大氣中多環(huán)芳烴的分布特征研究進(jìn)展

李志明,張金龍

(1.天津泰達(dá)鹽堿地綠化研究中心有限公司,天津 300457;2.天津泰達(dá)綠化科技集團(tuán)股份有限公司,天津 300457)

多環(huán)芳烴(PAHs,Polycyclic Aromatic Hydrocarbons)是指分子中含有兩個或兩個以上苯環(huán)以稠環(huán)形式連接在一起的碳?xì)浠衔?。PAHs是一種痕量有機(jī)污染物,廣泛存在于大氣、水體、土壤、植被等環(huán)境介質(zhì)中。PAHs主要產(chǎn)生在有機(jī)物的不完全燃燒過程中,主要來源包括工業(yè)和生活中煤炭、石油、生物質(zhì)燃燒、煉焦、垃圾焚燒和交通排放等,此外,一些自然過程如天然火災(zāi)、生物合成、火山活動等也產(chǎn)生PAHs[1]。多種PAHs被證明具有致癌性、致突變性和其他毒理效應(yīng),引起了世界各國的廣泛關(guān)注,美國環(huán)保局(US EPA)、聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(UNECE)、聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)、我國生態(tài)環(huán)境部均將PAHs列入重點(diǎn)關(guān)注與管控名單。

在歐美地區(qū),大氣PAHs觀測集中在城市及附近人口和經(jīng)濟(jì)活動較多的區(qū)域。自20世紀(jì)90年代以來,英美等國在倫敦[2]、休斯敦[3]、得克薩斯[4]、芝加哥[5]、伯明翰[6]等城市開展了區(qū)域性大氣PAHs監(jiān)測。亞洲地區(qū)韓國的首爾[7]也有相關(guān)研究報(bào)道。這些研究分析了大氣PAHs的濃度水平變化、影響因素和環(huán)境行為特征,為相應(yīng)政策和標(biāo)準(zhǔn)制定提供了科學(xué)依據(jù)。我國對大氣中PAHs的研究始于20世紀(jì)80年代[8]。90年代以后,學(xué)者們對此進(jìn)行了全面深入地研究。祁士華、段菁春等對大氣中PAHs的濃度、季節(jié)變化、高層變化及來源作了系統(tǒng)研究[9-10];陳靜、鄭一、左謙等系統(tǒng)研究了PAHs的區(qū)域環(huán)境行為[11-13];朱利中等首次研究了公路隧道空氣中PAHs污染現(xiàn)狀、影響因素及控制對策,對交通干線大氣中PAHs的分布、年變化趨勢、影響因素進(jìn)行了深入研究,同時評價(jià)了居民區(qū)空氣中PAHs污染風(fēng)險(xiǎn)[14-16];朱坦、孫韌等研究了天津地區(qū)大氣中PAHs濃度和來源,評述了各種PAHs源解析方法[17-19]。黃云碧、吳大鵬、于國光、欒輝等開展了對于北京市區(qū)及城郊大氣中PAHs的濃度、分布特征以及源解析方法的研究工作[20-24]。通過不同區(qū)域、不同季節(jié)以及不同存在形式的大氣PAHs分布特征研究,為我國大氣PAHs污染控制精準(zhǔn)施策提供數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)支持。

本文主要對大氣中PAHs的分布特征進(jìn)行總結(jié)綜述。大氣中PAHs分布特征主要表現(xiàn)為時空分布特征,空間分布特征主要指地區(qū)間的變化、氣固分配作用變化和室內(nèi)外分布特征,時間分布特征主要指季節(jié)性變化,通過總結(jié)PAHs在大氣中的分布特征對了解PAHs的時空分異規(guī)律具有重要意義。

1 大氣中PAHs的分布特征

1.1 大氣中PAHs在地區(qū)間的分布特征

大氣中PAHs在不同地區(qū)濃度不同,國內(nèi)外針對不同地區(qū)多環(huán)芳烴濃度監(jiān)測的研究很多。本文對比倫敦[2]、休斯敦[3]、得克薩斯[4]、芝加哥[5]、伯明翰[6]、首爾[7]等國外城市以及北京[23]、廣州[25]、上海[26]、沈陽[27]、唐山[28]、蘭州[29-30]、廈門[31]、佳木斯[32]、包頭[33]、洛陽[34]、石家莊[35]、天津[36]等國內(nèi)城市大氣中PAHs濃度,得出大氣中PAHs在國內(nèi)外各地區(qū)間的分布特征,如表1所示。

表1 大氣中PAHs在不同地區(qū)間分布比較表

不同城市的大氣PAHs污染程度不同,這與該城市地理位置和經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式有很大關(guān)系。像美國的芝加哥、中國北方的沈陽、唐山、蘭州等城市重工業(yè)發(fā)達(dá),由此帶來的環(huán)境污染較為嚴(yán)重。大氣污染治理關(guān)乎人民生命健康,日益受到國家和社會的高度重視。2013年,我國發(fā)布《大氣污染防治行動計(jì)劃》,2018年,我國頒布《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計(jì)劃》,中央環(huán)保督查制度推動各項(xiàng)環(huán)境政策措施落實(shí),從近10年蘭州、佳木斯、包頭、洛陽、石家莊、天津大氣中PAHs污染程度研究結(jié)果來看,我國大氣環(huán)境質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn),地區(qū)間PAHs污染濃度差異在縮小,我國大氣污染防治行動初見成效,藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)取得了階段性勝利。

