热点研究 | 基于清洁空气效益，优化NOx和VOC协同减排策略

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研究背景

近年来，我国空气质量持续改善，但仍面临PM2.5和O3复合型污染的严峻问题，特别是京津冀及周边地区（“2+26”城市），空气污染问题尤为突出。VOC和NOx是生成二次PM2.5和O3的重要前体物，合理减排VOC和NOx有助于协同控制PM2.5和O3污染，持续改善空气质量。因此，亟需以实现我国空气质量达标、获得最大健康和生态环境效益为目标，开展相关研究，探索优化NOx和VOC协同减排策略。这同时还能为中国其他地区PM2.5和O3污染协同治理政策制定及优化提供参考。

研究方法

本研究建立了一套全新的综合评估系统，包含中国多尺度排放清单模型（MEIC）、全球挥发性有机物估算模型（MEGAN）、WRF-CMAQ模型，结合多项式函数的排放-浓度响应模型（pf-RSM）、最低成本优化模型和效益评估模型，建立“2+26”城市污染物前体物排放与浓度响应关系，并以该地区PM2.5和O3浓度在2035年达标为前提，计算VOC和NOx不同减排比例下的控制成本及获得的公众健康和生态环境效益，探索最优协同控制方案。

研究结论

01

NOx深度减排是实现"2+26"城市PM2.5和

O3达标的关键

为实现“2+26”城市PM2.5和O3浓度在2035年达标：

1）若仅削减NOx排放：到2035年，NOx排放量需较2017年减少81%（VOC/NOx减排比例为0:1），减排总成本为660亿元人民币；

2）若协同削减VOC和NOx排放：到2035年，VOC排放量较2017年减少80%；NOx排放较2017年需减少64%（VOC/NOx减排比例为1.25:1），减排总成本为1300亿元人民币（图1）。

由此分析得出，为实现2035年空气质量达标，较2017年，VOC减排80%可缓解一部分NOx减排压力，但减排成本额外增加96%。因此，NOx深度减排对于PM2.5和O3达标十分重要。

但在实际减排过程中，受可行性、经济性、地方适应性及落实可能性等因素影响，大比例减排NOx需要极长时间。因此，为实现空气质量全面达标，未来需考虑NOx和VOC协同减排策略。

图1. 2035年“2+26”城市PM2.5和O3达标时，NOx和VOC的减排需求及对应成本

02

实施快速的NOx和VOC减排可带来较大

公众健康和生态环境效益

研究发现，2035年PM2.5和O3浓度达标可通过分别削减75%和50%的NOx和VOC排放实现。并且实施积极快速的NOx和VOC协同控制措施可带来较大公众健康和生态环境效益。若2017年至2035年NOx减排速率保持7.4%不变，VOC减排速率越快，获得的减排效益越大（图2）。相比在18年内完成削减50%VOC排放的目标（较2017年），“2+26”城市若在5年内完成该VOC减排目标，将实现以下健康和生态效益：

1）PM2.5浓度额外降低2.8μg/m³，避免PM2.5污染暴露造成的早逝约31095例，带来价值约1630亿人民币的健康效益；

2）O3浓度额外降低13.8μg/m³，避免O3污染暴露造成的早逝约5879例，带来的健康效益价值约310亿人民币；避免24342千吨小麦（价值615亿元人民币）、4349千吨玉米（价值73亿元人民币）和291千吨大米（价值13亿人民币）的减产。

图2. 不同VOC减排路径下污染物浓度变化及相关效益。(a) VOC不同减排路径；（b, c）较18年内完成减排目标，VOC在5年、10年、15年内完成减排时PM2.5和O3浓度变化；（d）5年内到18年内完成VOC减排带来的效益

03

冬季需加强VOC和NOx协同减排，夏季

需更注重NOx减排

中国北方地区PM2.5污染问题全年均较为突出；O3污染具有季节性特征，夏季超标天数多。因此，需根据不同季节污染情况科学制定VOC和NOx减排策略。以回溯2017年北京市PM2.5和O3协同控制策略为例：

1）在冬季（1月），需加强NOx和VOC协同减排。研究发现，若VOC/NOx减排比例为0.87，可同时控制O3和PM2.5污染。若仅减排NOx，排放量较同期减少50%时，PM2.5浓度将上升6%；直到NOx排放量较同期减少80%，PM2.5浓度才随NOx减排而下降。

2）在夏季（7月），需更多注重NOx减排。北京地区O3和PM2.5生成处于NOx控制区。若VOC排放量接近零时，O3和PM2.5浓度仅降低26%和8%；若NOx排放量接近零时，O3和PM2.5浓度可降低51%和31%。因此，减排NOx对同时控制PM2.5和O3污染更为有效。

经过对“2+26”城市情况的进一步分析，得到与北京市类似结论：为同时控制PM2.5和O3污染，在较冷季节需协同减排VOC和NOx（VOC/NOx减排比例较大），而较暖季节需更注重NOx减排（VOC/NOx减排比例较小）。

值得注意的是，短期注重VOC减排和长期注重NOx减排对协同控制PM2.5和O3污染十分重要。随着NOx和VOC减排工作的深入，生成污染物的VOC控制区可能转变为NOx控制区。本研究计算了2017年“2+26”城市峰值比例（Peak Ratio，简称PR，是指在VOC排放基线下，污染物处于峰值浓度时的NOx减排比例），结果显示（图3）：

1）11-2月，污染防治工作以控制PM2.5污染为主。当NOx排放较同期减少超过36-53%时，VOC的减排对控制PM2.5污染的效果不如削减NOx排放；

2）5-9月，污染防治工作以控制O3污染为主。最大峰值比例（PR）为45%。随着NOx减排，O3生成将处于NOx控制区。

图3. （a）同时控制PM2.5和O3污染所需的VOC/NOx减排比例；（b）峰值比例变化（从VOC控制区变为NOx控制区，NOx所需的减排比例）

综上所述，为实现“2+26”城市空气质量全面达标，可采取“深度减排NOx，同时积极减排VOC”的策略，这将带来较大的公众健康及生态环境效益。此外，在不同季节可采取不同减排比例，冬季需加强VOC和NOx协同减排，夏季需更注重NOx减排。京津冀及周边地区基于清洁空气效益的NOx和VOC协同减排策略可为中国其他地区相关政策制定和优化提供参考。

文章

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原文标题：Optimization of a NOx and VOC Cooperative Control Strategy Based on Clean Air Benefits

发表期刊：Environmental Science & Technology

作者：Dian Ding, Jia Xing, Shuxiao Wang, Zhaoxin Dong, Fenfen Zhang, Shuchang Liu, and Jiming Hao

第一作者机构：State Key Joint Laboratory of Environmental Simulation and Pollution Control, School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 

Institute for Atmospheric and Earth System Research/Physics, Faculty of Science, University of Helsinki, 00014 Helsinki, Finland

发表时间：December, 2021

原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.1c04201

【CCAPP秘书处根据原文整理发布】

【图片来源：原文及网络】

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