呼和浩特市源成分譜特征研究*

彭 杏 丁 凈 史國良 韓見弘 吳萬慶 王克玲 馮銀廠

(1.南開大學環境科學與工程學院，國家環境保護城市空氣顆粒物污染防治重點實驗室,天津 300071；2.呼和浩特市環境監測中心站,內蒙古 呼和浩特 150100)

顆粒物是影響我國城市空氣質量的首要污染物，不僅影響大氣環境質量，誘發酸雨、光化學煙霧污染等，還會影響氣候、人類生產活動[1-4]。為有效控制顆粒物污染，需要明確知道顆粒物來源，解析各類污染源對顆粒物的貢獻[5]。顆粒物源解析工作主要是應用受體模型對顆粒物來源進行定性或定量研究，其中化學質量平衡(CMB)模型、正定矩陣因子分析(PMF)模型是應用最廣泛的受體模型[6-10]。

源解析模型需要能反映某一地區源排放信息的成分譜，這也是模型擬合運算的前提條件之一。特別是CMB模型，各排放源類所排放的顆粒物的成分譜是CMB模型的主要輸入參數，因此，源成分譜的準確獲取與有效建立顯得尤為關鍵。但是，源成分譜建立的過程是復雜的，不僅需要大量的人力物力，而且還有一定的技術與科研條件限制。關于我國PM2.5源成分譜的研究有限，對精細化源成分譜的研究相對更少。因此，有必要建立真實有效的各類源成分譜，豐富我國的成分譜數據庫。

為豐富源譜庫信息，在呼和浩特市采集了源樣品，在對呼和浩特市污染源的前期調查和研究，以及識別污染源主要源類與其子類的情況下，對所采源樣品進行物理化學特征分析，建立了呼和浩特市PM10和PM2.5源成分譜。本研究采集了呼和浩特市城市揚塵、建筑水泥塵、土壤風沙塵，同時對供熱、工業和電力這3個不同行業的煤煙塵也進行采集和分析。

1 材料與方法

1.1 源樣品的采集

城市揚塵、土壤風沙塵、建筑水泥塵和煤煙塵源樣品的采集均在非雨天進行，采樣信息見表1。城市揚塵是在呼和浩特市4個區的居民樓和倉庫的窗臺上或者是平臺上采集的。在市郊東、南、西、北4個方向以及東北和東南兩個主導風向等共6個點位選擇裸露農田、河灘或果園采集土壤風沙塵源樣品。建筑水泥塵則是在建筑施工地附近采集。煤煙塵在呼和浩特市的供熱、電力、工業等相關企業采集除塵器下的載灰樣品。采集的樣品用密封袋收集帶回實驗室，并過150目篩，密封保存待測。采樣方法參考文獻[10]。

表1 源樣品的采集時間及數量

1.2 分析方法

為分析各源類的物理形態特征，利用Shimadzu SS-550掃描電子顯微鏡(SEM，日本島津公司)分別掃描全粒徑段的建筑水泥塵、土壤風沙塵及煤煙塵。

2 結果與討論

2.1 源成分譜特征

不同排放源具有不同的物理形態特征，利用掃描電鏡分別掃描采集的建筑水泥塵、土壤風沙塵與煤煙塵，以了解各源類不同的形態特征。掃描電鏡結果見圖1至圖3。

圖1 建筑水泥塵掃描電鏡形態Fig.1 SEM image of cement dust

圖2 土壤風沙塵掃描電鏡形態Fig.2 SEM image of soil dust

圖3 煤煙塵掃描電鏡形態Fig.3 SEM image of coal combustion

注：占比按質量分數計，圖5、圖6同。圖4 呼和浩特市PM10和PM2.5主要排放源的化學成分譜Fig.4 Profiles of four sources in Hohhot

由圖1至圖3可以看出，在物理特征上，建筑水泥塵和土壤風沙塵的形狀比較相似，呈不規則的塊狀；而煤煙塵與其他兩類源形狀差異較大，大多數呈圓形，這與前人的研究結果一致[12]。研究表明，各源類顯現不同的形態特征，主要由于各源類的化學組成不同。為進一步研究各源類的物化特征，針對不同源類的化學組分進行了分析，討論各源類的特征組成。

2.2 PM10與PM2.5源成分譜的化學組成特征

源成分譜是顆粒物來源解析的關鍵信息，有必要對污染源進行化學成分分析，建立相應的源成分譜。呼和浩特市4類污染源(城市揚塵、土壤風沙塵、建筑水泥塵、煤煙塵)的PM10和PM2.5源成分譜如圖4所示。

PM2.5中，城市揚塵中的Si、Al、Ca、Fe和OC的占比分別為(18.0±10.9)%、(4.0±1.2)%、(8.3±4.3)%、(3.7±1.2)%和(9.8±1.0)%。土壤風沙塵中Si占比最高[16]，為(21.6±4.7)%，Al的占比次之，為(8.5±2.5)%。建筑水泥塵主量成分為Ca和Si，占比分別為(43.7±4.3)%、(2.3±0.6)%。煤煙塵主要化學組分為地殼元素 (Si、Al、Ca) 和碳組分 (OC、EC)[17-18]。

采用相關性分析對各源類PM10和PM2.5的成分譜進行比較，結果表明，4個源類PM10和PM2.5的成分譜之間的相關系數分別為1.00(城市揚塵)、0.80(土壤風沙塵)、0.80(建筑水泥塵)、0.99(煤煙塵)，具有顯著的相關性(P<0.01)。總的來說，PM10和PM2.5的成分譜比較相似，各類源的標識組分一致。例如PM10和PM2.5的建筑水泥塵可以用Ca來標識；OC、Si等可作為煤煙塵的標志組分。城市揚塵和土壤風沙塵可用Si、Al、Ca來標識。

2.3 不同鍋爐煤煙塵的比較

和其他源類相比，煤煙塵成分譜更為復雜。煤煙塵的成分譜會因行業、鍋爐類型、除塵方式等不同而發生變化，導致了各類型的煤煙塵成分譜間存在一定差異性。為研究不同行業對煤煙塵成分譜的影響，本研究采集了供熱、工業、電力行業的煤煙塵，并對其化學組分進行分析，結果如圖5、圖6所示。

圖5 呼和浩特市不同行業煤煙塵PM2.5源成分譜Fig.5 PM2.5 source profiles of three types of coal combustion in Hohhot

圖6 呼和浩特市不同行業煤煙塵PM10源成分譜Fig.6 PM10 source profiles of three types of coal combustion in Hohhot

3 結 論

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