石家莊市PM2.5工業(yè)源成分譜的建立及分析

齊　堃，戴春嶺，馮　媛，楊麗麗

(石家莊市環(huán)境監(jiān)測中心，河北石家莊　050022)

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石家莊市PM2.5工業(yè)源成分譜的建立及分析

齊堃，戴春嶺，馮媛，楊麗麗

(石家莊市環(huán)境監(jiān)測中心，河北石家莊050022)

摘要：石家莊大氣污染嚴(yán)重，尤其是PM2.5濃度經(jīng)常居高不下。為更加有效地降低PM2.5的濃度，需要對(duì)石家莊市PM2.5的來源進(jìn)行精確解析。為了更加精確地進(jìn)行源解析工作，需要以本地排放源的成分譜作為輸入?yún)?shù)，目前關(guān)于石家莊市PM2.5工業(yè)源譜的研究還未見有文獻(xiàn)報(bào)道。選取石家莊市具有代表性的若干工業(yè)，借助各種先進(jìn)分析測試手段，深入細(xì)致地分析了石家莊市PM2.5的工業(yè)源譜，對(duì)于研究石家莊市PM2.5源解析具有很大的參考價(jià)值。研究發(fā)現(xiàn)：電力行業(yè)源譜中的Al可作為電力行業(yè)燃煤源標(biāo)志性化學(xué)組分，且含量高于其他城市數(shù)據(jù)，是石家莊市電力行業(yè)源譜的顯著特點(diǎn)；在鋼鐵行業(yè)源譜中，F(xiàn)e和Ca的含量明顯區(qū)別于電力行業(yè)源譜，可作為石家莊市鋼鐵行業(yè)源譜的標(biāo)志性化學(xué)組分。

關(guān)鍵詞：區(qū)域環(huán)境學(xué)；石家莊市； PM2.5；工業(yè)源譜；化學(xué)質(zhì)量平衡模型

E-mail:xinbu12@163.com

齊堃，戴春嶺，馮媛，等.石家莊市PM2.5工業(yè)源成分譜的建立及分析 [J].河北工業(yè)科技,2015,32(1):78-84.

QI Kun, DAI Chunling, FENG Yuan,et al.Establishment and analysis of PM2.5industrial source profiles in Shijiazhuang City[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2015,32(1):78-84.

根據(jù)現(xiàn)行的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)，PM2.5已經(jīng)作為常規(guī)的監(jiān)測項(xiàng)目由相關(guān)部門向社會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)布其監(jiān)測數(shù)據(jù)，但進(jìn)一步制定有針對(duì)性的法律法規(guī)，實(shí)施具體的治理措施，就需要弄清PM2.5的污染來源及其貢獻(xiàn)。源解析技術(shù)是指對(duì)大氣顆粒物的來源進(jìn)行定性或定量研究的技術(shù)。石家莊市開展的PM2.5源解析工作所使用的是受體模型中的化學(xué)質(zhì)量平衡模型(CMB)，該模型需要本地排放源的成分譜作為基本輸入?yún)?shù)。排放源的成分譜就是排放源中各種化學(xué)組分的含量，不同排放源成分譜的差異是應(yīng)用CMB進(jìn)行源解析的基礎(chǔ)。目前，中國PM2.5的源解析工作還處于起步階段，本土源譜數(shù)量較少，且研究分布地區(qū)較為有限[1-6]。若在源解析工作中借鑒外來源譜，由于地域和建立方法的差異，即便是相同源類也存在很大的不同，簡單借鑒使用會(huì)對(duì)源解析結(jié)果的準(zhǔn)確性造成影響。因此，建立并完善本地源譜是源解析工作的迫切需求。

石家莊市處于京津冀地區(qū)，是中國大氣污染較為嚴(yán)重的地區(qū)，因此開展PM2.5源解析工作具有很強(qiáng)的代表性，而工業(yè)源譜是源解析工作中的重要一環(huán)。目前中國源解析工作使用的采樣及分析方法尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不同的工況條件和燃料成分也會(huì)對(duì)最終結(jié)果造成影響，不同研究機(jī)構(gòu)所建立的源譜結(jié)果存在一定差異，工業(yè)源譜的建立工作是一項(xiàng)不確定性和難度均較高的研究工作[7-14]。筆者通過研究，建立了石家莊市包括電力行業(yè)和鋼鐵行業(yè)的工業(yè)源譜，分析了源譜的行業(yè)特征，并與國內(nèi)外其他城市的源譜進(jìn)行了比對(duì)，找出了石家莊市同類源譜的特點(diǎn)，為進(jìn)一步深入開展石家莊市PM2.5研究工作奠定了基礎(chǔ)。

