天津市2016、2021年夏秋季顆粒物水溶性離子污染特征對比研究*

鄒官燦 楊 陽 武甫亮 羅 希 肖致美 吳建會#

(1.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,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 300071;2.天津市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,天津 300191)

細(xì)顆粒物(PM2.5)是影響我國城市環(huán)境空氣質(zhì)量的首要污染物,其化學(xué)組成復(fù)雜,主要包括水溶性離子、碳成分、地殼元素及各種微量元素等[1],其中水溶性離子是PM2.5的重要化學(xué)成分[2-4],不僅可以控制PM2.5的酸堿性[5],影響大氣能見度[6],還會引發(fā)人體的心肺功能、免疫系統(tǒng)等多方面的疾病[7],因此研究PM2.5中水溶離子的組成特征及來源等對于有效控制大氣PM2.5污染具有重要意義[8]。當(dāng)前,國內(nèi)許多城市對大氣顆粒物中水溶性離子污染特征進(jìn)行了系統(tǒng)性研究,主要集中在京津冀[9-10]、長三角[11-12]、珠三角[13-14]等重點(diǎn)區(qū)域。天津市位于京津冀區(qū)域的中北部,是京津冀區(qū)域PM2.5污染較重的城市之一,有關(guān)PM2.5中水溶性離子特征的研究主要集中于部分區(qū)域的短時間觀測[15-16],缺少較長時間變化趨勢研究。

“十三五”以來,隨著《大氣污染防治行動計(jì)劃》《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計(jì)劃》以及歷年《京津冀及周邊秋冬季大氣污染綜合治理攻堅(jiān)行動方案》的深入實(shí)施,天津市大氣污染源的排放總量、排放結(jié)構(gòu)和排放方式均發(fā)生較大變化,PM2.5由2015年的70 μg/m3降至2021年的39 μg/m3,但依然高于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)中的二級標(biāo)準(zhǔn)限值,因此有必要基于長期觀測數(shù)據(jù)開展PM2.5中主要化學(xué)組分變化趨勢研究,客觀真實(shí)反映污染源的實(shí)際變化,以期為制定本地化的PM2.5污染防治方案提供支撐,同時也為“十四五”期間PM2.5精細(xì)化管控提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測點(diǎn)位分布

基于天津市各區(qū)空間分布特點(diǎn),結(jié)合污染源的排放情況,在不同功能區(qū)設(shè)置監(jiān)測點(diǎn),監(jiān)測點(diǎn)位分布情況見表1。

表1 監(jiān)測點(diǎn)位分布Table 1 Distribution of sampling points

1.2 樣品采集與分析

采用KB120型小流量采樣器采集PM2.5樣品,采樣流量為16.7 L/min,采樣前統(tǒng)一使用皂膜流量計(jì)對采樣流量進(jìn)行校準(zhǔn),定期清洗各采樣儀器的切割頭、采樣管路和膜夾。分別于2016、2021年的8月(夏季)和10月(秋季)晴朗天氣下采集PM2.5樣品,采樣時間為每日9:00至次日8:00。濾膜采用直徑為47 mm的石英濾膜(美國,Pallflex Life Science),采樣前將石英濾膜置于馬弗爐中450 ℃灼燒2 h以消除本底值的影響,采樣前后濾膜均在恒溫恒濕(溫度(20±1) ℃、相對濕度為50%±5%)條件下平衡24 h,使用自動平衡稱重系統(tǒng)對石英濾膜進(jìn)行稱重。

2 結(jié)果與討論

2.1 PM2.5時空變化

由圖1可見,天津市2016年夏、秋季PM2.5分別為57.4、105.2 μg/m3,2021年夏、秋季的PM2.5分別為39.1、44.2 μg/m3,季節(jié)變化特征呈現(xiàn)為秋季>夏季,這可能與秋季不利的氣象因素及較差的擴(kuò)散條件有關(guān)[18]。從年際變化特征來看,2021年夏、秋季PM2.5較2016年分別降低了31.9%、58.0%。2021年天津市PM2.5年均值為39.0 μg/m3,較2016年P(guān)M2.5年均值下降了43.5%。

