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阳泉市区形成酸雨机制的研究 * 徐东耀韩东银周昊陈佐会竹涛 中国矿业大学 北京 化学与环境工程学院， 北京 100083 摘要 通过对阳泉地区酸雨频率、 发生时间与降雨成分及其变化分析， 以及与环境空气 SO2、 NOx监测数据时空变化对 比， 分析阳泉市区点源、 煤矸石山等污染源排放、 治理、 减排及其变化情况， 得知该地区酸雨频率的变化主要与矸石山、 机动车及低架点源酸性污染物排放量相关， 同时高架点源排放的酸性污染物是影响市区空气质量的主要因素， 而不是 酸雨频率变化影响的主要因素。 关键词 酸雨; 污染源; SO2; NOX DOI 10. 13205/j． hjgc． 201404027 ＲESEAＲCH ON MECHANISM OF FOＲMING ACID ＲAIN IN UＲBAN AＲEA OF YANGQUAN Xu DongyaoHan DongyinZhou HaoChen ZuohuiZhu Tao School of Chemistry and Environmental Engineering，China University of Mining Technology Beijing ，Beijing 100083， China AbstractThe techniques are referred to as analyzing frequency and time of acid rain， components of rain， and their changes， as well as contrasting with temporal and spatial variations of routine monitoring data of SO2and NOxin ambient air． Through analyzing emissions， control， reductions and their changes for point sources of pollution， gangue hills， and other suorces of pollutions，it was concluded that the changes in the frequency of acid rain were mainly related to the acidic pollutants emissions from waste dumps， motor vehicles and point sources at lower- altitude，and the acidic pollutants from point sources at higher altitude in urban district were the main factors that affect the monitoring values of routine monitoring points of urban air quality， rather than the ones that affect the changes of acid rain frequency． Keywordsacid rain;source of pollution;SO2;NOx * 国家自然科学基金 51108453 ; 新世纪优秀人才支持计划; 北京市优 秀人才培养资助项目; 中央高校基本科研业务专项基金 2009QH03 。 收稿日期 2013- 06- 06 0引言 20062010 年 “十一五” 期间阳泉市采取大力度 削减和控制 SO2、 NOx等酸性污染物［1 ］， 市区环境空 气质量 SO2、 NOx例行监测值也显示逐年下降趋 势 ［2 ］， 在此情况下酸雨频率本应出现相应的下降， 却 反而出现了逐年上升的趋势。这种现象反映酸雨形 成的一种特殊机制 ［3 ］， 与阳泉市区特殊的地貌、 气 候 ［4 ］和矸石山［5 ］等特殊污染源可能有关。 1阳泉市区酸性降水主要特征 1. 1降水监测基本情况 阳泉市降水监测点位 1 个， 布设在阳泉市区东部 位于东经 1133435″、 北纬 375121″， 采样口海拔高 度 700 m， 属于省控监测点位。2009 年 10 月以来， 监 测项目已增加到 pH 值、 降水量、 电导率、 硫酸根、 硝 酸根、 氯离子、 氟离子、 铵离子、 钾离子、 钠离子、 钙离 子、 镁离子共 12 项。