空氣自動(dòng)站監(jiān)測(cè)某高校附近環(huán)境空氣中有害氣體和重金屬的研究

陳育華

（韶關(guān)市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站樂昌分站，廣東 韶關(guān) 512000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的增長，公共汽車等機(jī)動(dòng)車的使用率也在上升，這些重大變化可能會(huì)改變空氣質(zhì)量狀況，并給人們健康帶來問題。

以往研究表明，空氣污染物濃度的變化與風(fēng)速、風(fēng)向、相對(duì)濕度、溫度等氣象數(shù)據(jù)有關(guān)[1]。除了空氣污染物的氣態(tài)形式外，許多關(guān)于顆粒物質(zhì)和粒徑在2.5微米及以下（PM2.5）的研究表明，高濃度的重金屬與人體健康密切相關(guān)[2]。PM2.5能夠攜帶重金屬，如砷、鎘、鋁、鋅、汞、銅和鉛。許多學(xué)者對(duì)空氣質(zhì)量的影響因素進(jìn)行了研究，取得了一系列顯著成果。丁磊等[3]學(xué)者研究了城市化進(jìn)程中武漢空氣環(huán)境響應(yīng)特征。研究表明，要調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，節(jié)能減排，積極防止城市化擴(kuò)張過程中的建筑、道路、裸露地面等揚(yáng)塵污染。練川等[4]研究了影響湖北省空氣質(zhì)量的因素。結(jié)果表明，建成區(qū)面積和汽車保有量對(duì)大氣環(huán)境的貢獻(xiàn)顯著。林瑜等[5]基于環(huán)境庫茲涅茨曲線分析了影響中國空氣質(zhì)量的主要因素。結(jié)果表明，能耗排放是影響中國空氣質(zhì)量的主要因素。

本研究旨在監(jiān)測(cè)和分析2019 年5—8 月廣東省某校區(qū)空氣質(zhì)量參數(shù)的變化趨勢(shì)，并探討空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)的相關(guān)性。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

選擇廣東省某高校作為環(huán)境空氣質(zhì)量的研究區(qū)域，了解并分析空氣質(zhì)量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。該高校周圍是前礦山的湖泊和山丘。2019 年，校區(qū)的學(xué)生人數(shù)約為12 000 人。監(jiān)測(cè)站設(shè)于某教學(xué)樓樓頂。在樓頂上，可以看到120°以上的晴朗天空，可以開展空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)。學(xué)生宿舍區(qū)位于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的南部和西部，校園北面及東面有大片未開發(fā)土地。

1.2 監(jiān)測(cè)方法

在本研究中，由于連續(xù)監(jiān)測(cè)方法能夠提供比其他方法更高分辨率的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，并且可以自動(dòng)進(jìn)行污染物濃度的測(cè)量和記錄，因此選擇了連續(xù)監(jiān)測(cè)方法。采用新西蘭Aeroqual 公司的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)產(chǎn)品AQM60，可連續(xù)自動(dòng)測(cè)量和記錄主要?dú)怏w空氣污染物的濃度，包括一氧化碳（CO）和非甲烷碳?xì)浠衔铮∟MHC）。利用該監(jiān)測(cè)站同時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度、相對(duì)濕度等氣象數(shù)據(jù)。

采用Tisch Environmental 大容量空氣采樣器對(duì)大氣中PM2.5 的24 h 濃度進(jìn)行測(cè)量。它是一種利用玻璃纖維濾紙過濾，從周圍吸入大量空氣，獲得受抑制顆粒物的設(shè)備。利用污染濾紙分析空氣中重金屬（Zn、Al、Cd、Cu、As、Pb）含量，采用熱酸消化法將污染濾紙上的重金屬提取成溶液形式，再進(jìn)行電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）分析。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用AQM60 監(jiān)測(cè)站對(duì)CO 和NMHC 三個(gè)月的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，時(shí)間間隔為2 min，轉(zhuǎn)換為1 h 平均時(shí)間數(shù)據(jù)。選取2 d（2019 年6 月2 日和6 月7 日）監(jiān)測(cè)PM2.5 中重金屬濃度。為了有效地解釋環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)所獲得的海量數(shù)據(jù)的意義，本文采用了描述分析、時(shí)間序列分析、空氣質(zhì)量參數(shù)與氣象數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析等多種數(shù)據(jù)分析方法；采用富集因子對(duì)PM2.5 中重金屬濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

所有化學(xué)分析均進(jìn)行三次重復(fù)，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用單向方差分析（ANOVA）檢驗(yàn)本研究中分析的每種關(guān)注化學(xué)品（COCs）的平均濃度差異的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（p<0.05 表示顯著）。采用多區(qū)間事后檢驗(yàn)進(jìn)行單因素方差分析（p=0.05）來衡量兩兩之間的具體差異。所有統(tǒng)計(jì)分析均采用IBM○R SPSS○R Version 20 軟件。

