环境工程硕士论文
摘 要
随着我国臭氧污染的范围不断扩大，程度不断加深，加之臭氧污染的危害性极大，使之受到了广泛关注，臭氧污染已经成为了制约我国环境空气质量的主要因素之一，因此，研究臭氧污染在城市中的特征及来源具有重大实际意义。本论文选择我国东北腹地某典型城市为研究对象，主要对城市臭氧污染的特征、影响因素以及前体物来源进行研究，并提出城市臭氧污染控制策略，以期能为我国东北地区城市臭氧污染防控提供可行性建议。
通过研究发现我国东北地区臭氧污染逐年加重的趋势。分析臭氧污染小时变化规律和年度变化规律，得出臭氧浓度小时变化呈“单峰型”趋势，峰值出现在下午15：00时左右；年度变化规律亦呈“单峰型”趋势，臭氧浓度夏季最高、冬季最低；气候因素会对臭氧污染的生成造成很大的影响，总体上，较强的太阳辐射、较高的温度、相对较低的湿度以及较小的风速，有利于臭氧污染生成；研究臭氧与氮氧化物和颗粒物之间的关系发现，臭氧与氮氧化物呈正相关关系，和颗粒物呈反相关关系。
以城市中VOCs监测数据为基础，采用基于最大增量反应活性系数的臭氧生成潜势法来估算VOCs转化生成O3的能力，得出VOCs的平均臭氧生成潜势量为26.5μg/m3，烯烃类的臭氧生成潜势量最大(18.5μg/m3)，占70.1%，其次是烷烃类(5.2μg/m3)和芳香烃类(2.4μg/m3)，分别占19.8%和10.1%。总体上臭氧生成潜势表现为：烯烃＞烷烃＞芳香烃。绘制了EKMA等值曲线，确定城区范围内，O3污染为VOCs主导控制，控制臭氧污染应重点控制VOCs的排放、尤其是烯烃的排放。利用正交矩阵因子模型(PMF)对VOCs污染进行源解析，结果表明，来源中油气挥发源贡献23.2%，植物排放源贡献10.0%，工业生产源贡献50.6%，交通移动源贡献5.7%，溶剂使用源贡献10.5%。
本文在以上研究的基础上，依据近年来我国颁布的大气污染物防治相关的政策标准，结合该城市对臭氧污染防治的具体办法，提出了东北地区城市臭氧污染控制策略建议。一是开展行业企业精准减排，抓好产业园区和企业群管理；二是大力开展源头替代，深化工艺技术改革；三是加强VOCs治理相关政策法规宣传，组织企业开展VOCs的自行监管；四是推动燃煤锅炉执行更严格的大气排放标准；五是编制东北地区城市重污染天气VOCs重点行业应急减排措施。
关键词 ： 臭氧污染，影响因素，VOCs，臭氧生成潜势，源解析，控制策略。
Abstract
With the continuous expansion and deepening of the scope and degree of ozonepollution in China, and the great harmfulness of ozone pollution, ozone pollution hasbeen widely concerned, ozone pollution has become one of the important factorsrestricting the environmental air quality in China. So the characteristics and source ofozone pollution in the city has the important practical significance, this paper selectedhinterland of a typical city in northeast China as the research object, maincharacteristics, influence factors of ozone pollution in cities and precursor contentsources is studied, and put forward the urban ozone pollution control strategy, in orderto provide feasibility for China's northeast city ozone pollution prevention advice.
It is found that ozone pollution in northeast China is increasing year by year.Based on the analysis of the daily and annual variation laws of ozone pollution, it isconcluded that the daily variation of ozone concentration presents a “single peak”
trend, and the peak value appears around 15 PM. The annual variation also showed a“unimodal” trend, the highest in summer, the second in spring and autumn, and thelast in winter. On the whole, strong solar radiation, higher temperature, relatively lowhumidity and relatively low wind speed are conducive to the generation of ozonepollution. Research on the relationship between ozone and NOxand particulate matterfound that ozone and NOxare positively correlated, and particulate matter isnegatively correlated.
On the basis of VOCs monitoring data in the city, based on the maximumincrement coefficient of reactivity of ozone generation potential method to estimatethe conversion of VOCs generated O3ability, it is concluded that the average amountof ozone generation potential for VOCs 26.5 ug/m3, the amount of ozone generation potential olefin biggest (18.5 ug/m3), accounted for 70.1%, followed by alkane (5.2 ug/m3) and aromatic hydrocarbon (2.4 ug/m3), 19.8% and 10.1% respectively. Ingeneral, the potential of ozone formation is: olefin > alkane > aromatic hydrocarbon.