pH 值、 降水量 2 个项目逢雨必 测。连续降水超过 24 h 时， 每 24 h 采集一次降水作 为一个样品进行监测分析。采用人工采集方法。 1. 2酸雨频率及 pH 值变化 阳泉市 20062010 年降雨 pH 值监测结果见 表 1， 酸雨频率见图 1。 表 1 20062010 年阳泉降雨 pH 监测结果 Table 1The monitoring results for pH of rainfall in Yangquan from 20062010 监测项目2006 年2007 年2008 年2009 年2010 年 降水次数4552555334 降雨量/mm609. 8546. 9 518. 0608. 7328. 0 pH 值 5. 04 ～8. 434. 81 ～8. 564. 53 ～7. 974. 58 ～8. 38 4. 88 ～7. 65 pH 年均值5. 76 5. 995. 775. 715. 62 511 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 图 1 20062010 年阳泉酸雨频率年度变化趋势 Fig．1The graph of annual changes in frequency of acid rain in Yangquan from 20062010 从表 1 可看出 20082010 年连续 3 年阳泉 市降水中的年均 pH 值呈逐年下降趋势， 2010 年 的年均 pH 值已达 5. 62， 基本接近判别酸雨的 pH 限值 5. 6。 1. 3酸雨时间分布 根据阳泉市环境监测站降水例行监测结果， 酸雨 一般出现在 7、 8 月份及 9 月初， 并且是在连续降雨后 出现。 1. 4降水化学成分 根据阳泉市环境监测站降水例行监测结果， 阳泉 市区 20082010 年降水化学成分见表 2。 表 220082010 年阳泉降水化学成分监测结果 年均值 Table 2The monitoring results annual averageof the chemical composition of precipitation in Yangquan from 20082010 监测项目2008 年2009 年2010 年 电导率/ MS m －1 8. 719. 0014. 8 ρ F － / mg L－1 0. 640. 510. 95 ρ SO2 － 4 / mg L －1 20. 118. 631. 7 ρ NO － 3 / mg L －1 2. 007. 0511. 2 ρ Cl － / mg L－1 2. 564. 323. 91 从表2 可知 降水中化学成分以 SO2 － 4 为主， NO － 3 在 2010 年达 到 了 第 二， SO2 － 4 、 NO － 3 质 量 浓 度 在 20082010 年呈上升趋势， NO － 3 与电导率连续 3 年 上升。 2阳泉市区环境空气 SO2、 NOx时空变化特征 酸性降雨与区域环境空气中的 SO2、 NOx分布有 相关性。20062010 年的“十一五” 期间与 2001 2005 年的 “十五” 期末， 市区范围内布设的 6 个监测 点位一致， 分别是赛鱼、 市中心、 平坦、 白羊墅、 南庄、 大阳泉 ， “十一五” 期间， 各点位全部采用连续自动日 报监测技术监测， 所有监测点都参与均值计算， 监测 点位布设见表 3 及图 2， 其中南庄监测点位与酸性降 水监测点位相邻。 表 3阳泉市区环境空气监测点位布设情况 Table 3The layout of mornitoring sites for ambient air in urban district of Yangquan 点位名称经度纬度 采样口海拔 高度 点位代码 市中心1133416″375176″690 m51 赛鱼1132932″375245″768 m52 南庄1133492″375082″726 m53 白羊墅1133745″375111″662 m54 平坦1133368″375210″704 m55 大阳泉1133057″375060″1 107 m57 图 2阳泉市区环境空气监测布点 Fig．2The mornitoring sites for ambient air in urban district of Yangquan 2. 