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随着城市的发展和城镇化的加快,城市灰尘的治理也面临着新的课题。
当低碳经济和节能减排成为世界经济发展的主流,城市本身自然成为其难以忽略的主体。随着世界城市化进程的加快,城市的环境问题日益为人们所关注。城市灰尘污染、城市大气污染、城市水污染、城市热岛效应、城市光化学烟雾等,构成了城市环境灾害系统,成为城市环境重点预警、防治、治理的对象。
在常静等人发表的文章《城市地表灰尘的概念、污染特征与环境效应》中,将城市灰尘污染描述为城市环境学研究的内容之一。目前,城市灰尘污染尚未被人们所认识,实际上城市灰尘及其在城市环境中的作用,是不能被忽视的。城市灰尘污染可以作为城市环境学中的一个科学研究分支。
城市灰尘概况
城市灰尘是指粒径小于20目(<0.1920mm),分散于城市不同区域(位置、功能区)的表面固体颗粒物。按照城市灰尘的来源和颗粒物的性质,进一步划分为街道灰尘、区域灰尘、大气灰尘。
城市灰尘的物质来源属城市灰尘环境污染研究的重要内容,城市灰尘的物质来源分为三类:其一为远程来源;其二近程来源;其三为市内来源。
远程来源以三种形式迁入,一种为风尘沙的作用;第二种为大气颗粒物的作用;另外一种为人为远程带入作用。近程来源为近程风力作用、近程带入作用、市郊混染作用;市内来源为市内建设作用、市内交通作用、市内汽车尾气、市内颗粒物排放等。城市灰尘的物质来源研究是城市灰尘防治、治理的基础,截源才能堵流。
城市灰尘物质组成研究沿用自然科学的基本方法,通过物质组成发现规律、揭示原理、寻求质的变化。通过对城市灰尘粒径组成研究可以弄清灰尘的物理学性质,城市灰尘矿物组成研究可以弄清灰尘的矿物学性质,城市灰尘元素组成研究可以弄清灰尘的化学性质。城市灰尘物质组成研究是城市灰尘环境污染最基础、最本质的研究内容。城市灰尘物质组成的研究,除了进行元素及其同位素含量测定外,还要考虑超微粒(<66μm)物质研究,因为小于200目(<66μm)物质粒径分离要使用非常规方法。从物理学角度讲胶体颗粒级(<0.14μm)、介观物质(微米或亚微米级,包括108～1011个原子)、纳米级物质(包括9～10个原子,<0.11μm),其颗粒极小,可称为超微细物质;从化学角度讲离子、原子、分子、原子团、分子团、汽溶胶,其含量甚微,一般为ng/g、pg/g含量水平。城市灰尘对人体和环境造成危害的以超微细粒物质为主,因为超微细粒物质和粗粒、细粒、微细粒物质相比,它的物理性质、化学性质、环境学性质有本质的区别,其在人体中的附着力(滞留时间)、对有害元素的结合力等方面都有很大差异的。城市灰尘中重金属及其有害物质的赋存状态研究,是城市灰尘物质组成研究的内容之一,因为不同赋存状态、不同价态的元素,其环境学效应是不同的,其缓解和治理的方法也是不一样的。
城市灰尘样品风干后,除去树枝、杂草、石块等杂物,对样品进行连续粒径分级,最粗粒径为1.00mm(1000μm),最细粒径为0.066mm(66μm),还可以再细分下去,但由于技术条件的限制引起的误差会更大,因此,仅分为11个粒级。从城市灰尘粒径分布和以上颗粒物的划分标准比较以及城市灰尘随环境的可变化性可以看出,其所属范围广泛,对人体有很大的危害,应引起足够的重视。商翎的研究成果《元素生态地球化学及其应用》认为,颗粒尺寸是表征颗粒物行为最重要的参数,颗粒物的全部性质都与粒径有关,而某些性质则非常强烈地依赖于颗粒尺寸。各种环境介质中,微粒粒径分布关系,既可用颗粒数目、体积描述,也可用质量参数描述。