電子廢棄物拆解場(chǎng)地周邊PM2.5污染趨勢(shì)分析*

姚海燕，白建峰,顧衛(wèi)華,李　洋

(1 上海第二工業(yè)大學(xué)電子廢棄物研究中心，上?！?01209；2 上海電子廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心，上?！?01209)

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環(huán)境保護(hù)

電子廢棄物拆解場(chǎng)地周邊PM2.5污染趨勢(shì)分析*

姚海燕1,2，白建峰1,2,顧衛(wèi)華1,2,李洋1,2

(1 上海第二工業(yè)大學(xué)電子廢棄物研究中心，上海201209；2 上海電子廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心，上海201209)

從2013年冬季至2015年秋季對(duì)電子廢棄物拆解場(chǎng)地周邊進(jìn)行大氣監(jiān)測(cè)，對(duì)不同季節(jié)的大氣污染物PM2.5含量以及PM2.5中所含As、Cu、Cd、Pb、Zn等重金屬含量隨時(shí)間的變化做了污染分析。研究發(fā)現(xiàn)從2013年冬季至2015年秋季每個(gè)季度PM2.5含量的平均值分別為152.87、205.45、62.20、173.69、273.89、164.57、192.76、188.90 μg/m3，均超過了國家空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB3095-2012)的濃度限值75 μg/m3，超標(biāo)倍數(shù)分別為2.04、2.74、0.83、2.32、3.65、2.19、2.57、2.52倍。PM2.5中的各種重金屬元素在不同采樣點(diǎn)隨著季節(jié)的變化差異顯著，這和每個(gè)季節(jié)的不同風(fēng)向以及拆解廠區(qū)的拆解工作有很大關(guān)系。由電子廢棄物拆解場(chǎng)地周邊PM2.5中重金屬的相關(guān)性分析可以初步推斷As、Cd、Cu和Pb、Zn可能來源相同。

電子廢棄物；PM2.5；重金屬；污染分析；相關(guān)性分析

在電子廢棄物拆解和回收處理過程中，重金屬會(huì)粘附于顆粒物進(jìn)入環(huán)境中，對(duì)周邊的大氣環(huán)境造成嚴(yán)重的污染[1]。Deng等[2]調(diào)查發(fā)現(xiàn)貴嶼大氣PM2.5中重金屬Cu、Pb濃度高達(dá)126 mg/m3和392 mg/m3，是已有亞洲城市數(shù)據(jù)中記錄最高的數(shù)據(jù)。Leung等[3]在貴嶼地區(qū)電子廢棄物拆解車間外的主干道灰塵中檢測(cè)重金屬Cu、Pb、Ni的含量分別為6170、22600、304 mg/kg。Brigden等[4]調(diào)查的印度電子廢棄物拆解工廠灰塵中Pb、Cu、Ni的含量范圍分別為150～10900、168～6805、28～541 mg/kg。鄧晶晶等[5]通過研究發(fā)現(xiàn)，在電子廢棄物拆解場(chǎng)地灰塵中Cu、Pb含量分別為20268.75、8056.25 mg/kg，明顯高于周邊并隨距離變化，且Cu、Pb含量分別比上海高出近30倍和6倍。許振明等[6-7]對(duì)上海一家中型電子廢物回收企業(yè)進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)查，研究發(fā)現(xiàn)廢棄印刷電路板的回收拆解行為會(huì)向周邊環(huán)境釋放出Cr、Cu、Cd、Pb等多種重金屬，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。在電子廢棄物拆解處置過程中，高濃度的重金屬(Cd、Ni、Cu、Cr、Pb等)粘附于小顆粒，通過呼吸、飲水、沉降等各種方式進(jìn)入各種生物體，對(duì)生物體的健康產(chǎn)生各種危害[8-10]。因此，對(duì)電子廢棄物場(chǎng)地周邊的大氣PM2.5監(jiān)測(cè)非常有必要。目前，對(duì)電子廢棄物處置、處理過程中引起的污染問題的連續(xù)監(jiān)測(cè)研究是不夠的，文章通過對(duì)采樣地點(diǎn)的連續(xù)監(jiān)測(cè)分析各個(gè)季度的PM2.5及其中重金屬含量，為我國電子廢棄物拆解企業(yè)拆解過程重金屬排放提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為電子廢棄物處理行業(yè)在處理過程中的污染控制提供借鑒。