1SO2、 NOx时间变化特征 由图 3、 图 4 可知 SO2、 NOx的年平均浓度“十一 五” 期间比“十五” 期间显著下降， 而且“十一五” 内 SO2、 NOx均逐年下降。 图 3阳泉市区 SO2年际变化 Fig．3The interannual variation of SO2in urban district of Yangquan 图 4阳泉市区 NOx年际变化 Fig．4The interannual variation of NOxin urban district of Yangquan 611 环境工程 Environmental Engineering 2. 2SO2、 NOx空间变化特征 由图 5、 图 6 可知 阳泉市各个区域 每个监测点 位代表一个区域 的 SO2、 NOx污染状况、 污染类型、 主要污染物均不相同。从污染物的 5 年监测年均值 看， SO2的监测年均值由大到小排序为 赛鱼 ＞ 平坦 ＞ 市中心 ＞ 南庄 ＞ 白羊墅 ＞ 大阳泉， 表明山谷内谷底 高于谷坡、 谷坡又高于谷顶， 市区西部高于东部; NOx 的监测年均值由大到小排序为 白羊墅 ＞ 市中心 ＞ 赛 鱼 ＞ 南庄 ＞ 平坦 ＞ 大阳泉， 表明山谷内谷底高于谷 坡， 谷坡又高于谷顶， 空间分布与 SO2相同， 但东部高 于西部。 图 5阳泉市区 SO2污染空间变化 Fig．5The spatial variation of SO2pollution in urban district of Yangquan 图 6阳泉市区 NOx污染空间变化 Fig．6The spatial variation of NOxpollution in urban district of Yangquan 3酸雨成因机制分析［6- 7 ］ 3. 1酸雨频率与高浓度酸性污染物关系 由表 4 可知 煤矿热风炉、 热水炉、 采暖锅炉和居 民燃煤生活点源是排放 SO2、 NOx的主要中低架点 源 ［8 ］， 其中居民生活燃煤点源排放量比重占很大， NOx为 53. 3， 其次是 SO2为 25. 6。 市区矸石山 2005 年前 28 座， 张文军等［9］统 计矸石山总面积为 273. 5631 hm2。1990 年矸石 山酸性污染物排放浓度高， 王玉平等［10］研究， 在 20 世纪90 年代初， 矸石山监测 SO2高达139 mg/m3。 表 42004 年市区中低架点源 SO 2、 NOx排放量及排序 Table 4The emissions of SO2and NOxand their ranks on point sources of pollution at medium and lower altitude in urban district in 2004 项目 居民生活 燃煤点源 集体单位 采暖锅炉 耐火水泥 窑炉点源 化工 炉塔 煤矿热风 及热水炉 其他工业 中低点源 合计 SO2 排放量/ t a －1 1 971. 51 512. 54240. 05918. 872 769. 04293. 867 705. 86 排序23541 NOx 排放量/ t a －1 1 441. 4283. 65340. 66441. 18163. 3436. 602 706. 83 排序14325 2000 年后随着一些矸石山着火下降， 酸性排放 物总体上呈逐年下降趋势， 武钢等 ［11 ］资料显示， 矸山 治理前矸石山燃烧区附近监测结果 SO2平均浓度为 19. 06 mg/m3 二矿矸石山 。通过与 2004 年市区中 低架点源 SO2、 NOx年排放量比较可知 矸石山 SO2 排放量高于市区中低架点源， NOx排放量则相反以低 架源为主。 3. 2市区中低架点源对酸雨成因的影响 由表 5 可知 市区中低架点源 2007 年较 2004 年 SO2减排 5 598. 75 t/a、 减排率为 72. 7， NOx减排 1861. 33 t/a、 减排率为 68. 8， 其中 2006 年煤矿热 风炉脱硫脱硝 SO2减排 1 173. 84 t/a、 减排率为 15. 2， NOx减排30. 36 t/a、 减排率为1. 1; 2007 年 煤矿热水与采暖锅炉脱硫脱硝 SO2减排 1 248. 31 t/a、 减排 率 为 16. 2， NOx减 排 85. 76 t/a、 减排率为 3. 2。中低架点源中以低架点源 居民生活点源 减排显著， SO2减排1 971. 5 t/a、 减排率为 35. 2， NOx减排1 441. 4 t/a、 减排率为 77. 4。 