龍游縣PM2.5化學(xué)組分特征及來源解析*

楊 圣 陳靂華 武燕燕 韓黎霞 葉心妤

(1.衢州市生態(tài)環(huán)境局龍游分局，浙江 衢州 324400；2.浙江省環(huán)境科技有限公司，浙江 杭州 310023；3.浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

大氣PM2.5污染對能見度、生態(tài)環(huán)境和人體健康等都有不可忽視的影響，近年來受到諸多研究人員的廣泛關(guān)注[1]。我國已針對京津冀、長三角、珠三角和成渝地區(qū)開展了大量PM2.5的研究，并根據(jù)研究結(jié)果對主要排放源進行了合理管控，已初見成效，但其他地區(qū)仍有許多城市亟待解決大氣PM2.5污染問題[2-5]。

本研究于2018年春季、夏季、秋季和冬季在龍游縣3個代表性點位采集了環(huán)境PM2.5樣品，并實地采集了污染源樣品，分析了PM2.5主要化學(xué)組分的污染變化特征，并利用化學(xué)質(zhì)量平衡模型(CMB)對PM2.5進行來源解析，得到不同季節(jié)不同污染源對PM2.5的貢獻率，為后續(xù)有針對性地開展顆粒物污染防治工作提供合理依據(jù)。

1 研究方法

1.1 環(huán)境PM2.5樣品的采集

于2018年春季、夏季、秋季和冬季，分別在衢州市生態(tài)環(huán)境局龍游分局(以下簡稱環(huán)保局，119°10′2.9″E、29°2′20.9″N，位于縣城城區(qū)，屬辦公、住宅混合區(qū))、夏金(119°6′7.3″E、28°59′36.1″N，位于龍游縣西部邊界，屬農(nóng)村)、湖鎮(zhèn)(119°18′59.4″E、29°5′3.2″N，位于龍游縣東部邊界，屬農(nóng)村)3個代表性點位采集環(huán)境PM2.5樣品，每個點位都在距地面5～20 m的空間內(nèi)采集。采樣期間每個點位每日使用兩臺空氣采樣器(PQ200)分別用直徑47 mm的石英濾膜(供含碳組分和水溶性無機離子分析)和特氟龍濾膜(供無機元素分析)連續(xù)采樣23 h，切割粒徑為2.5 μm，流量為16.7 L/min，每個季節(jié)至少采集5 d，取平均值。采樣后立即將濾膜放置在4 ℃下密封冷藏保存。通過稱量法獲得PM2.5濃度。

1.2 污染源PM2.5樣品的獲取和采集

通過對龍游縣自然環(huán)境、經(jīng)濟社會、能源結(jié)構(gòu)、城市建設(shè)、工業(yè)現(xiàn)狀及主要大氣污染特征的調(diào)查識別出龍游縣大氣PM2.5的污染源主要有7類：工業(yè)、機動車尾氣塵、道路揚塵、土壤風(fēng)沙塵、建筑水泥塵、二次硫酸鹽、二次硝酸鹽。機動車尾氣塵和建筑水泥塵形成的PM2.5樣品化學(xué)組分特征使用參考文獻[11]中的數(shù)據(jù)；二次硫酸鹽和二次硝酸鹽形成的PM2.5樣品化學(xué)組分特征采用純硫酸銨和純硝酸銨建立虛擬成分譜[12]；其他排放源形成的PM2.5樣品均由現(xiàn)場采集得到，具體采樣方法參見生態(tài)環(huán)境部的《環(huán)境空氣顆粒物來源解析監(jiān)測技術(shù)方法指南》，共采集工業(yè)樣品4個、道路揚塵樣品14個、土壤風(fēng)沙塵樣品14個。

1.3 樣品分析方法

2 結(jié)果與討論

2.1 龍游縣PM2.5化學(xué)組分特征

圖1展示了2018年龍游縣3個點位PM2.5質(zhì)量濃度的季節(jié)變化，3個點位的PM2.5平均質(zhì)量濃度春季為39.63 μg/m3、夏季為29.93 μg/m3、秋季為62.80 μg/m3、冬季為92.33 μg/m3，季節(jié)差異較為明顯，冬季遠高于春季、夏季，秋季也相對較高，總體表現(xiàn)為冬季>秋季>春季>夏季。因為夏季降水較多，有利于環(huán)境PM2.5濃度降低，同時夏季氣團主要來自海洋，攜帶污染物較少；而冬季相反，降水較少，氣團又主要來自內(nèi)陸地區(qū)。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012)，PM2.5日均質(zhì)量濃度為150～250 μg/m3時屬重度污染。由此判斷，龍游縣冬季采樣期間1月18日達到了重度污染。這次重度污染形成過程中，PM2.5實時質(zhì)量濃度從1月17日清晨開始升高，在夜間有一個積累過程，到1月18日3：00左右達到最大值(約190 μg/m3)，此后維持在150～183 μg/m3，直到15:00后下降。對于同一季節(jié)而言，環(huán)保局、夏金、湖鎮(zhèn)間的空間差異則較小。

