关于PM2.5的十个问答

//from  发表于 2011-12-06 05:34  http://songshuhui.net/archives/62570

作者:谭知还

1. PM2.5是什么?

如果是初次接触,“PM2.5”这一串字符也许会让你看得云里雾里,不知所云。其实它有一个容易理解的中文名——细颗粒物,是对空气中直径小于或等于2.5微米的固体颗粒或液滴的总称。这些颗粒如此细小,肉眼是看不到的,它们可以在空气中漂浮数天。人类纤细的头发直径大约是70微米,这就比最大的PM2.5还大了近三十倍。

PM是英文particulate matter(颗粒物)的首字母缩写。准确的PM2.5定义要在“直径”之前加一个修饰语“空气动力学”,这可不是故作高深。空气中的颗粒物并非是规则的球形,那怎么定义又怎么测量其直径呢?在实际操作中,如果颗粒物在通过检测仪器时所表现出的空气动力学特征与直径小于或等于2.5微米且密度为1克/立方厘米的球形颗粒一致,那就称其为PM2.5。这样的定义也就决定了在测定PM2.5时,需要利用空气动力学原理把PM2.5与更大的颗粒物分开,而不是用孔径为2.5微米的滤膜来分离。

知道了PM2.5的定义,就很容易得出PM10的定义了——将定义中的2.5换成10即可,PM10也被称为可吸入颗粒物。在PM10中,直径在2.5至10微米之间的颗粒物被称为粗颗粒物,与细颗粒物相对。

2. PM2.5来自哪里,都有些什么成分?

虽然自然过程也会产生PM2.5,但其主要来源还是人为排放。人类既直接排放PM2.5,也排放某些气体污染物,在空气中转变成PM2.5。直接排放主要来自燃烧过程,比如化石燃料(煤、汽油、柴油)的燃烧、生物质(秸秆、木柴)的燃烧、垃圾焚烧。在空气中转化成PM2.5的气体污染物主要有二氧化硫、氮氧化物、氨气、挥发性有机物。其它的人为来源包括:道路扬尘、建筑施工扬尘、工业粉尘、厨房烟气。自然来源则包括:风扬尘土、火山灰、森林火灾、漂浮的海盐、花粉、真菌孢子、细菌。

PM2.5的来源复杂,成分自然也很复杂。主要成分是元素碳、有机碳化合物、硫酸盐、硝酸盐、铵盐。其它的常见的成分包括各种金属元素,既有钠、镁、钙、铝、铁等地壳中含量丰富的元素,也有铅、锌、砷、镉、铜等主要源自人类污染的重金属元素。

2000年有研究人员测定了北京的PM2.5来源:尘土占20%;由气态污染物转化而来的硫酸盐、硝酸盐、氨盐各占17%、10%、6%;烧煤产生7%;使用柴油、汽油而排放的废气贡献7%;农作物等生物质贡献6%;植物碎屑贡献1%。有趣的是,吸烟也贡献了1%,不过这只是个粗略的科学估算,并不一定准确[1]。该研究中也测定了北京PM2.5的成分:含碳的颗粒物,硫酸根,硝酸根,铵根加在一起占了重量了69% 。类似地,1999年测定的上海PM2.5中有41.6%是硫酸铵、硝酸铵,41.4%是含碳的物质[2]。

3. PM2.5对健康有什么危害?

PM2.5主要对呼吸系统和心血管系统造成伤害,包括呼吸道受刺激、咳嗽、呼吸困难、降低肺功能、加重哮喘、导致慢性支气管炎、心律失常、非致命性的心脏病、心肺病患者的过早死[3]。老人、小孩以及心肺疾病患者是PM2.5污染的敏感人群。

如果空气中PM2.5的浓度长期高于10微克/立方米,死亡风险就开始上升。浓度每增加10微克/立方米,总的死亡风险就上升4%,得心肺疾病的死亡风险上升6%,得肺癌的死亡风险上升8%[4-5]。

