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室内颗粒物污染及相关控制技术研究
时间:2019-11-21   作者:邓高峰 王志勇 杨   来源:中国建筑科学研究院 北京化工大学


摘  要  在PM2.5的阴霾越来越被公众所关注的社会背景下,文章介绍了有关室内颗粒物的各种定义、物理特性及室内空气中颗粒物来源;分别从呼吸系统、血液循环系统、免疫系统和致突变致癌四个方面,重点阐述了颗粒物对人体健康:;列举了国内外关于室内空气中颗粒物的相关标准和浓度要求;最后对室内空气中颗粒物污染的各项有效控制技术做了系统综述,并探讨了室内空气颗粒物净化技术的发展趋势。

关键词  颗粒物;污染;控制技术;标准

 

引言

20世纪50年代发生在英国首都伦敦的烟雾事件,引起了人们对城市大气颗粒物的关注。由于颗粒物对人体健康所造成的:,促进了科学界对颗粒物的物理特征和化学特性的研究。近年来,随着生活水平的不断提高,人们对自身健康的关注程度也越来越高,对生活环境的要求已不仅仅局限于温度、湿度等要求,还越来越关注与室内挥发性有机物、颗粒物等密切相关的室内空气质量(Indoor Air Quality,简称IAQ)。IAQ问题已成为近年来国际性的热点问题和重要课题,了解室内空气状况,认识室内颗粒物的来源、:,可以针对性地提出一些控制措施和技术手段,为营造一个高质量的舒适的室内环境提供科学依据。

1         室内颗粒物

1.1   室内颗粒物的定义

与室外大气颗粒物定义一样,室内空气中的颗粒物主要是指悬浮在室内空气中的固体颗粒与液体的混合物。其中固体颗粒主要指灰尘、可吸入颗粒物[1,2]、微生物细胞、植物花粉等。

通常用空气动力学直径(da)来表示颗粒物的大小,其粒径范围为0.005~100?m。根据颗粒物粒径可分为总悬浮颗粒物(TSP)da100?m;可吸入颗粒物(IP,又称PM10)da10?m和细颗粒物(PM2.5)da2.5?m。

1.2室内颗粒物的来源

室内环境中的颗粒物从来源上主要可以分为室外来源和室内发生源,两者共同作用决定了室内空气中颗粒物的浓度和组成。(见表1

1 室内颗粒物粒径范围(?m)及来源[3]

染源

粒径范围

主要粒径范围

污染物质

主要污染途径

植物

0.1~750

10~100

花粉、孢子、霉、植物加工粉末等

随空气人体带入或滋生于室内及空调系统中

动物

0~300

10左右

螨类、头发、皮屑等

微生物

0~100

2.0~8.2

细菌、真菌、病菌等

矿物质

0~2000

10~100

石棉矿尘泥土飞灰化纤碳粉金属粉尘滑石粉爽身粉化装扑粉等

拆建建筑、生产操作、个人活动

燃料

0~1000

0.1~10

煤木材石油天然气烟草垃圾香烹调等燃烧产物

烹调、取暖、焚烧

香烟

0.25~5.0

0.25~1.0

烟碱(尼古。、苯并(a 芘(Bap)、PAHs

吸烟

辐射

0~0.1

0~0.1

放射性金属尘粘附在颗粒物上的放射性气体及家用电器的电磁辐射等

使用电器和放射性建材

1.2.1室外来源[4]

室外的主要污染源[5]有天然来源如室外大气中粉尘[6],通过窗隙、天花板、门缝等进人室内。尤其是在自然通风的状态下,直接决定着室内空气中颗粒物的浓度与分布状况。如工业排放、机动车尾气、煤燃烧、建筑工地和地面扬尘、发电厂、农村的秸秆燃烧等。室外空气的渗入,包括机动车尾气[7] ,是室内颗粒物的主要来源[8]。尤其是机动车辆燃烧的尾气对细颗粒有很大的贡献。

