PM2.5時代的清華“攻略”
記者 趙姝婧
陳琳 制圖
4月3日清晨，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院院長賀克斌走進節(jié)能樓辦公室，隨手打開窗，一陣清涼的春風(fēng)迎面撲來。今天的空氣質(zhì)量良好，正是他從事幾十年環(huán)境科研工作以來一直想為人們保留的美好空氣味道。
當(dāng)天下午,一直忙于中國工程院重大戰(zhàn)略咨詢項目“中國大氣PM2.5污染防治策略與技術(shù)途徑” 的清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院郝吉明院士，又接到工程院布置的新任務(wù)，組織團隊開展“防治京津冀區(qū)域大氣復(fù)合污染的聯(lián)發(fā)聯(lián)控戰(zhàn)略及路線圖”的咨詢研究。
4月5日傍晚，清華大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備工程研究所所長張寅平結(jié)束了與外國專家關(guān)于室內(nèi)凈化研究的學(xué)術(shù)討論，又將目光轉(zhuǎn)向北京、上海等十城市的兒童哮喘發(fā)病率與室內(nèi)環(huán)境污染關(guān)聯(lián)性的調(diào)研計劃，繼續(xù)伏案工作。
夜幕降臨，清華不同專業(yè)、不同領(lǐng)域的科研工作者還在繼續(xù)忙碌著。
今年，我國中東部地區(qū)持續(xù)遭到PM2.5重度污染侵?jǐn)_，呼吸道疾病病例相應(yīng)增多，引發(fā)了人們的 “空氣焦慮”。進入4月，在京肆虐多日的PM2.5污染又多次強勢“反撲”，北京市啟動了更為嚴(yán)格的污染防控應(yīng)急措施。
“PM2.5時代”來了。大家必須共同面對這一環(huán)境難題，誰都不愿停下。
也就是幾天前，建設(shè)中的“區(qū)域環(huán)境質(zhì)量協(xié)同創(chuàng)新中心”在清華大學(xué)召開京津冀地區(qū)大氣PM2.5污染成因及對策研討會，聚焦我國PM2.5大氣復(fù)合污染現(xiàn)狀。“當(dāng)前京津冀地區(qū)大氣PM2.5污染引起全社會高度關(guān)注。” 郝吉明指出，“單獨控制一種污染物難以達到改善空氣質(zhì)量的目的，我們要推動多種污染物協(xié)同控制，從機理上整合并采取行動。”
“若想盡快拿到PM2.5‘攻略’的‘全景圖’，關(guān)鍵在于跨學(xué)科。清華有這樣的綜合學(xué)科優(yōu)勢，每個相關(guān)學(xué)科都是其中的一塊‘拼圖’。只有不斷攻克最前沿的難題，最大化集成各項科研成果，才能找到解決這一環(huán)境難題的更好方法。” 賀克斌說。
“對手”的真面目到底是什么？
清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院是與PM2.5污染最先展開“正面交鋒”的院系。
“跟英國、美國等國家相比，中國的PM2.5污染問題最復(fù)雜，也最有難度。”郝吉明說。“我國的大氣問題屬于復(fù)合污染，而且把發(fā)達國家不同發(fā)展階段的污染特性集中到了同一時期，其中不僅包含煤、石化、機動車排放物等多種混合污染物，而且中國的人口密度大、氣象因素復(fù)雜，還涉及社會與經(jīng)濟發(fā)展問題。”
從2008年開始， PM2.5被提及的次數(shù)開始增多，各種聲音更是數(shù)不盡數(shù)。“霧霾”和“灰霾”的稱呼是否準(zhǔn)確？它對人體健康的危害到底有多大？應(yīng)不應(yīng)該列入我國環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)？
一時間不同聲音交錯難辨，甚至還引發(fā)了空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的系列爭論。
在這關(guān)鍵時刻，賀克斌科研團隊拿出了一份扎實的、令人信服的科研報告——1999年~2010年北京市大氣環(huán)境PM2.5觀測報告。
“上世紀(jì)90年代這一領(lǐng)域的研究幾乎還是空白，是當(dāng)時很不被看好、難以堅持的一項研究。”賀克斌說。“但是我們十幾年如一日地實地測量，默默堅持下來了。”