PM2.5的危害固然不可忽视,但仍不可与吸烟相比。对于烟民而言,千万不要有“反正空气污染,抽不抽烟一个样”的心理。吸烟可使男性得肺癌死亡的风险上升22倍(也就是上升2200%),女性的风险上升12倍(1200%);使中年人得心脏病死亡的风险上升2倍(200%)[6]。(编者按:本文经讨论有修改。谢谢网友们的指正与讨论。关于吸烟与空气污染的风险,推荐阅读白鸟的《空气污染真的能折合成吸烟数吗?》

从全社会的角度出发,降低PM2.5这些看似不大的风险,收益却是很大的。美国环保局在2003年做了一个估算:“如果PM2.5达标,全美国每年可以避免数万人早死、数万人上医院就诊、上百万次的误工、上百万儿童得呼吸系统疾病”[7]。相比当前的中国,美国当时的空气质量已经相当不错,只有很少的地区存在略微的超标[8]。如果中国的PM2.5能够达标,社会收益无疑将会是巨大的。

上述关于PM2.5死亡风险的数据源自2002年发表于《美国医学会杂志》的一篇论文[4]。这篇论文分析了一项长期研究中参与者的死亡率和空气污染之间的关系,发现死亡率升高与PM2.5和二氧化硫的污染有关联,而与粗颗粒物污染没有可靠的关联。该项在美国进行的前瞻性研究始于1982年,当时招募了120万的参与者。论文的结论是基于长达16年的随访数据,是目前关于PM2.5污染增加死亡风险最可靠的证据。

4. 如果没有污染,PM的浓度有多高,现在实际有多高?

即使没有人为污染,空气中也有一定浓度的PM2.5,这个浓度被称为背景浓度。在美国和西欧,背景浓度大约为3-5微克/立方米[5],澳大利亚的背景浓度也在5微克/立方米左右[9]。中国的背景浓度有多高?目前尚无公开的数据,但应该不会和其他国家相差太大。

中国尚未开展大范围的PM2.5监测,公开的PM2.5数据非常有限。位于广州的环保部华南环境科学研究所从2011年从6月13日开始每日发布PM2.5监测值[10],截至11月20日,浓度范围在0.6至99 微克/立方米之间(注:0.6这个数据应该是仪器故障所致,正常值不会这么低),平均值为38微克/立方米,这个值超过了拟发布的年均标准(35微克/立方米)[11]。在这121天中,已经有6天超过了拟发布的日均标准(75微克/立方米)。从近十几年来发表的科学论文中,可以查到中国一些大城市某一区域某一阶段的PM2.5的测定值。例如,2000年在北京的5个监测点测得的PM2.5年均值为101微克/立方米[2];2008北京奥运会的17天中,在北大测得的PM2.5最低28.2,最高147.4微克/立方米, 平均64.7微克/立方米[12]。1999年,在上海两个监测点测定的PM2.5年均值为57.9和61.4 微克/立方米[2]。这些年均值都远高于拟发布的年均标准(35微克/立方米)。

除了查阅以上这些零星的数据,我们还可以根据PM10的数据估算一下PM2.5的浓度。按照中国现行的空气质量标准,PM10是常规监测指标,全国性监测已开展了十几年。从2001年至2009年,全国主要城市PM10的平均值从125降到了90微克/立方米[13]。PM2.5和PM10之间的比例通常在0.5-0.8之间,我们取0.8做一个极端估算可得:2009年全国主要城市的PM2.5平均值为72微克/立方米,是即将发布的新标准的2.1倍(35微克/立方米)。和美国的空气质量相比,这差多少呢?2009年,全美国年均PM2.5为9.9微克/立方米,在724个监测点中有90%以上的监测点年均值低于12.6微克/立方米[8]。

全国的年均值只是用来反映我国颗粒物污染的总体现状,对于评价我们所在城市的空气质量意义并不大。我们更需要关注的是离我们生活、工作最近的监测点的数据。这个数据哪里有呢?如果你生活在北京而且恰好在美国大使馆附近,那你可以参考该馆发布的实时PM2.5数据

不过值得一提的是,虽然美国大使馆的监测仪器是专业的(见问答8),但是仪器的校准和操作其实都会大大影响到最终的测定结果。大使馆毕竟不是环境监测部门,没有证据表明他们的工作人员具备相应的专业知识,而且他们测出的PM2.5数值经常比环保部门以及第三方测定的PM10还高,这是不正常的。所以,美国大使馆的数据可以作为参考,但不必把它作为唯一的信源。