1研究方法

1.1　排放源選擇及樣品采集

通過深入調(diào)查石家莊市的自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、能源結(jié)構(gòu)、城市建設(shè)、工業(yè)現(xiàn)狀及對(duì)2009年—2013年大氣環(huán)境質(zhì)量和污染問題進(jìn)行分析，確定工業(yè)源為石家莊市PM2.5的主要污染源之一。根據(jù)石家莊污染源普查及2009年—2013年污染源監(jiān)控監(jiān)測情況，選取主要的工業(yè)源包括電力行業(yè)7家企業(yè)、鋼鐵行業(yè)2家企業(yè)，結(jié)合具體情況確定采樣點(diǎn)位，詳細(xì)情況見表1。樣品采集時(shí)根據(jù)濾膜本身的特性和采樣后用于化學(xué)分析的需要來確定濾膜材質(zhì)，本課題使用直徑47 mm的2種膜，分別為聚丙烯濾膜和石英濾膜。

表1　采樣點(diǎn)位具體信息

1.2　樣品分析

濾膜樣品采用十萬分之一的天平(Mettler Toledo XS105型)進(jìn)行質(zhì)量稱重，采用離子色譜儀(Dionex ICS-2000離子色譜儀，Dionex 600離子色譜儀)進(jìn)行水溶性離子分析，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Agilent 7700X型)進(jìn)行元素分析。石英濾膜樣品采用碳分析儀(美國沙漠研究所DRI2001A型熱/光碳分析儀)進(jìn)行EC/OC分析。具體分析組分見表2。

表2　樣品組分分析

1.3　質(zhì)量保證和質(zhì)量控制

采樣前石英濾膜經(jīng)過馬弗爐高溫灼燒，以去除濾膜上吸附的有機(jī)物。采樣過程中確保工業(yè)設(shè)備處于正常穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)。樣品采集完畢后，濾膜均由單獨(dú)膜盒盛放，石英濾膜由鋁箔紙包好再放入膜盒內(nèi)。聚丙烯濾膜稱重后，于22 ℃恒溫條件放入干燥器中保存；將石英濾膜稱重后，于4 ℃冷藏避光保存。組分分析的標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸系數(shù)R為20.99，加標(biāo)回收率大于85%。

2結(jié)果與討論

2.1　石家莊市工業(yè)源中電力行業(yè)的源譜特征及比對(duì)

石家莊市電力行業(yè)7家企業(yè)的源譜特征見圖1。

2.2　石家莊市工業(yè)源中鋼鐵行業(yè)的源譜特征及比對(duì)

2.3　石家莊市工業(yè)源中電力行業(yè)和鋼鐵行業(yè)的源譜比對(duì)

對(duì)比石家莊市工業(yè)源電力行業(yè)和鋼鐵行業(yè)PM2.5中化學(xué)組分的含量，可以看出2個(gè)行業(yè)的源譜有非常明顯的區(qū)別，詳細(xì)情況見表3。在高含量化學(xué)組分中，電力行業(yè)中Al的含量明顯高于鋼鐵行業(yè)中的Al含量。Al是能區(qū)別煤煙塵與其他源類的重要組分，是煤煙塵的標(biāo)志元素。而鋼鐵行業(yè)中，F(xiàn)e和Ca的含量則明顯比電力行業(yè)高。在鋼鐵行業(yè)中Fe的含量最高。對(duì)比電力行業(yè)，在列表中多出Mg，Mn，Zn這3種化學(xué)組分，與其工藝過程中使用廢鐵和鐵水有關(guān)；Ca的含量較高，與其均采用石膏法脫硫有關(guān)；OC的含量也較高，與其工藝過程中的添加劑有關(guān)。

圖1　石家莊市電力行業(yè)源譜特征Fig.1　Electric power industry source spectrum of Shijiazhuang City

圖2　石家莊市鋼鐵行業(yè)源譜特征Fig.2　Iron and steel industry source spectrum of Shijiazhuang City

分析全部化學(xué)組分占PM2.5的含量，7家電力企業(yè)分別為45.40%，45.91%，46.30%，45.51%，42.41%，46.14%和41.01%，均值為44.67%；而5家鋼鐵企業(yè)則為63.90%，56.45%，64.92%，66.70%和55.27%，均值為61.45%。其中電力行業(yè)源譜解釋普遍偏低，可能是由于電廠特殊工藝導(dǎo)致有較多特殊物質(zhì)未包含在此次監(jiān)測的化學(xué)組分項(xiàng)目中，今后還需要進(jìn)行更深入的探索和研究。

