船舶大气污染物排放监视监测技术研究
常敬州+朱国金+陈浩
摘要：通过对现有研究成果的整理分析，了解我国船舶大气污染物排放情况，分析其时空排放特征；通过对法律法规和标准规范的梳理和总结，分析当前我国海事部门的执法权责和海事管理的业务需求，明确与海事执法监管相关的船舶大气污染监测范围和监测内容；基于船舶大气污染物排放特征与监督管理需求，提出满足我国需要的船舶污染监测多层指标体系。
关键词：大气 污染物 排放 监视监测
0 概述
船舶运输所带来的环境污染问题日益突出。船舶燃烧燃油排放出的气体对港口大气环境的威胁也不容小觑。据测算，2016年全国船舶二氧化硫排放量约占全国排放总量的8.4%，氮氧化物排放量占11.3%，表明船舶污染已成为我国许多港口城市和内河区域大气质量的主要污染源。在这种背景下，治理船舶污染已成为当务之急，而当前我国的船舶污染防治水平与面临的紧迫形势和防治压力不相适应，亟需开展对航行于我国水域船舶排放大气污染物进行监视监测工作。
针对船舶尾气中污染物的排放，国家环境保护部门也将出台船舶大气污染物排放控制标准。该标准的实施对控制船舶氮氧化物和颗粒物等污染物的排放具有重要意义。但该标准的实施效果如何保障，需要对船舶排放的污染物进行全面掌握和深入分析。因此，开展船舶大气污染物排放监视监测对于保障船舶污染物排放控制标准的有效实施具有重要作用。
1 船舶大气污染物排放特点分析
为分析我国的船舶大气污染物排放特征，本研究基于船舶自动识别系统（Automatic Identification System，简称AIS）数据、劳氏等船舶信息库数据等，利用动力法计算船舶大气污染物排放清单。研究结果显示，以东经102～126度、北纬12.6～41.6度为研究范围，2016年船舶排放的SO2约为110万吨/年、NOx约为229万吨/年、PM10约为16万吨/年、PM2.5约为14万吨/年，分别占全国污染物排放总量的2%、4%、0.6%和0.7%，详见表1-1。清单结果覆盖航行于我国海域的远洋船舶、沿海船舶，以及航行于长江等主要内河水域的内河船舶；覆盖船舶主机、辅机和锅炉等不同排放源；覆盖船舶在巡航、机动和停泊等不同活动状态的排放。
从时间分布规律来看，船舶大气污染物排放的时间不均匀性较大，每年4～5月和9～10月为船舶排放的高值时段，2月为低值时段。从空间分布规律来看，污染排放的空间分布与船舶活动的空间分布特征密切相关，各类污染物的空间分布特征基本一致，渤海水域和东南沿海水域的船舶排放强度较高，特别是长三角地区为全国船舶排放强度最高的区域（图1-1和图1-2）。从船型分布规律来看，在不考虑渔船和军事用途船舶的情况下，集装箱船的排放占比最高，约占船舶排放总量的50%，其次为散货船，超过20%，油轮约占10%，上述3种船型共占船舶排放总量的86%以上，各种主要船型的排放分布情况见图1-3。
2 船舶大气污染物排放监视监测需求
控制燃油质量是减排船舶排放硫氧化物和颗粒物的有效手段。在我国，对于内河船舶和江海直达船而言，应当遵守2015年修订的《大气污染防治法》中“第六十三条 内河和江海直达船舶应当使用符合标准的普通柴油”的要求。对于国内行驶的海船而言，根据《关于加强船舶燃油质量检测管理有关事项的通知》（海船舶﹝2012﹞527号）要求，内贸船用燃料油执行于2015年发布修订后的《船用燃料油》（GB/T17411-2015）。另外，进入我国领海的各国船舶均应当遵守2015年8月交通运输部发布的《珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶排放控制区实施方案》，在珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域分阶段实施船舶使用硫含量小于0.5%m/m燃油的要求。