然而,我们更多的人并不生活在北京,即使在北京也不在美国大使馆附近,那我们该看哪里的数据呢?全国主要城市的实时PM10数据可以在环境监测总站的网站上查到,每个城市都有数个监测点,我们可以选离得最近的那个点作参考。由于研究显示,PM2.5 :PM10一般在0.5-0.8之间波动,(见《今天空气真的优良吗?》)如果你很乐观,那么可以估算PM2.5=PM10 × 0.5,如果你很悲观,那么就估算PM2.5=PM10 × 0.8。

5. 其他国家实施PM2.5的标准了吗,标准值是多少?

自从美国于1997年率先制定PM2.5的空气质量标准以来,许多国家都陆续跟进将PM2.5纳入监测指标。如果单纯从保护人类健康的目的出发,各国的标准理应一样,因为制定标准所依据的是相同的科学研究结果。然而,标准的制定还需考虑各国的污染现状和经济发展水平,在一个空气污染严重的发展中国家制定极为严格的空气质量标准只能成为一个华丽的摆设,没有实际意义。根据美国癌症协会和哈佛大学的研究结果,世界卫生组织(WHO)于2005年制定了PM2.5的准则值。高于这个值,死亡风险就会显著上升。WHO同时还设立了三个过渡期目标值,为目前还无法一步到位的地区提供了阶段性目标,其中目标-1的标准最为宽松,目标-3最严格[5]。

下表列举了WHO以及几个有代表性的国家的标准。中国拟实施的标准与WHO过渡期目标-1相同。美国和日本的标准一样,与目标-3基本一致。欧盟的标准略微宽松,与目标-2一致,澳大利亚的标准最为严格,年均标准比WHO的准则值还低。标准的宽严程度基本反映了各国的空气质量情况,空气质量越好的国家就越有能力制定和实施更为严格的标准。


【世界卫生组织(WHO)和一些国家的PM2.5标准(单位:微克/立方米)】

6. 中国的PM2.5标准和其他国家比,很落后吗?

中国的PM2.5标准拟于2016年生效,虽然比美国落后了一二十年,但和欧盟的2015年生效相比,也不算太晚。如果仅从标准的数值来看,中国即将发布的新标准已经与WHO过渡期目标-1一致,虽然落后于发达国家,但也算是开始了三步走的第一步。然而,即使标准值相同,而评判是否达标的方式不同,约束力是有极大差异的。举个例子,中国现行的空气质量标准制定于1996年,其中PM10的日均标准为150微克/立方米,表面上已和美国现行标准一样严格。但是,按照美国的标准,平均每年最多只能有1天超标,否则就算不达标,超标地区需要提交改进方案并加以实施。而在中国的标准文件中,没有类似的规定。各地区在执行标准时,只是计算每年的“达标天数”和“达标率”。PM10的标准至今已经执行了15年,一个86.2%的达标率还可以作为正面消息报道[14]。

在即将发布的PM2.5新标准中,依然没有规定多高的达标率才是可接受的。WHO和其他国家是怎么规定的呢?WHO要求每年最多有3天超标(99%的达标率),澳大利亚最多5天,而美国和日本要求的达标率为98%。中国PM2.5标准的落后不仅是在标准值,更重要的是在约束力上。

7. 新标准即将发布,为什么要到2016年才实施??

对于这个问题,标准制定者是这样回答的:“考虑到环境空气质量标准实施是一项复杂的系统工程,以及目前全国的环境监测能力现状,结合现行标准实施过程中的经验,为保障数据准确性和可比性,将全国统一实施本标准的时间定为2016 年1 月1 日,以便为各地区预留足够的准备时间,加强标准实施的有关配套工作[15]。”