圖1 天津市PM2.5質(zhì)量濃度水平Fig.1 PM2.5 mass concentration of Tianjin

從空間變化特征來看,中山北路和復(fù)康路PM2.5濃度較高,在2016年秋季、2021年夏季、2021年秋季兩個點(diǎn)位的PM2.5濃度均處前二位。中山北路、復(fù)康路監(jiān)測點(diǎn)位處于天津市中心區(qū)域,交通流量大,生產(chǎn)生活較密集。同德路PM2.5濃度較低,2016年夏、秋季及2021年秋季同德路PM2.5濃度均為最低,這可能與同德路點(diǎn)位處于郊區(qū),周邊工業(yè)源較少有關(guān)。

2.2 化學(xué)組分變化特征

2.2.1 季節(jié)變化特征

圖2 天津市PM2.5中水溶性離子質(zhì)量濃度Fig.2 Mass concentration of water-soluble ions in PM2.5 in Tianjin

2.2.2 不同污染天氣下的變化特征

為研究不同污染水平下水溶性離子的變化特征,根據(jù)GB 3095—2012中PM2.5的二級標(biāo)準(zhǔn)限值,將采樣期間的污染水平分為清潔天和污染天,其中清潔天PM2.5≤75 μg/m3,污染天PM2.5>75 μg/m3。

采樣期間,2016年夏季污染天、清潔天分別為7、17 d,PM2.5分別為92.8、6.2 μg/m3;2016年秋季污染天、清潔天分別為10、4 d,PM2.5分別為116.7、62.6 μg/m3;2021年夏季污染天、清潔天分別為1、29 d,PM2.5分別為77.4、36.9 μg/m3;2021年秋季污染天、清潔天分別為7、15 d,PM2.5分別為105.5、56.2 μg/m3。

圖3 天津市清潔天及污染天PM2.5中水溶性離子濃度Fig.3 Concentrations of water-soluble ions in PM2.5 on clean and polluted days in Tianjin

2.2.3 特征指標(biāo)

圖4 天津市PM2.5中SOR、NOR及S/N的季節(jié)變化Fig.4 Seasonal variation of SOR,NOR and S/N in PM2.5 in Tianjin

2015—2020年期間,天津市關(guān)停淘汰落后企業(yè)221家、整治“散亂污”企業(yè)18 635家、改燃關(guān)停燃煤鍋爐11 568臺、實(shí)施重點(diǎn)工業(yè)企業(yè)脫硫脫硝治理,環(huán)境空氣中SO2濃度下降72.4%,NOx下降了7.1%[17],這些措施降低了二次粒子的前體物濃度,降低了PM2.5中水溶性離子二次轉(zhuǎn)化的程度,這與本節(jié)SOR、NOR變化趨勢分析結(jié)論一致。

2.2.4 二次離子的存在形式

2.3 來源分析

利用SPSS 22進(jìn)行水溶性離子主成分分析,獲取各污染源對PM2.5中水溶性離子的貢獻(xiàn),在所有因子中選取特征值大于1的因子,結(jié)果見表2。

表2 PM2.5中主要水溶性離子主成分旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣Table 2 Rotated component matrix of major water soluble ions in PM2.5

總體上來看,不同季節(jié)因子所指向的污染源主要有二次源、建筑塵和生物質(zhì)燃燒源。對比可發(fā)現(xiàn),天津市2016年及2021年夏、秋季的主要來源均為二次源、建筑塵。

3 結(jié) 論

(1) 天津市PM2.5表現(xiàn)為2016年秋季(105.2 μg/m3)> 2016年夏季(57.4 μg/m3) >2021年秋季(44.2 μg/m3) >2021年夏季(39.1 μg/m3)。2021年P(guān)M2.5濃度較2016年有較大幅度降低,夏、秋季分別降低了31.9%、58.0%。PM2.5在季節(jié)上呈現(xiàn)為秋季高夏季低的特點(diǎn),在空間分布特征上,中山北路和復(fù)康路的PM2.5濃度較高,同德路較低。

(3) 2021年移動源貢獻(xiàn)比2016年更顯著,但水溶性離子的二次轉(zhuǎn)化程度低于2016年。

(5) 2016年夏季水溶性離子主要來源于二次源、建筑塵和海鹽源,2016年秋季主要來源于二次源、生物質(zhì)燃燒和建筑塵,2021年夏季主要來源于建筑塵、二次源、燃煤和生物質(zhì)燃燒,2021年秋季主要來源于二次源、生物質(zhì)燃燒和建筑塵。