西安市冬夏季交通主干道環(huán)境空氣中苯系物的污染特征*

霍霄瑋 薛科社 許博健 史良于 史瑞祥

(西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127)

西安市冬夏季交通主干道環(huán)境空氣中苯系物的污染特征*

霍霄瑋 薛科社#許博健 史良于 史瑞祥

(西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127)

利用活性炭吸附/二硫化碳解吸—?dú)庀嗌V法對(duì)西安市具有代表性的大慶路和長(zhǎng)安路兩處交通主干道進(jìn)行環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)，分析了冬季和夏季的苯、甲苯、乙苯、二甲苯(BTEX)等苯系物的濃度水平和日變化特征。結(jié)果表明，大慶路和長(zhǎng)安路環(huán)境空氣中總BTEX平均質(zhì)量濃度冬季分別為55.27、46.01μg/m3，夏季分別為32.54、20.32μg/m3。兩路段最主要的BTEX均為苯和甲苯。BTEX日變化趨勢(shì)研究顯示，冬季呈現(xiàn)早中晚3個(gè)高峰，而夏季只有早晚兩個(gè)高峰；長(zhǎng)安路由于地處西安市繁華的商業(yè)區(qū)，晚高峰出現(xiàn)的比大慶路晚。

苯系物 交通主干道 環(huán)境空氣 西安市

大部分揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)具有大氣化學(xué)反應(yīng)活性，是形成臭氧和PM2.5的重要前體物[1-2]。眾多關(guān)于VOCs的研究表明，苯、甲苯、乙苯、二甲苯(BTEX)等苯系物是大氣VOCs的主要組分，具有較大的臭氧生成潛勢(shì)[3]和二次有機(jī)氣溶膠轉(zhuǎn)化潛力[4]。長(zhǎng)期接觸BTEX等苯系物會(huì)對(duì)人體的呼吸系統(tǒng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)和血液循環(huán)系統(tǒng)造成慢性或急性傷害，甚至具有致癌風(fēng)險(xiǎn)[5-6]。因此，許多發(fā)達(dá)國(guó)家已將BTEX的監(jiān)測(cè)作為環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的常規(guī)項(xiàng)目，但我國(guó)的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)尚未對(duì)BTEX進(jìn)行限定。

我國(guó)環(huán)境科學(xué)工作者在各大城市做了BTEX的研究工作，但主要集中在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的京津冀地區(qū)[7-8]和長(zhǎng)三角地區(qū)[9]，西北地區(qū)研究較少。近年來，西部大開發(fā)和新絲綢之路戰(zhàn)略的實(shí)施使西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，但隨之引起的環(huán)境空氣污染問題也越來越突出。西安市是重要的西北城市，大氣污染問題尤為突出。PM2.5和臭氧已成為西安市冬夏季的首要大氣污染物，所以研究PM2.5和臭氧的重要前體物BTEX十分必要。研究證明，機(jī)動(dòng)車尾氣排放是城市BTEX的重要來源[10]。因此，本研究對(duì)西安市冬夏季兩處具有代表性的大慶路和長(zhǎng)安路交通主干道環(huán)境空氣中BTEX的污染特征進(jìn)行了研究，以期為西安市大氣污染的治理提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 采樣點(diǎn)布設(shè)

西安市的道路網(wǎng)為方格網(wǎng)、棋盤式布局，以穿越鐘樓的南北主干道為中心主軸，與穿越五路口和蓮湖路的東西主干道交匯，形成“十”字型格局。本研究將采樣點(diǎn)設(shè)置于西安市大慶路開遠(yuǎn)門附近交通主干道(以下簡(jiǎn)稱大慶路)和長(zhǎng)安路小寨附近交通主干道(以下簡(jiǎn)稱長(zhǎng)安路)。大慶路和長(zhǎng)安路分別是東西主干道和南北主干道的重要路段，均為雙向八車道，交通繁忙，車流量大。經(jīng)實(shí)地調(diào)研，大慶路車流量約為2 435輛/h，長(zhǎng)安路車流量約為2 417輛/h。

1.2 樣品采集

在距機(jī)動(dòng)車道邊緣1.0～1.5 m的人行道上采集樣品，采樣點(diǎn)距地面高度為1.5 m。分別在冬季(2015年12月至2016年1月)和夏季(2016年7月至8月)進(jìn)行了樣品采集，冬季共采13次，夏季共采14次。每次采樣選取8:00、10:00、12:00、14:00、16:00、18:00、20:00 7個(gè)時(shí)間點(diǎn)，取各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的平均值來研究BTEX日變化特征，取各個(gè)季節(jié)的平均值來表示BTEX季節(jié)濃度。依照《環(huán)境空氣 苯系物的測(cè)定 活性炭吸附/二硫化碳解吸—?dú)庀嗌V法》(HJ 584—2010)的規(guī)定，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)采樣時(shí)將GH-1溶劑解析型活性炭采樣管與TH-110B型大氣采樣器連接，以0.3 L/min的速率采集空氣1 h，采樣結(jié)束后將活性炭采樣管兩端用聚四氟乙烯密封，避光保存，帶回實(shí)驗(yàn)室冷凍保存，24 h內(nèi)完成分析。

