呼和浩特市源成分譜特征研究*

彭 杏 丁 凈 史國(guó)良 韓見弘 吳萬慶 王克玲 馮銀廠

(1.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，國(guó)家環(huán)境保護(hù)城市空氣顆粒物污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300071；2.呼和浩特市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,內(nèi)蒙古 呼和浩特 150100)

顆粒物是影響我國(guó)城市空氣質(zhì)量的首要污染物，不僅影響大氣環(huán)境質(zhì)量，誘發(fā)酸雨、光化學(xué)煙霧污染等，還會(huì)影響氣候、人類生產(chǎn)活動(dòng)[1-4]。為有效控制顆粒物污染，需要明確知道顆粒物來源，解析各類污染源對(duì)顆粒物的貢獻(xiàn)[5]。顆粒物源解析工作主要是應(yīng)用受體模型對(duì)顆粒物來源進(jìn)行定性或定量研究，其中化學(xué)質(zhì)量平衡(CMB)模型、正定矩陣因子分析(PMF)模型是應(yīng)用最廣泛的受體模型[6-10]。

源解析模型需要能反映某一地區(qū)源排放信息的成分譜，這也是模型擬合運(yùn)算的前提條件之一。特別是CMB模型，各排放源類所排放的顆粒物的成分譜是CMB模型的主要輸入?yún)?shù)，因此，源成分譜的準(zhǔn)確獲取與有效建立顯得尤為關(guān)鍵。但是，源成分譜建立的過程是復(fù)雜的，不僅需要大量的人力物力，而且還有一定的技術(shù)與科研條件限制。關(guān)于我國(guó)PM2.5源成分譜的研究有限，對(duì)精細(xì)化源成分譜的研究相對(duì)更少。因此，有必要建立真實(shí)有效的各類源成分譜，豐富我國(guó)的成分譜數(shù)據(jù)庫(kù)。

為豐富源譜庫(kù)信息，在呼和浩特市采集了源樣品，在對(duì)呼和浩特市污染源的前期調(diào)查和研究，以及識(shí)別污染源主要源類與其子類的情況下，對(duì)所采源樣品進(jìn)行物理化學(xué)特征分析，建立了呼和浩特市PM10和PM2.5源成分譜。本研究采集了呼和浩特市城市揚(yáng)塵、建筑水泥塵、土壤風(fēng)沙塵，同時(shí)對(duì)供熱、工業(yè)和電力這3個(gè)不同行業(yè)的煤煙塵也進(jìn)行采集和分析。

1 材料與方法

1.1 源樣品的采集

城市揚(yáng)塵、土壤風(fēng)沙塵、建筑水泥塵和煤煙塵源樣品的采集均在非雨天進(jìn)行，采樣信息見表1。城市揚(yáng)塵是在呼和浩特市4個(gè)區(qū)的居民樓和倉(cāng)庫(kù)的窗臺(tái)上或者是平臺(tái)上采集的。在市郊東、南、西、北4個(gè)方向以及東北和東南兩個(gè)主導(dǎo)風(fēng)向等共6個(gè)點(diǎn)位選擇裸露農(nóng)田、河灘或果園采集土壤風(fēng)沙塵源樣品。建筑水泥塵則是在建筑施工地附近采集。煤煙塵在呼和浩特市的供熱、電力、工業(yè)等相關(guān)企業(yè)采集除塵器下的載灰樣品。采集的樣品用密封袋收集帶回實(shí)驗(yàn)室，并過150目篩，密封保存待測(cè)。采樣方法參考文獻(xiàn)[10]。

表1 源樣品的采集時(shí)間及數(shù)量

1.2 分析方法

為分析各源類的物理形態(tài)特征，利用Shimadzu SS-550掃描電子顯微鏡(SEM，日本島津公司)分別掃描全粒徑段的建筑水泥塵、土壤風(fēng)沙塵及煤煙塵。

2 結(jié)果與討論

2.1 源成分譜特征

不同排放源具有不同的物理形態(tài)特征，利用掃描電鏡分別掃描采集的建筑水泥塵、土壤風(fēng)沙塵與煤煙塵，以了解各源類不同的形態(tài)特征。掃描電鏡結(jié)果見圖1至圖3。

