馮 云 霞
(中石化安全工程研究院有限公司化學(xué)品安全控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266104)
隨著工業(yè)化進(jìn)程加快,全球變暖趨勢愈加明顯,無論發(fā)達(dá)國家還是發(fā)展中國家,臭氧(O3)和二次有機(jī)氣溶膠(SOA)等二次污染問題日益突出[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)[3],全球平均臭氧體積分?jǐn)?shù)暴露量從2010年的47.3 nL/L增加到2019年的49.5 nL/L。揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)是O3和SOA的重要前身物,其在大氣中會(huì)發(fā)生物理/化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為二次污染物[4]。VOCs的大量排放造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi),并威脅人類健康。大氣中VOCs的來源非常復(fù)雜,可能是自然來源,如植物、動(dòng)物、火山噴發(fā)等,也可能是人為排放,如工業(yè)排放、汽車尾氣排放、生物質(zhì)燃燒等。其中,石化工業(yè)區(qū)排放是大氣VOCs的重要來源之一,因而圍繞石化工業(yè)區(qū)開展VOCs污染特征研究,既可以明晰工業(yè)區(qū)對大氣環(huán)境污染的影響,也可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域級精細(xì)化VOCs來源解析,有針對性地指導(dǎo)區(qū)域VOCs排放和二次污染管控。
目前,關(guān)于工業(yè)園區(qū)VOCs排放特征與來源解析、VOCs對O3和SOA等二次污染形成的貢獻(xiàn),已有較多研究報(bào)道[5-7]。VOCs來源解析常用的模型有正定矩陣因子法(PMF)、化學(xué)質(zhì)量平衡法(CMB)等,近年來在線分析技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了VOCs的精細(xì)化溯源解析研究。Zheng Huang等[6]利用在線氣相色譜-質(zhì)譜/氫火焰離子化檢測器(GC-MS/FID)對某石化工業(yè)園區(qū)的VOCs濃度進(jìn)行監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)C2~C3烯烴是該園區(qū)最主要的VOCs組分,結(jié)合PMF溯源模型共識別出4個(gè)主要工業(yè)污染源。曹夢瑤等[8]利用吸附濃縮在線監(jiān)測系統(tǒng),對南京工業(yè)區(qū)秋季大氣VOCs的污染特征及來源進(jìn)行解析,發(fā)現(xiàn)該工業(yè)區(qū)VOCs組分以烷烴、含氧揮發(fā)性有機(jī)物及鹵代烴為主;進(jìn)而利用PMF溯源模型進(jìn)行識別,發(fā)現(xiàn)其污染源主要有交通排放、工業(yè)排放、液化石油氣排放等。此外,不同污染源排放的VOCs含有特定的特征組分,或者VOCs的不同組分間具有特征比值。因此,除利用溯源模型識別外,以特征比值或特征組分為污染源示蹤劑也可以很好地識別特定的VOCs來源[9-12]。
然而,利用溯源模型或者特征參數(shù)來識別VOCs,均需要對研究區(qū)域VOCs排放情況進(jìn)行長期監(jiān)測,目前這方面的研究報(bào)道較少。本研究對某石化工業(yè)園區(qū)大氣中的VOCs進(jìn)行長期、高時(shí)間分辨率在線監(jiān)測;在此基礎(chǔ)上評估其VOCs污染特征,并利用PMF計(jì)算監(jiān)測點(diǎn)附近的主要污染源以及VOCs對二次污染形成的作用,以期為工業(yè)園區(qū)的VOCs治理和二次污染管控提供指導(dǎo)。
