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不只是丑闻:欧洲柴油机尾气污染令人堪忧

July 10, 2018 观点 Comments Off on 不只是丑闻:欧洲柴油机尾气污染令人堪忧

被烟雾笼罩的埃菲尔铁塔

欧洲半数以上的客运车采用柴油机。尽管欧盟数十年来一直限制机动车尾气排放,新型柴油汽 车在路面驾驶时的氮氧化物排放量依然远超当前的标准。专家表示,虽然减排或会增加汽车的 成本,但是这项措施能够并且应当实施。Image: © RooM the Agency/Alamy

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2015年9月德国大众汽车集团发表官方声明,该公司在美国出售的近50万台柴油汽车装有非法“减效装置”(defeat device)以躲避污染控制的法规。美国环境保护署(EPA)发现,某些大众车型仅在实验测试中符合联邦氮氧化物(NOx) 的排放标准。而根据个人驾驶习惯及路况,2.0升发动机NOx的实际排放量可超过美国标准70 mg/英里的40倍。同样,运动型多功能汽车及大型汽车的3.0升发动机的排放量是标准的9倍。此丑闻殃及至大众及其旗下的奥迪和保时捷在欧洲售的约1100万辆汽车。

非盈利组织“柴油技术论坛”(Diesel Technology Forum)的执行董事Allen Schaeffer表示,柴油汽车仅占美国汽车和皮卡数量的3%,有非法装置的车辆在所有汽车(包括柴油和天然气机动车)中所占比例不到半数。据丹佛大学(University of Denver)化学与生物化学系的助理研究员Gary Bishop称,从健康角度讲,作弊的大众小型车的排放所造成的影响很小,因为其数量很少。

相比之下,欧洲一半以上是柴油汽车。该丑闻将欧洲持续存在的NOx污染问题推到了风口浪尖上,而柴油尾气排放是欧洲城市空气质量下降的主要原因。要了解汽车尾气排放造成的潜在健康危害,必须首先了解柴油尾气中不同组分的健康风险。

顽固的NOx污染问题

柴油发动机产生的高浓度NOx是包括一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)在内的气体总成。环境浓度的NO对健康的影响较小。而NO2可造成多种健康危害,包括咳嗽、粘膜刺激反应及加重肺部疾病,如慢性阻塞性肺病和哮喘。

欧洲环境署(EEA)在2015年11月的报告表明,欧洲约8–12%的人口暴露于超过世界卫生组织标准(40 μg/m3)的NO2。靠近高速公路附近的NO2暴露浓度最高,其中柴油汽车尾气贡献了约80%的交通相关NOx排放。柴油尾气与其他空气污染物也有关联,包括NO2分子与O2在光照下相互作用形成的近地面臭氧(O3)和尾气中粒径在2.5 μm及以下的细颗粒物(PM2.5)。这些污染物可深入肺部,增加DNA损伤、心脏病发作及过早死亡的风险。

城市NO2暴露可造成可怕后果,造成欧洲大陆2012年约75000人过早死亡。同时,近地面浓度的O3和PM2.5可分别造成约17000和432000人过早死亡。除了由NO2和阳光的相互作用外,O3的产生来源还有许多,这与主要来源于柴油尾气的NO2有所不同。同样,PM2.5也可在农业、工业生产、供暖及其他过程中产生。

柴油动力车占乘用车比例

部分国家 1995 年(蓝色柱)和 2005 年(灰色柱)的柴油动力车占乘用车的比例(Adapted from EEA)

早期的柴油发动机由于缺乏降低PM排放的技术,尾气烟雾滚滚,减排技术从20世纪90年代起开始在欧洲和美国推广,可将PM排放量减少90%以上。这些先进的减排技术包括已知的清洁柴油技术,其中包括清洁燃料。Schaeffer表示,清洁柴油优化了减低排放、燃料燃烧效率及性能。与旧柴油汽车尾气的排放相比,减排技术处理后可明显减轻危害。

在减排技术出现前,动物实验已证实未经过滤的柴油机尾气具有致癌性;基于柴油机尾气暴露的卡车司机和矿工罹患肺癌的职业健康研究发现,2012年国际癌症研究组织(IARC)将柴油机尾气列为一级(即确认) 致致癌物。2015年发表的数项研究未观察到柴油机尾气暴露导致大鼠致癌的实验证据,这些研究中柴油机尾气的暴露浓度符合EPA于2007年和2010年颁布的更为严格的排放标准,这提示柴油机尾气可能会对人类造成较小的癌症风险。

此外,这些研究还发现了肿瘤以外异常表现,如在高暴露剂量下出现轻度肺部炎症反应、氧化应激、肺功能下降及组织学改变。作者们称,柴油机尾气导致的这些改变与既往研究中大鼠长期暴露于NO2后的表现一致。

PM与NO2的平衡

仅根据NOx测定来评估柴油机尾气排放对人类的健康风险颇具挑战性。这是因为欧盟和美国制定的NOx标准并未区分排放物中的NO和NO2。此外,使用不同的NOx排放控制系统,机动车尾气中的NO和NO2所占比例不同。

位于内华达州里诺市(Reno)的沙漠研究中心(Desert Research Institute)的教授S. Kent Hoekman表示,早期柴油机的NOx排放主要由NO控制。在20世纪90年代,为满足愈加严格的NOx标准而采用的催化排放控制系统改变了尾气NOx中的组成比例——升高了NO2的比例,特别是在发动机不能正常运行而限制了整体NOx排放时。Hoekman表示,多种系统可选择性地去除汽车尾气中的NOx,其中任何一个系统的故障都可导致更高的排放量。