圖1 建筑水泥塵掃描電鏡形態(tài)Fig.1 SEM image of cement dust

圖2 土壤風(fēng)沙塵掃描電鏡形態(tài)Fig.2 SEM image of soil dust

圖3 煤煙塵掃描電鏡形態(tài)Fig.3 SEM image of coal combustion

注：占比按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，圖5、圖6同。圖4 呼和浩特市PM10和PM2.5主要排放源的化學(xué)成分譜Fig.4 Profiles of four sources in Hohhot

由圖1至圖3可以看出，在物理特征上，建筑水泥塵和土壤風(fēng)沙塵的形狀比較相似，呈不規(guī)則的塊狀；而煤煙塵與其他兩類源形狀差異較大，大多數(shù)呈圓形，這與前人的研究結(jié)果一致[12]。研究表明，各源類顯現(xiàn)不同的形態(tài)特征，主要由于各源類的化學(xué)組成不同。為進(jìn)一步研究各源類的物化特征，針對(duì)不同源類的化學(xué)組分進(jìn)行了分析，討論各源類的特征組成。

2.2 PM10與PM2.5源成分譜的化學(xué)組成特征

源成分譜是顆粒物來源解析的關(guān)鍵信息，有必要對(duì)污染源進(jìn)行化學(xué)成分分析，建立相應(yīng)的源成分譜。呼和浩特市4類污染源(城市揚(yáng)塵、土壤風(fēng)沙塵、建筑水泥塵、煤煙塵)的PM10和PM2.5源成分譜如圖4所示。

PM2.5中，城市揚(yáng)塵中的Si、Al、Ca、Fe和OC的占比分別為(18.0±10.9)%、(4.0±1.2)%、(8.3±4.3)%、(3.7±1.2)%和(9.8±1.0)%。土壤風(fēng)沙塵中Si占比最高[16]，為(21.6±4.7)%，Al的占比次之，為(8.5±2.5)%。建筑水泥塵主量成分為Ca和Si，占比分別為(43.7±4.3)%、(2.3±0.6)%。煤煙塵主要化學(xué)組分為地殼元素 (Si、Al、Ca) 和碳組分 (OC、EC)[17-18]。

采用相關(guān)性分析對(duì)各源類PM10和PM2.5的成分譜進(jìn)行比較，結(jié)果表明，4個(gè)源類PM10和PM2.5的成分譜之間的相關(guān)系數(shù)分別為1.00(城市揚(yáng)塵)、0.80(土壤風(fēng)沙塵)、0.80(建筑水泥塵)、0.99(煤煙塵)，具有顯著的相關(guān)性(P<0.01)?？偟膩碚f，PM10和PM2.5的成分譜比較相似，各類源的標(biāo)識(shí)組分一致。例如PM10和PM2.5的建筑水泥塵可以用Ca來標(biāo)識(shí)；OC、Si等可作為煤煙塵的標(biāo)志組分。城市揚(yáng)塵和土壤風(fēng)沙塵可用Si、Al、Ca來標(biāo)識(shí)。

2.3 不同鍋爐煤煙塵的比較

和其他源類相比，煤煙塵成分譜更為復(fù)雜。煤煙塵的成分譜會(huì)因行業(yè)、鍋爐類型、除塵方式等不同而發(fā)生變化，導(dǎo)致了各類型的煤煙塵成分譜間存在一定差異性。為研究不同行業(yè)對(duì)煤煙塵成分譜的影響，本研究采集了供熱、工業(yè)、電力行業(yè)的煤煙塵，并對(duì)其化學(xué)組分進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 呼和浩特市不同行業(yè)煤煙塵PM2.5源成分譜Fig.5 PM2.5 source profiles of three types of coal combustion in Hohhot

圖6 呼和浩特市不同行業(yè)煤煙塵PM10源成分譜Fig.6 PM10 source profiles of three types of coal combustion in Hohhot

3 結(jié) 論

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