監(jiān)測采樣點(diǎn)位于某石化工業(yè)區(qū),其東北側(cè)為煉油廠生產(chǎn)區(qū),西北側(cè)為煉油廠污水處理區(qū),西南側(cè)和東南側(cè)有多個(gè)化工企業(yè)。監(jiān)測采樣期為2020年1月至2020年6月,期間每間隔1 h采樣1次,且保持采樣頻次不間斷,共獲得3 089組樣品有效數(shù)據(jù)。
利用美國賽默飛公司生產(chǎn)的1300-ISQ7000型GC-MS/FID儀,按照美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)的TO-14、TO-15方法分析樣品107種VOCs組分,詳細(xì)測試組分信息見文獻(xiàn)[13]。該儀器使用雙色譜柱:DB-624色譜柱(60 m×0.3 mm×1.8 μm)和PLOT色譜柱(50 m×0.3 mm×5.0 μm)。樣品分析前需先除去水分并低溫濃縮,然后快速加熱并進(jìn)行GC-MS/FID測試。測試時(shí),樣品通過Dean SwitchTM技術(shù)分別通過DB-624柱進(jìn)入質(zhì)譜檢測器定量分析C4~C12烴,通過PLOT柱進(jìn)入FID檢測器定量分析C2~C3烴(如乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯)。程序升溫:在40 ℃下保持3.5 min,先以5 ℃/min的速率升溫至110 ℃,然后以8 ℃/min的速率升溫至190 ℃,保持20.5 min。載氣為氦氣,純度(w)大于 99.999%。
定量分析時(shí),首先使用6種不同摩爾分?jǐn)?shù)(0.5,1.0,2.0,4.0,8.0,16.0 nmol/mol)的標(biāo)準(zhǔn)氣體建立校準(zhǔn)曲線,然后根據(jù)分析響應(yīng)值和相應(yīng)組分濃度間的關(guān)系,獲得每種目標(biāo)化合物的校準(zhǔn)曲線。結(jié)果表明:107種VOCs的校正曲線均有較高的相關(guān)系數(shù)(r>0.99);對4.0 nmol/mol標(biāo)準(zhǔn)樣品重復(fù)測定7次,各VOCs組分的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差、相對誤差均小于10%;107種VOCs的檢出限為0.02~0.21 nmol/mol。此外,為確保分析的準(zhǔn)確性及系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在樣品分析時(shí)使用4種已知濃度的化合物(4-溴氟苯,氯苯-d5,溴氯甲烷和1,4-二氟苯)作為內(nèi)標(biāo)物來校準(zhǔn)系統(tǒng),每測試10個(gè)樣品校準(zhǔn)一次。
氣象監(jiān)測站位于監(jiān)測采樣點(diǎn)東南側(cè)100 m處,監(jiān)測點(diǎn)位于距離地面10 m的空中。采樣期間工業(yè)區(qū)平均氣溫為28.3 ℃,相對濕度為73.0%,平均氣壓為99.9 kPa,平均風(fēng)速為1.1 m/s并以西南風(fēng)和東北風(fēng)為主。可見,觀測周期內(nèi)該區(qū)域氣象特征相對穩(wěn)定,未出現(xiàn)極端天氣情況,說明測得的VOCs數(shù)據(jù)基本反映觀測期間工業(yè)區(qū)的真實(shí)情況。
本研究使用US EPA開發(fā)的PMF 5.0受體模型進(jìn)行VOCs源解析,PMF受體模型是一種基于大量在線監(jiān)測數(shù)據(jù)對大氣污染物來源進(jìn)行解析的工具,不需要輸入每個(gè)源譜,僅需受體點(diǎn)成分譜信息。使用PMF模型解析時(shí),首先按時(shí)間序列對各組分的濃度變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì),然后采用加權(quán)最小二乘法確定VOCs的主要污染源及各污染源貢獻(xiàn)大小。該模型的基本原理為:假設(shè)環(huán)境樣品xij可以被分解為環(huán)境源成分譜矩陣f和污染源貢獻(xiàn)矩陣g,則所測VOCs濃度可由式(1)計(jì)算。