这么说有道理吗?我们不妨参考一下其他国家是怎么做的。在美国和澳大利亚环保部门的网站上,对于PM2.5标准的制定过程有非常详细的备忘录,我们就以这两个国家为例。

美国早在1994年就宣布要增加PM2.5的指标。1994-1996年间,开了多次研讨会,在1996年底发布了征求意见稿。征求意见期间共接了14000个电话,收到4000封电子邮件、50000份书面或口头意见,而且多次通过听证会、会议、电视节目征求意见。经过这番诚意十足的意见征求,终于在1997年9月16日发布了PM2.5的标准。但在那时,尚未展开全国的PM2.5监测,直到1999年各州才陆续开始,2000年PM2.5监测常规化[16]。

澳大利亚在2001年开始考虑,并在2003年制定了PM2.5的非强制标准。制定该标准的目的是收集数据,以便检讨这一标准是否合理,并准备于2005年开始考虑制定强制标准。在征求意见的过程中,有反对者认为应该直接设立强制标准,否则缺乏约束力,意义也就不大。澳大利亚环保委员会(NEPC)认为当时缺乏足够的PM2.5监测数据,没法很好地评估不达标会带来怎样的影响,坚持了原先的做法[9]。直到今年(2011年),澳大利亚的PM2.5仍然不是强制指标[17],不过这期间一直在做大量的监测和基础研究工作[18]。

中国的PM2.5强制标准正在征求意见中,并拟于2016年实施,“实施”的含义应该是指开展常规检测并公布结果。美国从1997年发布标准到2000年全国监测常规化花了两三年的时间。澳大利亚2003年发布非强制标准,随后即开展全国监测。考虑到中国的国情,延后几年“实施”有其合理性,但是四五年的时间是否太长了呢?

8. 怎么测定PM2.5

空气中漂浮着各种大小的颗粒物,PM2.5是其中较细小的那部分(定义见问答1)。不难想到,测定PM2.5的浓度需要分两步走:(1)把PM2.5与较大的颗粒物分离;(2)测定分离出来的PM2.5的重量。目前,各国环保部门广泛采用的PM2.5测定方法有三种:重量法、β射线吸收法和微量振荡天平法。这三种方法的第一步是一样的,区别在于第二步。

将PM2.5直接截留到滤膜上,然后用天平称重,这就是重量法。值得一提的是,滤膜并不能把所有的PM2.5都收集到,一些极细小的颗粒还是能穿过滤膜。只要滤膜对于0.3微米以上的颗粒有大于99%的截留效率,就算是合格的[19]。损失部分极细小的颗粒物对结果影响并不大,因为那部分颗粒对PM2.5的重量贡献很小。

重量法是最直接、最可靠的方法,是验证其它方法是否准确的标杆。然而重量法需人工称重,程序繁琐费时。如果要实现自动监测,就需要用到另外两种方法。

β射线吸收法:将PM2.5收集到滤纸上,然后照射一束beta射线,射线穿过滤纸和颗粒物时由于被散射而衰减,衰减的程度和PM2.5的重量成正比。根据射线的衰减就可以计算出PM2.5的重量[20]。美国大使馆那台知名度很高的仪器依据的就是此原理。

微量振荡天平法:一头粗一头细的空心玻璃管,粗头固定,细头装有滤芯。空气从粗头进,细头出,PM2.5就被截留在滤芯上。在电场的作用下,细头以一定频率振荡,该频率和细头重量的平方根成反比。于是,根据振荡频率的变化,就可以算出收集到的PM2.5的重量[20]。

将PM2.5分离出来的切割器又是怎么工作的呢?在抽气泵的作用下,空气以一定的流速流过切割器时,那些较大的颗粒因为惯性大,一头撞在涂了油的部件上而被截留,惯性较小的PM2.5则能绝大部分随着空气顺利通过。也许你已经觉察到,这和发生在我们呼吸道里的情形是非常相似的:大颗粒易被鼻腔、咽喉、气管截留,而细颗粒则更容易到达肺的深处,从而产生更大的健康风险。

对于PM2.5的切割器来说,2.5微米是一个踩在边线上的尺寸。直径恰好为2.5微米的颗粒有50%的概率能通过切割器。大于2.5微米的颗粒并非全被截留,而小于2.5微米的颗粒也不是全都能通过。例如,按照《环境空气PM10和PM2.5的测定 重量法》的要求,3.0微米以上颗粒的通过率需小于16%,而2.1微米以下颗粒的通过率要大于84%[21]。

特殊的结构加上特定的空气流速共同决定了切割器对颗粒物的分离效果,这两者稍有变化,就会对测定产生很大影响,而使结果失去可比性。因此,美国环保局在1997年制定世界上第一个PM2.5标准的时候,一并规定了切割器的具体结构[16]。于是,虽然 PM2.5的测定仪器有不少品牌,它们外观却极为相似。

9. 市面上有些手机大小的仪器号称可以测PM2.5,靠谱吗?

