嚴寒地區冬季農宅室內燃燒污染及相關性

王昭俊，謝棟棟，唐 瑞

嚴寒地區冬季農宅室內燃燒污染及相關性

王昭俊，謝棟棟，唐 瑞

（哈爾濱工業大學市政環境工程學院，150090哈爾濱）

為了解嚴寒地區冬季農宅室內空氣污染的現狀，對哈爾濱附近兩個村10戶農宅室內污染物PM2.5、PM10、CO、CO2、SO2、NOx、TVOC和NH3進行了現場測試，并分析了其相關性.結果表明：PM2.5、PM10、CO、CO2、SO2和NOx污染嚴重，超標率分別為93%、75%、62%、23%、99%和64%，是室內主要的污染物；PM10與PM2.5，PM2.5與CO之間皆顯著線性相關，SO2與CO2、NOx與SO2之間皆線性相關；通過室內污染物間的相關性分析，提出了嚴寒地區冬季農宅室內空氣品質主要檢測指標和簡易測試方法.

室內空氣污染物；檢測指標；相關性；農宅；冬季

我國農村人口約占總人口數的60%.幾乎所有的農村居民以秸稈、薪柴、低質煤等作為燃料，這些固體燃料燃燒會造成嚴重的室內空氣污染［1-2］.在我國每年由固體燃料燃燒造成的死亡人數高達42萬［3］.因此，農村室內空氣污染不容忽視.

目前一些學者對我國農宅的室內空氣品質進行了研究，如Fischer等對中國北方農村冬季室內CO和PM10的測試結果表明，室內CO和PM10污染嚴重［4］.劉叢林對東北地區4戶典型農戶室內空氣品質的測試結果表明，冬季室內空氣污染嚴重，PM10超標率最高［5］.郭建斌等對農戶室內PM2.5、CO與SO2的相關性分析結果表明，PM2.5與CO，SO2與CO皆線性相關［6］.

由于嚴寒地區冬季農宅主要以秸稈等為燃料燒炕和用土暖氣分散供暖，而且供暖時間長達6個月以上，農宅室內空氣質量堪憂.而目前關于該地區農宅室內空氣品質的研究較少.為此，本研究于2012—2013年冬季對哈爾濱市周邊地區農宅的室內污染物進行了測試.

農宅一般地處偏遠地區，交通不便.由于測試參數多，顆粒物（PM10和PM2.5）測試儀器昂貴且笨重，而標準規定的測試方法復雜，不適用于農村測試.因此，亟待提出農村住宅室內空氣品質測試指標和簡易測試方法.

1 冬季農宅室內主要污染物及來源

我國室內空氣質量標準［7］規定了影響室內空氣品質的15種室內污染物，包括SO2、NO2、CO、CO2、NH3、O3、HCHO、苯C6H6、甲苯C7H8、二甲苯C8H10、苯并芘B（a）P、可吸入顆粒物PM10、總揮發性有機化合物TVOC、氡222Rn和菌落總數.

根據室內空氣質量標準規定的室內污染物的種類，分析農宅室內污染物實際來源，將嚴寒地區農宅室內污染物以及來源和危害總結如表1所示.

表1 農宅室內主要污染物、來源及危害［8-11］

2 冬季農宅室內污染物測試結果與分析

2.1 污染物測試樣本選擇及測試儀器

于2012—2013年冬季對嚴寒地區代表性城市哈爾濱市附近兩個村10戶典型農宅的室內空氣污染物進行了測試，其基本信息如表2所示.

表2 農宅基本信息

由表2可知，大多數農宅冬季采用火炕和土暖氣采暖，秸稈和煤是農宅室內主要的燃料形式.根據農宅室內污染物的來源及危害，選擇PM2.5、PM10、CO、CO2、SO2、NOx、TVOC和NH3作為測試參數.

本次現場測試的儀器為:TSI 8532粉塵測試儀，測量參數為PM2.5和PM10；TEL7001型CO2檢測儀；GT901、MIC系列便攜式氣體檢測儀，采用電化學或PID原理，其測量范圍、分辨率等與農宅室內空氣污染物的特點相對應.測試儀器參數見表3.

表3 室內空氣污染物測試儀器及主要參數

2.2 標準值的單位轉換

在我國室內空氣質量標準中［7，12］，大多數污染物的含量以質量濃度的形式表示.而現場測試采用的測試儀器大都以體積濃度ppm作為單位，因此需要進行單位之間的轉換.表4給出了將污染物體積濃度轉換為質量濃度的轉換系數.

表4 單位轉換系數

2.3 測試結果分析與主要污染物測試指標

由于農民一般在臥室內停留時間較長，且臥室面積一般為20 m2，故在臥室中央設置1個測點；測點的高度與人的呼吸區高度一致，距地面高度約為1.0 m.分別于12、1、2、3月份對10戶農宅進行了跟蹤測試，冬季室內污染物的測試結果如表5所示.