(1)
式中:xij為第i個(gè)樣品中第j個(gè)組分的質(zhì)量濃度,μg/m3;gik為第k個(gè)排放源對第i個(gè)樣品的相對貢獻(xiàn)率,%;fkj為第k個(gè)排放源中第j個(gè)組分的質(zhì)量濃度,μg/m3;eij為第i個(gè)樣品中第j個(gè)組分的質(zhì)量濃度殘差,μg/m3;p為因子數(shù)(排放源數(shù)量)。
在VOCs組分濃度數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,采用最大增量反應(yīng)活性(MIR)法對VOCs的光化學(xué)反應(yīng)活性,即臭氧生成潛勢(OFP),進(jìn)行綜合分析,見式(2)。
OFPj=MIRj×Cj
(2)
式中:OFPj為VOCs組分j的臭氧生成潛勢,μg/m3;Cj是組分j的質(zhì)量濃度,μg/m3;MIRj為VOCs組分j的最大增量反應(yīng)活性系數(shù),g/g,其可由Carter[14]的研究獲得。
SOA生成潛勢(SOAP)的計(jì)算如式(3)所示。
SOAPj=Kj×Cj
(3)
式中:SOAPj是VOCs組分j對應(yīng)的SOA的生成潛勢,μg/m3;Kj為組分j的生成系數(shù),%,可由Derwent等[15]的研究獲得。
2.1.1VOCs隨月份和風(fēng)向變化特征
本研究監(jiān)測VOCs組分共107種,包含25種烷烴、11種烯(炔)烴、4種環(huán)烷烴、17種芳烴、36種鹵代烴、13種含氧有機(jī)物以及二硫化碳。表1為不同風(fēng)向下該工業(yè)區(qū)的主要VOCs組分。在整個(gè)觀測期間,在全風(fēng)向下總共107種VOCs組分(TVOCs)的質(zhì)量濃度為9.7~15 296.0 μg/m3,平均質(zhì)量濃度為348.2 μg/m3。由表1可知,在該工業(yè)區(qū)VOCs組分中,各類污染物含量從高到低的順序依次為:烷烴>芳烴>含氧有機(jī)物>鹵代烴>烯烴>環(huán)烷烴。
表1 不同風(fēng)向下主要污染物組成 w,%
不同工業(yè)區(qū)VOCs排放情況如表2所示。由表2可知,與其他石化工業(yè)區(qū)相比,本研究監(jiān)測工業(yè)區(qū)的TVOCs濃度偏高,而其中烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較低(32.9%),可能的原因是不同研究監(jiān)測VOCs組分種類不同,如本研究監(jiān)測到VOCs組分中鹵代烴和含氧有機(jī)物的含量較高,而有些文獻(xiàn)并未監(jiān)測此類污染物。此外,不同工業(yè)區(qū)VOCs的主要污染物(含量最高的前3種)明顯不同,本研究監(jiān)測工業(yè)區(qū)的主要污染物為苯、乙醇、環(huán)己烷,而其他工業(yè)區(qū)的主要污染物均為小分子烷烴、烯烴。這主要是因?yàn)楸狙芯勘O(jiān)測點(diǎn)南側(cè)有多個(gè)化工企業(yè),上述主要污染物是這些企業(yè)的原料。
不同風(fēng)向不同月份監(jiān)測工業(yè)區(qū)的TVOCs濃度變化如圖1所示。由圖1可以看出,一月至三月該工業(yè)區(qū)TVOCs濃度明顯偏高,尤其是在東南風(fēng)和東風(fēng)風(fēng)向時(shí),TVOCs濃度顯著高于其他風(fēng)向。這主要是由于該地區(qū)在一月至三月期間氣溫較低,VOCs發(fā)生的光化學(xué)反應(yīng)較弱;同時(shí),在東南風(fēng)和東風(fēng)風(fēng)向下,TVOCs的主要排放源為工業(yè)區(qū)內(nèi)的化工企業(yè),其排放強(qiáng)度明顯高于其他排放源,導(dǎo)致該風(fēng)向下TVOCs濃度明顯偏高。