報告顯示，PM2.5來自污染源的一次排放和氣態(tài)物種在大氣中的二次化學(xué)轉(zhuǎn)化，其中包括黑碳、有機碳、硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽等多種復(fù)雜成分，二次顆粒物在PM2.5中的比例十多年來持續(xù)上升，嚴(yán)重影響人體健康及大氣能見度。而且PM2.5中的化學(xué)成分不同，對大氣的升溫或降溫效應(yīng)也不同，從而對氣候系統(tǒng)產(chǎn)生了復(fù)雜影響。“因此人們通常所說的‘霧霾’和‘灰霾’都不夠科學(xué)準(zhǔn)確，應(yīng)該叫做以PM2.5為代表的區(qū)域大氣復(fù)合污染，而且PM2.5中的2.5準(zhǔn)確書寫方式應(yīng)為右下標(biāo)。”郝吉明說。
這份報告一經(jīng)提出，以上猜測都有了答案。“當(dāng)大家都只能說‘可能’而不敢‘肯定’的時候，清華站了出來，這對科學(xué)制定國家決策起到了很好的助推作用。”賀克斌說。
其實從上世紀(jì)90年代開始，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院就已經(jīng)開始探索城市大氣污染物來源特征分析的整體技術(shù)方法，其中包括建立污染物排放清單、模擬環(huán)境空氣質(zhì)量，以及對區(qū)域環(huán)境開展影響分析等，先后有郝吉明、賀克斌、王書肖、吳燁等多位學(xué)者投身其中。
“現(xiàn)實中的污染物種類會不斷隨時間空間發(fā)生變化，實地觀測有一定局限。若能在封閉空間中同時進行模擬實驗，可以更全面地得出二次顆粒物的相關(guān)結(jié)論。”郝吉明說。“為了更全面地看清PM2.5的形成機制，我們與國內(nèi)外多家研究機構(gòu)密切合作，建立了‘煙霧箱’實驗系統(tǒng)。”
在清華西門附近一個不起眼的實驗室中，有個溫度、濕度等多個參數(shù)可調(diào)、配備多種現(xiàn)代觀測儀器、類似于箱體的裝置，其容積為2立方米，上下左右包圍著40余盞紫外燈。這就是“煙霧箱”。
在這個“神奇”的反應(yīng)箱中，研究者根據(jù)實驗要求加入不同濃度的各種污染氣體，調(diào)整好溫度、濕度等條件后，打開紫外燈，模擬污染物在陽光照射下的反應(yīng)。反應(yīng)兩小時后，氣體會被不斷抽取出來，以此分析里面的化學(xué)組分發(fā)生了怎樣的變化。“這就類似一個大氣環(huán)境模擬艙，能夠為我國大氣環(huán)境研究和PM2.5污染治理提供重要平臺。”賀克斌說。
十余年的外場觀測與實驗室模擬同步展開，精確、可信的數(shù)據(jù)源源而來，這使環(huán)境學(xué)院科研團隊逐步認(rèn)清了PM2.5的來源與形成機制。
“從郝吉明院士開始，多年來我們在污染物排放表征的種類、精度和更新速度等方面都達到了國際先進水平，如今已編寫了9個技術(shù)指南，做出了高精度的排放清單，環(huán)保部啟動《清潔空氣研究計劃》對清華的相關(guān)研究表示高度認(rèn)同。”賀克斌說。“世界上沒有最完美的排放清單，但是我們相信，一定能做出最實用的排放清單。”
經(jīng)過多年的科研，清華環(huán)境學(xué)院確定了城市大氣污染物的排放分布及濃度分布特征，行業(yè)排放分擔(dān)率及濃度貢獻、地區(qū)排放分擔(dān)率及濃度貢獻，以及區(qū)域污染對城市環(huán)境空氣質(zhì)量影響等多方面特征，為我國城市大氣污染的控制決策提供了必要的理論支持。
多管齊下，開展全方位“圍攻”
對手的“樣貌”有了，但到底是什么原因造成它如此難以控制呢？
找準(zhǔn)污染源迫在眉睫，還要針對污染源“下藥開方”，從而展開全程、全方位的“圍攻”。
從1999年來到清華大學(xué)任教開始，清華大學(xué)熱能系教授姚強一直在關(guān)注燃燒源顆粒物的形成與控制問題。
“城市大氣污染物中的一次排放主要是由燃煤、機動車等化石燃料的燃燒造成的。”姚強介紹說。燃料燃燒過程中形成的煙塵飛灰、各種工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的微粒、汽車排放的碳煙顆粒物是一次顆粒物的主要來源，而這些過程中排放的氣態(tài)污染物如硫氧化物、氮氧化物、揮發(fā)性有機物在一定條件下轉(zhuǎn)化成的二次粒子就是 PM2.5。
“通俗來講，我們的研究是與燃燒源的排放過程展開‘時間賽跑’,爭取把污染物直接‘扼殺’在源頭里。”姚強說，“首先要找準(zhǔn)顆粒物排放后過程中的演化和運動規(guī)律，爭取在排入大氣之前就將它們捕集下來。如今我們已經(jīng)有了很多技術(shù)選擇。”姚強說。
