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从露天煤矿的污染谈雾霾治理

2014-02-27 15:30:52

从露天煤矿的污染谈雾霾治理

文/袁光钰

近期,每逢提起空气质量,人们就会想到PM2.5。其实,PM2.5并不是新概念,早在30年前的抚顺西露天矿,它就已经成为关注的主角。不过,当时的主要目的是提高能见度和生产率,而目前社会更为关注的是居民的健康。虽然目的不同,但对大气污染物进行探索和治理的基本手段大致相近,因此对我们目前的雾霾治理具有借鉴意义。

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对矿坑主要污染物进行研究

抚顺的西露天矿是世界上第三大露天矿,至今已有100多年的历史。它的矿坑长6.6千米,宽2.2千米,矿坑容积超过18亿立方米,开采最深处为418米。目前,虽然附近还有丰富的煤层,但为了保护抚顺城区,该矿已经停止采煤。现在,宏伟壮丽的露天矿坑已经成为国内外享誉盛名的旅游景点。

这个巨大的矿坑并非从来就能够让人们欣赏。自20世纪70年代开始,每到冬天,尤其是夜间和早上,坑内能见度经常在百米上下。从上面望下去,那景象就和在飞机上看云一样,厚厚的雾霾让你根本看不到底。

20世纪80年代中期,西露天矿曾进行过一次对矿坑大气雾霾进行治理的尝试。不过,那时治理雾霾的目的仅仅是提高能见度、排除雾霾对生产的不利影响,并非为了治理大气污染。这项工作是由清华大学和中国气象科学研究院合作进行的,研究人员用大约半年的时间调查了多年以来矿坑能见度的变化规律,判断矿坑中究竟有哪些污染物,然后在云雾室中模拟不同污染物的成雾过程,最后提出改善矿坑能见度的措施。

研究工作的第一步是判断使能见度降低的罪魁祸首究竟是烟、尘,还是雾霾。研究人员连续3天在矿坑的不同深度对矿坑大气的能见度每小时进行一次测定,记录和取样测定空气含水量、大气中粉尘浓度、粉尘中颗粒大小的分布,同时测定二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳的浓度,并记录了当时的主要气象参数。

研究人员利用这些监测数据发现,任何成雾的凝结核都有一个温度下限,也就是说,不管什么核,当温度低到一定程度时,就不再吸湿。抚顺冬天的温度相当低,最冷时可以达到  30℃,所以在冬天经常是比较温暖的时候更容易出现雾霾。矿坑中因煤层自燃、采煤设施运转、空气流动不畅等原因,保温效果比地面上要好得多,温度高就意味着在空气中保持了更高的含水量,就更容易成雾。当坑内的热空气上升时,地表的冷空气进入坑内被加热,热空气在上空冷却后会重新回到底面,这样就形成了一个“热岛环流”,将周围的粉尘和其他污染物统统浓集到坑中,进一步加强了本来就比地面好的成雾条件。

我们知道,空气中含水量越高,能见度就越差。由此可见,成雾是能见度恶化的原因之一。按照气象学的基本理论,当相对湿度大于92%时开始成雾,但在矿坑中,当相对湿度高于70%即可成雾,这说明露天矿坑下能见度降低是雾与霾共同作用的结果。霾是大气中的一种浑浊现象,由大气中飘浮的细颗粒的烟、尘所组成,它提供了大气成雾的凝结核。正是这些凝结核的存在,降低了凝结成雾对大气相对湿度的要求。

研究人员对矿坑大气取样分析发现,污染物浓度越高,能见度越差。在矿坑的大气中,主要的污染物颗粒包括装卸、挖掘、运输等采煤过程中产生的岩石与水泥粉尘,以及爆破、煤的自燃、运输车辆和站房取暖产生的烟尘和一些有机物。研究还发现,凡是粉尘和二氧化硫比较高时,能见度的恶化作用最明显;而能见度的好坏和一氧化碳、氮氧化物的浓度之间的关系,则没有前两种那样明显。

在最深的地方和接近地面的地方能见度较好,而在接近170米深的地方能见度最差,也就是说,那里的污染物浓度最高。当时估计,其原因是在露天矿坑中,下部存在很多裸露的煤层露头。在这些地方,煤自燃产生的大量烟尘上升后主要聚集在矿坑中部。当烟尘继续上升、到达矿坑上部以后,就会被风吹散,浓度降低。

 