1.3 樣品測(cè)定

1.3.1 樣品預(yù)處理

依照HJ 584—2010的規(guī)定，將活性炭采樣管中活性炭倒入磨口具塞試管中，加入1.0 mL二硫化碳后密閉，輕輕振蕩，在室溫下解吸1 h，取1 μL解吸液注入日本島津GC-2010型氣相色譜儀中檢測(cè)苯、甲苯、乙苯、鄰二甲苯、間二甲苯、對(duì)二甲苯6種化合物。

1.3.2 色譜條件

進(jìn)樣口溫度為200 ℃，壓力為100 kPa，分流比為10∶1；檢測(cè)器為氫火焰離子化檢測(cè)器(FID)，溫度為200 ℃，H2流量為40 mL/min，空氣流量為50 mL/min，尾吹氣(氦氣)流量為30 mL/min；色譜柱為美國(guó)安捷倫科技有限公司的HP-1MS石英毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，初始柱溫為35 ℃，保持5 min后，以5 ℃/min升溫至80 ℃；載氣為氦氣，純度為99.999%。

1.3.3 質(zhì)量控制

每次采集樣品時(shí)，做現(xiàn)場(chǎng)空白樣品；采樣前對(duì)大氣采樣器進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)活性炭采樣管進(jìn)行穿透體積實(shí)驗(yàn)，保證采樣流量平穩(wěn)，待測(cè)物未發(fā)生穿透現(xiàn)象；對(duì)同一濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液連續(xù)進(jìn)樣7次，各化合物的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于4%；BTEX的方法檢出限為1.0×10-3～1.5×10-3mg/m3，滿足質(zhì)量控制要求。由于間二甲苯和對(duì)二甲苯不能有效分離，以下統(tǒng)稱為間對(duì)二甲苯。

2 結(jié)果與討論

2.1 BTEX濃度水平及來源分析

大慶路和長(zhǎng)安路冬夏兩季環(huán)境空氣中BTEX質(zhì)量濃度如表1所示?？梢?，大慶路和長(zhǎng)安路環(huán)境空氣中總BTEX平均質(zhì)量濃度冬季分別為55.27、46.01 μg/m3，夏季分別為32.54、20.32 μg/m3。總體來說，大慶路的BTEX濃度高于長(zhǎng)安路，這是因?yàn)榇髴c路位于西安市城西工業(yè)生產(chǎn)的集中區(qū)域，周邊有眾多加工制造廠，除了交通污染源外，還存在涂料油漆、工業(yè)溶劑、化學(xué)試劑等工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的BTEX。兩采樣點(diǎn)的最主要污染物是苯和甲苯。大慶路夏季的間對(duì)二甲苯濃度高于苯和甲苯是因?yàn)殚g二甲苯和對(duì)二甲苯未分離，其結(jié)果是兩種化合物的和。

從季節(jié)分析，大慶路和長(zhǎng)安路均表現(xiàn)出BTEX濃度冬季高于夏季，與翟增秀等[11]的研究結(jié)果一致。冬季BTEX污染程度普遍高于夏季，這可能與氣象條件[12]和污染源排放強(qiáng)度有關(guān)：一方面西安市冬季大氣穩(wěn)定度強(qiáng)，混合層高度低，污染物不易擴(kuò)散，而夏季大氣對(duì)流強(qiáng)，污染物易擴(kuò)散；另一方面，冬季除了來自機(jī)動(dòng)車尾氣排放和汽油揮發(fā)外[13]，化石燃料和生物質(zhì)不完全燃燒排放也有一定的貢獻(xiàn)[14]。

由于GB 3095—2012尚未對(duì)BTEX進(jìn)行限定，參考?xì)W盟對(duì)苯的最大質(zhì)量濃度(5 μg/m3)限定和世界衛(wèi)生組織(WHO)推薦的甲苯日均接觸閾值(8.21 μg/m3)進(jìn)行評(píng)價(jià)，大慶路和長(zhǎng)安路冬夏兩季的苯濃度均超標(biāo)，兩采樣點(diǎn)的甲苯濃度冬季超過了WHO的日均接觸閾值。