表5 冬季農宅室內污染物測試結果

將測試結果與轉換后的污染物標準限值進行比較，農宅室內污染物PM2.5、PM10、CO2、CO、SO2和NOx超標率分別為93%、75%、62%、23%、99%和64%；超標倍數分別為3.9、1.8、0.4、0.6、2.6和0.6.可見我國嚴寒地區農宅室內PM2.5、PM10、CO2、CO、SO2和NOx污染嚴重.

NH3和TVOC的平均質量濃度均未超標，其超標率與其他污染物相比也較小.說明嚴寒地區冬季農宅室內NH3和TVOC污染較輕.

燃料燃燒是影響農宅室內空氣品質的主要因素，固體燃料特別是秸稈等生物質燃料的燃燒會釋放大量的污染物，致使PM10、PM2.5、CO2、CO、NOx和SO2污染比較嚴重.由于農村住宅室內裝修較少，TVOC和NH3主要來源于室外家禽、牲畜及糞便.而較低的室外溫度不利于TVOC和NH3的揮發，因而TVOC和NH3質量濃度處于較低水平，在絕大多數樣本中均未超標.

PM2.5、PM10的平均質量濃度分別為0.369、0.414 mg／m3.由此可見，PM2.5（粒徑小于2.5 μm）的質量濃度占PM10（粒徑小于10 μm）的質量濃度的比例超過89%.由于小于2.5 μm的粒子會直接進入支氣管對人體健康影響更大，因此村鎮住宅內PM2.5污染嚴重，應引起人們足夠的重視.

綜上所述，PM2.5、PM10、CO、CO2、SO2和NOx是我國嚴寒地區農宅室內主要的污染物，應作為冬季農宅室內污染物測試指標.

3 相關性分析

3.1 PM2.5與CO相關性分析

在嚴寒地區冬季農宅室內污染物的排放與燃料不完全燃燒有關.PM2.5和CO質量濃度存在較強的線性相關關系［5］.對室內PM2.5與CO質量濃度進行線性擬合，結果如圖1所示.

由圖1可知，室內PM2.5及CO質量濃度的線性回歸方程可以表示為

式中:y為PM2.5質量濃度，mg／m3；x為CO質量濃度，mg／m3.

由R=0.70，n=40計算F=36.5，F≥F0.995（1，38）≈8.83［6］．可見，PM2.5與CO相關性顯著，PM2.5的質量濃度可以通過CO的質量濃度預測得到.

圖1 PM2.5和CO質量濃度的線性擬合曲線

3.2 PM10與PM2.5相關性分析

將PM10與PM2.5線性擬合，結果見圖2.由圖2可知，室內PM10及PM2.5質量濃度的線性回歸方程為

式中:y為PM10質量濃度，mg／m3；x為PM2.5質量濃度，mg／m3.

圖2 PM10和PM2.5質量濃度的線性擬合曲線

由R=0.98，n=40計算F=912，F≥F0.995（1，38）≈8.83.可見，PM10與PM2.5相關性非常顯著，PM10質量濃度可以通過PM2.5質量濃度預測得到.

3.3 SO2與CO2相關性分析

由于燃料燃燒時會同時釋放CO2、SO2等，對SO2和CO2的質量濃度進行線性相關性分析，結果如圖3所示.

由圖3可知，SO2與CO2質量濃度的線性回歸方程可以表示為

式中:y為SO2質量濃度，mg／m3；x為CO2質量濃度，mg／m3.

由R=0.58，n=40計算F=19.3，F≥F0.995（1，38）≈8.83，相關性顯著.在測試條件受限時，可以通過CO2質量濃度粗略地估計SO2的質量濃度.

圖3 SO2和CO2質量濃度的線性擬合曲線

3.4 NOx與SO2相關性分析

對室內NOx和SO2的質量濃度進行相關性分析，結果如圖4所示.

圖4 NOx和SO2質量濃度的線性擬合曲線

由圖4可知，NOx與SO2的質量濃度線性方程為

式中:y為NOx質量濃度，mg／m3；x為SO2質量濃度，mg／m3.

由R=0.54，n=40計算F=15.6，F≥F0.995（1，38）≈8.18，相關性顯著.在測試條件受限時，可以通過SO2質量濃度估計NOx的質量濃度.

4 室內污染物簡易測試方法

4.1 測試參數選擇

由前面分析可知:嚴寒地區農宅室內主要污染物有PM2.5、PM10、CO2、CO、SO2和NOx．PM2.5和 PM10測試儀器比較昂貴、且笨重、不便于攜帶，給農村現場測試帶來了不便；而CO測試儀器簡單、便攜，且應用比較普遍.根據測試條件及簡化程度不同，提出以下兩種不同的測試方法.方法1根據室內污染物相關關系分析可知，農宅室內PM2.5與CO、PM10與PM2.5的質量濃度相關關系顯著，PM2.5、PM10的質量濃度可以通過CO的質量濃度由式（1）、（2）預測得到，采用該方法，需要測試CO、CO2、SO2和NOx的質量濃度．方法2根據相關關系分析結果，表明室內SO2與CO2、NOx與SO2的質量濃度線性相關.

