開(kāi)封市大氣顆粒物來(lái)源解析研究

白冰

摘要：采用顆粒物源解析技術(shù)，對(duì)開(kāi)封市環(huán)境空氣顆粒物的來(lái)源進(jìn)行了分析，利用一年時(shí)間，分三次采集環(huán)境受體樣品兩種，采集各種污染源類(lèi)塵六類(lèi)。通過(guò)對(duì)源和受體樣品的無(wú)機(jī)元素分析、離子分析和碳分析，得出了源與受體成分譜，將其帶入CMB模型進(jìn)行計(jì)算，取得了全市大氣顆粒物時(shí)間與空間分布特征，并給出了結(jié)論：顆粒物主要來(lái)源為城市揚(yáng)塵、煤煙塵、建筑塵、土壤風(fēng)沙塵、機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣塵和二次揚(yáng)塵。

關(guān)鍵詞：大氣顆粒物；環(huán)境空氣；源解析；排放源

中圖分類(lèi)號(hào)：X513

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944（2017）18014804

1引言

顆粒物是我國(guó)城市大氣環(huán)境的首要污染物＼[1，2＼]。PM10和PM2.5能長(zhǎng)期懸浮在空氣中，對(duì)人體健康產(chǎn)生很大的威脅＼[3＼]。動(dòng)力學(xué)直徑10 μm以下的可進(jìn)入鼻腔，7 μm以下的可進(jìn)入咽喉，小于2.5 μm的則可深入肺泡＼[4＼]。要從根本上治理顆粒物污染，必須弄清其污染來(lái)源及成因。開(kāi)封市環(huán)境空氣中，PM10年平均濃度值超過(guò)國(guó)家《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095—2012）中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（100 μg/m3），超標(biāo)率多在30%左右。二氧化硫達(dá)到國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、二氧化氮達(dá)標(biāo)率95%以上?？梢?jiàn)，環(huán)境空氣主要污染因子是顆粒物＼[5＼]。研究表明，目前，全國(guó)這類(lèi)研究進(jìn)展很快，并順利運(yùn)用于環(huán)境管理，為找出顆粒物主要污染來(lái)源，開(kāi)封市環(huán)境保護(hù)局開(kāi)展了開(kāi)封市大氣顆粒物來(lái)源解析研究。

2研究方法及實(shí)驗(yàn)部分

2.1顆粒物來(lái)源解析基本理論——受體模型（CMB）概述

假設(shè)對(duì)受體中的大氣顆粒物有貢獻(xiàn)的源類(lèi)有N類(lèi)，并且各類(lèi)源排放的顆粒物化學(xué)組成有明顯區(qū)別；各類(lèi)源排放的顆粒物化學(xué)組成相對(duì)穩(wěn)定；各類(lèi)源排放的顆粒物相互之間沒(méi)有作用，傳輸過(guò)程中的變化可以忽略。那么，受體上測(cè)量的總物質(zhì)濃度C，就是N類(lèi)源貢獻(xiàn)濃度值的線(xiàn)性加和＼[6＼]。

2.2源與受體樣品采集與分析

2.2.1大氣顆粒物排放源類(lèi)的識(shí)別和分類(lèi)

排放源的識(shí)別：CMB模型的輸入?yún)?shù)是各種源類(lèi)和受體顆粒物的成分譜，為了獲得該參數(shù)，首先要對(duì)大氣顆粒物的排放源類(lèi)進(jìn)行識(shí)別，為建立各類(lèi)源的成分譜奠定基礎(chǔ)，為此本次研究進(jìn)行了深入的污染源類(lèi)的調(diào)查與識(shí)別。本研究識(shí)別的污染源主要分以下幾類(lèi)：土壤風(fēng)沙塵 、燃煤飛灰 、機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣油煙飛灰 、建筑水泥塵 、揚(yáng)塵等＼[7＼]。