本文以上、下風(fēng)向共6個(gè)采樣點(diǎn)PM2.5濃度隨時(shí)間的變化的測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究發(fā)現(xiàn)所采集的PM2.5樣品中所含As、Cu、Cd、Pb、Zn等重金屬的含量較高，故文中針對(duì)這5種重金屬元素進(jìn)行污染分析，對(duì)電子廢棄物拆解場(chǎng)地周邊PM2.5含量、重金屬含量進(jìn)行污染分析以此來探尋顆粒物中重金屬濃度的季節(jié)變化特征。

1　材料和方法

1.1大氣樣品的采集

采樣點(diǎn)設(shè)置在電子廢棄物拆解場(chǎng)地附近區(qū)域，采樣點(diǎn)的布設(shè)按照實(shí)際情況而定，共設(shè)置6個(gè)采樣點(diǎn)，離拆解場(chǎng)地的距離分別為東南方向1000 m、西南400 m、南500 m、廠區(qū)門口100 m、北1000 m、北400 m。采樣方位詳見圖1和表1。采樣時(shí)間從2013年冬季至2015年秋季，在每個(gè)季度進(jìn)行采樣。該地域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，春夏兩季以東南風(fēng)為主，秋冬兩季以西北風(fēng)為主，冬夏兩季干濕度不明顯。

圖1　電子廢棄物場(chǎng)地周邊PM2.5采集點(diǎn)示意圖

點(diǎn)位編號(hào)點(diǎn)位描述GPS定位S1電子廢物拆解地(東南側(cè)1000m)N:30°49'18″E:121°25'17″S2電子廢物拆解地(西南側(cè)400m)N:30°49'34″E:121°25'14″S3電子廢物拆解地(南側(cè)500m)N:30°49'08″E:121°25'15″S4電子廢物拆解地(廠區(qū)門口100m)N:30°49'25″E:121°25'14″S5電子廢物拆解地(北側(cè)1000m)N:30°49'30″E:121°25'15″S6電子廢物拆解地(北側(cè)400m)N:30°49'05″E:121°25'09″

采樣前須預(yù)先將石英纖維濾膜放在恒溫烘箱里60℃烘干24 h，采樣流量為100 L/min，使用中流量大氣顆粒物采樣器(山東嶗應(yīng)2030型)對(duì)大氣中的PM2.5進(jìn)行采集。采樣后將濾膜放入聚氯乙烯袋密封，拿回實(shí)驗(yàn)室置于待測(cè)，在每個(gè)季度選取晴朗天氣各采集3次，取三次采樣平均值。

1.2大氣樣品的分析

采樣后把濾膜恒溫干燥箱(上海一恒科技有限公司，DHG-9070A)中干燥24 h，取出用百萬分之二天平(CPA26P)進(jìn)行稱重，分別稱重3次，保持每次稱重誤差在0.2 mg以內(nèi)(若超過，則重新稱重)，取3次稱量的平均值作為濾膜的重量。

取采集PM2.5樣品濾膜的1/4進(jìn)行重金屬含量的分析。用塑料剪刀將濾膜剪至碎屑狀放入50mL試管中，加入王水10mL 置于水浴鍋中，在90℃下恒溫條件下加熱消解3 h后將溶液過濾定容至50mL，然后利用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP-AES,Thermo,A-6300)測(cè)定樣品中的重金屬元素總量含量。

同時(shí)，取與采樣相同的空白濾膜，按照上述過程消解空白樣品，測(cè)定其含量，減少實(shí)驗(yàn)誤差。

2　結(jié)果與討論

2.1電子廢棄物場(chǎng)地大氣中PM2.5含量分析

對(duì)電子廢棄物場(chǎng)地周邊的PM2.5監(jiān)測(cè)顯示，每個(gè)季度的PM2.5的質(zhì)量濃度都有所變化，每個(gè)季度各采樣點(diǎn)的質(zhì)量濃度是相近的(2015年秋除外)。但是每個(gè)季節(jié)的PM2.5含量是不同的。從圖2中可以看出，秋冬季節(jié)的PM2.5含量相對(duì)春夏兩季較高，可能與夏季后期采樣區(qū)域進(jìn)入梅雨季節(jié)有關(guān)，降雨量比較大，帶走了部分顆粒物，使得顆粒物含量整體有所降低[11-12]。夏季的PM2.5含量的降低也可能與氣溫升高，大氣穩(wěn)定度降低有關(guān)系[13]。2013年冬季至2015年秋季，每個(gè)季度的PM2.5含量的平均值分別152.87、205.45、62.20、173.69、273.89、164.57、192.76、188.90 μg/m3，除2014年夏季外，均超過了國家空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB3095-2012)的濃度限值75 μg/m3，超標(biāo)倍數(shù)分別為2.04、2.74、0.83、2.32、3.65、2.19、2.57、2.52倍。所有季度的平均值全部超過了美國環(huán)保署關(guān)于PM2.5的濃度限值35 μg/m3[14]?？赡苁怯捎谠搮^(qū)域地處化學(xué)工業(yè)區(qū)，整個(gè)區(qū)域的PM2.5濃度較高。2015年秋季2號(hào)和5號(hào)采樣點(diǎn)的PM2.5濃度達(dá)到了449.1 μg/m3和314.22 μg/m3，可能與當(dāng)時(shí)風(fēng)向有很大關(guān)系。電子廢棄物拆解場(chǎng)地周邊PM2.5的研究結(jié)果相對(duì)貴嶼電子廢棄物拆解場(chǎng)地的PM2.5來說，含量相對(duì)較低[15]。但是顯著高于上海城市中徐家匯、臨安的PM2.5平均質(zhì)量濃度131.6、83.5 μg/m3[16]。表明電子廢棄物的拆解活動(dòng)給周圍的大氣環(huán)境帶來的污染更為嚴(yán)重。