实验证实煤烟影响更大

然而,上面得出的这几个结果,只是对监测数据进行分析推论出来的。毕竟,矿坑中的污染物是混在一块起作用的,只有真正弄清楚它们各自的影响大小,才能确定最有效的治理方案。要得到科学的结论,还需要对每个污染物分别进行成雾实验,从而找出究竟谁才是害群之马。

这个实验分为两步,第一步是取污染物的单个微粒,将这些微粒固定在一条极细的悬丝上,然后在显微镜下观察这些颗粒吸收水分后增长(即成雾)的过程。研究人员对两种直径在3微米以下的污染物颗粒,即矿坑中粉尘(包括绿页岩和水泥粉尘)以及燃煤生成的煤烟进行了测定。在成雾过程的15分钟内,岩石粉尘颗粒的直径只增长了20%,而煤烟则几乎增长了一倍。单个微粒实验的结果说明,煤烟的成雾对大气能见度的影响很可能大于无机岩石的粉尘。

实验的第二步是对关键的凝结核进行较大规模的成雾实验。开展这个实验需要利用一个特殊设备——云雾室。通常,云雾室是一个庞大的筒状构筑物,内部是一个很大的密闭空间,研究人员可以对云雾室内空间的温度、湿度进行精确控制,以模拟真实的成雾过程和其他自然过程。在进行成雾实验时,首先使室内温度和湿度达到规定要求,为了更真实地模拟自然云雾,还需要在云雾室内加装照明系统,以模拟日光对人造雾的影响。在一切条件就绪后,向云雾室内加压,并喷入需要测定的成雾凝结核,然后利用绝热膨胀的过程使空间温度逐渐降低。在成雾过程中,利用监视、测量系统实时测定如能见度、雾霾颗粒的大小变化过程等参数。

结果显示,在云雾室成雾过程中得到结果和单颗粒预示的完全一致:如果大气中存在高浓度的煤烟,一旦成雾,不但雾霾会保持较长的时间,而且最终也难以完全恢复。这个结果并不意外,因为煤烟是多孔性的疏松颗粒,重量很轻,很难沉降,而且在煤烟表面有一层有机物覆盖着,被吸附的水分一旦进入颗粒,再挥发就比较困难。

最后,研究人员又用相同的条件,进行了较大规模的现场模拟成雾试验,其结果和云雾室中得到的也完全一致。

 

治理雾霾任重而道远

那么,这次研究的最后结论是什么呢?

在所有的污染物中,粒径在3微米以下的煤烟颗粒所产生的、在大气中悬浮的气溶胶粒子与其他类型的污染物相比,在成雾凝结核方面具有较为明显的作用。而且,促成能见度降低的因素不单纯是成雾的散射作用,烟尘颗粒与其他气溶胶颗粒自身的散射,也有不小的影响。

因此,改善矿坑的能见度首先要消除污染,也就是要降低大气中的粉尘和烟尘;其次,在冬季尽量降低大气湿度。但是,西露天矿实在太大了,在当时,无论其中哪一项,都难以做到。显然,用通常使用的喷水降尘会增加成雾过程,是不可取的。露天矿所能做的,就是尽力扑灭煤层的自燃火点。但是,就算能完全扑灭煤层的自燃火点,也仅能将大气污染物浓度降低20%左右。据了解,由于彻底治理费用太高和技术、设备水平限制,西露天矿在其生产期间的大气质量,最终并未得到明显改善。

如今,在雾霾天气从高处俯视北京城,人们可能会立即回忆起当年的抚顺西露天矿。比起露天矿,大城市里除了有大量的建筑工地、更多的取暖设施、数不清的大小车辆排放各种污染物,还有密密麻麻的高楼大厦,在白天吸收太阳的热量,夜间排放到空气中,同样生成“热岛效应”。在北京和上海,市区的热岛强度会达到56℃之多。现在谈起雾霾,人们更多的是把目光集中在污染物上,其实,不适当的城市规划,尤其是过密的高层建筑、过多的人口也是导致雾霾的原因之一。此外,既然大气湿度是一个成雾的重要条件,对城市中水汽的排放进行控制,避免大气中水分过多,也应该放在治理雾霾的措施之中。

对一个面积十几平方千米、污染物种类并不十分复杂的西露天矿来说,改善大气已经是很困难的工作,要改善整个城市,甚至大半个中国的大气质量将会遇到更多的困难。但是,只要我们不放弃努力,从消除形成雾霾的各个因素进行有针对性的治理,我们总会看到越来越多的湛蓝天空和耀眼繁星。

(选自《科学画报》2014年第二期)

 


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