從2013年起，姚強開始擔(dān)任“化石燃料燃燒排放PM2.5源頭控制技術(shù)的基礎(chǔ)研究”973項目首席科學(xué)家。“我國去年66%的能源來自于煤，煤污染包括直接顆粒物、二氧化硫和氮氧化物，從區(qū)域污染的角度講，占據(jù)了大氣污染物的主要部分。如今我國90%以上的電廠都已安裝煙氣脫硫裝置，如果利用充分的話，會有良好效果。此外，截止到去年年底，全國超過一半的電廠安裝了脫銷裝置，并計劃在兩年內(nèi)全部安裝完畢。” 姚強說，“但目前還有一半的煤用在鋼鐵、建材、化工及供熱領(lǐng)域并分散使用，這部分的總排放量由于分散而難于控制，應(yīng)該作為未來的控制重點。”
“我們最新的研究發(fā)現(xiàn)，堿金屬在燃煤一次細顆粒的形成中占有重要地位，如何控制鉀、鈉等在燃燒過程中揮發(fā)而產(chǎn)生的PM1等顆粒物成為我們正在研究的一個重點。不過，就長期對策來講，我認(rèn)為我國還要進一步優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵要明確控制化石能源，特別是煤炭每年的消費總量。”姚強強調(diào)。
就全國范圍的氮氧化物污染來講，工業(yè)占到3/4，另外1/4是汽車。而北京這樣的大城市，機動車的氮氧化物排放超過了40%！
因此，除了調(diào)整能源結(jié)構(gòu)之外，汽車節(jié)能減排同樣迫在眉睫。
清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室主任、國家863“節(jié)能與新能源汽車”重大專項組組長、中美清潔汽車研究聯(lián)盟中方主任歐陽明高一直專注于汽車污染控制和清潔汽車的發(fā)展問題，堅持倡導(dǎo)新能源產(chǎn)業(yè)、以科技創(chuàng)新指導(dǎo)科研工作、產(chǎn)學(xué)研聯(lián)動發(fā)展。
“柴油車是排放控制重點。”歐陽明高一針見血地指出。“因為柴油機排出的顆粒都是PM2.5，而且它的氮氧化物還會二次轉(zhuǎn)化，危害非常大。”為了實施轉(zhuǎn)型，歐陽明高展開了車用柴油發(fā)動機新型電控系統(tǒng)及其應(yīng)用的相關(guān)研究,如今柴油機電控系統(tǒng)已經(jīng)成為柴油發(fā)動機滿足“國Ⅲ”以上排放標(biāo)準(zhǔn)的必備系統(tǒng)。
“就應(yīng)對PM2.5來說，汽車領(lǐng)域目前最方便、最省成本的清潔燃料途徑就是推廣天然氣汽車，或者最先進的LNG天然氣汽車（液化天然氣汽車）。”歐陽明高說，“這種車型PM質(zhì)量小，PN（公稱壓力）數(shù)量少。”歐陽明高團隊開發(fā)的重型商用車電控天然氣燃料系統(tǒng)已經(jīng)在陜汽、聯(lián)合卡車等企業(yè)推廣應(yīng)用。”
“汽車電動化是汽車領(lǐng)域最重要的技術(shù)變革，也是解決汽車能源與污染問題的根本途徑。”歐陽明高團隊研制了中國第一批通過國家產(chǎn)品認(rèn)證的氫能燃料電池混合動力城市客車，并開發(fā)出多能源一體化混合動力系統(tǒng)平臺，應(yīng)用于湖南南車時代電動、北汽福田、鄭州宇通、蘇州金龍等企業(yè)，成果也獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎。日前，團隊研發(fā)的微型純電動轎車及其核心技術(shù)鋰動力電池管理系統(tǒng)又取得新進展，已培育出學(xué)生創(chuàng)業(yè)型公司進行成果轉(zhuǎn)化，并開展產(chǎn)業(yè)化推廣工作。
雖然各項最新的技術(shù)研發(fā)正在穩(wěn)步推進，然而眾所周知，徹底治理PM2.5環(huán)境問題需要一個很長的時間周期，需要各項污染指標(biāo)的逐步降低和技術(shù)改善。那么，當(dāng)前怎樣才能最直接、最有效地減少PM2.5污染給人們帶來的健康危害呢？
“在PM2.5污染的天氣狀況中，多數(shù)人一天有約90%的時間會在室內(nèi)。研究表明，人每天在室內(nèi)吸入的PM2.5含量約占總吸入量的70%（盡管它們主要源自室外）。如果說室外PM2.5控制非常復(fù)雜、任重道遠，但建筑環(huán)境中的PM2.5濃度控制則相對簡單，短期內(nèi)可以采取多種措施有效控制。” 張寅平指出。