在本研究中，經(jīng)典描述性分析是對(duì)3 個(gè)月期間所有空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的首次統(tǒng)計(jì)分析。利用SPSS 版本22計(jì)算最大值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和最小濃度，獲取目標(biāo)空氣質(zhì)量參數(shù)和氣象參數(shù)的變化、行為和基本信息。通過相關(guān)分析，探討大氣污染物濃度與氣象參數(shù)之間可能存在的關(guān)系。相關(guān)性低的r 值在0.0～0.49 之間，相關(guān)性中等的r 值在0.5～0.69 之間，相關(guān)性高的r 值在0.7～1.00 之間。

富集因子是研究顆粒物、沉積物、固體廢棄物、土壤等物質(zhì)組成變化水平的常用參考。鋁（Al）是除鐵（Fe）元素外，廣泛用于顆粒物中其他重金屬元素相對(duì)富集因子鑒定的參考元素。然后根據(jù)每種元素的富集因子值對(duì)其富集因子水平進(jìn)行分類。EF 大于50 為“極重度富集”，EF 在25～50 之間為“非常重度富集”，EF 在10～25 之間為“重度富集”，EF 在5～10 之間為“中度重度富集”，EF 小于3 為“輕度富集”，EF 小于1為不富集。

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣質(zhì)量參數(shù)及氣象參數(shù)分析

表1 為空氣質(zhì)量參數(shù)和氣象參數(shù)的總體描述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)匯總。對(duì)92 天2 min 間隔的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在這次監(jiān)測(cè)中捕獲的有效數(shù)據(jù)的最低百分比高達(dá)97.87%，高于《2009 年空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)管理良好操作指南》中建議的有效數(shù)據(jù)的最低建議百分比（75%）。

表1 空氣質(zhì)量參數(shù)和氣象參數(shù)的全面描述性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

三個(gè)月監(jiān)測(cè)期內(nèi)CO 和NMHC 的1 h 平均質(zhì)量濃度分別為0.22 mg/L±0.09 mg/L 和360 mg/L±157.58 mg/L，具體見表1。通過將空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)與中國環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，空氣中NMHC 質(zhì)量濃度（0.24 mg/L）超標(biāo)。CO 濃度低可能是因?yàn)樾@附近沒有工業(yè)區(qū)，工業(yè)活動(dòng)會(huì)向周圍大氣中排放大量的CO，道路上的汽油車和校園停車場(chǎng)的化石燃料不完全燃燒也會(huì)導(dǎo)致CO 的產(chǎn)生。NMHC 的高濃度值可能原因是高校實(shí)驗(yàn)室含有豐富的化學(xué)溶劑，附近的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生了乙烷、己烷、乙烯等NMHC，另外附近的道路車輛排放源也可能產(chǎn)生了NMHC。

監(jiān)測(cè)期間，環(huán)境空氣溫度為22.85～41.33 ℃，平均值為30.1 ℃；相對(duì)濕度為31.70%～95.89%，平均值為74.62%；平均風(fēng)速為0.51 m/s（0.1～2.39 m/s）?？梢钥吹剑陲L(fēng)速較低的監(jiān)測(cè)時(shí)段，監(jiān)測(cè)點(diǎn)周圍空氣水汽含量較高。校園內(nèi)湖水的大面積蒸發(fā)導(dǎo)致了空氣中的高水蒸汽。

2.2 日變化分析

空氣質(zhì)量的日變化分析是為了更清楚地了解空氣污染物濃度的平均日變化，因?yàn)槿祟惢顒?dòng)的類型和強(qiáng)度（例如車輛排放）在一天的不同時(shí)間有所不同見圖1。

圖1 廣東省某高校三個(gè)月空氣質(zhì)量參數(shù)的日變化

CO 和NMHC 兩種空氣污染物均存在一定的日峰值和非峰值，這些峰值與校園區(qū)域交通等人類活動(dòng)密切相關(guān)，高峰時(shí)段和非高峰時(shí)段不同。CO 有三個(gè)明顯的日高峰，分別是早高峰（07：00—08：00）、午峰（11：00—12：00）和晚高峰（15：00—20：00）。這是因?yàn)樵缟? 點(diǎn)左右，有大量的學(xué)生和教職員工開始使用汽車和公共汽車等交通工具到達(dá)校園，這增加了空氣中CO 的濃度。中午出現(xiàn)了一個(gè)小高峰，因?yàn)槲绮蜁r(shí)間有一小部分學(xué)生和教職員工外出活動(dòng)，因此下午道路上汽油車的排放量略有增加，濃度從15：00 開始增加，在20：00 左右達(dá)到最大值。這主要是因?yàn)榇蟛糠终n程都在這段時(shí)間內(nèi)結(jié)束了，學(xué)生和工作人員都離開了校園。

NMHC 在濃度日變化中曲線趨勢(shì)相對(duì)較小。上午8 點(diǎn)左右濃度最高，14：00—15：00 左右濃度較低，15：00 開始逐漸上升。這種變化可能與校園內(nèi)的交通模式有關(guān)，因?yàn)槠嚭凸财嚨冉煌üぞ呖赡軙?huì)影響NMHC 室外濃度水平。