表 520062007 年市区中低架点源 SO 2、 NOx减排量及减排率 Table 5The emission reductions and percentages of SO2and NOxon point sources of pollution at medium and lower altitude in urban district in 20062007 项目 居民生活 燃煤点源 集体单位 采暖锅炉 耐火水泥 窑炉点源 化工 炉塔 煤矿热风 及热水炉 其他工业 中低点源 合计 SO2 排放量/ t a －1 1 971. 51 285. 74174. 42378. 181 495. 51293. 45 598. 75 减排时间/a2005200720052007 2005200720052007200520072007 年较 2004 年20052007 减排率/25. 6 16. 72. 264. 919. 413. 872. 7 NOx 排放量/ t a －1 1 441. 4174. 79113. 9849. 1846. 1335. 851 861. 33 减排时间/a2005200720052007 2005200720052007200520072007 年较 2004 年20052007 减排率/53. 3 6. 54. 21. 81. 71. 368. 8 711 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 20062008 年对阳煤集团在市区内的201. 45 hm2 矸石山进行全面治理及生态恢复， 治理后， 现役矸石 山酸性污染物排放浓度为 SO2为 0. 03 mg/m3， H2S 为 0. 02 mg/m3， NOx为 0. 012 mg/m3; 退役矸石山酸 性污染物排放浓度为 SO2为 0. 02 mg/m3， H2S 为 0. 02 mg/m3， NOx为 0. 01 mg/m3。2006 年阳煤集团 一至四矿矸石山合计 SO2、 H2S、 NOx排放量分别为 149. 88， 58. 43，12. 03 t/a，较 2005 年 分 别 减 排 8 981. 88 减排 98. 4 ， 735. 31 t/a 减排 92. 6 ， 70. 87 t/a 减排 85. 5 ; 2007 年阳煤一至四矿矸石 山合计 SO2、 H2S、 NOx排放量分别为 27. 51， 18. 48， 8. 79 t/a， 较2006 年分别减排122. 37 减排81. 6 ， 39. 95 减排 68. 4 ， 3. 24 t/a 减排 26. 9 。 3. 3市区高架点源排放的酸性污染物对酸雨的影响 阳泉市区高架点源主要是火电厂 100 ～180 m 烟 囱， 共 4 座， 分别位于市区西部的山西国阳新能股份 有限公司发供电分公司第二热电厂及第三热电厂， 位 于市区中部偏西的阳泉辰光热电公司， 及市区东部的 山西河坡发电有限责任公司。2007 年上半年前， 火 电厂无脱硫脱硝设施， SO2、 NOx排放一直维持较高状 态， 因而不是 20052007 年酸雨频率下降的主要影 响因素; 2008 年以来 SO2、 NOx排放源强呈现下降趋 势， 因而也不是 2008 年酸雨频率上升的影响因素， 但 与监测位置设置较高的市区空气质量例行监测点所 反映的 SO2、 NOx排放浓度下降趋势相一致， 具体情 况见表 6。 表 6市区内高架点源 20052010 年 SO 2、 NOx源强变化及影响因素 Table 6The changes of SO2and NOxemissions and factors that affect their changes on point sources of pollution at higher altitude in urban district in 20052010 污染物2005 年2006 年2007 年2008 年2009 年2010 年 SO2/ kg s －1 1. 9061. 9061. 6360. 41920. 21540. 209 NOx/ kg s －1 0. 7900. 7900. 8250. 7840. 76920. 7828 影响因素国阳三电厂脱 硫下半年投运 辰光、 河坡、 氧化铝电厂脱 硫投运 辰光关停， 国 阳二电 85 脱硫 国阳二电 90 脱硫 当然， 未经治理前矸石山排放酸性污染物也会 向例行空气监测点贡献污染。