近一兩年，市面上空氣凈化器的銷售量急劇上升，各種宣傳更是鋪天蓋地。張寅平團隊發(fā)現(xiàn)，我國現(xiàn)行的空氣凈化器性能評價標(biāo)準(zhǔn)還存在一些問題，廠家的性能宣傳往往含糊不清或言過其實，用戶難以做出科學(xué)的購買選擇。張寅平團隊目前正參加我國空氣凈化器性能檢測標(biāo)準(zhǔn)的修訂工作，為解決上述問題提供技術(shù)方案。
研究還發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)空氣中的PM2.5除了室外已有成分外，還會和室內(nèi)半揮發(fā)性有機化合物(SVOCs)發(fā)生相互作用，會形成成分更加復(fù)雜、對人體健康危害更大的PM2.5-SVOCs復(fù)合污染物。如今，團隊承擔(dān)了國家科技部科技支撐計劃，將圍繞建筑環(huán)境中PM2.5-SVOCs復(fù)合污染物的防治問題展開研究。
“除此之外，我們團隊還和全國9所大學(xué)的研究者合作，對我國北京、上海、重慶等10個城市的兒童哮喘發(fā)病率、及其與室內(nèi)環(huán)境污染關(guān)聯(lián)性進行研究。結(jié)果表明，近20年我國兒童哮喘發(fā)病率快速增長。以北京為例，1990年、2000年、2010年的兒童發(fā)病率分別是<1%、<2%、6%。當(dāng)然，誘發(fā)病因不僅局限與室內(nèi)PM2.5污染控制，還有大量室內(nèi)材料散發(fā)的化學(xué)污染物（如前段時間大家關(guān)注的以甲醛為代表的揮發(fā)性有機化學(xué)污染VOCs），我們正在開展研究。”張寅平說。
從熱能系對污染源的根本控制，到汽車系的機動車優(yōu)化環(huán)保轉(zhuǎn)型，再到建筑系由室外轉(zhuǎn)向室內(nèi)的全方位監(jiān)管，清華多個院系不僅對PM2.5污染形成了全過程監(jiān)管把控，而且多管齊下，讓PM2.5無處可逃，全方位保護人們的健康。
順應(yīng)局勢，適時穩(wěn)定并調(diào)整“戰(zhàn)略”
近日，微博上流傳的一則“顯微鏡下放大千倍北京PM2.5顆粒圖片”引起眾多網(wǎng)民關(guān)注，形狀各異的微生物體更是令大家觸目驚心。這些顆粒物到底有什么危害？是否真的是像圖片上那么可怕？一時間議論紛紛。
很快，清華大學(xué)生命學(xué)院研究員朱聽研究組給出了其中一個答案。
從2012年10月到2013年4月，朱聽研究組利用清華校內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測站里的3臺大氣顆粒物采樣儀收集樣本，同時改進DNA測序方法，不斷提高微生物的鑒定精確度。
2013年1月8日~14日，北京PM2.5狀況嚴(yán)重。朱聽研究組成員抽取此段時間的空氣樣本，采用從大氣懸浮顆粒物樣品中提取微生物DNA并進行宏基因組學(xué)分析的技術(shù)，首次在“種”的水平上鑒別大氣懸浮顆粒物中的微生物組分。
“結(jié)果顯示，PM2.5空氣質(zhì)量中可能含有1300多種微生物。值得慶幸的是，其中所含微生物的種類雖多，但絕大多數(shù)并不致病，只有極少量微生物可能引起呼吸道疾病或過敏。”朱聽說。得出的結(jié)果攻破了網(wǎng)絡(luò)“猜想”，為相關(guān)公共醫(yī)學(xué)、城市規(guī)劃和PM2.5治理等研究提供了有用數(shù)據(jù)，有利于社會環(huán)境的穩(wěn)定，使人們正確全面、有針對性地保護自己的健康。
參與此項研究的除了朱聽之外，還有清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院副教授蔣靖坤。這兩位年輕的“80后”學(xué)者不斷挑戰(zhàn)的，都是PM2.5污染里極有難度、關(guān)注度很高的科研問題。
“清華培養(yǎng)了一批優(yōu)秀的青年科研力量，他們勇于面對國家重大科研問題，而且思想活躍、善于溝通合作。這樣的研究氛圍非常良好，也使得清華PM2.5科研陣營的人才構(gòu)成比例更加全面、科研領(lǐng)域更為廣泛。”郝吉明欣慰地說。
在與PM2.5“作戰(zhàn)”的過程中，清華始終注重科學(xué)研究、人才培養(yǎng)和服務(wù)社會的高度統(tǒng)一。但僅僅依靠科技力量還不夠，需要全方位配合與行動，需要政府、企業(yè)和公眾的通力協(xié)作，需要政策管理的進一步提升。清華大學(xué)公共管理學(xué)院王有強團隊長期以來關(guān)注我國的區(qū)域經(jīng)濟協(xié)同發(fā)展，并多次為我國相關(guān)政策的制定提出關(guān)鍵、有效的建議。
