采暖期大氣顆粒物PM1.0和PM2.5中水溶性離子污染特征

洪理靖，王 琨，黃麗坤，王 薇，賈琳琳，王 醒，金伊文

1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090 2.哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150076 3.黑龍江省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150056

采暖期大氣顆粒物PM1.0和PM2.5中水溶性離子污染特征

洪理靖1，王 琨1，黃麗坤2，王 薇2，賈琳琳3，王 醒1，金伊文1

1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090 2.哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150076 3.黑龍江省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150056

PM1.0；PM2.5；質(zhì)量濃度；水溶性離子；氣象條件；采暖期

北方城市緯度較高，冬季天氣寒冷，在寒冷時(shí)期會進(jìn)行采暖以便人們能夠正常地生產(chǎn)生活。采暖期的能源來源一般都為煤燃燒，大量的煤在燃燒過程中所產(chǎn)生的顆粒物會對大氣造成污染。大氣顆粒物由水溶性離子、無機(jī)元素和碳成分組成。

本研究著重考察寒冷城市采暖期大氣PM1.0和PM2.5水溶性離子特征及變化規(guī)律，從而了解采暖期大氣污染特征，為采暖期大氣污染防治提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 大氣PM1.0和PM2.5采集方法

本研究對象為黑龍江省哈爾濱市。哈爾濱市位于東經(jīng)125°42′～130°10′、北緯44°04′～46°40′，地處中國東北平原東北部地區(qū)、黑龍江省南部。哈爾濱位于最北端，是中國緯度最高、氣溫最低的大城市。四季分明，11月至次年3月為冬季，漫長而寒冷干燥，有時(shí)也會出現(xiàn)暴雪天氣。

為了準(zhǔn)確評估哈爾濱市采暖期大氣顆粒物污染的變化趨勢，本研究于2014年11月至2015年3月逐月不間斷采集大氣顆粒物PM1.0和PM2.5，雨雪天間斷采樣，每月采樣7～10 d。本研究根據(jù)哈爾濱市氣候條件、地理地形、城市發(fā)展和能源等特點(diǎn)，選擇哈爾濱典型區(qū)域作為樣品采集點(diǎn)，故將采樣點(diǎn)設(shè)置于居民、商業(yè)和教育比較集中的哈爾濱工業(yè)大學(xué)(第二學(xué)區(qū))校園內(nèi)，采樣點(diǎn)距離地面14 m。該采樣點(diǎn)周圍沒有較大的工業(yè)污染源，僅有小型的鍋爐污染源、道路交通源和建筑揚(yáng)塵等。采樣方式為晝夜各12 h對其進(jìn)行采集，白天采樣時(shí)間為6:00—18:00，夜間采樣時(shí)間為18:00至次日6:00。PM1.0采樣器為武漢TH-150CⅢ型中流量顆粒物采樣器，PM2.5采樣器為武漢TH-150A型中流量顆粒物采樣器，美國的石英纖維濾膜。

1.2 檢測分析方法

2 結(jié)果及討論

2.1 顆粒物質(zhì)量濃度變化特征

對哈爾濱市PM1.0和PM2.5的質(zhì)量濃度檢測結(jié)果如圖1。從圖1可以看出，PM1.0和PM2.5具有相同的變化趨勢。2014年11月至2015年2月的大氣顆粒物質(zhì)量濃度比2015年3月高。其中PM2.5各月的平均質(zhì)量濃度為107.7 μg/m3，PM1.0各月的平均質(zhì)量濃度為87.0 μg/m3。PM1.0質(zhì)量濃度2015年3月最低(68.1 μg/m3)，PM2.5質(zhì)量濃度最低也為3月(84.2 μg/m3)，它們在2015年2月達(dá)最高，分別為106.3 μg/m3和136.2 μg/m3。PM1.0與PM2.5的各月質(zhì)量濃度比值為0.78～0.82，可以認(rèn)為采暖期間大部分大氣細(xì)顆粒物粒徑在1.0 μm以下。從圖1可以看出，采暖期間PM1.0夜間質(zhì)量濃度在1月和3月大于白天質(zhì)量濃度，其他月份結(jié)果相反。其中PM1.0夜間月平均質(zhì)量濃度為85.0 μg/m3，白天月平均質(zhì)量濃度為89.0 μg/m3，各個(gè)月份兩者之間的比值為0.79～1.19。PM2.5具有相似的規(guī)律，同是在1月和3月夜間質(zhì)量濃度大于白天質(zhì)量濃度，其他月份結(jié)果相反，各個(gè)月兩者之間的比值為0.86～1.02。