表1 大慶路和長(zhǎng)安路冬夏兩季環(huán)境空氣中BTEX質(zhì)量濃度

2.2 BTEX日變化特征

如圖1(a)所示，大慶路冬季環(huán)境空氣中BTEX各組分以及總BTEX日變化趨勢(shì)基本相似，呈早中晚3個(gè)高峰。早晚高峰正好是8:00和18:00上下班交通高峰期，說明BTEX與交通排放緊密相關(guān)。18:00之后，各污染物濃度呈下降趨勢(shì)，一方面由于交通流量下降，汽車尾氣排放開始降低；另一方面由于附近工廠停止工作，工業(yè)溶劑、涂料等停止或減少使用。中午12:00—14:00的高峰與北京市等大多數(shù)城市的研究結(jié)果不同[15]，但李明謙[16]在研究西安市城區(qū)VOCs時(shí)也發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)果。BTEX濃度的日變化特征與污染物的來源和氣象條件等都密切相關(guān)。中午時(shí)段，街邊飯館生意火熱，大量煤燃燒所排放的污染物可能是中午時(shí)段重要的污染來源。此外，冬季大氣穩(wěn)定度強(qiáng)，大氣對(duì)流弱，污染物不易擴(kuò)散[17]，也可能是中午時(shí)段污染物濃度偏高的原因。圖1(b)顯示了大慶路夏季環(huán)境空氣中BTEX各組分以及總BTEX日變化趨勢(shì)。與冬季不同的是，夏季只有兩個(gè)高峰。上午8:00出現(xiàn)第1個(gè)高峰，隨后BTEX各組分以及總BTEX濃度下降，14:00降為最低，與VELASCO等[18]的研究結(jié)果相同，之后又開始上升，18:00左右出現(xiàn)第2個(gè)高峰，這兩個(gè)時(shí)間與人類活動(dòng)(主要是化石燃料燃燒和機(jī)動(dòng)車尾氣排放)密切相關(guān)。中午沒有出現(xiàn)高峰可能是因?yàn)槲靼彩邢募練鉁馗撸髿膺吔鐚痈叨入S之增高，對(duì)流作用強(qiáng)烈，光化學(xué)反應(yīng)消耗和大氣對(duì)流擴(kuò)散降低了環(huán)境空氣中BTEX的濃度。

圖1 BTEX各組分濃度的日變化Fig.1 Diurnal variation of benzene, toluene, ethylbenzene and xylenes

如圖1(c)所示，長(zhǎng)安路冬季環(huán)境空氣中BTEX各組分以及總BTEX日變化也呈現(xiàn)早中晚3個(gè)高峰，但與大慶路不同的是，長(zhǎng)安路晚高峰出現(xiàn)的更晚，這可能是長(zhǎng)安路處于西安市繁華的商業(yè)區(qū)，交通晚高峰一直持續(xù)到20:00以后。此外，長(zhǎng)安路附近還有城中村使用簡(jiǎn)易煤爐作為冬季的主要取暖方式，化石燃料燃燒排放非常嚴(yán)重。如圖1(d)所示，長(zhǎng)安路夏季環(huán)境空氣中BTEX各組分以及總BTEX日變化趨勢(shì)也只呈現(xiàn)早晚兩個(gè)高峰，早高峰出現(xiàn)在8:00，同樣地，晚高峰持續(xù)到20:00以后。

3 結(jié) 論

(1) 大慶路和長(zhǎng)安路環(huán)境空氣中總BTEX冬季平均質(zhì)量濃度分別為55.27、46.01 μg/m3，明顯高于夏季(大慶路和長(zhǎng)安路分別為32.54、20.32 μg/m3)。大慶路和長(zhǎng)安路相比，大慶路BTEX濃度總體高于長(zhǎng)安路。苯和甲苯是西安市環(huán)境空氣中最主要的BTEX污染物。

(2) BTEX日變化趨勢(shì)分析發(fā)現(xiàn)，冬季環(huán)境空氣中BTEX日變化趨勢(shì)呈現(xiàn)早中晚3個(gè)高峰，而夏季只有早晚兩個(gè)高峰。長(zhǎng)安路由于地處西安市繁華的商業(yè)區(qū)，晚高峰出現(xiàn)的比大慶路更晚。

[1] ZHANG Junke,SUN Yang,WU Fangkun,et al.The characteristics,seasonal variation and source apportionment of VOCs at Gongga Mountain,China[J].Atmospheric Environment,2014,88(5):297-305.

[2] 呂子峰，郝吉明，段菁春，等.北京市夏季二次有機(jī)氣溶膠生成潛勢(shì)的估算[J].環(huán)境科學(xué),2009,30(4):969-975.