從今年3月開始，王有強團隊聯(lián)合清華大學(xué)能源環(huán)境經(jīng)濟研究所歐訓(xùn)民副教授、周勝副教授，清華大學(xué)社會科學(xué)院吳金希副教授，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院王書肖教授等其他學(xué)科團隊，在河北清華發(fā)展研究院支持下，對河北開展實地調(diào)研，了解河北省經(jīng)濟總量和結(jié)構(gòu)、能源生產(chǎn)和消費結(jié)構(gòu)等情況，收集整理經(jīng)濟、產(chǎn)業(yè)等相關(guān)數(shù)據(jù)，為下一步開展系統(tǒng)研究，提出管理政策與建議夯實基礎(chǔ)。
“當(dāng)前，河北的能源消費在京津冀地區(qū)中占到很大比重，而且煤炭為主要部分，未來支撐其經(jīng)濟發(fā)展的能源消費帶來的污染排放與環(huán)境保護的要求存在巨大的潛在沖突，因此要盡快探索解決這一沖突關(guān)系的科學(xué)可行辦法。”王有強指出。
王有強召集的跨院系團隊希望通過跨學(xué)科的合作研究，理清京津冀地區(qū)尤其是河北省的產(chǎn)業(yè)發(fā)展與能源消費的關(guān)系，探討如何進一步調(diào)整經(jīng)濟結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)以促進可持續(xù)發(fā)展。“接下來我們計劃逐步系統(tǒng)分析河北省經(jīng)濟和能源在總量和結(jié)構(gòu)上的關(guān)系，探討河北省未來經(jīng)濟和能源協(xié)調(diào)發(fā)展的途徑，爭取對河北省高耗能的鋼鐵、建材、化工等產(chǎn)業(yè)作科學(xué)的‘減法’，引進先進制造業(yè)、高附加值服務(wù)業(yè)，在保證經(jīng)濟增長的同時，遏止該地區(qū)能源消費增長，甚至逐步減少能源消耗。” 歐訓(xùn)民說。
如今京津冀協(xié)同發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略。早在2008年，郝吉明、賀克斌科研團隊就曾參與六省協(xié)同作戰(zhàn)，成功守護北京奧運的藍天白云，積累了短期實戰(zhàn)經(jīng)驗，“聯(lián)防聯(lián)控”戰(zhàn)略由此形成。
如今，他們建議將“聯(lián)防聯(lián)控”向“聯(lián)發(fā)聯(lián)控”轉(zhuǎn)變，形成聯(lián)合發(fā)展、聯(lián)合控制的戰(zhàn)略和中長期路線圖，真正實現(xiàn)空氣質(zhì)量的根本性改善。“從長期來看，治理大氣污染是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要統(tǒng)籌區(qū)域環(huán)境資源，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，建立區(qū)域聯(lián)發(fā)聯(lián)控的新機制。”郝吉明強調(diào)。
“協(xié)同努力”，是被清華PM2.5戰(zhàn)斗團隊成員提及次數(shù)最多的一個詞語。PM2.5區(qū)域大氣復(fù)合污染問題涉及能源、交通道路、城市化建筑、管理等多個領(lǐng)域的專家，需要科學(xué)認(rèn)知、技術(shù)研發(fā)和管理政策的全面統(tǒng)籌。清華大學(xué)聯(lián)合北京大學(xué)、南京大學(xué)和同濟大學(xué)等單位成立的“區(qū)域環(huán)境質(zhì)量協(xié)同創(chuàng)新中心”有望成為這樣一個綜合平臺，在人才培養(yǎng)、科技創(chuàng)新、促進新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面進一步加強頂層設(shè)計，統(tǒng)籌不同學(xué)科的優(yōu)勢力量。
清華的科研工作者們相信，充分發(fā)揮清華多學(xué)科綜合優(yōu)勢和交叉優(yōu)勢，一定能以更多的創(chuàng)新成果，為國家應(yīng)對重大環(huán)境問題提供重要的科技支撐。
來源：新清華 2014-04-18
