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PM2.5时代的清华“攻略” 

记者 赵姝婧

陈琳 制图

  4月3日清晨,清华大学环境学院院长贺克斌走进节能楼办公室,随手打开窗,一阵清凉的春风迎面扑来。今天的空气质量良好,正是他从事几十年环境科研工作以来一直想为人们保留的美好空气味道。

  当天下午,一直忙于中国工程院重大战略咨询项目“中国大气PM2.5污染防治策略与技术途径” 的清华大学环境学院郝吉明院士,又接到工程院布置的新任务,组织团队开展“防治京津冀区域大气复合污染的联发联控战略及路线图”的咨询研究。

  4月5日傍晚,清华大学建筑环境与设备工程研究所所长张寅平结束了与外国专家关于室内净化研究的学术讨论,又将目光转向北京、上海等十城市的儿童哮喘发病率与室内环境污染关联性的调研计划,继续伏案工作。

  夜幕降临,清华不同专业、不同领域的科研工作者还在继续忙碌着。

  今年,我国中东部地区持续遭到PM2.5重度污染侵扰,呼吸道疾病病例相应增多,引发了人们的 “空气焦虑”。进入4月,在京肆虐多日的PM2.5污染又多次强势“反扑”,北京市启动了更为严格的污染防控应急措施。

  “PM2.5时代”来了。大家必须共同面对这一环境难题,谁都不愿停下。

  也就是几天前,建设中的“区域环境质量协同创新中心”在清华大学召开京津冀地区大气PM2.5污染成因及对策研讨会,聚焦我国PM2.5大气复合污染现状。“当前京津冀地区大气PM2.5污染引起全社会高度关注。” 郝吉明指出,“单独控制一种污染物难以达到改善空气质量的目的,我们要推动多种污染物协同控制,从机理上整合并采取行动。”

  “若想尽快拿到PM2.5‘攻略’的‘全景图’,关键在于跨学科。清华有这样的综合学科优势,每个相关学科都是其中的一块‘拼图’。只有不断攻克最前沿的难题,最大化集成各项科研成果,才能找到解决这一环境难题的更好方法。” 贺克斌说。

 “对手”的真面目到底是什么?

  清华大学环境学院是与PM2.5污染最先展开“正面交锋”的院系。

  “跟英国、美国等国家相比,中国的PM2.5污染问题最复杂,也最有难度。”郝吉明说。“我国的大气问题属于复合污染,而且把发达国家不同发展阶段的污染特性集中到了同一时期,其中不仅包含煤、石化、机动车排放物等多种混合污染物,而且中国的人口密度大、气象因素复杂,还涉及社会与经济发展问题。”

  从2008年开始, PM2.5被提及的次数开始增多,各种声音更是数不尽数。“雾霾”和“灰霾”的称呼是否准确?它对人体健康的危害到底有多大?应不应该列入我国环境空气质量标准?

  一时间不同声音交错难辨,甚至还引发了空气质量标准的系列争论。

  在这关键时刻,贺克斌科研团队拿出了一份扎实的、令人信服的科研报告——1999年~2010年北京市大气环境PM2.5观测报告。

  “上世纪90年代这一领域的研究几乎还是空白,是当时很不被看好、难以坚持的一项研究。”贺克斌说。“但是我们十几年如一日地实地测量,默默坚持下来了。”

  报告显示,PM2.5来自污染源的一次排放和气态物种在大气中的二次化学转化,其中包括黑碳、有机碳、硫酸盐、硝酸盐和铵盐等多种复杂成分,二次颗粒物在PM2.5中的比例十多年来持续上升,严重影响人体健康及大气能见度。而且PM2.5中的化学成分不同,对大气的升温或降温效应也不同,从而对气候系统产生了复杂影响。“因此人们通常所说的‘雾霾’和‘灰霾’都不够科学准确,应该叫做以PM2.5为代表的区域大气复合污染,而且PM2.5中的2.5准确书写方式应为右下标。”郝吉明说。

  这份报告一经提出,以上猜测都有了答案。“当大家都只能说‘可能’而不敢‘肯定’的时候,清华站了出来,这对科学制定国家决策起到了很好的助推作用。”贺克斌说。

  其实从上世纪90年代开始,清华大学环境学院就已经开始探索城市大气污染物来源特征分析的整体技术方法,其中包括建立污染物排放清单、模拟环境空气质量,以及对区域环境开展影响分析等,先后有郝吉明、贺克斌、王书肖、吴烨等多位学者投身其中。