圖1 PM1.0和PM2.5質(zhì)量濃度變化

2.2 水溶性離子污染變化特征

2.2.1 顆粒物中水溶性離子質(zhì)量濃度變化

圖2 PM1.0和PM2.5中水溶性離子質(zhì)量濃度變化

PM1.0和PM2.5中9種水溶性離子質(zhì)量濃度均為夜間大于白天，在采暖期PM1.0白天與夜間質(zhì)量濃度比值為0.65～0.98，PM2.5白天與夜間質(zhì)量濃度比值為0.62～0.96。其中9種水溶性離子在PM1.0和PM2.5中的占比最高的均為2015年3月，分別為0.68和0.66。5個(gè)月中水溶性離子在PM1.0和PM2.5的占比分別為32.6%～68.4%、38%～66%，故可認(rèn)為水溶性離子是導(dǎo)致采暖期大氣顆粒物污染的主要原因之一。

2.2.2 顆粒物中水溶性離子相關(guān)性分析

表1 采暖期間9種水溶性離子在PM1.0和PM2.5中的占比 %

表2 PM1.0中水溶性離子的相關(guān)性

注：“*”表示P<0.05。

表3 PM2.5中水溶性離子的相關(guān)性

注：“*”表示P<0.05。

2.2.3 氣象條件的影響

鄧?yán)旱萚13]研究表明，氣溫對顆粒物在大氣中分布沒有顯著影響，但在采暖期，氣溫降低會影響供暖情況，從而使燃料的使用量上升，進(jìn)而使大氣空氣質(zhì)量下降。屠月青等[14]研究表明：在相對濕度較小時(shí)，容易造成顆粒物污染，但在一定濕度范圍內(nèi)，濕度增加會促使霧的形成，加劇大氣污染。孫韌等[15]發(fā)現(xiàn)風(fēng)速較小時(shí)，顆粒物濃度和風(fēng)速呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，但達(dá)到一定程度后，又變?yōu)檎嚓P(guān)。國內(nèi)關(guān)于氣壓的研究大致相同，均認(rèn)為氣壓對顆粒物污染為正作用，但氣壓為次要因素。結(jié)合圖2和表4可知，1月的污染最嚴(yán)重，該月氣溫低，相對濕度較小，風(fēng)速小，且氣壓較高，與上述研究結(jié)論相一致。而12月情況與1月相似，但顆粒物污染卻較小，這是由于12月的降雪頻繁，降低了顆粒物的濃度。所以，從溫度、相對濕度、風(fēng)級和氣壓可以判斷出大致趨勢，但考慮實(shí)際情況時(shí)還要結(jié)合濕沉降狀況。

表4 各月份的氣象條件情況

2.2.4 PM1.0和PM2.5的酸性

式中：AE、CE分別表示陰、陽離子當(dāng)量濃度；[X]表示元素X的質(zhì)量濃度，μg/m3。

用AE/CE比值表示顆粒物的酸堿性，若比值大于1，表示偏酸性；若比值小于1，表示偏堿性。

表5 各月PM1.0和PM2.5的AE/CE

3 結(jié)論

1)采暖期間哈爾濱市PM1.0和PM2.5的質(zhì)量濃度具有相同的變化趨勢，它們都在3月呈現(xiàn)最低濃度，而在2月時(shí)為最高濃度。PM1.0與PM2.5的各月份質(zhì)量濃度的比值為0.78～0.82，可以認(rèn)為在采暖期間大部分大氣細(xì)顆粒物粒徑在1.0 μm以下。在1月和3月時(shí)，PM1.0和PM2.5的白天平均濃度小于夜間平均濃度，其他月份則相反。

2)PM1.0和PM2.5中的水溶性離子具有相同的變化趨勢。采暖期間PM1.0和PM2.5中9種水溶性離子質(zhì)量濃度總和分別為25.4～60.7 μg/m3和38.8～78.0 μg/m3。PM1.0和PM2.5中9種水溶性離子質(zhì)量濃度均為夜間大于白天。

4)由溫度、相對濕度、風(fēng)級和氣壓等氣象條件可以判斷出顆粒物污染大致趨勢，但考慮實(shí)際情況時(shí)還要結(jié)合當(dāng)時(shí)的濕沉降狀況。

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Pollution Characteristics of Water-soluble Ions in PM1.0and PM2.5in Heating Period

HONG Lijing1, WANG Kun1, HUANG Likun2, WANG Wei2, JIA Linlin3, WANG Xing1, JIN Yiwen1

1.School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China 2.School of Food Engineering, Harbin University of Commerce, Harbin 150076, China 3.Heilongjiang Scientific Research Institute of Environmental Protection, Harbin 150056, China

PM1.0; PM2.5; mass concentration; water-soluble ions; meteorological factors; heating period

2015-10-27;

2016-02-13

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51408168)；哈爾濱市科技攻關(guān)項(xiàng)目(2013AA4AS045)

洪理靖(1992-)，男，安徽黃山人，在讀碩士研究生。

王 琨

X823

A

1002-6002(2016)04- 0098- 06

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.04.18