The EKMA equivalent curve is drawn, and it is determined that within the urban area,O3pollution is dominated by VOCs. In order to control ozone pollution, VOCsemission, especially olefin emission, should be mainly controlled. The orthogonalmatrix factor model (PMF) was used to analyze the source of VOCs pollution. Theresults showed that the contribution of oil and gas volatilization source, plantemission source, industrial production source, transportation source and solvent usesource were 23.2%, 10.0%, 50.6%, 5.7% and 10.5%.
On the basis of the above research, this paper reviewed a series of policies andstandards on the prevention and control of air pollutants in China, combined with theprevention and control of ozone pollution in the city in recent years, and put forwardsome suggestions on the control strategy of ozone pollution in cities in NortheastChina. First, we will carry out targeted emission reduction for industrial enterprisesand do a good job in the management of industrial parks and enterprise clusters.
Second, vigorously carry out the source substitution, deepen the technological reform;Three is to strengthen VOCs governance related laws and regulations publicity,organize enterprises to carry out their own monitoring of VOCs; Fourth, to promotethe implementation of more stringent atmospheric emission standards for coal-firedboilers; Five is the preparation of the Northeast China city heavy pollution weatherVOCs key industry emergency emission reduction measures.
Keywords : ozone pollution, influence factors, VOCs, ozone generation potential, sourceanalysis, control strategy。
第1章 绪论
1.1、研究背景与意义。
1.1.1、臭氧的性质。
臭氧（O3）是氧气（O2）的一种同素异性体，是存在于环境大气中一种重要的微量气体成分，常态下呈淡蓝色，并且具有特殊臭味，密度2.14g/L，熔点-192.7℃，沸点-111.9℃。臭氧从近地面到高空存在明显的垂直分布，绝大部分都处于平流层中，约占总体积的90%。臭氧浓度最高点位于离地面20千米左右，此时的臭氧形成了我们地球的保护伞——臭氧层，它能够吸收紫外辐射中的短波辐射，保护人类健康和生态系统的稳定。
臭氧的发现可以追溯到1785年，当时德国物理学家冯·马鲁姆[1]（Van Marum)实验时发现，当电流在空气中穿过时，就会产生一种难闻的味道，但他并未对这种发现进行深入的探索。直到1840年，荷兰的科学家舒贝因[2]（C.F.Schonbein)在做电解硫酸实验时，也闻到了一种带有特殊臭味的气体，同时，他还发现这种特殊的味道在雷雨天气闪电过后也会闻到，但是这种味道的气体之前并没有被发现，他意识到，这可能是一个新的发现。他把新发现的气体命名为“Ozone”，源自希腊文字“Ozein”，表示“难闻”的意思。
臭氧分子呈“V”型分子结构，三个原子在三角形三个顶点位置，分子结构极不稳定，常温常态下就可以分解为氧气。臭氧具有强氧化性，是自然界最强的氧化剂之一[3]。臭氧的氧化性是一把双刃剑，让我们“又爱又恨”：爱的方面体现在它具有氧化性与杀菌作用，实践证明，臭氧杀菌技术速度快、杀菌效果好，杀菌后无残留，并且没有二次污染。目前已经应用于水体和空气的净化；医疗用品和食品的消毒灭菌；食品加工、保鲜、运输与防霉以及工业生产等领域，我们生活中最常见的就是臭氧消毒杀菌技术的应用。恨的方面则体现在它的毒性与腐蚀性方面，不仅会影响人类健康与植物生长，还会腐蚀橡胶制品和建筑材料，给我们的生产生活带来了很大的危害。
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1.1.2、 臭氧污染形成及其危害.
1.1.3 、选题意义
1.2、国内外研究现状
1.2.1、 国外研究进展.
1.2.2、国内研究进展.
1.3、研究内容及技术路线
1.3.1、 研究内容
1.3.2 、技术路线
第2章 研究的方法和设 备 .
2.1、研究地域自然地理概况
2.2、监测站点选择.
2.3、监测数据分析.
2.4、选用的仪器设备
第3章 城市臭氧污染特 征及影响因素分析.
3.1、目标城市臭氧污染现状
3.2、臭 氧污染特征分析.
3.2.1、臭 氧污染日变化规
3.2.2、臭氧污染月变化规律.