  “现实中的污染物种类会不断随时间空间发生变化,实地观测有一定局限。若能在封闭空间中同时进行模拟实验,可以更全面地得出二次颗粒物的相关结论。”郝吉明说。“为了更全面地看清PM2.5的形成机制,我们与国内外多家研究机构密切合作,建立了‘烟雾箱’实验系统。”

  在清华西门附近一个不起眼的实验室中,有个温度、湿度等多个参数可调、配备多种现代观测仪器、类似于箱体的装置,其容积为2立方米,上下左右包围着40余盏紫外灯。这就是“烟雾箱”。

  在这个“神奇”的反应箱中,研究者根据实验要求加入不同浓度的各种污染气体,调整好温度、湿度等条件后,打开紫外灯,模拟污染物在阳光照射下的反应。反应两小时后,气体会被不断抽取出来,以此分析里面的化学组分发生了怎样的变化。“这就类似一个大气环境模拟舱,能够为我国大气环境研究和PM2.5污染治理提供重要平台。”贺克斌说。

  十余年的外场观测与实验室模拟同步展开,精确、可信的数据源源而来,这使环境学院科研团队逐步认清了PM2.5的来源与形成机制。

  “从郝吉明院士开始,多年来我们在污染物排放表征的种类、精度和更新速度等方面都达到了国际先进水平,如今已编写了9个技术指南,做出了高精度的排放清单,环保部启动《清洁空气研究计划》对清华的相关研究表示高度认同。”贺克斌说。“世界上没有最完美的排放清单,但是我们相信,一定能做出最实用的排放清单。”

  经过多年的科研,清华环境学院确定了城市大气污染物的排放分布及浓度分布特征,行业排放分担率及浓度贡献、地区排放分担率及浓度贡献,以及区域污染对城市环境空气质量影响等多方面特征,为我国城市大气污染的控制决策提供了必要的理论支持。

多管齐下,开展全方位“围攻”

  对手的“样貌”有了,但到底是什么原因造成它如此难以控制呢?

  找准污染源迫在眉睫,还要针对污染源“下药开方”,从而展开全程、全方位的“围攻”。

  从1999年来到清华大学任教开始,清华大学热能系教授姚强一直在关注燃烧源颗粒物的形成与控制问题。

  “城市大气污染物中的一次排放主要是由燃煤、机动车等化石燃料的燃烧造成的。”姚强介绍说。燃料燃烧过程中形成的烟尘飞灰、各种工业生产产生的微粒、汽车排放的碳烟颗粒物是一次颗粒物的主要来源,而这些过程中排放的气态污染物如硫氧化物、氮氧化物、挥发性有机物在一定条件下转化成的二次粒子就是 PM2.5。

  “通俗来讲,我们的研究是与燃烧源的排放过程展开‘时间赛跑’,争取把污染物直接‘扼杀’在源头里。”姚强说,“首先要找准颗粒物排放后过程中的演化和运动规律,争取在排入大气之前就将它们捕集下来。如今我们已经有了很多技术选择。”姚强说。

  从2013年起,姚强开始担任“化石燃料燃烧排放PM2.5源头控制技术的基础研究”973项目首席科学家。“我国去年66%的能源来自于煤,煤污染包括直接颗粒物、二氧化硫和氮氧化物,从区域污染的角度讲,占据了大气污染物的主要部分。如今我国90%以上的电厂都已安装烟气脱硫装置,如果利用充分的话,会有良好效果。此外,截止到去年年底,全国超过一半的电厂安装了脱销装置,并计划在两年内全部安装完毕。” 姚强说,“但目前还有一半的煤用在钢铁、建材、化工及供热领域并分散使用,这部分的总排放量由于分散而难于控制,应该作为未来的控制重点。”

  “我们最新的研究发现,碱金属在燃煤一次细颗粒的形成中占有重要地位,如何控制钾、钠等在燃烧过程中挥发而产生的PM1等颗粒物成为我们正在研究的一个重点。不过,就长期对策来讲,我认为我国还要进一步优化能源结构,关键要明确控制化石能源,特别是煤炭每年的消费总量。”姚强强调。

  就全国范围的氮氧化物污染来讲,工业占到3/4,另外1/4是汽车。而北京这样的大城市,机动车的氮氧化物排放超过了40%!

