環境空氣中PM10 主要來源解析

宋紅光，魯 磊

（1 貴州省煤礦設計研究院，貴陽 550025；2 廣東省湛江市環境科學技術研究所，湛江 524022）

PM10 來源解析是一種定性及定量研究環境空氣顆粒物來源的技術方法，其解析結果可為PM10 控制措施提供參考依據。

1 實驗方法及結果

1.1 樣品采集

選擇A市夏季某典型日環境空氣中PM10中各組分進行測量。

1.2 濾膜處理及質量控制

本次采樣使用聚丙烯濾膜，濾膜的孔隙約0.2μm，該膜先用去離子水洗滌后采用超聲波振蕩約15min，然后用去離子水重復洗滌3 次，去除濾膜中離子組分后備用。

在恒溫室內快速稱量備用膜，其質量記為M1，稱量后將其再次放入干燥器內干燥至質量不再改變（干燥時間應大于6h）。然后再次快速稱量該備用膜，其質量記為M2。

實驗中前后兩次稱量均須至質量恒重，稱量結果應誤差范圍應準確至0.1mg 以內。

1.3 樣品處理、保存

稱量后實驗前濾膜應采用密封塑料袋密封裝，并將該膜儲藏于干燥器具內；樣品采集后應確保濾膜中各組成不在傳輸環節丟失，以免影響測量數據對分析結果的影響。

1.4 受體樣品的分析方法

本次實驗采用X 射線熒光（XRF）方法對采樣膜中各元素進行分析。該實驗一共采集和分析了Mg、Na、Ca、Al 等16 種元素、樣品中的陰陽離子及有機碳和元素碳。

1.5 結果

本次實驗監測結果列表如表1：

2 因子分析法基本原理及計算

2.1 因子分析法的基本原理

因子分析法（FA）是多元統計分析方法之一。因子分析法的基本原理是通過一個模型將具有復雜關系的變量歸納為幾個綜合因子的一種統計和分析方法。

因子分析法的數學表達式為：

式中：xij－為i 元素在j 樣品中的濃度結果（μg/m3）；

fkj－又稱公因子，為k 污染源對j 樣品的貢獻值（μg/m3），一般對所有組分均有貢獻；

vi－又稱唯一因子，為僅對i 組分貢獻值的特殊源的污染物排放（μg/m3）；

aik－又稱因子載荷，為i 元素在k 污染源污染物中的含量（g/g）；

di－為唯一因子的系數（g/g）；

ξi 為i 元素的誤差變量。

將上述數學表達式改為矩陣：

其中X：樣品參數矩陣；F：公因子矩陣，V：唯一因子矩陣；

A：因子載荷矩陣，D ：唯一因子載荷矩陣，ξ：誤差矩陣。

本實驗就是根據樣品測量結果X，從全部變量的測量數據結果中分析歸納出少數公因子F，并同時得出各因子載荷A 的結果，以指導實際工作。

2.2 主要運算步驟

使用因子分析法進行分析的主要操作步驟如下：

① 將數據標準化

數據標準化可將各變量在數量級別或量綱上產生的不同之處進行統一，在因子分析前，需對原始監測數據進行標準化預處理來統一。

②提取因子

該階段主要用于提取幾個貢獻值較大的污染物因子，并確保被提取的主要污染因子的總貢獻值大于85%。

③旋轉因子

采用方差極大旋轉法對上述因子矩陣進行旋轉，使較大因子載荷主要集中在少數變量上。

④定量計算

須進一步計算絕對主因子得分矩陣F*，同時計算絕對因子載荷矩陣C*，計算公式如下 ：

式中：F*為絕對主因子矩陣；C*為絕對因子矩陣；X 為樣品參數矩陣；S 為元素標準偏差對角化矩陣；B 為主因子的系數矩陣。

樣品中各污染源對PM10 的濃度貢獻情況計算如下：

3 A 市級PM10 主要來源確定

A 市環境中PM10 的來源可歸納為5個方面，以5個公因子代表，樣品中各元素的因子載荷矩陣旋轉后以及5個公因子的組分貢獻值統計情況見表2 所示。

3.1 PM10 主要來源解析

3.1.1 公因子1 解析。由于A 市靜風頻率很高，土壤產生的風沙塵的貢獻值不會太高，而公因子1 中Al、Mg 和Si 等元素載荷很高，因此考慮公因子1 為地面揚塵，主要包括施工場地和運輸道路揚塵，其濃度貢獻率為21.56%，綜合A 市實際情況來看，A 市運輸線路眾多、施工工地數量多且分布廣泛，因此，該判斷結果可信程度較高。

3.1.2 公因子2 解析。由公因子2 中NO3-、SO42 離子和NH4+離子的相關程度分析可知，公因子2 主要成分應該是（NH4）2SO4、NH4HSO4 和NH4NO3 等污染物，主要來自于城市機動車尾氣和原煤燃燒產生的NOx 和SO2 的二次反應產物；由于矩陣中S元素與NO3-、SO42-離子的相關性較好，由此可知燃煤煙塵對實驗中PM10 中主要成分的貢獻值較大。

3.1.3 公因子3 解析。在監測結果中Br 含量極少，Br 是機動車尾氣污染物的代表性元素，一般情況輪胎磨損殘余物中Zn的成分較高，綜合考慮，可認為公因子3 為交通源產生的粉塵，該粉塵濃度貢獻率為10.70%。

3.1.4 公因子4 解析。經分析，公因子4 中變量Fe、Co 等元素的載荷較高，考慮到A 市分布了較多的冶煉企業，而Fe、Co 元素的產生一般與冶煉過程有關，因此，可判斷公因子主要為鋼鐵產生的顆粒物，其顆粒物的濃度貢獻率為11.30%。

3.1.5 公因子5 解析。經過分析公因子5，發現公因子5 中變量Ca2+、Mg2+和Sr 等元素載荷較高，上述元素均是建筑材料中標志元素，因此可考慮公因子5 為建筑材料所產生的顆粒物，其粉塵濃度貢獻率為16.30%。

3.1.6 各元素共同度分析結果均大于0.65，說明本次分析結果與A 市具體情況的擬合度較高，同時也可說明上述5個公因子為A 市環境空氣中PM10 的幾個主要來源。

3.2 污染因子貢獻率解析

A 市環境空氣PM10 中因子1 的比例為 29.30%，因子2的比例為46.60%，因子3 的比例為5.18%，因子4 的比例為11.43%，因子5 的比例為8.03%。

由此可知，A 市環境空氣中PM10 中來源于工業燃煤的污染最為嚴重，其次是施工及運輸揚塵，該分析結果與A 市的現狀及近年統計數據相符。

4 結論

4.1 經研究分析，因子分析法可用于環境空氣中PM10 的來源解析。

4.2 A 市中環境空氣中PM10 的主要來源為施工及運輸揚塵（公因子1）、燃煤煙氣污染源（公因子2）、交通源粉（公因子3）、冶煉塵（公因子4）、建材塵（公因子5），按其濃度貢獻率排序為：公因子2＞公因子1＞公因子4＞公因子5＞公因子3。

[1]魯累.重慶市主城區大氣PM（10）來源的混合模型解析研究.重慶大學碩士論文，2008.

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