1.2.2 室内来源

除了室外颗粒物的影响之外,室内还存在着各种类型的颗粒发生源。吸烟、做饭、供暖等燃烧过程是最主要的室内颗粒发生源,如煤、液化石油气、煤气、天然气及生物性燃料的燃烧过程都可在室内产生多种类型的颗粒物,另外,装饰材料和新家具的气味挥发,人们的室内活动和使用各类电子设备(如复印机、打印机等)也会造成的室内空气中颗粒物的增加,特别是大粒径的颗粒的污染程度。此外,室内环境中有7%-26%的颗粒物不能解释其来源[9]。

室内颗粒物的:

颗粒物对人体的影响,取决于其浓度、化学特性、生物学特性、粒径大小和溶解性。从室内颗粒物的来源来看,颗粒物的直径约在0.01100?m[10] 从图1中我们可以看到不同粒径的可吸入颗粒物滞留在呼吸道不同部位,导致不同程度的呼吸道疾病,它包括:(1)粒径530?m的颗粒物多滞留于鼻咽部;(2)15?m的颗粒物多滞留于气管、支气管、细支气管。颗粒物越小,进入的部位越深;(3)1?m以下的颗粒物在肺泡里沉积率最高;(4)小于0.4?m的颗粒物能较自由地进入肺泡并可随呼吸排出,在肺内沉积较少。

                                              QQ图片20150129143449.png     

颗粒物在人体的沉积作用

颗粒物对人体健康的:χ饕幸韵录父龇矫:

2.1对呼吸系统的影响

微粒上附着的许多有害物质,进入呼吸系统后,通过本身的机械刺激作用及化学有害成分(如重金属、PAHs)的作用,引起肺组织炎症反应,并使细胞分泌各种活性成分和细胞因子,进一步活化免疫细胞,这些过程又进一步加剧了炎症反应的发生和发展,同时,也会造成肺组织的增生、纤维化。

2.2对心血管系统的影响

颗粒物主要通过两个因素作用于心血管系统,一方面颗粒物进入血液系统,直接改变血液的生化成分,造成上皮细胞的损伤,引起凝血级联反应,同时增加机体产生促进动脉粥样硬化发生的物质;另一方面颗粒物通过神经系统间接作用于心血管系统;另外,颗粒物的理化性质对心血管疾病的发生也有影响,质量相同而成分不同的颗粒物的作用不同,颗粒物中某些金属被认为是造成心血管系统:Φ闹匾煞。

2.3对免疫系统影响

长时间暴露于颗粒物,其本身附着的有毒成分或与肺部相互作用过程中产生的各种生物因子均会对肺部的正常防御机制产生影响,从而导致肺部炎症扩大,清除能力以及抵抗能力下降,使肺部容易遭受损伤或感染,另外由于颗粒物通过各种途径可以进入血液循环系统,从而对全身免疫系统产生潜在影响。免疫系统的损伤可以使机体对感染和伤害的抵抗能力减弱,正常的免疫反应下降,甚至不能对恶性转化细胞进行有效识别,并失去对肺部肿瘤进行免疫监视的能力。因此颗粒物对免疫系统的损伤和对机体的影响是多效应的。

2.4致突变、致癌性

长期接触颗粒物可引起生物体细胞遗传物质发生改变,具有一定的致突变作用。颗粒物内含有各种直接致突变物和间接致突变物,可以损害遗传物质和干扰细胞正常分裂,同时破坏机体的免疫监视而引起癌症。研究表明,肺部的发病率和死亡率的上升与长期吸入颗粒物有关。

2.5其他影响

颗粒物有一定的生殖毒性,可以在妊娠早期对胎儿产生致毒效应,带有铅的小颗粒物在肺内沉积后极易进入血液系统,大部分与红细胞结合,小部分形成铅的磷酸盐和甘油磷酸盐,然后进入肝、肾、肺和脑,几周后进入骨内,导致高级神经系统紊乱和器官调解失能,表现为头疼、头晕、磕睡和狂躁严重的中毒性脑病[11]。

2 室内颗粒物浓度对人体的影响

浓度,mg/m3

影响

备考

0.0250.05

背景浓度

 

 