在粒径r和r+dr间的微粒数dN的粒径分布关系为:dN=f(r)dr(f(r)是粒数随粒径变化的分布函数)。相应地,与粒数dN相当的体积dV的粒径分布关系为:dV=v(r)dN=v(r)f(r)dr,其中v(r)是粒径为r的单颗粒物的体积系数。与微粒的体积分布相类似,其质量dM的粒径分布关系为:dM=ρ(r)v(r)f(r)dr,其中ρ(r)为粒径为r的微粒的密度系数。利用以上关系,可以分别给出微粒数目、体积及质量对粒径的函数关系,并转换成频率分布。对于微粒数目的频率分布,设总粒数为Nt,Nt=∫21f(r)dr,则样品微粒随粒径的频率分布是:dN=1/Ntf(r)dr。通常,天然物质微粒的粒径分布并非正态分布,一般服从对数正态分布。
城市灰尘分布分配规律是指城市灰尘在各个区域或者各功能区的含量规律研究,这里的分布是指城市灰尘在总体中含量,分配则是指城市灰尘在分体中含量,分布分配是相对的概念。通过分布分配规律研究弄清城市灰尘的基本分布特征,除此深入研究城市灰尘中的矿物、元素、同位素的分布分配规律,圈定和辨析灰尘、元素、同位素环境污染异常,划分城市灰尘环境异常灾害区(Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级),制作城市灰尘、重金属、放射性元素等环境异常图。
城市灰尘迁移演化机理是指城市灰尘迁移演化模式的探索研究。以不同来源介入城市的灰尘,又以不同形式在城市中迁移、循环、演变、消失,这样年复一年、日复一日,构成了城市灰尘的动态演变系统。弄清城市灰尘迁移演化机理,有助于寻求最佳时间、最佳空间、最佳位置、最佳方案,进行城市灰尘污染的灾害预警、预防、治理。
传统污染类型与治理
城市灰尘的污染类型大致可以分为五种:城市灰尘动力污染、城市灰尘地理污染、城市灰尘物质污染、城市灰尘循环污染、城市灰尘人体污染。
美国进行的流行病学研究表明:人体吸入大气颗粒污染物会引起呼吸道炎症,并导致婴儿早产死亡率增加。这与颗粒物的化学结构无关,不管所研究的颗粒物是来自煤烟型污染,还是来自交通型污染。较小的颗粒占的比例越大,其危害也越大。对人体健康危害最大的是10μm以下悬浮的颗粒物,粒径为10～0.1μm的颗粒物有90%沉积于呼吸道和肺泡上,其中粒径为5～0.5μm的颗粒物沉积率随粒径的减小而逐渐减少。0.5μm颗粒物的沉积率为20～30%,粒径为2～4μm的颗粒物在肺泡内沉积率最大。沉积在肺部的污染物如被溶解,就会直接侵入血液,造成血液中毒;未被溶解的污染物有可能被细胞所吸收使细胞遭受破坏,侵入肺组织或淋巴结可引起尘肺。细颗粒物的比表面积大,所以它们吸附的重金属和有毒有害物质多,同时也使这些有毒物质在肺部更容易溶解。有害化学成分,如多环芳烃、重金属的存在和它们的浓度也决定了其毒性的大小。另外,人们在细颗粒物中暴露的时间长短对人体的健康也有重要影响。
城市灰尘的截源、城市灰尘的预警、城市灰尘防治、城市灰尘治理等,属城市灰尘环境污染研究的重要内容。建立城市灰尘环境污染科学研究系统,建立城市灰尘环境污染与生态侵害研究系统,城市灰尘环境污染防治治理系统,创建优美的人类城市生态环境。
城市灰尘污染治理,需要从城市灰尘防护林带、城市灰尘阻滞植被带、城市灰尘吸附绿化区、大面积转基因植物修复等途径,来降低城市灰尘污染物的容纳数量,减轻污染程度。其中,地球化学工程学被认为是21世纪重要的环保产业。
现状与探索