3.3、臭氧污染与影响因素分析.
3.3.1、臭氧污染与气象条件的影响因素分析
3.3.2、臭氧污染与氮氧化物的影响因素分析
3.3.3、臭 氧污染与颗粒物的影响因素分析.
3.4、本章小结.
第4章 臭氧污染生成潜势研究及污染控制区分析.
4.1、臭氧生成潜势研究.
4.1.1、 VOCs 组分分析.
4.1.2、 臭氧生成潜势(OFP)计算方法
4.1.3、 臭氧生成潜势(OFP)结果分析.
4.1.4、烯烃对臭氧生成贡献分析
4.2、臭氧污染控制区分析.
4.3、本章小结
第5章 东北地区城市臭氧污染控制策略研究.
5.1、 VOCs 来源解析
5.2、臭氧污染控制策略研究.
5.2.1、我国大气污染物政策标准发展历程.
5.2.2、研究地域臭氧污染治理手段
5.2.3、东北地区城市臭氧污染控制策略建议
5.3、小结
第6章 总 结
本研究以东北地区某典型城市为研究对象，对该城市主城区10个监测点位的2018年1月至2019年12月连续两年的环境空气质量监测数据作以分析，获得了臭氧污染时空分布特征，同时分析了臭氧污染与气象因素、氮氧化物、颗粒物的相关性；在此基础上，计算了臭氧生成潜势，绘制了EKMA等值曲线，判断了臭氧污染控制区；利用正交矩阵因子模型(PMF)进行了VOCs的源解析工作，并根据该城市臭氧污染治理情况及解析结果，提出了东北地区城市臭氧污染控制策略，以期为我国城市臭氧污染防治工作提供了可行性建议。具体研究结论如下：
1. 通过研究发现，我国东北地区臭氧污染呈逐年加重趋势，在目标城市，2019年全年臭氧平均浓度比2013年增长了13.2%。全年中O3浓度的变化呈“单峰型”变化，臭氧污染夏季为最、春秋次之、冬季最末，24小时内O3污染浓度呈“单峰型”变化，峰值出现在下午15：00左右。
2. 通过研究气象因素、NOx、颗粒物等影响因素与臭氧污染的相关性，我们发现气象条件会对O3生成、传输和消散产生影响。总体上，较强的太阳辐射、较高的温度、相对较低的湿度以及较小的风速，有利于O3污染生成。全年中NOx浓度呈现冬季＞春季＞秋季＞夏季的规律，而在日小时时间尺度上，NOx的浓度趋向于“双峰型”变化趋势。O3浓度与NOx浓度呈正相关关系，相关性可用方程y=1.55x+21.74来表示，相关系数为R2=0.82。颗粒物可以影响阳光辐射通量、改变大气稳定性，影响臭氧及其前体的输送和扩散。O3与颗粒物浓度的月变化趋势大体上呈现负相关态势，相关性可以用方程y=126.86-0.70x，相关系数R2=0.49。
3. 通过对目标城市超级站的VOCs监测数据分析，在VOCs的所有组分中烷烃的占比最高，占总组分的73.9%，其次是烯烃占总组分的15.9%，芳香烃占总组分的10.2%。计算了臭氧生成潜势，得出VOCs的平均臭氧生成潜势量为26.5μg/m3，烯烃类的臭氧生成潜势量最大(18.5μg/m3)，占70.1%，其次是烷烃类(5.2μg/m3)和芳香烃类(2.4μg/m3)，分别占19.8%和10.1%。总体上臭氧生成潜势表现为：烯烃＞烷烃＞芳香烃。绘制了EKMA等值曲线，确定目标城市城区范围内，O3污染为VOCs主导控制。
4. 利用正交矩阵因子模型(PMF)对VOCs进行源解析，结果表明，来源中油气挥发源贡献23.2%，植物排放源贡献10.0%，工业生产源贡献50.6%，交通移动源贡献5.7%，溶剂使用源贡献10.5%。
5. 依据我国出台的一系列大气污染物防治方面的政策标准，结合目标城市近几年对臭氧污染的防治工作，提出了东北城市臭氧污染控制策略建议。一是开展行业企业精准减排，抓好产业园区和企业群管理；二是大力开展源头替代，深化工艺技术改革；三是加强政策法规宣传，营造自觉守法良好局面；四是推动燃煤锅炉执行更严格的大气排放标准；五是编制东北城市重污染天气VOCs重点行业应急减排措施。
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