矸石山未治理前堆 存较高， 无覆盖， 而且生产排矸从山顶向山沟自上 而下凌空排放， 酸性污染物除排放浓度较高外， 排 放高度也较高 49 ～ 145 m 而接近沟谷顶部， 烟气 抬升高度超过沟谷， 污染物越过山脊， 扩散距离较 远， 可以直接影响到市区例行的环境空气监测点位 和市区东部的酸雨监测点位。据陈永峰［12］研究， 在 三矿和二矿所进行的矸石山治理试验中， 三矿矸石 山上 6 个监测点 SO2浓度日平均值从 11. 2 mg/m3 降至 0. 13 mg/m3， 降低率 99. 8 ; 二矿矸石山上 8 个监 测 点 SO2浓 度 平 均 值 从 16. 3 mg/m3 降 至 0. 11 mg/m3， 降低率99. 3; CO 平均值从 27. 5 mg/m3 降至 1. 67 mg/m3， 降低率 93. 9 。据阳泉市环境 监测站监测结果， 市区 SO2浓度明显降低， 年均浓 度从以前的 0. 243 mg/m3降至 0. 183 mg/m3， 下降 幅度达 25 。 市区内的中架和低架点源， 尤其是中架点源对空 气质量例行监测点污染有一定影响 NOx尤为显 著 ， 但属于次要因素， 见表 7。 表 7市区内中低架点源 20062010 年 SO 2、 NOx源强变化 Table 7The changes of SO2and NOxemissions on point sources of pollution at medium and lower altitude in urban district in 20062010kg/s 污染物2006 年2007 年2008 年2009 年2010 年 中架 SO2 0. 16130. 07960. 07960. 07560. 0367 低架 SO2 0. 000170. 000170. 000170. 00940. 0187 SO2合计0. 161470. 079770. 079770. 0850. 0554 中架 NOx 0. 036050. 030150. 044150. 03950. 08686 低架 NOx 0. 004850. 004850. 004850. 00810. 0114 NOx合计0. 04090. 0350. 0490. 04760. 09826 3. 4治理后矸石山和机动车尾气对酸雨的影响 治理后矸石山和机动车尾气 SO2、 H2S、 NOx低空 排放量逐年增长， 是 2008 年以来酸雨频率变化的主 要影响因素。由表 7 可知 市区内的中架和低架点 源、 尤其是低架点源 SO2、 NOx低空污染与酸雨频率 的变化有一定相关性。根据阳泉市环境监测站等相 关监测资料计算得出市区中低架点源、 煤矸石山、 机 动车尾气 20062010 年 SO2、 NOx、 H2S 年排放量变 化， 见表 8。由表 8 可知 低源 SO2、 H2S 年排放量从 2008 年以来逐年成倍上升， NOx在 2008 年后矸石山 和低架点源逐年大幅度上升， 机动车尾气沿袭 2006 年以来的上升趋势而继续大幅度上升。中架点源的 811 环境工程 Environmental Engineering 影响不大， 低架点源的影响主要是表现在 2009 2010 年， 总体来看属于次要影响因素。主要影响因 素是矸石山和机动车尾气， 酸性硫化合物主要由矸石 山产生， 氮氧化物主要来自机动车尾气。 表 820062010 市区 SO2、 H 2S、 NOx低空排放量变化 Table 8The changes of SO2、 H2S and NOxemissions at lower altitude from sources of pollution in urban district in 20062010t/a 污染物2006 年2007 年2008 年2009 年2010 年备注 中架 SO2 3302. 62094. 29162094. 29162032. 0836823. 3056 中架 NOx 782. 63696. 88081166. 0681166. 0682659. 6196 低架 SO2 3. 6483. 6483. 648204. 81402. 32 低架 NOx 150. 17150. 17150. 17200. 84291. 45 矸石山 SO2 149. 8827. 5140. 0387. 69195. 82 矸石山 NOx 12. 038. 7913. 1847. 2285. 30 矸石山 H2S 58. 4318. 4827. 0778. 