0.1mg/m3会导致死亡率增加

0.0750.1

多数人认为满意的程度

0.10.14

视程减少

0.150.2

多数人有污浊感

0.2以上

多数人感到非常污浊

3室内颗粒物的控制

3.1颗粒物污染控制标准

环境空气质量标准是洁净空气的合法定义。目前世界各国室内空气颗粒物标准(表3)不一,但大多依据本国的实际情况制定或推荐使用相应的标准。我国对室内空气颗粒物的标准主要有《室内空气质量卫生规范》和《室内空气质量标准》。随着对细颗粒物(PM2.5)[12]认识的逐渐加深,世界各国都也在增加制定PM2.5的相应内容。

3 世界各国室内空气颗粒物标准[13]

国家

标准

时间

发布机构

颗粒物标准

美国

American Society of Heating,

Refrigerating and Air-Conditioning Engineers ASHRAE   Standard 62-2001

2001

EPA

PM10年均值≤50?g/m3,24小时均值≤150?g/m3;PM2.5年均值≤15?g/m3,24小时均值≤65?g/m3

加拿大

Indoor Air Quality in Buildings:

A Technical Guide

1995

Federal-Provincial    Advisory

Committee

PM10年均值≤50?g/m3,24小时均值≤150?g/m3

欧洲

Guidelines for Air Quality(2nd edition)

2000

WHO

PM10 24小时均值≤90?g/m3

中国

香港

办公室及公众场所的室内空气质素(Hong Kong Interim Indoor Air Quality Guidelines

2003-09

环境;な

PM10 8小时均值≤180?g/m3(良好级)≤20?g/m3(卓越级)

中国

《室内空气质量卫生规范》

2001-09

中国预防医学学院

PM10日均值≤0.15mg/m3

《室内空气质量标准》GB/T 18883-2002

2002-11

国家质量监督检验检疫总局、卫生部、国家环保总局

可吸入颗粒物PM10日均值≤0.15mg/m3


《民用建筑工程室内环境污染控制规范》[14]GB 50325-2010

2010-08

住房和城乡建设部

PM10年均值≤70?g/m3,24小时均值≤150?g/m3;PM2.5年均值≤35?g/m3,24小时均值≤75?g/m3(二级)


《环境空气质量标准》15]

GB 3095-2012

2012-02

国家环保总部

3.2室内空气质量控制技术[16]

3.2.1消除污染源

从选择材料、设备、装置等方面来控制室内污染;消除控制室内污染源无疑是提高室内空气品质的最好方法之一。比如,注重建筑材料的使用,减少吸烟和室内燃烧过程,减少各种气雾剂、化妆品的使用等。虽说从源头上控制空气污染是改善室内空气品质的根本途径,但这涉及到众多学科综合治理的问题,是一个长期的过程。

3.2.2新风稀释

    用新风稀释是改善室内空气品质最常用的方法。但随着大气污染问题的同益严重,往往新风本身所含空气污染物浓度就很高;且过多的新风量会导致空调系统的能耗非常大,自70年代以来,出于节能的考虑,建筑物加强了封闭性,并减少了空调的入室新风量。因此,利用新风稀释一方而须保证新风品质;另一方必须保证适度的新风量,而在新风量受限制的情况下,合适的通风方式和气流组织关系到能否有效去除污染、提高新鲜空气的利用程度。在这些方面,很多学者进行了相关的研究。

3.2.3使用净化设备

随着人们生活水平的提高,民用建筑进行居室装修的现象越来越普遍,人们对装修的要求也随之提高。与之相反的“现代化”的漂亮房屋越来越趋于“密闭化”,随之带来的“换气不足”、“室内污染”等问题日趋严重。改善室内空气品质可以通过加大新风量和设置空气净化设备[17-19]实现。加大新风量虽然可以降低室内污染物浓度,但会增加空调系统的负荷,不符合节能的思路。另外,城市中室外空气易受汽车尾气和工业废气的影响,若新风处理不当,也会给室内带来新的污染。因此,室内空气净化器市场越来越受到人们的关注。

