。O3對NOx排放的敏感性增大，NOx排放量的大幅減少對于O3污染控制效果比VOCs減排帶來的效果更好。因此，需要在VOCs強化措施的基礎上進一步降低區域NOx排放，促進降低O3峰值濃度。
京津冀地區VOCs和NOx減排比例如何設置？
NOx與VOCs的相對大小是影響O3化學的重要因素之一。減排比例的比值會受季節、控制區域范圍大小等的影響。當僅城市單獨減排時，VOCs的減排要高于NOx。但當區域聯合控制時，O3對NOx的敏感性增加，控制范圍越大，NOx的減排帶來的O3控制效果越好。VOCs/NOx減排比例在一年內變化也較大，考慮區域聯合控制，從冬至夏，京津冀各城市NOx/VOCs減排比例的比值中位數約從0.95（12月）降到0.02（7月）。當NOx減排量超過36%—53%時，VOCs減排效果將小于NOx。
以北京為例，冷季（1月—2月、11月—2月）VOCs/NOx的減排比值在0.68—0.87左右，主要是避免氧化性增強促進二次顆粒物生成。暖季（5月—9月）所需VOCs/NOx減排比值較低（約0.37，7月無須VOCs控制可使濃度降低）。冷暖季相交的時段，VOCs/NOx比值約為0.44。這一時期，O3濃度不高，但仍需注意NOx控制的短期不利影響。
還需注意的是，隨著減排的進行，需要考慮污染物化學生成敏感性的變化調整協同控制策略。在冷季，當NOx持續減排超過40%—51%時，其減排對于O3的控制效果將高于VOCs。在暖季，當NOx持續減排超過21%時，可進一步促進O3對NOx敏感性向正敏感性的轉變，因此當減排進行到這一程度，就可以更加重視對NOx排放的削減。
作者單位：清華大學環境學院
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