对于国际航行船舶而言，根据《关于加强船舶燃油质量检测管理有关事项的通知》（海船舶﹝2012﹞527号）要求，供国际航线的外贸用燃料油执行《石油产品—燃料（F类）-船用燃料油》（ISO8217最新版本）。若MARPOL公约附则VI及其修正案比上述标准更严格的，应当执行国际公约的要求。国际标准化组织于2010年表决通过了最新的《船用燃料规格》（ISO 8217-2010），以适应MARPOL公约附则VI修正案的新要求，我国《船用燃料油标准》（GB/T17411-2012）版本即是在该标准基础上制定的。国内外的法律法规和标准规范对各类船用燃油的品质均作出了严格的规定，并且随着社会对于环境保护的关注，部分品质参数也有了更高的标准。
控制船舶发动机性能是减排氮氧化物的重要手段。国际上，MARPOL公约附则VI中明确要求船舶NOx排放量至少降低至文件中所规定的极限值；当船舶位于排放控制区之内时，船舶所使用的引擎应符合特定要求。另外，《往复式内燃机排放测量》（ISO8178-4：1996）是世界多个国家普遍采用的船机测量方法标准，针对不同类型的船机规定了五种测试循环，但不涉及限值要求。在我国，中国船级社发布的《船用柴油机氮氧化物排放试验及检验指南》（GD01-2011）是依据2008年新修订的MARPOL公约附则VI及《船用柴油机氮氧化物排放控制技术规则》（MEPC.177（58）决议）修訂的检验标准，补充了直接测量和监测方法要求，修订了NOx排放标准、气体污染物排放量计算公式、台架试验条件等。环境保护部发布的《船舶压燃式发动机排气污染物排放限值及测量方法（中国第一、二阶段）》填补了我国船舶大气污染排放标准的空白，规定了船机排气污染物排放限值及测量方法，适用于内河船、沿海船、江海直达船和海峡（渡）船装用的第1类和第2类船机的型式核准、生产一致性检查和耐久性要求。
国际上现有船舶排放控制区对于硫氧化物和氮氧化物的控制要求如图2-1所示。
3 国内外排放监视监测技术应用现状
3.1 监视监测技术国外应用现状
美国、欧洲等发达国家和地区在船舶排放监测方面起步相对较早，美国和欧洲均设立了船舶排放控制区，在各自的排放控制区内开展了船舶大气污染物排放多方位监控研究，各国所采用的监测方案汇总见表3-1。
便捷式燃油快速检测在荷兰应用较为成熟，美国和瑞典等国也开始测试快速检测方法，试用效果较好。荷兰的船舶检察人员（即荷兰港口国监督官员）现正使用一种便携式快检设备来筛查船舶燃料的含硫量：当含硫量篩查结果高于0.1%时，需要进行燃油样品取样并送实验室分析其是否超过ECA标准；当含硫量筛查结果高于0.15%时，应当将船舶扣留。目前得到的快检结果和实验室分析结果基本一致。美国和瑞典的执法人员也开始测试此类便携式筛查设备。利用X射线荧光检测设备能够在5分钟内显示结果。美国环境保护署也利用这类设备在加油设施上筛查燃油样本。由于不同厂商生产的快检设备的精确度和可行度不同，还需要开展研究和测试选择应使用哪种仪器，并明确判定船舶违规的临界值。一套用于检测燃油含硫量的便携式X射线荧光检测仪的价格约为18 000 ～39 500美元。
各国普遍采用了嗅探技术和光学遥测技术，设备布放地点各有不同，将设备装载在陆上、桥梁等固定位置，或搭载在车辆、飞机等移动平台上均有实践。
3.2 监视监测技术国内应用现状
根据《船舶与港口污染防治专项行动实施方案（2015-2020年）》、《珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶排放控制区实施方案》等文件要求，海事管理部门需要对排放控制区水域内停泊、作业的船舶大气污染物排放进行监管。监测因子包括船用燃料油含硫量及尾气中SOx、NOx、颗粒物。