排放源的分類(lèi)：為管理上的方便，把某類(lèi)屬性相近的源類(lèi)綜合歸類(lèi)為：?jiǎn)我粔m源類(lèi)如：土壤風(fēng)沙塵、燃煤飛灰、汽車(chē)尾氣等；混合塵源類(lèi)如：揚(yáng)塵、城市外來(lái)塵、城市內(nèi)產(chǎn)塵；固定的有組織排放源類(lèi)、開(kāi)放無(wú)組織排放源類(lèi)等。根據(jù)對(duì)開(kāi)封市大氣顆粒物排放源類(lèi)的調(diào)查，確定開(kāi)封市大氣顆粒物源類(lèi)分類(lèi)符合上述分類(lèi)情況。

2.2.2排放源類(lèi)樣品的采集

在城市四郊的東、南、西、北各方向，城市主導(dǎo)風(fēng)向的上、下風(fēng)向和黃河沙灘上，采集裸露的表層土、深層土各一個(gè)樣品，共計(jì)14個(gè)樣品，作為土壤風(fēng)沙塵樣品；選擇不同噸位，不同燃燒方式，不同除塵方式的燒煤或燒油的爐窯（包括火電廠(chǎng)鍋爐和一般工業(yè)鍋爐）幾臺(tái)，采集除塵器除下來(lái)的灰和 10噸位工業(yè)爐窯煙道內(nèi)的飛灰，共計(jì)7個(gè)樣品，作為燃煤飛灰樣品；在高度為5～15 m的建筑物窗臺(tái)或平臺(tái)上，避免人為源的干擾，采集較長(zhǎng)時(shí)間未打掃的塵土，共計(jì)11個(gè)樣品，作為揚(yáng)塵樣品；采集純水泥樣品2種；采集施工建筑塵6個(gè)，作為建筑水泥塵樣品；分別取主干道、次干道、支路各3條，每條路上采集3個(gè)混合樣品，作為道路塵樣品。開(kāi)封市各個(gè)源樣品采集5種53個(gè)。

機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣塵：各地的尾氣塵成分譜一致，本研究采樣杭州市尾氣塵成分譜＼[8＼]。

2.2.3環(huán)境樣品的采集

根據(jù)開(kāi)封市具體情況，選取2月、4月、9月，共分3次，采樣時(shí)間分別為7 d，每天24 h。開(kāi)封市采暖季從每年的12月到次年的2月，非采暖季從3月到11月，受體采樣周期設(shè)置在采暖季、非采暖季。同時(shí)，考慮到植被覆蓋情況影響，在非采暖季進(jìn)行了二次采樣。

開(kāi)封市有4個(gè)環(huán)境空氣常規(guī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，是經(jīng)過(guò)優(yōu)化布點(diǎn)并通過(guò)環(huán)保部驗(yàn)收的國(guó)控點(diǎn)位，選擇4個(gè)點(diǎn)作為源解析的受體監(jiān)測(cè)點(diǎn)。結(jié)合空間分布等又增設(shè)了一個(gè)受體采樣點(diǎn)：北郊變電站，具體點(diǎn)位見(jiàn)表1。

受體采樣在非采暖季、采暖季和風(fēng)沙季均設(shè)5個(gè)點(diǎn)位，采樣情況見(jiàn)表2。

2.2.4采樣儀器及濾膜的選擇

采用武漢天虹儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的TH-150型中流量采樣器，用聚丙烯（有機(jī)）濾膜采集塵樣，供無(wú)機(jī)元素實(shí)驗(yàn)室分析使用；用石英（無(wú)機(jī)）濾膜采集樣品，供碳、離子和有機(jī)物組分實(shí)驗(yàn)室分析使用＼[9＼]。

2.2.5源與受體樣品成分分析方法

無(wú)機(jī)元素分析：采用日本理學(xué)株式會(huì)社的3080E2型X射線(xiàn)熒光光譜分析儀，分析Na、Mg、Al等19種元素。

離子分析：用英國(guó)戴爾公司的DX-120 型離子色譜儀對(duì)樣品中的Cl-、NO-3、SO2-4進(jìn)行定量分析。

碳分析：使用國(guó)土資源部的SMT-2型熱解碳分析儀，分析TC和OC。

3源與受體成分譜測(cè)量結(jié)果分析

3.1源成分譜分析

3.1.1源成分譜組成

大氣顆粒物各排放源類(lèi)成分譜之間的差異主要體現(xiàn)在譜的組成、含量范圍、特征元素等方面。本章將就上述問(wèn)題對(duì)主要源類(lèi)的成分譜特征進(jìn)行研究。由3部分組成：①化學(xué)元素譜：Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb，共計(jì)19種；②碳組分譜：TC、OC，共計(jì)2種；③離子譜：SO2-4、NO-3、Cl-，共計(jì)3種。