結(jié)合表1可知:北風(fēng)風(fēng)向下該工業(yè)區(qū)VOCs中烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,為45.0%,其中主要污染物為異戊烷、丙烷、乙烷、正丁烷,這是由于采樣點(diǎn)東北側(cè)為煉油廠區(qū)、北側(cè)為煉油廠污水處理區(qū),其排放的烷烴類污染物較多;此外,VOCs中其他含量較高的污染物有乙醇、苯、二氯甲烷等。南風(fēng)風(fēng)向下該工業(yè)區(qū)VOCs中烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍最高,為27.1%;此外,VOCs中苯、乙醇、環(huán)己烷、二氯甲烷等的含量均較高,其主要來自南側(cè)化工企業(yè)排放,隨著南風(fēng)擴(kuò)散到采樣點(diǎn)北側(cè)或東北側(cè),并在工業(yè)區(qū)內(nèi)聚集,因而導(dǎo)致北風(fēng)風(fēng)向下工業(yè)區(qū)VOCs中的乙醇、二氯甲烷、苯含量較高。
表2 不同工業(yè)區(qū)VOCs排放情況對比
圖1 2020年上半年不同風(fēng)向不同月份的TVOCs濃度變化
2.1.2VOCs日變化特征
圖2為監(jiān)測期間TVOCs及主要污染物質(zhì)量濃度的日變化情況。由圖2可以看出:VOCs組分中烯烴、鹵代烴、含氧有機(jī)物、環(huán)烷烴的質(zhì)量濃度較低,且隨著監(jiān)測時(shí)間的變化幅度較小;而TVOCs、烷烴、芳烴日變化特征較明顯,且呈相似趨勢。如圖2所示,TVOCs、烷烴、芳烴的質(zhì)量濃度在凌晨3:00左右達(dá)到最高,在14:00~16:00期間最低,之后呈上升趨勢,至22:00左右達(dá)到一個(gè)較高峰值。白天階段TVOCs、烷烴、芳烴的質(zhì)量濃度明顯降低,主要是由于氣溫升高、光照增強(qiáng),大氣中光化學(xué)活性較高的離子明顯增加,加快了VOCs的光化學(xué)反應(yīng)。這種變化與文獻(xiàn)[8,16-18]中VOCs日變化趨勢一致,先降低后升高,但由于監(jiān)測點(diǎn)周圍的排放源、光照強(qiáng)度、溫度、濕度等因素存在差異,致使VOCs質(zhì)量濃度達(dá)到最低的時(shí)刻略有差別。
圖2 TVOCs及主要污染物濃度的日變化情況■—烷烴; ●—烯烴; ▲—芳烴; 鹵代烴; ◆—含氧有機(jī)物; 環(huán)烷烴;
2.2.1VOCs組分相關(guān)性分析
圖3 不同VOCs組分濃度間的相關(guān)性分析結(jié)果
不同工業(yè)區(qū)排放VOCs的特征污染物、特征比值等特征參數(shù)常被用來區(qū)分特定VOCs組分的來源[19-20]。選取不同污染源的特征污染物進(jìn)行特征比值分析,結(jié)果如圖3所示。由圖3(a)可知,VOCs中環(huán)己烷和苯的濃度之間具有強(qiáng)相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)r為0.86),由于苯和環(huán)己烷為監(jiān)測點(diǎn)西南側(cè)化工企業(yè)的原料和產(chǎn)物,因此可以推測監(jiān)測點(diǎn)大氣中環(huán)己烷和苯來自該化工企業(yè)的排放擴(kuò)散;同時(shí),由于苯和環(huán)己烷為VOCs中的主要組分,濃度較高,說明監(jiān)測點(diǎn)的VOCs受該化工企業(yè)影響較大。由圖3(b)可知,VOCs中2-丁酮和異丙醇的濃度之間具有強(qiáng)相關(guān)性(r為0.88),由于2-丁酮和異丙醇是監(jiān)測點(diǎn)東南側(cè)化工企業(yè)的主要排放物,說明監(jiān)測點(diǎn)附近VOCs的組分2-丁酮和異丙醇主要來自該企業(yè)的排放擴(kuò)散。