目前我国以船用燃油抽查和文书检查为主，执法监管制度也尚不完善。部分科研院所对可用于船舶大气污染物排放监测监管的技术方法进行了一定的研究，如嘉兴市港航管理局和上海海事大学共同研发了基于新型NOx和SOx光纤传感器的内河船舶尾气检测系统，香港城市大学研发了基于互联网加红外遥感技术的可移动式船舶排放监测系统，武汉理工大学研究了基于AIS/3G终端扩展方法的内河船舶污染物排放在线监控系统等，但这些技术多数仍停留在研究阶段，没有进行实际应用。我国尚缺乏系统化的满足船舶大气污染物排放现场监测技术体系，无法满足排放控制区等防治措施的管理需求。
4 我国排放控制区监视监测技术建议
从目前的研究结果来看，各类大气污染物排放监测技术在船舶上的应用总体较少，随着排放控制区管理需求的出现、公众对于船舶污染的关注，美国和欧洲已经开始了船舶排放监测的尝试，积累了一定的经验，我国的部分科研机构和监测设备企业也已经开始着手进行监测装备在船舶监管上的适用性改造，但与发达国家还有较大差距。
对于各类技术用于船舶排放监管，面临着一些共性的问题。首先是设备能否获得准确、可靠、稳定的监测数据，已经发现的限制因素是否能够通过设备的改进加以克服；其次是设备能否适应在港口或航道长时间运行，沿海沿江的高湿、高盐、强风环境对设备的影响有待实践检验；第三是因缺乏基础数据，设备检测数据与燃油含硫量之间的关系尚无法分析，因此如何为每类设备科学设计使用标准成为一个难题。
考虑到船舶大气污染物监测的特殊性，流动污染源、空间范围广、大气环境复杂、水汽含量大，监测技术应具备结果相对可靠、精度相对较高、覆盖面区域较大、操作相对简单、响应快速等特点，目前建议优先考虑激光雷达、紫外差分（主动式、被动式）、嗅探器（或微型空气站）、便携式多气体检测仪等装备。设备适用于不同的环境，也各有限制因素，如表4-1所示。
5 结论与展望
分析了我国船舶大气污染排放特征，梳理了当前船舶大气污染排放监管需求，提出了船舶排放监测指标体系；系统梳理国内外大气监视监测技术的研究和应用情况，对多种监测技术装备开展了船舶大气监测的实船测试，提出了我国船舶大气污染物排放监视监测技术的建议；借鉴国外排放控制区监管机制等其他污染源监管机制，提出加强我国排放控制区监管的制度建议。
国外船舶大气污染物监视监测技术（尤其是嗅探器和光学遥测技术）已在试点试用，国内现有监视监测技术应用于船舶大气污染物监测的研究尚处于起步阶段，亟须加快推进。
我国刚刚设立了排放控制区，积累的工作经验较少，排放控制区监管工作机制不成熟，监管手段、数据共享、协调执法等方面仍存在诸多问题。建议基于“初筛-精筛-确定”的逐级筛查模式，完善我国现有的排放控制区工作指南，建议从加大燃油抽检力度、加快新技术设备应用、尽快构建联网数据平台、加强执法人员培训和从业人员宣贯等方面推动监管机制的完善和落实。
参考文献：
[1] 国际海事组织.经修订的《防污公约》附则Ⅵ和 2010 年氮氧化物技术规则[Z].2010.
[2]李松梅，董耀华. 国内外船舶尾气处理技术研究现状及发展趋势[J]. 机械工程师，2013，5.
[3] CAMPOSTRINI R，et al.Sol-gel derived anatase TiO2 morphology
[4]张彦锋，沈天临，任国柱，等.国内外主流烟气处理技术及发展趋势 [J]辽宁城乡环境科学，2004，24（5）：53-56
[5]王明智.国内烟气脱硝技术的应用[J].沿海企业与科技，2011（2）：26-29.
[6]刘国光，丁雪军，张学治.光催化氧化技术的研究现状及发展趋势[J].环境污染治理技术与设备，2003，8（4）：65-69.