[3] 印紅玲,袁樺蔚,葉芝祥,等.成都市大氣中揮發(fā)性有機(jī)物的時(shí)空分布特征及臭氧生成潛勢(shì)研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2015,35(2):386-393.

[4] 王倩,陳長(zhǎng)虹,王紅麗,等.上海市秋季大氣VOCs對(duì)二次有機(jī)氣溶膠的生成貢獻(xiàn)及來源研究[J].環(huán)境科學(xué),2013,34(2):424-433.

[5] 張遠(yuǎn)航，邵可聲，唐孝炎，等.中國(guó)城市光化學(xué)煙霧污染研究[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1998,34(2):392-400.

[6] 張平.杭州市空氣中苯系物的污染特征、來源及健康風(fēng)險(xiǎn)[D].杭州：浙江大學(xué),2007.

[7] LI Lei,LI Hong,ZHANG Xinmin,et al.Pollution characteristics and health risk assessment of benzene homologues in ambient air in the northeastern urban area of Beijing,China[J].Journal of Environmental Sciences,2014,26(1):214-223.

[8] 姚青,韓素芹,蔡子穎,等.2012年夏季天津城區(qū)BTEX污染特征與臭氧潛勢(shì)分析[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2013,33(5):793-798.

[9] 陳長(zhǎng)虹,蘇雷燕,王紅麗,等.上海市城區(qū)VOCs的年變化特征及其關(guān)鍵活性組分[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(2):367-376.

[10] 張愛東,郭明明,修光利.上海市交通干道空氣中苯系物冬季污染特征初探[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè),2006,22(2):119-123.

[11] 翟增秀,鄒克華,李偉芳,等.天津中心城區(qū)環(huán)境空氣揮發(fā)性有機(jī)物污染特征分析[J].環(huán)境科學(xué),2013,34(12):4513-4518.

[12] 姜雪.西安市空氣污染物濃度統(tǒng)計(jì)特征及其氣象影響研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2012.

[13] 張俊剛,王躍思,吳方堃,等.北京市大氣中BTEX工作日與非工作日的濃度變化[J].環(huán)境化學(xué),2009,28(1):112-116.

[14] LIU Ying,SHAO Min,FU Linlin,et al.Source profiles of volatile organic compounds (VOCs) measured in China:Part Ⅰ[J].Atmospheric Environment,2008,42(25):6247-6260.

[15] 夏芬美,李紅,李金娟,等.北京市東北城區(qū)夏季環(huán)境空氣中苯系物的污染特征與健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].生態(tài)毒理學(xué)報(bào),2014,9(6):1041-1052.

[16] 李明謙.西安城區(qū)空氣中揮發(fā)性有機(jī)物的污染特征和化學(xué)反應(yīng)活性研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué),2015.

[17] HOQUE R R,KHILLARE P S,AGARWAL T,et al.Spatial and temporal variation of BTEX in the urban atmosphere of Delhi,India[J].Science of the Total Environment,2008,392(1):30-40.

[18] VELASCO E,LAMB B,WESTBERG H,et al.Distribution,magnitudes,reactivities,ratios and diurnal patterns of volatile organic compounds in the Valley of Mexico during the MCMA 2002 & 2003 field campaigns[J].Atmospheric Chemistry and Physics,2007,7(2):329-353.

PollutioncharacteristicsofbenzenesinambientairaroundtrafficarteriesduringwinterandsummerinXi’an

HUOXiaowei,XUEKeshe,XUBojian,SHILiangyu,SHIRuixiang.

(CollegeofUrbanandEnvironmentalScience,NorthwestUniversity,Xi’anShaanxi710127)

The monitoring of ambient air in two typical traffic arteries (Daqing Road and Chang’an Road) in Xi’an was carried out by activated carbon adsorption/carbon disulfide desorption coupled with gas chromatography. The concentration levels and diurnal variations of benezenes (benzene,toluene,ethylbenzene and xylenes (BTEX)) were studied during winter and summer. Results showed that the average mass concentrations of total BTEX during winter were 55.27 and 46.01 μg/m3in Daqing Road and Chang’an Road,respectively,and those during summer were 32.54 and 20.32 μg/m3,respectively. The most dominant BTEX were benzene and toluene in both sampling points. The diurnal variations of BTEX showed that 3 peaks existed in winter while only 2 peaks in summer;the evening peak came later in Chang’an Road because Chang’an Road located in commercial area.

benzenes; traffic arteries; ambient air; Xi’an

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.04.016

2016-11-09)

霍霄瑋，男，1989年生，碩士研究生，主要從事大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與大氣污染治理研究。#

。

*西北大學(xué)研究生自主創(chuàng)新項(xiàng)目(No.YZZ15012)。