和环保部门采用的标准方法相比,用非专业仪器测PM2.5显然是不可靠的,但很难说到底有多不准,只有拿来和标准方法对比一下才知道。测出来的数据也许能说明一点问题,比如能分辩出房间里有没有人吸烟,是不是刚扫过地,可是这些你的鼻子也能做到吧。

市面上的非专业仪器利用光散射的原理测定颗粒物浓度,这种方法并没有被各国环保部门采纳为标准方法,但是有依据此原理制成的专业仪器,在科研中也有运用。空气中的颗粒物浓度越高,对光的散射就越强。光的散射相对容易测,把它测出来,理论上就可以算出颗粒物浓度了。但在实际运用中,事情并没有这么简单。光的散射与颗粒物浓度之间的关系是很不确定的,受到诸多因素的影响,例如颗粒物的化学组成、形状、比重、粒径分布,而这些都取决于污染源的组成。这意味着光散射和颗粒物浓度之间的换算公式随时随地都可能在变,需要仪器使用者不断地用标准方法进行校正,没有经过科学训练的业余人士不大可能办得到。有研究者做过理论计算:利用光散射仪测定PM2.5,至少有30-40%的不确定性[22]。这种不确定性是这类仪器固有的,质量可靠的专业仪器尚且如此,更何况市面上仪器的质量并不都是理想的呢。

由于我国未将PM2.5、臭氧等污染物纳入检测体系,常常会出现空气质量指数与公众观感相悖的状况。然而,靠非专业人员操作非专业的或质量不高的专业仪器去监测空气质量,并不能从根本上解决这个问题。更有效的监督手段,也许是呼吁环保部门早日在更多地点监测PM2.5,并让全部数据对民众更为公开、透明。现在新的《环境空气质量标准》正在向公众征求意见,并拟于2016年实施[11],公众的声音也许能使这一时间大大提前。

10. 灰霾天是PM2.5引起的吗?

虽然肉眼看不见空气中的颗粒物,但是颗粒物却能降低空气的能见度,使蓝天消失,天空变成灰蒙蒙的一片,这种天气就是灰霾天。根据《2010年灰霾试点监测报告》,在灰霾天,PM2.5的浓度明显比平时高,PM2.5的浓度越高,能见度就越低[23]。

虽然空气中不同大小的颗粒物均能降低能见度,不过相比于粗颗粒物,更为细小的PM2.5降低能见度的能力更强。能见度的降低其本质上是可见光的传播受到阻碍。当颗粒物的直径和可见光的波长接近的时候,颗粒对光的散射消光能力最强。可见光的波长在0.4-0.7微米之间,而粒径在这个尺寸附近的颗粒物正是PM2.5的主要组成部分。理论计算的数据也清楚地表明这一点:粗颗粒的消光系数约为0.6平方米/克,而PM2.5的消光系数则要大得多,在1.25-10平方米/克之间,其中PM2.5的主要成分硫酸铵、硝酸铵和有机颗粒物的消光系数都在3左右,是粗颗粒的5倍[24]。所以,PM2.5是灰霾天能见度降低的主要原因。

值得一提的是,灰霾天是颗粒物污染导致的,而雾天则是自然的天气现象,和人为污染没有必然联系。两者的主要区别在于空气湿度,通常在湿度大于90%时称之为雾,而湿度小于80%时称之为霾,湿度在80-90%之间则为雾霾的混合体[25]。