圖2　不同季節(jié)PM2.5的質(zhì)量濃度

2.2電子廢棄物場(chǎng)地大氣中各重金屬全量分布規(guī)律

從圖3中可以看出，電子廢棄物拆解場(chǎng)地周邊PM2.5中在不同季節(jié)的各重金屬全量分布規(guī)律如下：總體來看，As的含量隨著時(shí)間具有上升趨勢(shì)隨后稍有下降，Cd和Pb的含量基本上比較平緩，Cu的含量稍有下降，Zn的含量隨著時(shí)間增加比較明顯。As、Cd、Cu的含量基本上在2014年冬季達(dá)到最高，分別為18.50、1.87、22.18 ng/m3。As的含量是國家空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的3.08倍，Cd、Cu的含量在國家空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。Pb的平均質(zhì)量濃度在2014年秋季達(dá)到最高，為24.42 ng/m3，在國家空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。Zn的平均質(zhì)量濃度在2015年春季達(dá)到最高，為335.80 ng/m3。對(duì)于2014全年來說，五種重金屬的含量分布為春夏兩季低于秋冬兩季。這可能是因?yàn)榍锒竟?jié)該地區(qū)主要季風(fēng)為西北風(fēng)，主風(fēng)向上存在一些污染源，例如其他一些工業(yè)企業(yè)排放的污染物等被帶入廠區(qū)周邊。電子廢棄物廠區(qū)以及周邊冬季的一些采暖設(shè)施也有可能加重周邊大氣中重金屬的污染[17]。另外，每個(gè)季節(jié)重金屬含量的差異與各重金屬元素的土壤背景值有很大關(guān)系。

圖3　不同季節(jié)PM2.5中各重金屬平均質(zhì)量濃度分布圖

2.3不同采樣點(diǎn)的重金屬濃度隨季節(jié)變化分布

圖4顯示的是不同采樣點(diǎn)的重金屬濃度隨著季節(jié)變化的分布圖，As、Cd、Cu、Pb、Zn各重金屬濃度的最大值分別出現(xiàn)在2014年春季4號(hào)位點(diǎn)，2014年冬季的4號(hào)位點(diǎn)，2014年春季4號(hào)位點(diǎn)，2014年秋季4號(hào)位點(diǎn)，2015年春季4號(hào)位點(diǎn)。總體來看，4號(hào)位點(diǎn)污染較為嚴(yán)重，可能由于離廠區(qū)的距離比較近。以2014年為例，春夏兩季，2、3位點(diǎn)的各重金屬含量普遍低于4、5、6位點(diǎn)，這是因?yàn)榇合膬杉緰|南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，4、5、6位點(diǎn)處于電子廢棄物拆解廠區(qū)的下風(fēng)向，使得大氣PM2.5中重金屬的含量升高。秋冬兩季，2、3位點(diǎn)的重金屬含量普遍高于5、6位點(diǎn)，這是因?yàn)榍锒瑑杉疚鞅憋L(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，5、6位點(diǎn)處于拆解區(qū)場(chǎng)地的下風(fēng)向，使得大氣PM2.5中重金屬的含量升高。這說明，隨著季節(jié)的變化，風(fēng)向也說導(dǎo)致電子廢棄物拆解地周邊PM2.5中重金屬含量差異的一個(gè)關(guān)鍵性因素[18]。