与美国相同,欧盟的监管机构也依赖传统的实验室测试来评估柴油动车是否符合减排标准。然而,根据多个采访来源,欧盟监管机构和汽车制造商均承认,柴油车辆在实验室测试和实际道路上的排放量并不尽相同。国际应用系统分析研究所(International Institute for Applied Systems Analysis)的高级研究员Jens Borken-Kleefeld解释道,实验室测试的排放量和实际道路排放量之间具有一定的比例关系,因此通过实验室测试而采取的强制减排措施将相应地降低实际道路排放量,尽管二者的排放水平在绝对数量上并不相符。这种情况对于柴油和汽油机动车均是如此,他补充道。

“如果实际的驾驶和测试循环中的排放量能同时减少,这就让人相当满意了。”Borken-Kleefeld表示。“尽管测试循环中NOx的排放量自1992年以来已下降了80%,但柴油汽车在实际驾驶中NOx的排放量却在同期增加了20%。”他说,关键的问题是为什么道路交通的NOx排放量长期不能降低。

欧盟几十年来一直致力于限制汽车尾气排放,自1991年起就开始针对乘用车实施的欧1标准,到2014年起对轻型车及商用车实施欧6标准。Borken-Kleefeld表示,尽管PM的排放量伴随日益严格的标准而急剧下降,但实际的NOx排放量在欧6标准实施之前从未降低。即使现在,新型柴油汽车的NOx实际排放量也比现行标准80 mg/km高4–7倍,尽管符合欧5标准的柴油汽车的尾气排放量是其2倍,他如此说道。

在大众汽车“排放门”丑闻之后,欧盟各成员国(以及美国和其他国家的官员)承诺尽快将实验室尾气检测转移至实际道路排放检测,尽管重要的测试参数尚未完全敲定。欧盟的道路排放检测方案将在未来几年中逐步开展,而到2020年新型柴油汽车仍可排放略高于欧盟标准2倍的NOx,此后柴油车的排放量可能会比标准高出50%。Borken-Kleefeld表示,如果柴油汽车尾气排放控制在欧洲限值内,而其他来源(如卡车排放、发电厂及住宅供暖)的NOx也持续减少,那么欧盟能在2030年前彻底消除NO2超标现象。

欧洲现状

大众汽车的丑闻发生在欧洲城市空气污染成为头条新闻的一年。2015年3月中旬,英国、法国、西班牙、德国、意大利、波兰和立陶宛的城市被浓雾笼罩。据欧洲非营利性交通与环境部门负责清洁车辆及空气质量的官员Julia Poliscanova称,这些浓雾包括柴油机尾气及其他来源的排放废弃物,如农业有机化肥施用中产生的含氨颗粒物。此间,巴黎的空气污染最为严重,甚至高于北京和新德里。而总体上讲,意大利是欧洲大陆中空气污染最为严重的国家,2012年其PM2.5、O3和NO污染分别导致59500、21600和3300人过早死亡。然而,我们难以估计欧洲多少人数的过早死可归因于柴油尾气污染。根据EEA,尽管与柴油尾气污染相关的PM2.5、近地臭氧及NO2的浓度居高不下,但是欧洲的空气质量总体有所改善。如前所述,这些污染物有多个来源,它们对于空气污染的影响有赖于大气化学的复杂性。例如,柴油机尾气中的NO在排气管口与空气中的O3发生反应并使其分解,这使得O3在农村的浓度最高,而NO2在机动车辆密集的城市中心地带浓度最高。

在美国,来自麻省理工学院和哈佛大学的研究团队分析表明,大众柴油车造假引发的额外污染排放导致的空气污染可能会引发59人死亡。该研究作者将这些死亡中的87%归因于大气NO转化为硝酸铵颗粒时形成的PM2.5。而剩余13%归因于地面的O3而非NO2的影响。该研究作者也指出研究中使用的统计模型存在不确定性,还需进一步研究证实。

与此同时,欧盟各国的市政官方正在创建低排放区,限制老旧、可污染严重的柴油和汽油机动车进入市区某些区域。以德国创建的70多个低排放区为例,车辆挡风玻璃上贴有不同颜色的贴纸。老旧车辆贴红色贴纸限制出入市区,新型柴油和汽油机动车贴黄色和绿色贴纸,它们可进出低排放区。

巴黎和伦敦也在效仿此类做法。2015年9月27日,巴黎官方首次在30%的市区从上午11时至下午6时举办“无车日”。《卫报》(Guardian)引用一位居民的话道,“天空从未如此湛蓝。空中没有那一层雾霾真是大不相同。”

据Borken-Kleefeld称,低排放区迄今尚未有效降低NO2污染水平。这是因为几乎所有在欧6标准实施之前投放市场的新型柴油机动车的NO排放量并无改善。他预测,只有在未来10年内普及更低排放量的新型柴油汽车,或者汽油机动车数量超过柴油机动车时,NO超标的现象才会被遏制。

Poliscanova表示,减少乘用车的NO2排放会增加柴油机的技术成本。在小型细分市场更是如此,这将会提升清洁汽油混合动力车的吸引力。

Poliscanova同时认为,欧洲大部分地区的城市空气不利于人体健康,柴油机动车是主要原因。她表示,“我们并非呼吁终结柴油时代,但是未来必须开发清洁柴油技术。”

Charles W. Schmidt, 现居缅因州波特兰市,获奖科普作家,为《科学美国人》(Scientific American)、《科学》(Science)、《自然医学》(Nature Medicine)等出版物撰稿。

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译自EHP 124 (1): A19-A22 (2016)
翻译:杨 迪

*本文参考文献请浏览英文原文
原文链接
http://dx.doi.org/10.1289/ehp.124-A19