由圖3(c)可知,VOCs組分異戊烷和正戊烷的濃度間具有顯著的強(qiáng)相關(guān)性(r高達(dá)0.90),而且其存在兩種不同的特征分布。其中,紅色散點(diǎn)分布擬合直線的斜率為4.5,與本課題組前期監(jiān)測煉油廠污水處理區(qū)的VOCs結(jié)果(異戊烷/正戊烷的質(zhì)量濃度之比為3.3~5.8)[21]一致,因而可以初步判定紅色散點(diǎn)分布主要受監(jiān)測點(diǎn)北側(cè)煉油廠污水處理區(qū)VOCs排放擴(kuò)散的影響。藍(lán)色散點(diǎn)分布擬合直線的斜率為0.8,與圖3(d)中監(jiān)測點(diǎn)東北側(cè)煉油廠生產(chǎn)區(qū)的異戊烷/正戊烷質(zhì)量濃度之比(1.0)相近,因此可以初步判斷藍(lán)色散點(diǎn)分布主要受監(jiān)測點(diǎn)東北側(cè)煉油廠生產(chǎn)區(qū)VOCs排放擴(kuò)散的影響。
綜上所述,可以利用VOCs中特征污染物的特征比值初步判斷監(jiān)測點(diǎn)VOCs受不同污染源影響的大小。
2.2.2PMF來源解析
采用美國EPA PMF 5.0模型對工業(yè)區(qū)監(jiān)測點(diǎn)VOCs的來源進(jìn)行解析。參照外場環(huán)境的實(shí)際污染源的特征污染物組分,共將25種VOCs組分納入PMF模型計(jì)算。經(jīng)過多次調(diào)試,最終得到模型不同因子(排放源)的貢獻(xiàn)率和成分譜。根據(jù)模型不同因子的VOCs組成和不同因子對VOCs各組分的貢獻(xiàn)率,共確定4種可能因子,分別為:煉油廠污水處理區(qū)、監(jiān)測點(diǎn)西南側(cè)化工企業(yè)、監(jiān)測點(diǎn)東南側(cè)化工企業(yè)、煉油廠生產(chǎn)區(qū)。
表3為PMF模型不同因子VOCs組分譜中不同組分的質(zhì)量濃度和貢獻(xiàn)率。如表3所示,模型中因子1貢獻(xiàn)率較高的組分有異戊烷、2,3-二甲基丁烷、3-甲基戊烷、正戊烷和少量C5~C8高碳烷烴及對二甲苯、間二甲苯等苯系物。前期監(jiān)測發(fā)現(xiàn)[18],煉油廠污水處理區(qū)的特征污染物為異戊烷、正戊烷等,因此初步判斷模型因子1為監(jiān)測點(diǎn)西北側(cè)煉油廠污水處理區(qū)。模型中因子2的主要污染物為苯和環(huán)己烷,這兩種物質(zhì)是監(jiān)測點(diǎn)西南側(cè)化工廠的原料,因而判定因子2為西南側(cè)化工企業(yè)。模型中因子3貢獻(xiàn)率較大的組分為氯甲烷、二氯甲烷、異丙醇、1,2-二氯丙烷、乙醇等,這些物質(zhì)是監(jiān)測點(diǎn)東南側(cè)化工企業(yè)排放的標(biāo)識性組分,因而判定因子3為東南側(cè)化工企業(yè)。模型中因子4貢獻(xiàn)率較高的組分有正丁烷、丙烷、異丁烷、丙烯、1-丁烯等,這些物質(zhì)都是煉油生產(chǎn)區(qū)的主要污染組分,因而判斷因子4為煉油廠生產(chǎn)區(qū)。
表3 不同因子組分譜中不同組分的濃度和貢獻(xiàn)率
各因子對TVOCs貢獻(xiàn)率由大到小依次為:東南側(cè)化工企業(yè)>西南側(cè)化工企業(yè)>污水處理區(qū)>煉油生產(chǎn)區(qū),其貢獻(xiàn)率分別為44.2%,20.9%,17.9%,16.9%。因此,控制該石化工業(yè)區(qū)大氣VOCs污染應(yīng)優(yōu)先控制部分化工企業(yè)的排放。