圖4　不同采樣點(diǎn)的重金屬濃度隨季節(jié)變化分布圖

2.4相關(guān)性分析

根據(jù)相關(guān)性可以判斷土壤重金屬污染來源是否相同，且系數(shù)越大，表明重金屬元素的同源性越高[19]。大氣中PM2.5的來源主要有化工工業(yè)排放、交通污染以及燃煤供暖等[20]。表2中列出了電子廢棄物拆解場(chǎng)地周邊大氣PM2.5中重金屬含量在不同季節(jié)時(shí)的相關(guān)性系數(shù)，As-Cd、As-Cu、Cd-Cu之間的相關(guān)性最大值分別為0.826*、0.824*、0.728，Pb-Zn之間的相關(guān)性最大值達(dá)到0.861*。可以初步推斷As、Cd、Cu和Pb、Zn可能來源相同。PM2.5中的重金屬可能來源于電子廢物拆解處理場(chǎng)地，但是因該區(qū)域處于高速公路附近，也有部分可能來源于交通污染。

表2　PM2.5中重金屬元素相關(guān)系數(shù)

*代表在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；**代表在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3　結(jié)　論

(1)2013年冬季至2015年秋季，每個(gè)季度的PM2.5含量的平均值分別152.87、205.45、62.20、173.69、273.89、164.57、192.76、188.90 μg/m3，除2014年夏季外，均超過了國家空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB3095-2012)的濃度限值75 μg/m3，超標(biāo)倍數(shù)分別為2.04、2.74、0.83、2.32、3.65、2.19、2.57、2.52倍。

(2)研究表明在春夏兩季，2、3位點(diǎn)的各重金屬含量普遍低于4、5、6位點(diǎn)，這是因?yàn)榇合膬杉緰|南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，4、5、6位點(diǎn)處于電子廢棄物拆解廠區(qū)的下風(fēng)向，使得大氣PM2.5中重金屬的含量升高。秋冬兩季，2、3位點(diǎn)的重金屬含量普遍高于5、6位點(diǎn)，這是因?yàn)榍锒瑑杉疚鞅憋L(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，5、6位點(diǎn)處于拆解區(qū)場(chǎng)地的下風(fēng)向，使得大氣PM2.5中重金屬的含量升高。電子廢棄物的拆解工作給周邊大氣PM2.5帶來了不同程度的重金屬污染。

(3)電子廢棄物拆解場(chǎng)地周邊大氣PM2.5中重金屬含量在不同季節(jié)時(shí)的相關(guān)性系數(shù)表明，As-Cd、As-Cu、Cd-Cu之間的相關(guān)性最大值分別為0.826*、0.824*、0.728，Pb-Zn之間的相關(guān)性最大值達(dá)到0.861*?？梢猿醪酵茢郃s、Cd、Cu和Pb、Zn可能來源相同。

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Pollution Trend Analysis of Heavy Metals in PM2.5around E-waste Disposal Site

YAO Hai-yan1,2,BAI Jian-feng1,2,GU Wei-hua1,2,LI Yang1,2

(1 WEEE Research Center,Shanghai Polytechnic University,Shanghai 201209; 2 Collaborative Innovation Center of WEEE Recycling,Shanghai 201209,China)

The atmosphere of e-waste dismantling space surrounding was monitored from winter 2013 to autumn 2015.PM2.5samples were collected near the e-waste disposal area.The concentrations and pollution levels of PM2.5in different seasons were investigated and analyzed.The concentrations of As,Cu,Cd,Pb,Zn in PM2.5in different seasons were also analyzed.Results showed that the average concentrations of PM2.5from winter 2013 to autumn 2015 were 152.87,205.45,62.20,173.69,273.89,164.57,273.89,164.57 μg/m3,separately.The results exceeded the limit concentration 75 μg/m3of the national air quality standard (GB3095-2012).The concentration exceeded the national standard value in 2.04,2.74,0.83,2.32,3.65,2.19,2.57,2.52 times,separately.The pollution trend of the heavy metals with the seasons change in different sampling points were different,it may be contact with the wind directions in different seasons and the dismantling work in e-waste disposal site.The correlation analysis of heavy metals speculated that the source of the heavy metals As,Cd,Cu and Pb,Zn may come from the electronic waste pollution,which produced in the process of dismantling.

e-waste; PM2.5; heavy metal; pollution analysis; correlation analysis

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21307080)；上海市知識(shí)服務(wù)平臺(tái)項(xiàng)目(ZF1224)；校重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(XXKYS1404)；上海第二工業(yè)大學(xué)研究生項(xiàng)目基金(A30NH1513012)。

姚海燕(1988-)，女，研究方向：電子廢棄物資源化技術(shù)。

白建峰(1978-)，男，副教授，研究方向：電子廢棄物資源化、環(huán)境微生物學(xué)、污染土壤修復(fù)與治理等。

X513

A

1001-9677(2016)011-0175-05