摘要：通过对现有研究成果的整理分析，了解我国船舶大气污染物排放情况，分析其时空排放特征；通过对法律法规和标准规范的梳理和总结，分析当前我国海事部门的执法权责和海事管理的业务需求，明确与海事执法监管相关的船舶大气污染监测范围和监测内容；基于船舶大气污染物排放特征与监督管理需求，提出满足我国需要的船舶污染监测多层指标体系。
关键词：大气 污染物 排放 监视监测
0 概述
船舶运输所带来的环境污染问题日益突出。船舶燃烧燃油排放出的气体对港口大气环境的威胁也不容小觑。据测算，2016年全国船舶二氧化硫排放量约占全国排放总量的8.4%，氮氧化物排放量占11.3%，表明船舶污染已成为我国许多港口城市和内河区域大气质量的主要污染源。在这种背景下，治理船舶污染已成为当务之急，而当前我国的船舶污染防治水平与面临的紧迫形势和防治压力不相适应，亟需开展对航行于我国水域船舶排放大气污染物进行监视监测工作。
针对船舶尾气中污染物的排放，国家环境保护部门也将出台船舶大气污染物排放控制标准。该标准的实施对控制船舶氮氧化物和颗粒物等污染物的排放具有重要意义。但该标准的实施效果如何保障，需要对船舶排放的污染物进行全面掌握和深入分析。因此，开展船舶大气污染物排放监视监测对于保障船舶污染物排放控制标准的有效实施具有重要作用。
1 船舶大气污染物排放特点分析
为分析我国的船舶大气污染物排放特征，本研究基于船舶自动识别系统（Automatic Identification System，简称AIS）数据、劳氏等船舶信息库数据等，利用动力法计算船舶大气污染物排放清单。研究结果显示，以东经102～126度、北纬12.6～41.6度为研究范围，2016年船舶排放的SO2约为110万吨/年、NOx约为229万吨/年、PM10约为16万吨/年、PM2.5约为14万吨/年，分别占全国污染物排放总量的2%、4%、0.6%和0.7%，详见表1-1。清单结果覆盖航行于我国海域的远洋船舶、沿海船舶，以及航行于长江等主要内河水域的内河船舶；覆盖船舶主机、辅机和锅炉等不同排放源；覆盖船舶在巡航、机动和停泊等不同活动状态的排放。
从时间分布规律来看，船舶大气污染物排放的时间不均匀性较大，每年4～5月和9～10月为船舶排放的高值时段，2月为低值时段。从空间分布规律来看，污染排放的空间分布与船舶活动的空间分布特征密切相关，各类污染物的空间分布特征基本一致，渤海水域和东南沿海水域的船舶排放强度较高，特别是长三角地区为全国船舶排放强度最高的区域（图1-1和图1-2）。从船型分布规律来看，在不考虑渔船和军事用途船舶的情况下，集装箱船的排放占比最高，约占船舶排放总量的50%，其次为散货船，超过20%，油轮约占10%，上述3种船型共占船舶排放总量的86%以上，各种主要船型的排放分布情况见图1-3。
2 船舶大气污染物排放监视监测需求
控制燃油质量是减排船舶排放硫氧化物和颗粒物的有效手段。在我国，对于内河船舶和江海直达船而言，应当遵守2015年修订的《大气污染防治法》中“第六十三条 内河和江海直达船舶应当使用符合标准的普通柴油”的要求。对于国内行驶的海船而言，根据《关于加强船舶燃油质量检测管理有关事项的通知》（海船舶﹝2012﹞527号）要求，内贸船用燃料油执行于2015年发布修订后的《船用燃料油》（GB/T17411-2015）。另外，进入我国领海的各国船舶均应当遵守2015年8月交通运输部发布的《珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶排放控制区实施方案》，在珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域分阶段实施船舶使用硫含量小于0.5%m/m燃油的要求。