23150. 18 机动车 NOx 1117. 301465. 691798. 852188. 862620. 80 机动车 SO2 55. 5667. 3383. 8499. 59117. 58 低源 SO2 H2 S 合计267. 518 116. 968154. 59470. 32865. 90 低源 NOx合计 1279. 501624. 651962. 202436. 922997. 55 SO2 H2S 总计3570. 1182211. 262248. 882502. 401689. 21 NOx总计2062. 132321. 533128. 273602. 995657. 17 中架源主要是 煤矿 热风 炉 及 锅 炉、 化 工、 耐火、 铝业、 煤层 气发电等工业污染 源; 低架源主要是 狮头水泥厂、 阳煤华 越机械公司、 南煤煤 矸石砖建材公司等 污染源; 矸石山主要 是 阳煤一、 二、 三、 四矿矸石山。 4结论 1阳泉市酸雨出现频率较高， 2005 年以前酸雨 频率达18， 20052007 年逐年下降， 由15. 4降为 3. 7。但2008 年后又开始逐年上升， 由2008 年9 上升到 2011 年 14. 9。降水中化学成分以 SO2 － 4 为 主， 2010 年 NO － 3 含 量 达 到 第 二， 20082010 年 SO2 － 4 、 NO － 3 质量浓度呈上升趋势， NO － 3 与电导率连 续 3 年上升; 酸雨一般出现在 7、 8 月份及 9 月初， 且 是在连续降雨后出现。 2 酸雨频率的变化主要与矸石山、 机动车及低 架点源酸性污染物排放量相关。2005 年前的高酸雨 频率主要与煤矸石山和居民生活燃煤点源等低架点 源低空排放高浓度酸性污染物有关; 20062007 年 酸雨频率低值主要与 20052006 年低架点源减排、 20062007 年矸石山治理有关; 2008 年以来又出现 的酸雨频率逐年上升主要与治理后的矸石山斜坡因 工程缺陷和生态退化， 而低空排放 SO2、 H2S、 NOx以 及机动车 包括油改气城市出租车 低空排放 NOx、 SO2且逐年增加有关。 3 市区高架点源排放的酸性污染物是影响市区 空气质量例行监测点监测值的主要因素， 而不是酸雨 频率变化影响的主要因素。 参考文献 ［1］周涛， 刘少光， 吴进明， 等． 火电厂氮氧化物排放控制技术［J］． 环境工程， 2008， 26 6 82- 85. ［2］牛俊玫， 吴瑶， 张恒， 等． 山西阳泉空气污染特征及其与气象要 素的相关性分析［J］． 成都信息工程学院学报， 2012， 2 1 95- 102. ［3］蓝惠霞， 周少奇， 廖雷， 等． 酸雨形成机制及其影响因素的探讨 ［J］． 四川环境， 2003 4 41- 43. ［4］闫拥军． 阳泉市降水特性分析［J］． 山西水利， 2005， 6 3 30- 31. ［5］王伟， 张洪江， 张成梁， 等． 煤矸石山植被恢复影响因子初 探 以山西省阳泉市280 煤矸石山为例［J］． 水土保持通报， 2008， 28 2 147- 152. ［6］齐峰， 李烨， 杨卫芳． 北方城市酸雨形成过程的影响因素及防治 对策分析［J］． 环境与可持续发展， 2011 5 42- 45. ［7］洪正昉． 山谷、 盆地酸雨形成的特点及分析［J］． 水文地质工程 地质， 2001， 28 3 28- 30. ［8］姚芝茂， 李俊， 滕云． 中小型燃用烟煤层燃炉 SO2生成特征的 研究［J］． 环境工程， 2009， 27 277- 282. ［9］张文军， 张志宏． 阳泉矿区高产高效矿井建设现状及发展趋势 ［J］． 煤矿开采， 2007， 12 2 8- 10. ［ 10］王玉平， 刘相国， 赵华峰． 煤矸石自燃的危害及治理成效［J］． 矿业安全与环保， 2002， 29 3 54- 56. ［ 11］武钢， 姚宇平． 阳泉煤矸石自燃原因及治理方法的研究［C］∥ 姚建国， 邹正立， 耿德庸． 中国科协 2004 年学术年会第 16 分会 场论文集． 琼海 中国科协 2004 年学术年会， 2004 449- 452. ［ 12］陈永峰． 阳泉矿区煤矸石自燃防治研究［D］． 西安 西安建筑科 技大学， 2005 39- 55. 第一作者 徐东耀 1962 － ， 男， 教授， 博士生导师， 主要从事大气污染 控制方面的研究。 911 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment