鞍山市冬季大氣PM2.5中元素污染特征與來源解析

王士寶 姬亞芹 張 偉 李 金 趙 杰 張 蕾 王 偉

(1.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300352； 2.國家環(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 300352； 3.鞍山市環(huán)境監(jiān)測中心站，遼寧 鞍山 114004)

鞍山市冬季大氣PM2.5中元素污染特征與來源解析

王士寶1，2姬亞芹1，2張 偉1，2李 金3趙 杰1，2張 蕾1，2王 偉3

(1.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300352； 2.國家環(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 300352； 3.鞍山市環(huán)境監(jiān)測中心站，遼寧 鞍山 114004)

本文為探究鞍山市冬季大氣細(xì)顆粒(PM2.5)中元素的污染特征和來源，于2016年1月在鞍山市6個監(jiān)測點(diǎn)位采集PM2.5樣品，對PM2.5載帶的元素進(jìn)行了濃度特征和富集因子分析，并通過因子分析確定了鞍山市PM2.5中污染元素的主要來源。結(jié)果表明，K、Fe、Al、Ca、Na、Mg、Zn、Pb元素濃度含量之和占所有檢測的14種元素濃度的97.13%；Cd、Zn、Pb、As、Cu五種元素屬于極強(qiáng)富集，Ni屬于強(qiáng)烈富集，Cr、Ca、V處于顯著富集水平，Mg、K、Na、Fe呈現(xiàn)中度富集。因子分析結(jié)果表明，鞍山市冬季大氣細(xì)顆粒物中污染元素主要來源于鋼鐵冶煉、機(jī)動車尾氣、燃煤和建筑揚(yáng)塵的復(fù)合型污染源。

PM2.5；富集因子；污染特征；因子分析；元素

隨著城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，環(huán)境問題日益突出。大氣細(xì)顆粒物(PM2.5)由于其顆粒小、來源廣、危害大受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。他們針對PM2.5展開廣泛研究，包括其組成成分、來源解析、健康風(fēng)險評價等。研究發(fā)現(xiàn)[1-4]，PM2.5不僅會降低大氣能見度，還會影響人體健康，如會誘發(fā)心血管疾病和呼吸道類疾病等。目前已知PM2.5的組成成分包括元素、含碳組分(有機(jī)碳和元素碳)、水溶性離子等。研究表明[5，6]，大氣環(huán)境中的污染元素相比于其他物質(zhì)更容易富集在細(xì)粒子中，從而使PM2.5成為這些污染元素的主要載體，進(jìn)而影響人們的生產(chǎn)生活，甚至危及人們的生命安全。因此，加強(qiáng)對大氣中污染元素的來源解析，顯得至關(guān)重要。

鞍山市是我國重要的鋼鐵工業(yè)基地，第二產(chǎn)業(yè)高度發(fā)達(dá)，素有“鋼都”盛名。鞍山的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以鋼鐵冶金、煤化工、煤炭消耗為主，礦山開采和鋼鐵冶煉帶來嚴(yán)重的大氣顆粒物污染問題[7]。因此，了解鞍山市大氣細(xì)顆粒物(PM2.5)中污染元素的組成及含量，從而推斷PM2.5的主要來源，對于鞍山市開展大氣污染防治工作具有重要意義。本文利用富集因子分析法分析了Cd、Zn、Pb、As等多種元素的富集特征，利用因子分析方法初步解析了大氣顆粒物中元素的主要來源，為今后鞍山市大氣污染控制乃至區(qū)域復(fù)合型污染的防治提供依據(jù)。

1 樣品的采集與分析方法

1.1 樣品采集

在鞍山市分別選擇明達(dá)新區(qū)、鞍鋼、高新區(qū)、鐵西三道街、太陽城和太平6個常規(guī)監(jiān)測點(diǎn)位進(jìn)行采樣。2016年1月9日至22日使用聚丙烯濾膜采集大氣細(xì)顆粒物(PM2.5)樣品。采樣開始時間為上午9：00～10：00，采集23～24h。采樣儀器為青島恒遠(yuǎn)HY-1201智能中流量采樣器，流量設(shè)置為100L/min。采樣時，每天在太陽城采集一張空白膜。

1.2 樣品分析方法

使用美國Agilent公司的Agilent 7500a型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)分析樣品中的Na、K、Cr、Cd、Ni、V、Cu、Zn、Pb共9種元素；用電感耦合等離子光譜法(ICP-OES)測定樣品中As、Mg、Ca、Fe、Al共5種元素。

2 結(jié)果與討論

2.1 鞍山市冬季PM2.5中元素的濃度特征

鞍山市6站點(diǎn)冬季PM2.5中各元素的濃度值不全符合正態(tài)分布，因此在本文選用中位值作為各元素在采樣期間的濃度值，6站點(diǎn)及全市14種元素濃度平均值如表1所示。

表1 六站點(diǎn)PM2.5中14種元素組成特征(μg/m3)

圖1 鞍山市冬季元素濃度特征

表1表明，K、Fe、Al、Ca、Na、Mg、Zn、Pb元素的質(zhì)量濃度比較高，這8種元素濃度之和占鞍山市PM2.5中所分析元素總濃度的97.13%。各元素平均濃度由高到低為K·Fe·Al·Ca·Na·Mg·Zn·Pb，其中，K、Fe、Al元素含量相對較高，在這14種元素中分別占到23.8%、17.2%、14.3%，是鞍山市冬季細(xì)顆粒物主要載帶的元素。K、Al、Na、Mg四種元素最大值都出現(xiàn)在太平，這幾種元素濃度在站點(diǎn)之間的差異比較小，其中Al、Na、Mg三種元素的最低濃度都出現(xiàn)在明達(dá)新區(qū)，最大值與最低值的倍數(shù)分別是1.5、2、2.1。太平的K、Fe、Al的濃度在六個站點(diǎn)中最高，分別是最低值的1.5、2.3、1.5倍。從圖1中也可以看出，太平大部分污染元素的濃度高于其他站點(diǎn)，這與鞍山市大面積分布的露天礦山有關(guān)，在鞍山城區(qū)東北部、東南部和南部分別有齊大山、眼前山、調(diào)軍臺、大孤山、東鞍山等5大礦山，皆為露天礦山，其采礦過程中及堆放的尾礦在一定氣象條件下都會產(chǎn)生揚(yáng)塵。

鞍山市冬季Pb元素的濃度為0.16430μg/m3，Cd的濃度為0.00186μg/m3，均未超出GB3095-2012和WHO規(guī)定的限值0.5005μg/m3；Ni的濃度為0.00966μg/m3，低于WHO的濃度限值0.025μg/m3。As元素在各點(diǎn)位之間的差異較大，鐵西三道街點(diǎn)位As元素濃度0.05917μg/m3是鞍鋼點(diǎn)位0.02255μg/m3的2.6倍，且所有點(diǎn)位濃度值均超過環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3095-2012中關(guān)于環(huán)境空氣中As的濃度限值(0.006μg/m3)。其中，鐵西三道街、明達(dá)新區(qū)、高新區(qū)、鞍鋼點(diǎn)位As元素濃度分別是該標(biāo)準(zhǔn)限值的9.8、6.8、5.5、3.7倍，可見鞍山市大氣細(xì)顆粒物中As污染嚴(yán)重。這可能與鞍山市工業(yè)生產(chǎn)煤炭消耗量大有關(guān)[8]，表明As元素是鞍山市冬季PM2.5中主要污染元素，主要來源于燃煤。

2.2 富集因子法分析鞍山市冬季PM2.5中污染元素的來源

富集因子(Enrichment Factors，EF)是用于分析大氣細(xì)顆粒物中元素富集程度的一種常用方法。通過計算大氣顆粒物中不同元素的富集程度，可以判別大氣顆粒物中污染元素的自然和人為來源[9]。富集因子的計算公式為：

(1)

式中：Ci是所研究的第i種元素的濃度；Cr為選定的參比元素的濃度；下標(biāo)“顆粒物”表示在大氣細(xì)顆粒物中的含量，下標(biāo)“土壤”表示在土壤背景參考系統(tǒng)中元素的含量。根據(jù)富集因子的大小，可將元素的富集(污染)程度分為5個級別。其中，污染級別越高表明受到人類活動的影響越大，詳見表2。

表2 富集因子分級表[10]

參比元素的選取會直接影響評價結(jié)果，究竟選擇土壤中哪一種元素作為參比元素目前尚無統(tǒng)一的認(rèn)識[11]。參比元素一般選擇地殼中含量豐富、各種顆粒物樣品中均含有的元素，經(jīng)常采用的有元素Al、Fe、Ti，而我國土壤元素表生帶遷移系列為：Ti>Fe>Al。Al元素的遷移率低于Fe和Ti元素，化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，分析精度最高，并且是使用最為廣泛的參比元素，故本研究中選擇Al元素作為參比元素[12-13]。

利用公式(1)計算各站點(diǎn)的元素的富集因子如表3所示。其中各元素在土壤中的含量選用遼寧省A層土壤元素背景值(中位值)[14]。

表3 鞍山市不同站點(diǎn)PM2.5中元素富集因子

由表3可知，元素Mg、K、Na、Fe(除部分站點(diǎn)外)，富集因子值均小于5，說明人為源對其影響較小，主要受自然源的影響。V元素(除鞍鋼和太陽城外)富集因子值均在5～20之間，屬于顯著富集，V元素是燃油的標(biāo)識元素[5]，說明燃油對顆粒物PM2.5的產(chǎn)生有影響。Ca元素富集因子值均在5～20，呈現(xiàn)顯著富集，各站點(diǎn)之間差異較小，Ca是建筑水泥塵的標(biāo)識元素[15]，說明建筑塵對顆粒物PM2.5的產(chǎn)生也存在一定影響。Cr元素富集因子值在5～20之間，各站點(diǎn)之間差異不大，其中太平富集因子值最大，說明鞍山市PM2.5中Cr元素的主要污染源是人為源，太平附近受到人為污染的影響較大。Cr主要來源于燃煤[16]和機(jī)動車尾氣，說明燃煤和機(jī)動車尾氣等人為源對鞍山市大氣中PM2.5的產(chǎn)生具有一定影響。Ni(除高新區(qū)外)為強(qiáng)烈富集，Ni主要來源于汽車尾氣[17]，同時還是燃油的標(biāo)識元素[5]，說明人為源對其影響較大。

元素Cu、As、Pb、Zn和Cd富集因子值均大于40，屬于極強(qiáng)富集，說明主要受到人為源的影響。Pb元素在不同站點(diǎn)之間的差異較大，最大值出現(xiàn)在太平，是太陽城(最小值)的3.73倍，說明太平附近受人為影響較大。其他元素在不同站點(diǎn)之間的差異較小，其中元素Zn、Pb、Cu的富集因子最高值均出現(xiàn)在太平，Cd和As的最高值在鐵西三道街，Cd和Zn的最低值都出現(xiàn)在高新區(qū)，說明高新區(qū)相比太平受到人為源污染的程度較小。Cd元素在各站點(diǎn)的富集因子值相比其他元素最高，平均值為1603.82，是極強(qiáng)富集因子值的40倍，主要來源于鋼鐵冶煉等金屬冶煉活動[5，18]。Pb富集因子平均值達(dá)到551.33，是極強(qiáng)富集因子限值40的13倍。Pb元素在PM2.5中來源廣泛，其中機(jī)動車尾氣排放與燃煤鍋爐的排放是其主要的兩種來源方式[19-20]。Zn元素富集因子平均值為557.69，極強(qiáng)富集。Zn元素主要來自于燃煤，也來源于汽車尾氣的排放和輪胎磨損，還是垃圾廢棄物燃燒的標(biāo)識組分[13]。As元素富集因子全市平均值為303.30，屬于極強(qiáng)富集程度。As元素主要來源于燃煤，是煤煙塵的標(biāo)識組分[14]。通過對以上幾種元素富集因子的分析，可以得出鞍山市冬季大氣中PM2.5中污染元素主要受人為源的影響，自然源的影響程度較小，鋼鐵冶煉、道路交通塵(汽車尾氣、輪胎磨損等)、燃煤和建筑揚(yáng)塵是鞍山冬季大氣PM2.5中污染元素的主要來源。

2.3 鞍山市冬季污染元素因子分析

因子分析(Factor Analysis，F(xiàn)A)是常用的多元統(tǒng)計分析方法[21]，也是識別環(huán)境污染物主要來源的重要方法之一[22]。為進(jìn)一步了解鞍山市不同污染源對PM2.5中各種元素的貢獻(xiàn)率，本研究應(yīng)用統(tǒng)計軟件SPSS19.0對鞍山市6個采樣站點(diǎn)PM2.5中的元素濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并進(jìn)行最大方差旋轉(zhuǎn)因子分析，計算結(jié)果如表4所示。

表4表明，在PM2.5中，因子1中元素Zn(0.848)、Ni(0.825)、Cr(0.752)的載荷比較大，由于Zn的主要來源是鋼鐵冶煉和輪胎磨損，Ni主要來源是鋼鐵冶煉窖爐等燃煤和石油燃燒，Cr與煤和石油的燃燒有關(guān)，因此可以判斷因子1是鋼鐵冶煉塵，這一因子對大氣顆粒物PM2.5的方差貢獻(xiàn)率為27.235%。因子2中載荷比較高的元素有Ca(0.886)、Al(0.880)、Mg(0.754)，其中Ca是建筑揚(yáng)塵的標(biāo)識元素，且因子值最高，因此因子2是建筑揚(yáng)塵，這一因子對大氣顆粒物PM2.5的方差貢獻(xiàn)率為24.3483%。因子3中載荷比較高的元素有Cu(0.863)、Na(0.807)，其中Cu是機(jī)動車剎車磨損和尾氣排放的重要產(chǎn)物之一，Na主要來自土壤揚(yáng)塵，因此因子3應(yīng)該是道路交通塵(尾氣、輪胎磨損、剎車磨損、二次揚(yáng)塵等)，這一因子對大氣顆粒物PM2.5的方差貢獻(xiàn)率為15.649%。因子4中元素As的載荷最高，達(dá)到0.892，Pb為0.682，根據(jù)富集因子分析結(jié)果可知Pb和As均為極強(qiáng)富集，而As元素主要來源于燃煤，是煤煙塵的標(biāo)識組分，Pb也與燃煤有關(guān)，因此因子4應(yīng)該為燃煤塵，這一因子對大氣顆粒物PM2.5的方差貢獻(xiàn)率為11.669%。

表4 鞍山市冬季PM2.5中元素濃度的最大方差旋轉(zhuǎn)因子分析結(jié)果

綜合因子分析與富集因子分析的結(jié)果，鞍山市冬季PM2.5的主要污染源包括鋼鐵冶煉塵、道路交通塵(尾氣、輪胎磨損等)、燃煤塵和建筑揚(yáng)塵。

3 結(jié) 論

大氣細(xì)顆粒物(PM2.5)由于其顆粒小、來源廣、危害大受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。針對PM2.5展開廣泛研究，包括其組成成分、來源解析、健康風(fēng)險評價等。研究發(fā)現(xiàn)PM2.5不僅會降低大氣能見度，還會影響人體健康，如會誘發(fā)心血管疾病和呼吸道類疾病等。目前已知PM2.5的組成成分包括元素、含碳組分(有機(jī)碳和元素碳)、水溶性離子等。研究表明，大氣環(huán)境中的污染元素相比于其他物質(zhì)更容易富集在細(xì)粒子中，從而使PM2.5成為這些污染元素的主要載體，進(jìn)而影響人們的生產(chǎn)生活，甚至危及人們的生命安全。因此，加強(qiáng)對大氣中污染元素的來源解析，顯得至關(guān)重要。

鞍山市是我國重要的鋼鐵工業(yè)基地，第二產(chǎn)業(yè)高度發(fā)達(dá)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以鋼鐵冶金、煤化工、煤炭消耗為主，礦山開采和鋼鐵冶煉帶來嚴(yán)重的大氣顆粒物污染問題。因此，了解鞍山市大氣細(xì)顆粒物(PM2.5)中污染元素的組成及含量，從而推斷PM2.5的主要來源，對于鞍山市開展大氣污染防治工作具有重要意義。本文利用富集因子分析法分析了Cd、Zn、Pb、As等多種元素的富集特征，利用因子分析方法初步解析了大氣顆粒物中元素的主要來源，為今后鞍山市大氣污染控制乃至區(qū)域復(fù)合型污染的防治提供依據(jù)。研究得出以下結(jié)論：

(1)鞍山市冬季大氣細(xì)顆粒物監(jiān)測期間，PM2.5中K、Fe、Al、Ca、Na、Mg、Zn、Pb元素全市平均值分別為1.3578、0.98449、0.81902、0.71290、0.62521、0.48923、0.46484和0.16430μg/m3，占所有研究元素的97.13%，表明這些元素是大氣PM2.5的主要攜帶元素。

(2)富集因子分析表明：鞍山市冬季PM2.5中，元素Cd、Zn、Pb、As、Cu富集因子的中位值分別為1603.82、557.69、551.33、303.30、114.08，屬于極強(qiáng)富集，其污染來源主要是人為源；元素Ni屬于強(qiáng)烈富集；Cr、Ca、V屬于顯著富集，主要來自人為源；Mg、K、Na、Fe(除明達(dá)新區(qū)、高新區(qū)和太陽城)屬于中度富集，人為源對其富集程度有較大影響，但也不可忽視自然源對其來源的貢獻(xiàn)。

(3)綜合因子分析和富集因子分析結(jié)果，可得鞍山市冬季PM2.5污染元素主要人為源為鋼鐵冶煉塵、道路交通塵(尾氣、輪胎磨損等)、燃煤塵和建筑揚(yáng)塵。

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Pollution Characteristics and Sources of Elements in PM2.5during Winter in Anshan City

WANG Shibao1，2JIYaqin1，2ZHANG Wei1，2LI Jin3ZHAO Jie1，2ZHANG Lei1，2WANG Wei3

(1.College of Environmental Science and Engineering，Nankai University，Tianjin 300352，China； 2.State Environmental Protection Key Laboratory of Urban Ambient Air Particulate Matter Pollution Prevention and Control，Tianjin 300352，China； 3.An-Shan Environmental Monitoring Center，Liaoning Anshan 114004)

In order to explore the sources and characteristic of the elements in PM2.5during winter of Anshan，PM2.5samples were collected in January 2016 and the pollution characteristics and enrichment factors of elements were analyzed. Then the Factor Analysis (FA) was conducted to determine the main sources of PM2.5. The results showed that K，F(xiàn)e，Al，Ca，Na，Mg，Zn and Pb were the main elements and accounted for 97.13% of the 14 elements detected. The pollution levels of Cd、Zn、Pb、As、Cu were extremely high enrichment and Ni was very high enrichment. Cr、Ca、V were significant enrichment and Mg、K、Na、Fe were moderate enrichment. The results indicated that the main sources of the pollution elements in PM2.5during winter in Anshan were the compound pollution sources of the steel smelting，vehicle exhaust，coal combustion and construction dust by factor analysis.

PM2.5；Enrichment Factors；pollution characteristics；Factor Analysis (FA)；elements

王士寶，碩士研究生，主要從事大氣污染研究

姬亞芹，副教授，研究方向?yàn)榇髿馕廴驹磁欧徘鍐?、大氣顆粒物來源解析、大氣污染防治技術(shù)和環(huán)境暴露研究等領(lǐng)域

X21

A

1673-288X(2017)02-0160-05

引用文獻(xiàn)格式：王士寶 等.鞍山市冬季大氣PM2.5中元素污染特征與來源解析[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42(2)：160-164.