汾渭平原某煤焦化工业园区环境中挥发性有机化合物（VOCs）的特征及重点控制物种

《Environmental Pollution》：Characteristics and Priority Control Species of Ambient VOCs in a Coal-Coking Industrial Park in the Fenwei Plain

　　摘要：工业园区是挥发性有机化合物（VOCs）的重要来源，这些化合物会促进臭氧（O3）和细颗粒物（PM2.5）的形成，并对人类健康构成吸入风险。然而，仅关注浓度或光化学反应性的控制策略很少能够同时改善空气质量和人类健康。本研究在中国汾渭平原的一个炼焦工业园区的核心生产区，在每天08:00至20:00进行了四次季节性的现场监测。研究开发了一种基于熵加权的综合优先指数（CPI），以整合大气影响和健康风险。总VOC（TVOC）的平均浓度为65.8 ± 40.2 ppbv，冬季达到峰值（113 ± 41 ppbv）。烷烃（25.9%）和烯烃（23.2%）在VOC混合物中占主导地位。日间采样时，TVOC浓度通常在早晨较高，而在下午较低。诊断比率表明苯全年都占主导地位；季节性的B/T（苯/甲苯）比分别为5.8、6.3、3.8和4.4，表明炼焦相关排放具有强烈且持续的影响。在夏季和秋季，平均臭氧形成潜力（OFP）值分别为420 μg/m3和330 μg/m3，主要由低碳烯烃驱动。在春季和冬季，芳香烃主导了二次有机气溶胶的形成潜力（SOAP）。丙烯醛是总非致癌风险的主要贡献者，而苯则是致癌风险和最大急性风险的主要贡献者。跨情景CPI分析确定苯、丙烯醛、甲苯、间/h-二甲苯、1,3-丁二烯和1,2-二氯乙烷是常见的优先控制物种。这些发现支持对炼焦工业园区采取综合VOC控制策略，以同时改善空气质量和保护人类健康。

引言：挥发性有机化合物（VOCs）是臭氧（O3）和二次有机气溶胶（SOA）的重要前体，在大气光化学过程中起着关键作用（Liu等人，2022a；Zheng等人，2021）。通过光化学氧化过程，VOCs促进ROx循环并增强臭氧生成。同时，它们产生低挥发性产物，这些产物凝结成颗粒物，形成SOA并加剧O3-PM2.5污染（Chen等人，2022b；Liu等人，2022b；Yan等人，2025）。某些VOCs对人类健康构成严重威胁。例如，长期暴露于致癌VOCs（如苯）与恶性肿瘤的风险增加有关（Rushton等人，2014；Xiong等人，2024）。此外，长期高浓度VOCs的暴露可能导致长期健康问题，如肺功能受损和内分泌紊乱（Bolden等人，2015；Nalini等人，2025）。此外，短期吸入VOCs可能对呼吸系统和神经系统产生不利影响（Madani等人，2023；Ran等人，2018）。因此，VOCs对环境质量和人类健康的重大影响在空气污染研究中受到了广泛关注。VOCs来源于人为和自然两种来源。人类活动（如 chemicals生产和车辆排放）以及持续的自然排放（Deschaseaux等人，2025；Li等人，2021a；Simayi等人，2022）都对VOC排放有显著贡献。在人为来源中，工业生产和相关过程排放是VOC排放的主要来源（Li等人，2021a）。2019年，中国的工业VOC排放总量达到15.72 Tg，其中化学工业和炼焦工业分别贡献了31%和13%（Simayi等人，2022）。化工园区（CIPs）以其高浓度的VOC排放而著称，这些排放物的生产过程多样、排放强度高且化学成分复杂。关于中国工业园区VOC排放的现有研究主要集中在长江三角洲（YRD）、珠江三角洲（PRD）和华北平原（NCP）等关键区域。这些地区主要容纳了新型化学材料、精细化学品和石化产品制造产业（He等人，2024；Sun等人，2024；Sun等人，2026；Zhang等人，2018）。一项针对YRD内142个化工园区的研究证实，新型化学材料产业是最普遍的工业部门，占总工业设施的75.35%。在该行业中，芳香烃是主要的VOC排放物，占行业总排放量的42.03%（He等人，2024）。此外，在华北平原的料化学工业园区（Sun等人，2026）和珠江三角洲的一个精细化学品工业园区（Sun等人，2024）中，烷烃是主要的VOC排放物，分别占总排放量的49.9%和31.2%。相比之下，汾渭平原（FWP）是中国重要的煤炭开采和加工中心，拥有大量的炼焦工业（Liu等人，2023；Peng等人，2023；Wang等人，2022）。在FWP的煤炭工业带核心城市太原，炼焦过程以及煤炭和生物质燃烧是当地VOC的主要来源，合计占当地VOC排放量的55.81%（Li等人，2020）。Wen等人（2024）的研究表明，炼焦排放增加了总VOC中烯烃和芳香烃的比例。这些发现表明，不同工业园区的产业结构差异导致了不同的VOC组成特征。值得注意的是，FWP由于其独特的山谷-盆地地形，大气扩散条件较差，污染物容易积聚。因此，该地区成为中国空气污染物排放的热点区域，并被列为国家空气污染预防和控制的重点区域（Lin等人，2023；Wei等人，2020）。尽管具有环境重要性，但针对FWP内炼焦工业园区VOC污染特征的研究仍然不足。为了精确控制污染，确定优先控制的VOC物种至关重要。大多数现有的优先排序方法依赖单一标准，包括浓度、二次污染形成潜力或健康风险。每种方法都有其用途，但单独使用时并不全面。基于浓度的排序可能会忽略单位健康负担高的低丰度物种。Zheng等人（2025）指出，大气污染物的单位质量细胞毒性在不同排放源之间可能相差两个数量级，建议控制目标应从减少总排放转向降低健康风险。基于二次污染形成潜力的排序可以有效支持二次污染的缓解，但可能会忽视形成潜力较低的有害化合物。例如，丙烯醛和氯仿的臭氧形成潜力较低（OFP），但具有显著的健康风险（Xiong等人，2022）。相反，健康风险排序不一定能识别出主要负责O3或SOA形成的VOC前体。此外，人为VOC（尤其是芳香烃）转化为潜在有毒二次产物的过程会随季节变化（Xiong等人，2025）。因此，基于单一指标或单一季节制定的优先列表在O3和PM2.5污染事件中缺乏稳健性。本研究采用的基于熵加权的综合优先指数（CPI）将大气影响与健康风险相结合，并考虑了缺失健康风险指标带来的偏差。该框架可以制定园区级别、特定情景和跨情景的VOC优先列表，有助于制定平衡二次污染缓解和健康风险降低的控制策略。