1.2 PAHs的氣固分配以及粒徑分布特征

空氣中的PAHs以氣、固兩種形式存在,其形態(tài)分布受本身物理化學(xué)性質(zhì)和大氣環(huán)境的影響,其中小分子量的2～3環(huán)PAHS主要以氣態(tài)形式存在,4環(huán)PAHs在氣態(tài)和大氣顆粒物中分布比例大致相當(dāng),5～7環(huán)的大分子PAHs絕大部分存在于大氣顆粒物中[37]。北京市昌平城區(qū)秋季不同粒徑的顆粒物中隨顆粒物粒徑變小,PAHs總濃度呈增長趨勢,低環(huán)數(shù)(2、3)的PAHs更易吸附在粗粒徑的顆粒物上,高環(huán)數(shù)(5、6)易吸附在細(xì)粒徑的顆粒物上[20]。高環(huán)數(shù)的PAHs毒性較大,而且容易進(jìn)入人體,應(yīng)引起格外重視。

1.3 大氣中PAHs的季節(jié)性變化

PAHs在大氣中的擴(kuò)散和吸附等行為因受溫度、濕度、大氣動力學(xué)條件等各種環(huán)境條件的影響,呈現(xiàn)一定的季節(jié)性變化,特別是北方地區(qū)取暖期對大氣中PAHs濃度貢獻(xiàn)很大。北京地區(qū)的PAHs質(zhì)量濃度具有明顯的季節(jié)變化特征,冬季最高,夏季最低[23]。蘭州市2019—2020年大氣顆粒物PAHs的月濃度在非采暖季(4月至10月)處于較低水平,而在采暖季(11月至次年3月)處于較高水平,兩城區(qū)PAHs濃度在2019年12月達(dá)到最高[30]。南方地區(qū)廣州市大氣中PAHs主要存在于氣相中,在夏季的比重高于冬季,氣態(tài)PAHs在夏季達(dá)到高值,冬季降為低值;顆粒態(tài)夏季低值,冬季達(dá)到高值[31]。

1.4 室內(nèi)外空氣中PAHs的變化

一般情況下,室內(nèi)空氣中PAHs濃度高于室外,主要因?yàn)槭覂?nèi)吸煙、烹調(diào)、取暖等活動導(dǎo)致空氣中PAHs濃度升高,室外污染物在一定條件下也可以進(jìn)入室內(nèi)。從20世紀(jì)80年代起,學(xué)者們逐步開展對室內(nèi)空氣中PAHs污染研究,天津市冬季居民室內(nèi)空氣中PAHs污染水平明顯高于室外,燃煤和吸煙是室內(nèi)PAHs的主要污染源[38]。杭州市公共場所和居民室內(nèi)空氣中PAHs濃度高于室外空氣中濃度,公共場所中車站濃度最低,商場濃度最高;居民家中不同房間的PAHs濃度不同,廚房>臥室>書房>客廳;吸煙家庭室內(nèi)的PAHs平均總濃度是非吸煙家庭的2.3倍[37]。在湖北恩施農(nóng)村地區(qū)使用煤炭和薪柴的家庭中,冬季燃煤家庭28種PAHs室內(nèi)和室外質(zhì)量濃度分別是(507±449)和(120±18) ng/m3,燃柴家庭室內(nèi)和室外28種PAHs質(zhì)量濃度分別是(849±421)和(268±44) ng/m3,受室內(nèi)排放源影響,室內(nèi)28種PAHs濃度顯著高于室外,室內(nèi)外28種PAHs濃度比值在2～13[39]。

2 展望

目前學(xué)術(shù)界在大氣顆粒物中PAHs濃度水平的觀測和源解析方面積累了大量研究成果,但是對大氣中PAHs分布特征形成機(jī)理研究及大氣中PAHs變化過程模擬研究很少,加強(qiáng)研究大氣中PAHs分布特征形成的機(jī)理和進(jìn)行PAHs在大氣中發(fā)生變化過程的模擬實(shí)驗(yàn)研究,對于治理大氣中PAHs的污染具有重要的指導(dǎo)意義;此外,隨著人們對健康的關(guān)注度提高,對室內(nèi)空氣中PAHs分布規(guī)律及污染治理研究亟待加強(qiáng)。環(huán)境介質(zhì)中PAHs的測定方式、實(shí)驗(yàn)過程、儀器設(shè)備條件要求較高,實(shí)驗(yàn)周期較長,需要研發(fā)測定環(huán)境介質(zhì)PAHs的新的簡便方法,以便對PAHs進(jìn)行常規(guī)化監(jiān)測,獲取更多數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

通過對大氣中PAHs的分布特征進(jìn)行總結(jié)綜述,大氣中PAHs的分布特征主要表現(xiàn)為:

1)不同的地區(qū)間濃度不同,重工業(yè)城市大氣中PAHs濃度要明顯高于輕工業(yè)城市,近些年來,隨著我國大氣環(huán)境質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn),地區(qū)間PAHs污染濃度差異在縮小;

2)不同環(huán)數(shù)PAHs在氣固兩相以及在不同粒徑顆粒物中分布不同,低環(huán)數(shù)PAHs主要分布在氣相中和大粒徑的顆粒物中,高環(huán)數(shù)PAHs主要分布于固相中和小粒徑的顆粒物中;

3)不同季節(jié)大氣中PAHs的濃度不同,采暖季高于非采暖季,氣態(tài)PAHs濃度夏季高于冬季,顆粒物中PAHs濃度冬季>秋季>春季>夏季;

4)室內(nèi)PAHs濃度高于室外,不同場所空氣中PAHs濃度不同,主要與人們在室內(nèi)進(jìn)行的活動有關(guān)。