编者注:本文与作者沟通后有修改,谢谢大家的讨论和指正。

参考文献:
1. Zheng, M., et al., Seasonal trends in PM2.5 source contributions in Beijing, China. Atmospheric Environment, 2005. 39(22): p. 3967-3976.
2. Ye, B.M., et al., Concentration and chemical composition of PM2.5 in Shanghai for a 1-year period. Atmospheric Environment, 2003. 37(4): p. 499-510.
3. 美国环保局网站, http://www.epa.gov/air/particlepollution/health.html
4. Pope, C.A., et al., Lung cancer, cardiopulmonary mortality, and long-term exposure to fine particulate air pollution. Jama-Journal of the American Medical Association, 2002. 287(9): p. 1132-1141.
5. 世界卫生组织, WHO Air quality guidelines for particulate matter, ozone, nitrogen dioxide and sulfur dioxide (Global update 2005, Summary of risk assessment).http://whqlibdoc.who.int/hq/2006/WHO_SDE_PHE_OEH_06.02_eng.pdf , 2005.
6. 美国疾病控制与预防中心网站,http://www.cdc.gov/tobacco/data_statistics/fact_sheets/health_effects/tobacco_related_mortality/
7. 美国环保局, Guidance for determining boundaries of fine particle attainment and nonattainment areas (fact sheet). 2003.
8. 美国环保局网站, http://www.epa.gov/airtrends/pm.html#pmloc
9. 澳大利亚环保委员会, Summary of Submissions received in relation to the Draft Variation to the National Environment Protection (Ambient Air Quality) Measure for Particles as PM2.5 and National Environment Protection Council’s Responses to those Submissions.
10. 环保部华南环境科学研究所网站, http://www.scies.org/Data.asp
11. 环保部网站, 《环境空气质量标准》(二次征求意见稿).http://www.mep.gov.cn/gkml/hbb/bgth/201111/W020111121388004546031.pdf
12. Wang, W.T., et al., Atmospheric Particulate Matter Pollution during the 2008 Beijing Olympics. Environmental Science & Technology, 2009. 43(14): p. 5314-5320.
13. 环保部网站, 《环境空气质量标准》(征求意见稿)编制说明.http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bgth/201011/W020101130374443039627.pdf
14. 环保部网站新闻, 陕西渭南城区前半年环境空气质量再创新高.http://www.mep.gov.cn/zhxx/gzdt/201107/t20110725_215367.htm.
15. 环保部网站, 《环境空气质量标准》(二次征求意见稿)编制说明.http://www.mep.gov.cn/pv_obj_cache/pv_obj_id_85F8326F38B939A7339DDA6AC9FA3A6D87680400/filename/W020111116602406614804.pdf
16. 美国环保局网站, National Ambient Air Quality Standards for Particulate Matter; Final Rule.http://epa.gov/ttncaaa1/t1/fr_notices/pmnaaqs.pdf
17. 澳大利亚环保委员会网站, http://www.environment.gov.au/atmosphere/airquality/publications/standards.html
18. 澳大利亚环保委员会, Review of the National Environment Protection (Ambient Air Quality) Measure: Discussion Paper, Air Quality Standards.http://ephc.gov.au/sites/default/files/AAQ_DiscPpr__Review_of_the_AAQ_NEPM_Discussion_Paper_AQ_Standards_Final_201007.pdf
19. 国家环境保护标准, 环境空气PM10和PM2.5的测定 重量法. (HJ 618-2011).
20. 美国环保局, Guidance for using continuous monitors in PM2.5 monitoring networks.http://www.epa.gov/ttnamti1/files/ambient/pm25/r-98-012.pdf
21. 国家环境保护标准, 环境空气PM10和PM2.5的测定 重量法 (HJ 618-2011)
22. Molenar, J.V., Theoretical analysis of PM2.5 mass measurements by nephelometry.http://vista.cira.colostate.edu/improve/publications/graylit/014_AerosolByNeph/AerosolbyNeph.pdf
23. 环境监测总站网站, 2010年灰霾试点监测报告完成. http://www.cnemc.cn/publish/106/news/news_18191.html
24. 美国环保局网站, Introduction to visibility. http://www.epa.gov/visibility/pdfs/introvis.pdf
25. 白志鹏,董海燕,蔡斌彬,朱坦,姚学祥, 灰霾与能见度研究进展. 过程工程学报, 2006. 6(增刊2).

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