近年来,持久性难降解有机污染物(POPs)的环境效应已引起人们的特别关注。研究表明,城市地区尤其是中心城区,土壤和灰尘中的多环芳烃(PAHs)浓度在不断增加,并显示出一定的空间分布特征。工业区和交通要道含量明显高于校园和居住区,且呈较明显的季节分布。Brisa等的研究表明,巴黎市区灰尘中PAHs达到3～11μg•g-1,是农田土壤的213倍,呈现出由中心城区向郊区逐渐递减的趋势。Yang等的研究表明,高雄市中心地区PAHs含量为298μg•g-1,远远高于钢铁厂、水泥厂和海滨等污染地区含量(122～182μg•g-1)。Fang等对台中市地表灰尘主要交通干道、工业园区、文教区3种地表灰尘进行的分析表明,其PAHs含量分别达到6518、2617和1611μg•g-1。郭琳等的研究表明,长沙市地表灰尘的浸取试验分析表明,灰尘以总碳(TC)和COD污染为主,其次为石油类物质。陈丽旋等的研究表明,广州市各功能区道路灰尘的邻苯二甲酸酯(PAEs)含量平均为132158μg•g-1,其中商业区、交通主干道明显高于其他区域。
与城市大气、土壤污染相比,地表灰尘具有分布广、取样方便、代表性强、与非点源污染联系紧密等独特的环境特征。鉴于此,城市地表灰尘应该成为我国环境研究的一个新的切入点,并且在几个方面需要尤其加强。首先,采样方法对地表灰尘研究至关重要,尤其是有关灰尘累积规律及粒径分析的研究,更要求采样的准确性。国内地表灰尘研究应该进一步同国际研究接轨,统一采样方法,以利于学术交流。其次,结合城市区域特征对地表灰尘进行有侧重的研究。对于部分西部城市而言,研究地表灰尘与大气污染、沙尘暴机制的关系有着重要的现实意义。而对于以平原河网特征为主的东部城市,地表灰尘研究则应侧重于与径流污染的关系,重视灰尘的水体非点源污染效应。再次,要积极借鉴相邻学科的相关技术手段,提高城市地表灰尘污染物判源分析的精度。最后,应重视生态毒理学在地表灰尘暴露风险研究中的作用,加强地表灰尘生态效应及其安全风险评估研究。
作者单位为九江市环境保护监测站
当低碳经济和节能减排成为世界经济发展的主流,城市本身自然成为其难以忽略的主体。随着世界城市化进程的加快,城市的环境问题日益为人们所关注。城市灰尘污染、城市大气污染、城市水污染、城市热岛效应、城市光化学烟雾等,构成了城市环境灾害系统,成为城市环境重点预警、防治、治理的对象。
在常静等人发表的文章《城市地表灰尘的概念、污染特征与环境效应》中,将城市灰尘污染描述为城市环境学研究的内容之一。目前,城市灰尘污染尚未被人们所认识,实际上城市灰尘及其在城市环境中的作用,是不能被忽视的。城市灰尘污染可以作为城市环境学中的一个科学研究分支。
城市灰尘概况
城市灰尘是指粒径小于20目(<0.1920mm),分散于城市不同区域(位置、功能区)的表面固体颗粒物。按照城市灰尘的来源和颗粒物的性质,进一步划分为街道灰尘、区域灰尘、大气灰尘。
城市灰尘的物质来源属城市灰尘环境污染研究的重要内容,城市灰尘的物质来源分为三类:其一为远程来源;其二近程来源;其三为市内来源。
远程来源以三种形式迁入,一种为风尘沙的作用;第二种为大气颗粒物的作用;另外一种为人为远程带入作用。近程来源为近程风力作用、近程带入作用、市郊混染作用;市内来源为市内建设作用、市内交通作用、市内汽车尾气、市内颗粒物排放等。城市灰尘的物质来源研究是城市灰尘防治、治理的基础,截源才能堵流。