  因此,除了调整能源结构之外,汽车节能减排同样迫在眉睫。

  清华大学汽车安全与节能国家重点实验室主任、国家863“节能与新能源汽车”重大专项组组长、中美清洁汽车研究联盟中方主任欧阳明高一直专注于汽车污染控制和清洁汽车的发展问题,坚持倡导新能源产业、以科技创新指导科研工作、产学研联动发展。

  “柴油车是排放控制重点。”欧阳明高一针见血地指出。“因为柴油机排出的颗粒都是PM2.5,而且它的氮氧化物还会二次转化,危害非常大。”为了实施转型,欧阳明高展开了车用柴油发动机新型电控系统及其应用的相关研究,如今柴油机电控系统已经成为柴油发动机满足“国Ⅲ”以上排放标准的必备系统。

  “就应对PM2.5来说,汽车领域目前最方便、最省成本的清洁燃料途径就是推广天然气汽车,或者最先进的LNG天然气汽车(液化天然气汽车)。”欧阳明高说,“这种车型PM质量小,PN(公称压力)数量少。”欧阳明高团队开发的重型商用车电控天然气燃料系统已经在陕汽、联合卡车等企业推广应用。”

  “汽车电动化是汽车领域最重要的技术变革,也是解决汽车能源与污染问题的根本途径。”欧阳明高团队研制了中国第一批通过国家产品认证的氢能燃料电池混合动力城市客车,并开发出多能源一体化混合动力系统平台,应用于湖南南车时代电动、北汽福田、郑州宇通、苏州金龙等企业,成果也获得国家技术发明二等奖。日前,团队研发的微型纯电动轿车及其核心技术锂动力电池管理系统又取得新进展,已培育出学生创业型公司进行成果转化,并开展产业化推广工作。 

  虽然各项最新的技术研发正在稳步推进,然而众所周知,彻底治理PM2.5环境问题需要一个很长的时间周期,需要各项污染指标的逐步降低和技术改善。那么,当前怎样才能最直接、最有效地减少PM2.5污染给人们带来的健康危害呢?

  “在PM2.5污染的天气状况中,多数人一天有约90%的时间会在室内。研究表明,人每天在室内吸入的PM2.5含量约占总吸入量的70%(尽管它们主要源自室外)。如果说室外PM2.5控制非常复杂、任重道远,但建筑环境中的PM2.5浓度控制则相对简单,短期内可以采取多种措施有效控制。” 张寅平指出。

  近一两年,市面上空气净化器的销售量急剧上升,各种宣传更是铺天盖地。张寅平团队发现,我国现行的空气净化器性能评价标准还存在一些问题,厂家的性能宣传往往含糊不清或言过其实,用户难以做出科学的购买选择。张寅平团队目前正参加我国空气净化器性能检测标准的修订工作,为解决上述问题提供技术方案。

  研究还发现,室内空气中的PM2.5除了室外已有成分外,还会和室内半挥发性有机化合物(SVOCs)发生相互作用,会形成成分更加复杂、对人体健康危害更大的PM2.5-SVOCs复合污染物。如今,团队承担了国家科技部科技支撑计划,将围绕建筑环境中PM2.5-SVOCs复合污染物的防治问题展开研究。

  “除此之外,我们团队还和全国9所大学的研究者合作,对我国北京、上海、重庆等10个城市的儿童哮喘发病率、及其与室内环境污染关联性进行研究。结果表明,近20年我国儿童哮喘发病率快速增长。以北京为例,1990年、2000年、2010年的儿童发病率分别是<1%、<2%、6%。当然,诱发病因不仅局限与室内PM2.5污染控制,还有大量室内材料散发的化学污染物(如前段时间大家关注的以甲醛为代表的挥发性有机化学污染VOCs),我们正在开展研究。”张寅平说。

  从热能系对污染源的根本控制,到汽车系的机动车优化环保转型,再到建筑系由室外转向室内的全方位监管,清华多个院系不仅对PM2.5污染形成了全过程监管把控,而且多管齐下,让PM2.5无处可逃,全方位保护人们的健康。

顺应局势,适时稳定并调整“战略”

  近日,微博上流传的一则“显微镜下放大千倍北京PM2.5颗粒图片”引起众多网民关注,形状各异的微生物体更是令大家触目惊心。这些颗粒物到底有什么危害?是否真的是像图片上那么可怕?一时间议论纷纷。