3.1.2源成分譜中化學(xué)組分含量特征分析

各源類(lèi)成分譜中的化學(xué)組分含量水平及組成特征如表3所示。從表3中可知：除機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣以外，其他5種源類(lèi)的細(xì)顆粒中元素的含量和的范圍在30%～64%，總碳的含量范圍在0～21%，離子和的范圍在0～3%。機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣塵中元素和的含量?jī)H占4%，離子和占5%，總碳則占到90%左右。表中“元素和”指被測(cè)的19種元素在樣品中的百分含量之和；“離子和”指被測(cè)的3種離子在樣品中的百分含量之和；“總碳”指被測(cè)的總碳組分在樣品中的百分含量；“總和”指“元素和”、“離子和”與“總碳”三者之和。endprint

3.1.3源成分譜特征元素分析

源成分譜的特征元素是某源類(lèi)區(qū)別于其它源類(lèi)的重要標(biāo)志。一般有幾個(gè)特點(diǎn)：首先，某源類(lèi)的特征元素，一般來(lái)說(shuō)在該源類(lèi)中的含量比在其它源類(lèi)中的含量要高幾倍到幾十倍；其次，特征元素的化學(xué)性質(zhì)最穩(wěn)定，在遷移擴(kuò)散過(guò)程中不易發(fā)生化學(xué)變化；再次，特征元素的標(biāo)準(zhǔn)偏差較小。大氣顆粒物各排放源類(lèi)的特征元素見(jiàn)表4。

3.2.1監(jiān)測(cè)濃度的時(shí)間分布特征分析

本研究在開(kāi)封市北郊變電站、柴油機(jī)廠(chǎng)、旅游品商場(chǎng)、紗廠(chǎng)、氣象臺(tái)等5個(gè)點(diǎn)位設(shè)立大氣顆粒物采樣點(diǎn)，于風(fēng)沙季（4月）、非采暖季（9月）和采暖季（2月），采集PM10受體樣品，分別代表開(kāi)封市風(fēng)沙季、非采暖季和采暖季的顆粒物污染情況，年均數(shù)據(jù)由三季數(shù)據(jù)加權(quán)而得，結(jié)果見(jiàn)表5。

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，從全市平均來(lái)看，顆粒物污染的時(shí)間分布特點(diǎn)為：采暖季污染最重，風(fēng)沙季次之，非采暖季最輕，PM10年均值處于超標(biāo)狀態(tài)。

3.2.2化學(xué)組成特征分析

開(kāi)封市環(huán)境空氣中PM10的成份譜也由3部分組成：①無(wú)機(jī)化學(xué)元素譜：Na、Mg、Al、Si 、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb，共計(jì)19種；②碳組分譜：TC、OC，共計(jì)2種；③離子譜：SO2-4、NO-3、Cl-，共計(jì)3種。

3.2.3各類(lèi)源特征元素在受體樣品中含量特征

Al、Si、Ca、TC是各單一源類(lèi)成份譜的特征元素，在受體中濃度和含量水平如表6所示。

3.3源貢獻(xiàn)值和分擔(dān)率特征討論

3.3.1二次顆粒物源解析

二次顆粒物是指受體中由氣態(tài)污染物轉(zhuǎn)化成的顆粒物，大氣中的二次粒子主要由環(huán)境空氣中氣態(tài)的硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）、氯化物（HCl）和含碳化合物經(jīng)一定的光化學(xué)氧化反應(yīng)所生成。

3.3.2源貢獻(xiàn)值和分擔(dān)率結(jié)果

源貢獻(xiàn)值解析結(jié)果：將選擇好的源類(lèi)和受體的成分譜代入CMB模型進(jìn)行計(jì)算，得到各源類(lèi)對(duì)受體的貢獻(xiàn)值和分擔(dān)率，稱(chēng)為“二重源解析”技術(shù)?？紤]揚(yáng)塵情況，利用“二重源解析技術(shù)” 得到開(kāi)封市揚(yáng)塵和各單一塵源類(lèi)對(duì)PM10的貢獻(xiàn)值，列于表7。