城市灰尘物质组成研究沿用自然科学的基本方法,通过物质组成发现规律、揭示原理、寻求质的变化。通过对城市灰尘粒径组成研究可以弄清灰尘的物理学性质,城市灰尘矿物组成研究可以弄清灰尘的矿物学性质,城市灰尘元素组成研究可以弄清灰尘的化学性质。城市灰尘物质组成研究是城市灰尘环境污染最基础、最本质的研究内容。城市灰尘物质组成的研究,除了进行元素及其同位素含量测定外,还要考虑超微粒(<66μm)物质研究,因为小于200目(<66μm)物质粒径分离要使用非常规方法。从物理学角度讲胶体颗粒级(<0.14μm)、介观物质(微米或亚微米级,包括108～1011个原子)、纳米级物质(包括9～10个原子,<0.11μm),其颗粒极小,可称为超微细物质;从化学角度讲离子、原子、分子、原子团、分子团、汽溶胶,其含量甚微,一般为ng/g、pg/g含量水平。城市灰尘对人体和环境造成危害的以超微细粒物质为主,因为超微细粒物质和粗粒、细粒、微细粒物质相比,它的物理性质、化学性质、环境学性质有本质的区别,其在人体中的附着力(滞留时间)、对有害元素的结合力等方面都有很大差异的。城市灰尘中重金属及其有害物质的赋存状态研究,是城市灰尘物质组成研究的内容之一,因为不同赋存状态、不同价态的元素,其环境学效应是不同的,其缓解和治理的方法也是不一样的。
城市灰尘样品风干后,除去树枝、杂草、石块等杂物,对样品进行连续粒径分级,最粗粒径为1.00mm(1000μm),最细粒径为0.066mm(66μm),还可以再细分下去,但由于技术条件的限制引起的误差会更大,因此,仅分为11个粒级。从城市灰尘粒径分布和以上颗粒物的划分标准比较以及城市灰尘随环境的可变化性可以看出,其所属范围广泛,对人体有很大的危害,应引起足够的重视。商翎的研究成果《元素生态地球化学及其应用》认为,颗粒尺寸是表征颗粒物行为最重要的参数,颗粒物的全部性质都与粒径有关,而某些性质则非常强烈地依赖于颗粒尺寸。各种环境介质中,微粒粒径分布关系,既可用颗粒数目、体积描述,也可用质量参数描述。在粒径r和r+dr间的微粒数dN的粒径分布关系为:dN=f(r)dr(f(r)是粒数随粒径变化的分布函数)。相应地,与粒数dN相当的体积dV的粒径分布关系为:dV=v(r)dN=v(r)f(r)dr,其中v(r)是粒径为r的单颗粒物的体积系数。与微粒的体积分布相类似,其质量dM的粒径分布关系为:dM=ρ(r)v(r)f(r)dr,其中ρ(r)为粒径为r的微粒的密度系数。利用以上关系,可以分别给出微粒数目、体积及质量对粒径的函数关系,并转换成频率分布。对于微粒数目的频率分布,设总粒数为Nt,Nt=∫21f(r)dr,则样品微粒随粒径的频率分布是:dN=1/Ntf(r)dr。通常,天然物质微粒的粒径分布并非正态分布,一般服从对数正态分布。
城市灰尘分布分配规律是指城市灰尘在各个区域或者各功能区的含量规律研究,这里的分布是指城市灰尘在总体中含量,分配则是指城市灰尘在分体中含量,分布分配是相对的概念。通过分布分配规律研究弄清城市灰尘的基本分布特征,除此深入研究城市灰尘中的矿物、元素、同位素的分布分配规律,圈定和辨析灰尘、元素、同位素环境污染异常,划分城市灰尘环境异常灾害区(Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级),制作城市灰尘、重金属、放射性元素等环境异常图。
城市灰尘迁移演化机理是指城市灰尘迁移演化模式的探索研究。以不同来源介入城市的灰尘,又以不同形式在城市中迁移、循环、演变、消失,这样年复一年、日复一日,构成了城市灰尘的动态演变系统。弄清城市灰尘迁移演化机理,有助于寻求最佳时间、最佳空间、最佳位置、最佳方案,进行城市灰尘污染的灾害预警、预防、治理。
传统污染类型与治理
城市灰尘的污染类型大致可以分为五种:城市灰尘动力污染、城市灰尘地理污染、城市灰尘物质污染、城市灰尘循环污染、城市灰尘人体污染。