对于国际航行船舶而言，根据《关于加强船舶燃油质量检测管理有关事项的通知》（海船舶﹝2012﹞527号）要求，供国际航线的外贸用燃料油执行《石油产品—燃料（F类）-船用燃料油》（ISO8217最新版本）。若MARPOL公约附则VI及其修正案比上述标准更严格的，应当执行国际公约的要求。国际标准化组织于2010年表决通过了最新的《船用燃料规格》（ISO 8217-2010），以适应MARPOL公约附则VI修正案的新要求，我国《船用燃料油标准》（GB/T17411-2012）版本即是在该标准基础上制定的。国内外的法律法规和标准规范对各类船用燃油的品质均作出了严格的规定，并且随着社会对于环境保护的关注，部分品质参数也有了更高的标准。
控制船舶发动机性能是减排氮氧化物的重要手段。国际上，MARPOL公约附则VI中明确要求船舶NOx排放量至少降低至文件中所规定的极限值；当船舶位于排放控制区之内时，船舶所使用的引擎应符合特定要求。另外，《往复式内燃机排放测量》（ISO8178-4：1996）是世界多个国家普遍采用的船机测量方法标准，针对不同类型的船机规定了五种测试循环，但不涉及限值要求。在我国，中国船级社发布的《船用柴油机氮氧化物排放试验及检验指南》（GD01-2011）是依据2008年新修订的MARPOL公约附则VI及《船用柴油机氮氧化物排放控制技术规则》（MEPC.177（58）决议）修訂的检验标准，补充了直接测量和监测方法要求，修订了NOx排放标准、气体污染物排放量计算公式、台架试验条件等。环境保护部发布的《船舶压燃式发动机排气污染物排放限值及测量方法（中国第一、二阶段）》填补了我国船舶大气污染排放标准的空白，规定了船机排气污染物排放限值及测量方法，适用于内河船、沿海船、江海直达船和海峡（渡）船装用的第1类和第2类船机的型式核准、生产一致性检查和耐久性要求。
国际上现有船舶排放控制区对于硫氧化物和氮氧化物的控制要求如图2-1所示。
3 国内外排放监视监测技术应用现状
3.1 监视监测技术国外应用现状
美国、欧洲等发达国家和地区在船舶排放监测方面起步相对较早，美国和欧洲均设立了船舶排放控制区，在各自的排放控制区内开展了船舶大气污染物排放多方位监控研究，各国所采用的监测方案汇总见表3-1。
便捷式燃油快速检测在荷兰应用较为成熟，美国和瑞典等国也开始测试快速检测方法，试用效果较好。荷兰的船舶检察人员（即荷兰港口国监督官员）现正使用一种便携式快检设备来筛查船舶燃料的含硫量：当含硫量篩查结果高于0.1%时，需要进行燃油样品取样并送实验室分析其是否超过ECA标准；当含硫量筛查结果高于0.15%时，应当将船舶扣留。目前得到的快检结果和实验室分析结果基本一致。美国和瑞典的执法人员也开始测试此类便携式筛查设备。利用X射线荧光检测设备能够在5分钟内显示结果。美国环境保护署也利用这类设备在加油设施上筛查燃油样本。由于不同厂商生产的快检设备的精确度和可行度不同，还需要开展研究和测试选择应使用哪种仪器，并明确判定船舶违规的临界值。一套用于检测燃油含硫量的便携式X射线荧光检测仪的价格约为18 000 ～39 500美元。
各国普遍采用了嗅探技术和光学遥测技术，设备布放地点各有不同，将设备装载在陆上、桥梁等固定位置，或搭载在车辆、飞机等移动平台上均有实践。
3.2 监视监测技术国内应用现状
根据《船舶与港口污染防治专项行动实施方案（2015-2020年）》、《珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶排放控制区实施方案》等文件要求，海事管理部门需要对排放控制区水域内停泊、作业的船舶大气污染物排放进行监管。监测因子包括船用燃料油含硫量及尾气中SOx、NOx、颗粒物。