利用式(2)和式(3)計(jì)算VOCs中各組分的OFP和SOAP,并按照各組分對OFP和SOAP的貢獻(xiàn)率進(jìn)行排序,貢獻(xiàn)率較大的關(guān)鍵活性組分如表4所示。由表4可知:對OFP貢獻(xiàn)較大的10個(gè)組分中,烯烴占3個(gè),芳烴占3個(gè),含氧有機(jī)物占2個(gè),烷烴和環(huán)烷烴占2個(gè),其貢獻(xiàn)率分別為30.7%,15.7%,9.4%,7.1%,其中丙烯、正丁烯、對二甲苯、間二甲苯、乙醇、乙烯的貢獻(xiàn)率較大,說明與其他組分相比,烯烴更易發(fā)生光化學(xué)氧化反應(yīng)生成臭氧;對SOAP貢獻(xiàn)較大的10個(gè)組分中,芳烴占9個(gè),其貢獻(xiàn)率為94.7%,其中苯、甲苯、對二甲苯、間二甲苯、鄰二甲苯的貢獻(xiàn)率較大,表明芳烴在大氣中易氧化生成SOA。這與文獻(xiàn)[4,15,22]研究結(jié)果一致。
表4 對OFP和SOAP貢獻(xiàn)較大的VOC關(guān)鍵活性組分
利用表1中不同排放源的VOCs組分的質(zhì)量濃度數(shù)據(jù),通過式(2)和式(3)計(jì)算得到各排放源VOCs組分的OFP和SOAP,進(jìn)而將某排放源VOCs組分的OFP和SOAP加和,得到該排放源的OFP和SOAP,如表5所示。由表5可知:不同排放源對OFP的貢獻(xiàn)率由大到小依次為東南側(cè)化工企業(yè)>煉油生產(chǎn)區(qū)>污水處理區(qū)>西南側(cè)化工企業(yè),其對OFP的貢獻(xiàn)率分別為32.3%,26.3%,24.6%,16.9%,可見化工企業(yè)排放源和煉油廠排放源對OFP的貢獻(xiàn)基本各為50%;不同排放源對SOAP的貢獻(xiàn)率由大到小依次為西南側(cè)化工企業(yè)>東南側(cè)化工企業(yè)>污水處理區(qū)>煉油生產(chǎn)區(qū),可見化工企業(yè)排放源的貢獻(xiàn)率明顯高于煉油廠排放源。西南側(cè)化工企業(yè)對SOAP貢獻(xiàn)率最高,為64.0%,主要原因在于該企業(yè)排放的VOCs中苯含量較高,而苯對SOAP的貢獻(xiàn)率最高。因此,該石化工業(yè)區(qū)防控大氣VOCs污染,應(yīng)根據(jù)篩選出的主要污染源和關(guān)鍵活性組分制定優(yōu)先控制策略。
表5 各排放源對OFP和SOAP的貢獻(xiàn)率
(1)監(jiān)測期間,石化工業(yè)區(qū)VOCs的質(zhì)量濃度為9.7~15 296.0 μg/m3,平均質(zhì)量濃度為348.2 μg/m3,其中烷烴和芳烴含量較高。受光照強(qiáng)度、溫濕度等影響,白天階段TVOCs、烷烴、芳烴濃度明顯降低,其濃度最低值出現(xiàn)在14:00~16:00時(shí)段,表明白天更容易發(fā)生光化學(xué)氧化反應(yīng)生成二次污染物。
(2)組分相關(guān)性分析表明,利用特征污染物的特征比值可以初步判斷污染物的來源。進(jìn)而借助PMF模型確定該工業(yè)區(qū)的4個(gè)污染來源,分別為東南側(cè)化工企業(yè)、西南側(cè)化工企業(yè)、煉油廠污水處理區(qū)和煉油廠生產(chǎn)區(qū),其對監(jiān)測點(diǎn)VOCs污染的貢獻(xiàn)率分別為44.2%,20.9%,17.9%,16.9%。化工企業(yè)排放源對該工業(yè)區(qū)VOCs的貢獻(xiàn)率明顯大于煉油廠排放源,因此應(yīng)著力管控和治理化工企業(yè)的VOCs排放。
(3)該工業(yè)區(qū)對OFP貢獻(xiàn)率較高的VOCs類型為烯烴和芳烴,化工企業(yè)排放源和煉油廠排放源對OFP的貢獻(xiàn)率基本各為50%;對SOAP貢獻(xiàn)率高的VOCs類型為芳烴,對SOAP貢獻(xiàn)最大的排放源是西南側(cè)化工企業(yè)。綜上,控制化工企業(yè)排放有利于降低工業(yè)區(qū)的VOCs排放及其對大氣SOA的貢獻(xiàn)。