  很快,清华大学生命学院研究员朱听研究组给出了其中一个答案。

  从2012年10月到2013年4月,朱听研究组利用清华校内空气质量监测站里的3台大气颗粒物采样仪收集样本,同时改进DNA测序方法,不断提高微生物的鉴定精确度。

  2013年1月8日~14日,北京PM2.5状况严重。朱听研究组成员抽取此段时间的空气样本,采用从大气悬浮颗粒物样品中提取微生物DNA并进行宏基因组学分析的技术,首次在“种”的水平上鉴别大气悬浮颗粒物中的微生物组分。

  “结果显示,PM2.5空气质量中可能含有1300多种微生物。值得庆幸的是,其中所含微生物的种类虽多,但绝大多数并不致病,只有极少量微生物可能引起呼吸道疾病或过敏。”朱听说。得出的结果攻破了网络“猜想”,为相关公共医学、城市规划和PM2.5治理等研究提供了有用数据,有利于社会环境的稳定,使人们正确全面、有针对性地保护自己的健康。

  参与此项研究的除了朱听之外,还有清华大学环境学院副教授蒋靖坤。这两位年轻的“80后”学者不断挑战的,都是PM2.5污染里极有难度、关注度很高的科研问题。

  “清华培养了一批优秀的青年科研力量,他们勇于面对国家重大科研问题,而且思想活跃、善于沟通合作。这样的研究氛围非常良好,也使得清华PM2.5科研阵营的人才构成比例更加全面、科研领域更为广泛。”郝吉明欣慰地说。

  在与PM2.5“作战”的过程中,清华始终注重科学研究、人才培养和服务社会的高度统一。但仅仅依靠科技力量还不够,需要全方位配合与行动,需要政府、企业和公众的通力协作,需要政策管理的进一步提升。清华大学公共管理学院王有强团队长期以来关注我国的区域经济协同发展,并多次为我国相关政策的制定提出关键、有效的建议。

  从今年3月开始,王有强团队联合清华大学能源环境经济研究所欧训民副教授、周胜副教授,清华大学社会科学院吴金希副教授,清华大学环境学院王书肖教授等其他学科团队,在河北清华发展研究院支持下,对河北开展实地调研,了解河北省经济总量和结构、能源生产和消费结构等情况,收集整理经济、产业等相关数据,为下一步开展系统研究,提出管理政策与建议夯实基础。

  “当前,河北的能源消费在京津冀地区中占到很大比重,而且煤炭为主要部分,未来支撑其经济发展的能源消费带来的污染排放与环境保护的要求存在巨大的潜在冲突,因此要尽快探索解决这一冲突关系的科学可行办法。”王有强指出。

  王有强召集的跨院系团队希望通过跨学科的合作研究,理清京津冀地区尤其是河北省的产业发展与能源消费的关系,探讨如何进一步调整经济结构和能源结构以促进可持续发展。“接下来我们计划逐步系统分析河北省经济和能源在总量和结构上的关系,探讨河北省未来经济和能源协调发展的途径,争取对河北省高耗能的钢铁、建材、化工等产业作科学的‘减法’,引进先进制造业、高附加值服务业,在保证经济增长的同时,遏止该地区能源消费增长,甚至逐步减少能源消耗。” 欧训民说。

  如今京津冀协同发展上升为国家战略。早在2008年,郝吉明、贺克斌科研团队就曾参与六省协同作战,成功守护北京奥运的蓝天白云,积累了短期实战经验,“联防联控”战略由此形成。

  如今,他们建议将“联防联控”向“联发联控”转变,形成联合发展、联合控制的战略和中长期路线图,真正实现空气质量的根本性改善。“从长期来看,治理大气污染是一个复杂的系统工程,需要统筹区域环境资源,优化产业结构,建立区域联发联控的新机制。”郝吉明强调。

  “协同努力”,是被清华PM2.5战斗团队成员提及次数最多的一个词语。PM2.5区域大气复合污染问题涉及能源、交通道路、城市化建筑、管理等多个领域的专家,需要科学认知、技术研发和管理政策的全面统筹。清华大学联合北京大学、南京大学和同济大学等单位成立的“区域环境质量协同创新中心”有望成为这样一个综合平台,在人才培养、科技创新、促进新兴产业发展等方面进一步加强顶层设计,统筹不同学科的优势力量。

  清华的科研工作者们相信,充分发挥清华多学科综合优势和交叉优势,一定能以更多的创新成果,为国家应对重大环境问题提供重要的科技支撑。

   来源:新清华 2014-04-18

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2014-04-19 14:58:52]
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