3.3.3源貢獻(xiàn)值和分擔(dān)率特征分析

時(shí)間變化規(guī)律分析：源解析結(jié)果表明，對(duì)PM10影響最大的源類(lèi)仍然是揚(yáng)塵，風(fēng)沙季的分擔(dān)率最高（52.22%），年分擔(dān)率為25.71%。第二位的源類(lèi)是煤煙塵，采暖季的分擔(dān)率最高（30.26%），年分擔(dān)率為23.84%。硫酸鹽非采暖季的分擔(dān)率最高（13.14%），年分擔(dān)率為10.96%。硝酸鹽的季節(jié)變化采暖季的分擔(dān)率最高（10.61%），年分擔(dān)率為8.15%。汽車(chē)尾氣塵、建筑塵，這兩種源類(lèi)的分擔(dān)率基本相當(dāng)，各季及全年分擔(dān)率都在6%～11%。

空間變化規(guī)律分析：利用二重源解析技術(shù)對(duì)5個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行源解析，分別得到了5個(gè)采樣點(diǎn)的年均解析結(jié)果。根據(jù)各采樣點(diǎn)的解析結(jié)果，對(duì)主要顆粒物源類(lèi)的空間污染變化規(guī)律分析如下：柴油機(jī)廠(chǎng)由于臨近主要運(yùn)輸公路，揚(yáng)塵污染、汽車(chē)尾氣最為嚴(yán)重；紗廠(chǎng)在工業(yè)區(qū)，煤煙塵污染最重；氣象臺(tái)在新開(kāi)發(fā)區(qū)，建筑工地多，建筑塵污染最重。

4結(jié)論

（1）開(kāi)封市顆粒物污染嚴(yán)重，顆粒物的主要來(lái)源是城市揚(yáng)塵、煤煙塵、建筑塵、土壤風(fēng)沙塵、機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣塵和由大氣化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化而來(lái)的二次粒子。

（2）揚(yáng)塵作為次生復(fù)合源，對(duì)環(huán)境空氣中顆粒物的貢獻(xiàn)在25%左右，是影響環(huán)境空氣中顆粒物污染的首要因素。

（3）土壤風(fēng)沙塵、建筑塵、煤煙塵直接對(duì)揚(yáng)塵產(chǎn)生重要影響。它們本質(zhì)上是空氣顆粒物污染的三大原始源，其治理的好壞，直接關(guān)系到揚(yáng)塵的治理效果。因此，這三種源類(lèi)視為主要污染源。

（4） 汽車(chē)尾氣塵的濃度貢獻(xiàn)相對(duì)比較穩(wěn)定，貢獻(xiàn)率在10%左右，隨著開(kāi)封市城市規(guī)模的規(guī)模和車(chē)輛保有量的增加，也應(yīng)當(dāng)引起環(huán)保部門(mén)足夠的重視。

（5）揚(yáng)塵污染呈現(xiàn)風(fēng)沙季嚴(yán)重，非采暖季和采暖季較輕的變化趨勢(shì)；煤煙塵在采暖季污染最重，在風(fēng)沙季和非采暖季較輕。

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Research of the Source Apportionment of the Atmospheric Particles in Kaifeng

Bai Bing

（Kaifeng Environment Monitoring Station， Kaifeng 475000， China）

Abstract： This research adopted the technology of particle source apportionment to analyze the source of the atmospheric particles in Kaifeng. Through a years time， two kinds of receptor samples and 6 kinds of dusts from various kinds of pollution sources were collected. Sources element and environmental receptors element spectrum were obtained through the analysis of sources element and environmental receptors inorganic element， ion and carbon. A CMB model was applied to identify the time and space distribution features. The results showed that urban raising dust， soot dust， building dust， soil dust， exhaust gas dust and dust re-entrainment contributed to the source of particulate matters.

Key words： atmospheric particles； ambient air； source apportionment； emission sourceendprint