2.3 空氣污染物與氣象因子的相關(guān)性

表2 分析總結(jié)了各監(jiān)測(cè)站參數(shù)之間的相關(guān)性。在本研究中，CO 與NMHC 呈顯著中度負(fù)相關(guān)（r=-0.541，p=0.01）。CO 與環(huán)境溫度呈極顯著的負(fù)相關(guān)（r=-0.069，p=0.01），與相對(duì)濕度呈極顯著的正相關(guān)（r=0.129，p=0.01）。而NMHC 與風(fēng)速呈較低負(fù)相關(guān)（r=-0.036，p=0.05）。由此可以得出結(jié)論，在環(huán)境溫度高、濕度低的情況下，CO 濃度可能較低。NMHC 在低風(fēng)速下濃度較高。這是由于NMHC 在低風(fēng)速期間開始積聚在環(huán)境空氣中，也表明NMHC 可能是由本地來源產(chǎn)生的，如車輛排放和附近的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生。

表2 監(jiān)測(cè)站各參數(shù)之間的相關(guān)性

2.4 重金屬數(shù)據(jù)分析

在本研究中，在選定的兩天（2019 年6 月2 日和6 月7 日），使用大容量空氣采樣器測(cè)量的PM2.5 質(zhì)量濃度為16.08 mg/L±6.74 mg/L，遠(yuǎn)低于限定濃度35 μg/m3（見表3）。這表明校園的環(huán)境空氣狀況受粒徑小于2.5 μm 的顆粒物污染較少。

表3 不同日PM2.5 中所選重金屬的濃度

通過ICP-MS 對(duì)PM2.5 樣品進(jìn)行分析，總結(jié)出不同日PM2.5 中所選重金屬鋅（Zn）、鋁（Al）、銅（Cu）、砷（As）、鎘（Cd）、鉛（Pb）的濃度，如表3 所示。發(fā)現(xiàn)的重金屬質(zhì)量濃度最高的是Zn，在11 257.49～15 134.70 ng/m3之間，其次是Al、Cu、Pb、As 和Cd。根據(jù)國家環(huán)境保護(hù)委員會(huì)法案，PM2.5 中重金屬濃度均遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值。根據(jù)以往研究結(jié)果，除Al 和Zn 外，其余均處于重金屬濃度的典型范圍。Al 和Zn 的高濃度主要是由于附近礦區(qū)的風(fēng)吹土壤顆粒和校園附近道路的含Zn 車輛排放所致。

2.5 富集因子（EF）分析

計(jì)算了Al、Zn、Cu、As、Cd、Pb 等重金屬在兩個(gè)不同日（2019 年6 月2 日和6 月7 日）的平均富集因子，匯總?cè)绫? 所示。Cu 和Pb 的富集因子分別為0.18 和0.37，屬于無富集（EF<1）。這說明PM2.5中的Cu 和Pb 主要屬于自然來源。As 和Cd 的EF 值在1～3 之間，屬于微量富集。這說明As 和Cd 主要來自于自然地殼，少量來自于人為活動(dòng)。本研究中發(fā)現(xiàn)Zn的EF 值極高，為245.20，屬于極重度富集（EF>50）。因此，PM2.5中的Zn 主要來自于人為活動(dòng)。

3 結(jié)論

本文在廣東省某高校連續(xù)三個(gè)月使用空氣監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)校園的環(huán)境空氣質(zhì)量。

1）獲得的非甲烷碳?xì)浠衔铮∟MHC）平均濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)限量濃度，而CO 則低于標(biāo)準(zhǔn)限量?？諝赓|(zhì)量參數(shù)的3 個(gè)月時(shí)平均濃度無明顯變化趨勢(shì)，大部分時(shí)間空氣污染物濃度在監(jiān)測(cè)期內(nèi)呈波動(dòng)趨勢(shì)。兩種空氣污染物的日變化趨勢(shì)主要受校園區(qū)域交通模式的影響，高峰時(shí)段和非高峰時(shí)段不同。

2）除CO 與環(huán)境溫度呈顯著負(fù)低相關(guān)、與相對(duì)濕度顯著正低相關(guān)、NMHC 與風(fēng)速顯著負(fù)低相關(guān)外，本次研究中幾乎所有空氣質(zhì)量參數(shù)均與氣象參數(shù)無顯著相關(guān)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)空氣中PM2.5濃度處于安全水平，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值。雖然所有重金屬均未超過推薦標(biāo)準(zhǔn)限量濃度，但監(jiān)測(cè)點(diǎn)PM2.5中的鋅（Zn）和鋁（Al）濃度與其他研究的典型城郊地區(qū)的結(jié)果相比極高，可能是由于土壤顆粒從附近的前礦區(qū)湖區(qū)運(yùn)輸而來，以及受到附近車輛排放的影響。

3）富集因子分析還表明，PM2.5中重金屬除Zn 受人類活動(dòng)高度污染外，主要來源于自然來源。