2.4　石家莊市2種工業(yè)源譜與國內(nèi)外工業(yè)源譜比對(duì)

通過比較不同地區(qū)同種類的工業(yè)源譜，可以發(fā)現(xiàn)不同研究得到的PM2.5源譜中主要化學(xué)組分和其所占比例存在較大差異，這其中除了地域差異、生產(chǎn)工藝和除塵方式的不同，還與源譜建立的方式、研究使用的采樣方法、分析方法有關(guān)[15-19]。

表3　不同行業(yè)PM2.5源譜化學(xué)組分對(duì)比

表5比較了石家莊市鋼鐵行業(yè)源譜與其他地區(qū)鋼鐵源譜部分化學(xué)組分含量。不同地區(qū)鋼鐵行業(yè)PM2.5源譜中Fe的含量均為最高，但石家莊市相較于其他幾個(gè)地區(qū)的Fe含量還是較低的，同時(shí)Zn和Cl-的含量較低。其他進(jìn)行比對(duì)的化學(xué)組分含量均相近。

表4　不同地區(qū)燃煤源譜中主要化學(xué)組分在PM2.5中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

注：—表示無數(shù)據(jù)。

表5　不同地區(qū)鋼鐵相關(guān)源譜中主要化學(xué)組分在PM2.5中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

注：-表示無數(shù)據(jù)。

3結(jié)論

1)在石家莊市建立的PM2.5工業(yè)源譜中，電力行業(yè)源譜中Al含量較高，為(15.14%±1.05%)，使其不僅區(qū)別于石家莊市的鋼鐵行業(yè)源譜，同時(shí)也區(qū)別于中國其他地區(qū)的燃煤源譜，是十分重要的標(biāo)志性化學(xué)組分。在后續(xù)工作中，需要對(duì)石家莊市電力企業(yè)的生產(chǎn)工藝和處理過程進(jìn)行深入分析研究，找出Al含量偏高的具體原因。

2)鋼鐵行業(yè)源譜中，F(xiàn)e含量為(26.19%±6.12%)，貢獻(xiàn)最大，Ca含量也較高，達(dá)到(8.95%±5.97%)，使其明顯區(qū)別于電力行業(yè)源譜，是石家莊鋼鐵行業(yè)源譜的標(biāo)志性化學(xué)組分。通過研究發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)源譜與高爐、轉(zhuǎn)爐源譜均不同，其化學(xué)組分中Si的含量(29.44%)遠(yuǎn)高于Fe的含量(17.16%)；而高爐和轉(zhuǎn)爐源譜中，Si的含量均值為13.65%，表明燒結(jié)源與其他典型的鋼鐵爐窯排放具有各自特性，可為源解析提供典型的不同來源源譜。

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Establishment and analysis of PM2.5industrial source

profiles in Shijiazhuang City

QI Kun, DAI Chunling, FENG Yuan, YANG Lili

(Shijiazhuang Environmental Monitoring Center, Shijiazhuang， Hebei 050022, China)

Abstract:The air pollution in Shijiazhuang City is serious; especially the PM2.5concentration is often high. Accurate source apportionment for PM2.5in Shijiazhuang City is needed in order to decrease the concentration of PM2.5more effectively. CMB model which requires local source profile as an input parameter is used for the source apportionment. There is no research on the industrial source profile of PM2.5in Shijiazhuang City in current research. Several typical industries are selected in this paper for the in-depth analysis of PM2.5source profile with advanced analysis methods. It has a great reference value for the PM2.5source apportionment of pollution in Shijiazhuang City. The results show that Al could be used as the identification components for power industry in Shijiazhuang City in which the concentration is higher than in the other cities. It is a remarkable characteristic for the source profile of power industry in Shijiazhuang City. In the steel industry source profile, the concentrations of Fe and Ca are significantly different from the source profile of power industry, and they can be used as the identification components for steel industry.

Keywords:regional environics; Shijiazhuang City; PM2.5; industrial source profiles; CMB

作者簡介：齊堃(1984—)，男，河北石家莊人，工程師，主要從事環(huán)境監(jiān)測方面的研究。

基金項(xiàng)目：河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(13273702D)

收稿日期：2014-05-05;修回日期：2014-08-19；責(zé)任編輯：張士瑩

中圖分類號(hào)：X513

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.7535/hbgykj.2015yx01014

文章編號(hào)：1008-1534(2015)01-0078-07