當現場無SO2和NOx測試儀器時，可通過式（3）由CO2質量濃度得到SO2質量濃度.NOx的質量濃度可通過（4）由SO2質量濃度預測得到.采用該方法需要測試CO2和CO的質量濃度.

4.2 測點布置和測試儀器

測點應設在人員經常活動的臥室或客廳，測點布置依據文獻［7］，測點高度與人體呼吸區的高度一致.

室內空氣品質的測試標準規定:采用稱重法、化學分析法、氣相色譜法等測試室內污染物.但上述測試分析方法操作復雜、設備昂貴、不便攜帶，無法實現實時監測［15］.

由于通用方法操作繁瑣，很多學者開始尋求室內污染物的快速檢測方法，并通過與通用方法對比驗證了快速檢測方法的準確性［16］.基于電化學、紅外線、PID等原理的測試儀器便于攜帶、操作簡單，在進行室內空氣品質檢測尤其是現場測試時，在精度允許的情況下可以采用便攜式測試儀器.為了保證測試結果的準確性，在測試前應與標準儀器校準.

4.3 檢測時間

文獻［17］中規定污染物檢測時間:一氧化碳檢測時間為8 h均值；二氧化硫檢測時間為24 h均值；PM2.5和PM10都為24 h均值.可見，一般以24 h的平均質量濃度值作為標準限值.我國室內空氣質量標準［7］中規定CO、SO2和NOx取1 h的平均體積濃度、CO2、PM2.5和PM10都取24 h的平均體積濃度作為限值.

燃料燃燒、人員活動、通風狀況等是影響農村住宅室內空氣品質的主要因素，室內污染物呈現周期性波動，尤其是燃料燃燒對室內污染物的質量濃度值影響較大.建議采取上一次生火開始至下一次生火前作為一個周期（一般為8 h），取一個周期內的加權平均值作為限定值.

當研究室內居民一般的暴露水平時，可以在用火前后兩個小時之內取樣.由于這期間室內污染物質量濃度變化較小，采樣時間可以取15 min.當研究用火期間的室內居民暴露水平及污染物的峰值時，可在用火期間連續取樣1～2 h.

5 結 論

1）嚴寒地區農宅室內PM2.5、PM10、CO、CO2、SO2和NOx污染嚴重，超標率分別為93%、75%、23%、62%、99%和64%，是室內主要的污染物. PM2.5的質量濃度占PM10的質量濃度89%以上，說明農宅室內PM2.5污染嚴重，應引起足夠的重視.

2）嚴寒地區農宅室內污染物PM10與PM2.5的質量濃度，PM2.5與CO的質量濃度之間皆顯著線性相關.PM2.5和PM10的質量濃度可通過CO的質量濃度進行預測.室內污染物SO2與CO2，NOx與SO2的質量濃度之間皆線性相關，SO2和NOx的質量濃度可通過CO2的質量濃度進行預測.

3）通過室內污染物間的相關性分析，提出了嚴寒地區冬季農宅室內空氣品質主要檢測指標和簡易測試方法.

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（編輯 魏希柱）

Indoor air pollutants and their correlation at rural houses in severe cold region in winter

WANG Zhaojun，XIE Dongdong，TANG Rui
（School of Municipal and Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China）

To explore the indoor air pollution at rural houses in severe cold region in winter，a field study was conducted at 10 rural houses in two villages around Harbin.The indoor pollutants including PM2.5，PM10，CO，CO2，SO2，NOx，TVOC and NH3were tested and the correlation of pollutants were analyzed.The results showed that PM2.5，PM10，SO2，NOx，CO2and CO were the main pollutants at rural houses in winter，with the overproof rates of 93%，75%，62%，23%，99%，64%，respectively.There were good relations between PM10and PM2.5，CO and PM2.5，respectively.In addition，the linear correlations were also found between SO2and CO2，NOxand SO2，respectively.The main test indices of pollutants were given based on the regression analysis results.The test method of pollutants was proposed at rural houses in severe cold region in winter.

indoor air pollutants；test indices；correlation；rural houses；winter

X508

A

0367-6234（2014）06-0060-05

2013-06-06.

國家“十二五”科技支撐計劃項目（2011BAJ08B07）；哈爾濱市科技創新人才研究專項資金項目（2013RFXXJ045）.

王昭俊（1965—），女，教授，博士生導師.

王昭俊，wangzhaojun＠hit.edu.cn.