圖1 2018年龍游縣3個點位PM2.5質(zhì)量濃度的季節(jié)變化Fig.1 Seasonal changes of PM2.5 mass concentrations for 3 sites in Longyou,2018

圖2 PM2.5中水溶性無機離子和碳組分的季節(jié)變化特征Fig.2 Seasonal changes of water-soluble inorganic ions and carbon components in PM2.5

圖3 PM2.5中水溶性無機離子和碳組分的空間分布特征Fig.3 Spatial distribution of water-soluble inorganic ions and carbon components in PM2.5

圖4、圖5分別為PM2.5中無機元素的季節(jié)變化特征和空間分布特征。冬季Fe、Si、Ca、Ti、Mg、Al、K等元素濃度較高，而春季Fe、Al、Na、K等元素濃度較高，說明不同元素在不同季節(jié)的來源不同。從空間分布來看，環(huán)保局和湖鎮(zhèn)的各元素濃度總體比較接近，而與夏金差異較大，說明城市和農(nóng)村可能并不是造成這些元素濃度差異的原因，具體原因值得進一步深入研究。

圖4 PM2.5中無機元素的季節(jié)變化特征Fig.4 Seasonal changes of inorganic elements in PM2.5

圖5 PM2.5中無機元素的空間分布特征Fig.5 Spatial distribution of inorganic elements in PM2.5

2.2 來源解析

將環(huán)境和污染源類樣品PM2.5各化學(xué)組分數(shù)據(jù)納入CMB進行計算[16-18]，得到龍游縣各污染源對環(huán)境中PM2.5的貢獻率，結(jié)果見圖6。

春季PM2.5濃度較低，不同污染源的貢獻率相對比較平均。夏季PM2.5濃度最低，工業(yè)、二次硝酸鹽的貢獻與春季相比明顯降低。秋季與冬季PM2.5濃度較高，各污染源貢獻也有一定的相似之處，主要表現(xiàn)為機動車尾氣塵、二次硫酸鹽、二次硝酸鹽貢獻率較大，而建筑水泥塵貢獻率很低。秋季與冬季主要的區(qū)別是秋季工業(yè)貢獻率只有10.93%，而冬季工業(yè)貢獻率高達23.73%。冬季的PM2.5污染最為嚴重，工業(yè)、機動車尾氣塵、二次硝酸鹽和二次硫酸鹽是冬季PM2.5最主要的4類污染源，貢獻率總和達到85.82%。對重度污染的1月18日專門進行污染源貢獻率分析發(fā)現(xiàn)，與整個冬季相比，其二次硝酸鹽、二次硫酸鹽貢獻率大大增加，尤其是二次硝酸鹽貢獻率，由28.62%增加到了36.50%。全年總體分析，龍游縣2018年各類污染源貢獻率大小依次為：機動車尾氣塵(29.28%)>工業(yè)(23.08%)>二次硝酸鹽(21.95%)>二次硫酸鹽(10.99%)>土壤風(fēng)沙塵(2.79%)>建筑水泥塵(2.55%)>道路揚塵(2.13%)。

與長三角其他城市[19]比較(見表1)發(fā)現(xiàn)，長三角典型城市PM2.5的最主要污染源基本均為工業(yè)、機動車尾氣塵、二次硫酸鹽和二次硝酸鹽，二次污染對各城市PM2.5濃度有非常重要的影響。4個城市的PM2.5均有民用來源解析出，主要包括餐飲油煙、廚房天然氣使用、農(nóng)田秸稈燃燒等來源，而本研究未對這一來源進行考慮，很有可能包含在其他來源中，后續(xù)的研究應(yīng)把這部分來源考慮進去。

3 結(jié) 論

(1) 2018年龍游縣3個點位PM2.5平均質(zhì)量濃度春季為39.63 μg/m3、夏季為29.93 μg/m3、秋季為62.80 μg/m3、冬季為92.33 μg/m3，季節(jié)差異較為明顯，總體表現(xiàn)為冬季>秋季>春季>夏季。

(3) 來源解析結(jié)果顯示，龍游縣2018年全年各類污染源的貢獻率大小依次為：機動車尾氣塵(29.28%)>工業(yè)(23.08%)>二次硝酸鹽(21.95%)>二次硫酸鹽(10.99%)>土壤風(fēng)沙塵(2.79%)>建筑水泥塵(2.55%)>道路揚塵(2.13%)，機動車尾氣塵、工業(yè)、二次硝酸鹽和二次硫酸鹽為最主要的污染源，這在冬季表現(xiàn)得尤為明顯。

注：分析過程中不能歸于7類污染源的都歸為其他，不進行具體討論。圖6 各污染源對環(huán)境中PM2.5的貢獻率Fig.6 Contribution rate of pollution sources for PM2.5 in environment

表1 長三角典型城市PM2.5污染源貢獻率比較