目前我国以船用燃油抽查和文书检查为主，执法监管制度也尚不完善。部分科研院所对可用于船舶大气污染物排放监测监管的技术方法进行了一定的研究，如嘉兴市港航管理局和上海海事大学共同研发了基于新型NOx和SOx光纤传感器的内河船舶尾气检测系统，香港城市大学研发了基于互联网加红外遥感技术的可移动式船舶排放监测系统，武汉理工大学研究了基于AIS/3G终端扩展方法的内河船舶污染物排放在线监控系统等，但这些技术多数仍停留在研究阶段，没有进行实际应用。我国尚缺乏系统化的满足船舶大气污染物排放现场监测技术体系，无法满足排放控制区等防治措施的管理需求。
4 我国排放控制区监视监测技术建议
从目前的研究结果来看，各类大气污染物排放监测技术在船舶上的应用总体较少，随着排放控制区管理需求的出现、公众对于船舶污染的关注，美国和欧洲已经开始了船舶排放监测的尝试，积累了一定的经验，我国的部分科研机构和监测设备企业也已经开始着手进行监测装备在船舶监管上的适用性改造，但与发达国家还有较大差距。
对于各类技术用于船舶排放监管，面临着一些共性的问题。首先是设备能否获得准确、可靠、稳定的监测数据，已经发现的限制因素是否能够通过设备的改进加以克服；其次是设备能否适应在港口或航道长时间运行，沿海沿江的高湿、高盐、强风环境对设备的影响有待实践检验；第三是因缺乏基础数据，设备检测数据与燃油含硫量之间的关系尚无法分析，因此如何为每类设备科学设计使用标准成为一个难题。
考虑到船舶大气污染物监测的特殊性，流动污染源、空间范围广、大气环境复杂、水汽含量大，监测技术应具备结果相对可靠、精度相对较高、覆盖面区域较大、操作相对简单、响应快速等特点，目前建议优先考虑激光雷达、紫外差分（主动式、被动式）、嗅探器（或微型空气站）、便携式多气体检测仪等装备。设备适用于不同的环境，也各有限制因素，如表4-1所示。
5 结论与展望
分析了我国船舶大气污染排放特征，梳理了当前船舶大气污染排放监管需求，提出了船舶排放监测指标体系；系统梳理国内外大气监视监测技术的研究和应用情况，对多种监测技术装备开展了船舶大气监测的实船测试，提出了我国船舶大气污染物排放监视监测技术的建议；借鉴国外排放控制区监管机制等其他污染源监管机制，提出加强我国排放控制区监管的制度建议。
国外船舶大气污染物监视监测技术（尤其是嗅探器和光学遥测技术）已在试点试用，国内现有监视监测技术应用于船舶大气污染物监测的研究尚处于起步阶段，亟须加快推进。
我国刚刚设立了排放控制区，积累的工作经验较少，排放控制区监管工作机制不成熟，监管手段、数据共享、协调执法等方面仍存在诸多问题。建议基于“初筛-精筛-确定”的逐级筛查模式，完善我国现有的排放控制区工作指南，建议从加大燃油抽检力度、加快新技术设备应用、尽快构建联网数据平台、加强执法人员培训和从业人员宣贯等方面推动监管机制的完善和落实。
参考文献：
[1] 国际海事组织.经修订的《防污公约》附则Ⅵ和 2010 年氮氧化物技术规则[Z].2010.
[2]李松梅，董耀华. 国内外船舶尾气处理技术研究现状及发展趋势[J]. 机械工程师，2013，5.
[3] CAMPOSTRINI R，et al.Sol-gel derived anatase TiO2 morphology
[4]张彦锋，沈天临，任国柱，等.国内外主流烟气处理技术及发展趋势 [J]辽宁城乡环境科学，2004，24（5）：53-56
[5]王明智.国内烟气脱硝技术的应用[J].沿海企业与科技，2011（2）：26-29.
[6]刘国光，丁雪军，张学治.光催化氧化技术的研究现状及发展趋势[J].环境污染治理技术与设备，2003，8（4）：65-69.