目前颗粒物去除技术主要有过滤式净化方法、静电除尘和非热放电方法等[20-22]。过滤式对细小颗粒物收集效果好但风阻大,为了获得高的净化效率,滤芯需要定期更换;静电除尘对粒径较小的可吸入颗粒物捕集效率低。相对来说非热放电具有较高的捕集效果,同时兼具静电除尘低风阻的优点。以上几种颗粒物去除技术的机理如下:

1)过滤式净化方法

机械式空气净化[23]采用多孔性过滤材料如无纺布、滤纸和纤维材料等,依靠撞击、拦截、扩散等机理把气流中的颗粒物截留下来,使空气净化。它主要由过滤集尘装置和送风机等部件构成;凳娇掌换鞯某拘嗜【鲇诠瞬牧、集尘装置的结构和风机功率。其中,拦截效应:小而轻的灰尘粒子绕过纤维时,离纤维表面太近的灰尘就会被拦截下来;惯性效应:气流绕过纤维时,惯性大的粒子来不及绕过而直接撞到纤维上;扩散效应:小于1?m的粒子因空气分子撞击做无规则“布朗扩散运动”,若撞在过滤器纤维上就被捕获;重力效应:大于5?m微粒通过纤维层时,因重力沉降而沉积在纤维上;静电效应:利用静电作用吸附粒子。粒子越小,吸附作用越明显。一般的机械式空气净化器均有一定的净化效率。它不但对低浓度的污染物有较好的吸附效果,而且有运行时间长,容尘量高,使用寿命长等特点,但是该净化器对室内空气中的异臭异味、微生物以及VOC的去除效果不明显,随着各种特殊功能过滤器如活性炭过滤器[24]、杀菌型过滤器[25]、纳米新型过滤器[26]等的应用,效果有所提高。前几年,市场上出现的高效过滤器(HEPA),它能对0.3?m以上的微粒实现99.97%的拦截效率,是目前世界上公认的较好的空气净化滤材,但其原理也仍然是机械过滤。目前,单纯采用机械方法的净化器已经退出市场。

2)静电除尘

静电除尘[27]是利用带电颗粒物在电场中受到静电力的作用从气流中得到分离的一种方法。严格地讲,“静电”二字并不确切,因为荷电颗:推謇胱釉诘绯≈醒氐缌ο叻较蛟硕岵⑿〉牡缌,因此,并不是真正严格意义上的静电。与工业静电除尘器最大区别是只采用正电晕放电。但通常总把高电压低电流的现象都包括在静电范围内,因此很多场合下也把这种净化方式称为静电净化。静电除尘的四个基本阶段组成:电晕放电、粒子荷电、荷电粒子的捕集和清除所捕集的尘粒。

3)非热放电方法

非热放电捕集室内颗粒污染物的工作原理与静电除尘类似,其工作原理大致可分为以下三个阶段:

a.粒子荷电:在放电极与集尘极之间施加直流高电压,使放电发生电晕放电,气体电离,生成自由电子和正离子。在放电极附近的所谓电晕区内正离子立即被电晕极(假定带负电)吸引过去而失去电荷。自由电子和随后形成的负离子则因受电场力的驱使向集尘极(正极)移动,并充满到两级间的绝大部分空间:酒魍ü绯Э占涫,自由电子、负离子与粉尘碰撞并附着其上,便实现了粒子的荷电。

b.荷电粒子运动和捕集:荷电粒子在电场中受库伦力的作用被驱往集尘极,经过一定时间后达到集尘极表面,放出所带电荷而沉集其上。

c.沉积清除:从集尘极清除已沉积的粉尘,主要目的是防止粉尘重新进入气流,影响净化器的除尘效果。

在非热放电净化空气方面,日本起步较早并进行了许多有意义的相关研究[28]。用针状对网状电极交流电晕放电去除空气中的颗粒物和有害化学成分。利用电晕放电荷电颗粒物[29],用针电极荷电管状电极集尘以减少风阻提高净化效果。总结了空气净化技术发展趋势是静电除尘和非热等离子体技术的结合[30]。

4 国内外研究进展

1997Kaiser[31]在《Science》上发表的“决战洁净空气科学”一文,称“工业界和环境领域研究者正致