本研究在FWP一个典型炼焦工业园区的核心生产区的固定屋顶站点测量了四个季节的115种环境VOC物种，旨在表征其浓度和组成模式。使用最大增量反应性（MIR）和经验产率系数分别估计了臭氧形成潜力（OFP）和二次有机气溶胶形成潜力（SOAP）。此外，还采用了美国环境保护署（EPA）开发的健康风险框架来评估工人的季节性非致癌、致癌和急性职业暴露风险。然后使用熵加权的CPI制定污染情景优先列表，并根据环境和健康风险指标确定常见优先物种，为炼焦工业园区的协调VOC管理提供了科学依据。

采样地点：采样地点位于山西省太原市青徐经济开发区的一个典型现代炼焦工业园区内（37.58° N, 112.28° E）（图1）。该园区包括炼焦、先进化学材料和下游深加工产业，年焦炭生产能力约为1100万吨。采样点位于园区边界内的核心生产区，南部有两个大型炼焦厂。

VOC浓度特征：在观测期间，平均TVOC浓度为65.8 ± 40.2 ppbv。季节平均值分别为：春季44.0 ± 18.5 ppbv，夏季47.5 ± 16.0 ppbv，秋季56.4 ± 33.7 ppbv，冬季113 ± 41 ppbv（表S5）。与2024年4月至12月太原环境监测中心太原站的VOC监测数据相比，工业园区的混合比率约为城市值的1.5-5倍（春季32 ppbv，夏季...

结论：炼焦工业园区中的环境VOC显示出明显的季节性和昼夜变化性，以及富含苯的芳香特征，这与炼焦和燃烧活动的持续影响一致。低碳烯烃是臭氧形成潜力的主要驱动力，而芳香烃则主导了二次有机气溶胶的形成潜力。丙烯醛是非致癌风险的主要贡献者，而苯则主导了致癌和急性吸入风险。

作者贡献声明：
Fengxian Liu：软件、资源、资金获取。
Jing Ma：软件、资源、资金获取。
Yi Ning：写作——审稿与编辑、验证、监督、正式分析。
Yifei Chen：写作——审稿与编辑、初稿撰写、方法论、数据管理、概念化。
Ling Mu：资源、资金获取。
Huili Jin：数据管理。
Siyu Liang：调查、数据管理。
Yijie Bi：调查、数据管理。
Qian Zhang：调查、数据管理。

未引用的参考文献：Hersbach等人，2019。

作者同意声明：我们签署人声明本手稿是原创的，之前未发表，目前也没有其他地方考虑发表。我们理解通讯作者是编辑流程的唯一联系人，他负责与其他作者沟通进度、提交修订稿和最终批准校样。

利益冲突声明：作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢：作者衷心感谢山西省重点研发计划（202402020101002）、山西省科技合作项目（202504041101044）、山西省基础研究计划（202403021221042）以及中央政府地方科技发展指导基金（YDZJSX2025C008）的财政支持。

作者信息：
Yifei Chen | Yi Ning | Jing Ma | Fengxian Liu | Ling Mu | Siyu Liang | Huili Jin | Qian Zhang | Yijie Bi
山西理工大学环境与生态学院，复杂空气污染控制与碳减排山西省重点实验室，中国太原市030024