美国进行的流行病学研究表明:人体吸入大气颗粒污染物会引起呼吸道炎症,并导致婴儿早产死亡率增加。这与颗粒物的化学结构无关,不管所研究的颗粒物是来自煤烟型污染,还是来自交通型污染。较小的颗粒占的比例越大,其危害也越大。对人体健康危害最大的是10μm以下悬浮的颗粒物,粒径为10～0.1μm的颗粒物有90%沉积于呼吸道和肺泡上,其中粒径为5～0.5μm的颗粒物沉积率随粒径的减小而逐渐减少。0.5μm颗粒物的沉积率为20～30%,粒径为2～4μm的颗粒物在肺泡内沉积率最大。沉积在肺部的污染物如被溶解,就会直接侵入血液,造成血液中毒;未被溶解的污染物有可能被细胞所吸收使细胞遭受破坏,侵入肺组织或淋巴结可引起尘肺。细颗粒物的比表面积大,所以它们吸附的重金属和有毒有害物质多,同时也使这些有毒物质在肺部更容易溶解。有害化学成分,如多环芳烃、重金属的存在和它们的浓度也决定了其毒性的大小。另外,人们在细颗粒物中暴露的时间长短对人体的健康也有重要影响。
城市灰尘的截源、城市灰尘的预警、城市灰尘防治、城市灰尘治理等,属城市灰尘环境污染研究的重要内容。建立城市灰尘环境污染科学研究系统,建立城市灰尘环境污染与生态侵害研究系统,城市灰尘环境污染防治治理系统,创建优美的人类城市生态环境。
城市灰尘污染治理,需要从城市灰尘防护林带、城市灰尘阻滞植被带、城市灰尘吸附绿化区、大面积转基因植物修复等途径,来降低城市灰尘污染物的容纳数量,减轻污染程度。其中,地球化学工程学被认为是21世纪重要的环保产业。
现状与探索
近年来,持久性难降解有机污染物(POPs)的环境效应已引起人们的特别关注。研究表明,城市地区尤其是中心城区,土壤和灰尘中的多环芳烃(PAHs)浓度在不断增加,并显示出一定的空间分布特征。工业区和交通要道含量明显高于校园和居住区,且呈较明显的季节分布。Brisa等的研究表明,巴黎市区灰尘中PAHs达到3～11μg•g-1,是农田土壤的213倍,呈现出由中心城区向郊区逐渐递减的趋势。Yang等的研究表明,高雄市中心地区PAHs含量为298μg•g-1,远远高于钢铁厂、水泥厂和海滨等污染地区含量(122～182μg•g-1)。Fang等对台中市地表灰尘主要交通干道、工业园区、文教区3种地表灰尘进行的分析表明,其PAHs含量分别达到6518、2617和1611μg•g-1。郭琳等的研究表明,长沙市地表灰尘的浸取试验分析表明,灰尘以总碳(TC)和COD污染为主,其次为石油类物质。陈丽旋等的研究表明,广州市各功能区道路灰尘的邻苯二甲酸酯(PAEs)含量平均为132158μg•g-1,其中商业区、交通主干道明显高于其他区域。
与城市大气、土壤污染相比,地表灰尘具有分布广、取样方便、代表性强、与非点源污染联系紧密等独特的环境特征。鉴于此,城市地表灰尘应该成为我国环境研究的一个新的切入点,并且在几个方面需要尤其加强。首先,采样方法对地表灰尘研究至关重要,尤其是有关灰尘累积规律及粒径分析的研究,更要求采样的准确性。国内地表灰尘研究应该进一步同国际研究接轨,统一采样方法,以利于学术交流。其次,结合城市区域特征对地表灰尘进行有侧重的研究。对于部分西部城市而言,研究地表灰尘与大气污染、沙尘暴机制的关系有着重要的现实意义。而对于以平原河网特征为主的东部城市,地表灰尘研究则应侧重于与径流污染的关系,重视灰尘的水体非点源污染效应。再次,要积极借鉴相邻学科的相关技术手段,提高城市地表灰尘污染物判源分析的精度。最后,应重视生态毒理学在地表灰尘暴露风险研究中的作用,加强地表灰尘生态效应及其安全风险评估研究。
作者单位为九江市环境保护监测站