供暖對蘭州市大氣PM2.5及其重金屬分布規律影響的研究*

范寧云，張會妮△，王　寧，孫纓澤，劉晉宇

（1.甘肅省分析測試中心，甘肅 蘭州 730000；2.西南大學化學化工學院，重慶 400700）

?

供暖對蘭州市大氣PM2.5及其重金屬分布規律影響的研究*

范寧云1，張會妮1△，王寧1，孫纓澤1，劉晉宇2

（1.甘肅省分析測試中心，甘肅 蘭州 730000；2.西南大學化學化工學院，重慶 400700）

摘要：通過合理布置采樣點，對蘭州市2013年和2014年供暖前中后大氣污染物PM2.5中八種重金屬As、Hg、Pb、Cd、Cr、Zn、Ni、Cu含量進行監測，并與PM2.5含量進行對比分析，得出PM2.5中重金屬的分布規律、PM2.5與重金屬分布規律之間的關系，以便了解供暖期間產生的廢氣和煙塵對蘭州大氣環境PM2.5中重金屬分布規律的影響。結果表明在蘭州市2013年至2014年供暖前中后，大氣污染物 PM2.5中重金屬含量變動情況均較為明顯，供暖期鉛、鎘、鉻、汞的污染較大，且城關區污染大于安寧區；供暖前中后PM2.5中權重較大的重金屬元素類別有所區別，但三個采樣期Zn、Ni都占有較大的權重，As、Hg都占有較小的權重，說明PM2.5受Zn、Ni影響較大，幾乎不受As、Hg的影響；PM2.5含量增大或減少時，附著在其上的重金屬含量并未隨之增大或減少。上述結果為改善蘭州市供暖環境和治理大氣污染提供一定的理論依據。

關鍵詞：供暖；PM2.5；重金屬分布規律；權重分析

蘭州市位于狹長的河谷地帶，在冬季供暖期間，受煤炭燃燒供暖和大陸季風的影響，霧霾天氣頻繁出現。作為霧霾的主要組分之一，細顆粒物（PM2.5)的治理已經成為減少霧霾的主要途徑。GB3095-2012《環境空氣質量標準》也增設了PM2.5的濃度限值。研究發現PM2.5因其粒徑較小，更容易成為許多污染物(如重金屬、硫酸鹽、有機物、病毒等)的運載體和反應體,可直接深入到細支氣管和肺泡,能引發心臟病、肺病、呼吸道疾病等,對人體的危害更大[1]。吸附在顆粒物上的重金屬由于具有不可降解性而對環境構成潛在威脅，重金屬中污染最嚴重的為細顆粒物[2]。重金屬元素鉛、汞等具有化學毒性,通過呼吸進入人體后,可造成各種人體機能障礙,導致身體發育遲緩,甚至引發各種癌癥和心臟病等[3-6]，直接影響人類健康。

在國內有學者對大氣或采暖期大氣 PM10和PM2.5中重金屬分布特征進行了研究[7-10]，也有學者對冬夏季蘭州空氣PM2.5中重金屬分布特征進行了研究[2]，但對蘭州市供暖前中后PM2.5中重金屬分布規律進行系統分析，并對PM2.5含量與重金屬分布之間關系的研究還鮮見報道。本文對蘭州市供暖前中后大氣PM2.5中八種重金屬分布規律及其對PM2.5貢獻大小進行系統的監測和分析，以便了解供暖對蘭州市空氣影響程度，為蘭州市大氣霧霾治理提供一定的理論依據和指導。

1　樣品采集和分析

1.1采樣點、采樣時間和檢驗方法的確定

1.1.1采樣點確定

本實驗設計蘭州市內采樣點3個，其中城關區2個采樣點，安寧區1個采樣點。1號點分別位于甘肅省分析測試中心家屬院內；2號點位于雁灘新港城住宅小區，3號點位于安寧區棗林住宅小區。

1.1.2采樣時間確定

由于蘭州市的供暖期為每年11月份至次年3月份，本實驗供暖前、供暖期和供暖后三階段采樣時間分別為2013年9月份、2014年2月份和2013年4月份，每個階段采樣天數為7d，每天的采樣時間不少于12h。

1.1.3檢測方法確定

Pb選用石墨爐原子吸收光度法、Cd、Cr、Zn、Ni、Cu選用火焰原子吸收光度法、As和Hg選用氫化物發生-原子熒光光度法進行檢驗。

1.2儀器

TH-3150大氣與顆粒物組合采樣器由青島嶗山電子儀器總廠生產；SK-2003原子熒光分析儀計由北京金索坤技術開發有限公司生產；Zeenit700原子吸收光譜儀由德國耶拿分析儀器股份公司生產；DKQ-1000智能控溫電加熱器由上海屹堯儀器科技發展有限公司生產；微波消解儀由上海屹堯儀器科技發展有限公司生產；AE200電子天平由瑞士梅特勒-托利多集團生產。

1.3樣品處理與測定

1.3.1PM2.5中Pb、Cd、Cr、Zn、Ni、Cu樣品處理與測定

將樣品濾膜分成均勻的兩份，將其中的一份撕成小碎片放入聚四氟乙烯坩堝中，加入15mL濃硝酸和3mL氫氟酸，放置過夜，在智能溫控電加熱器（設置溫度為200℃）進行消化48h，同時及時補充濃硝酸。將聚四氟乙烯坩堝中的硝酸趕盡。用高純水溶解，過濾在50mL容量瓶中并定容。此溶液用于測定PM2.5中Pb、Cd、Cr、Zn、Ni、Cu重金屬。空白試驗選取同批次的濾膜進行消化處理。采用原子吸收光譜儀進行PM2.5中Pb、Cd、Cr、Zn、Ni、Cu的測定。

1.3.2PM2.5中As、Hg樣品處理與測定

將另一份樣品濾膜撕成小碎片放入聚四氟乙烯消解罐中，加入10mL濃硝酸和1mL氫氟酸，在2.0MPa下微波消解5min,冷卻后，取出消解罐，將溶液過濾轉移在50mL容量瓶中，反復用高純水沖洗消解罐和濾紙。空白試驗選取同批次的濾膜進行消化處理。采用原子熒光分析儀進行PM2.5中As、Hg的測定。

2　結果與分析

2.1PM2.5中重金屬質量濃度主要分布區域

1-3號采樣點大氣污染物PM2.5及附著在其中的重金屬質量濃度均為扣除空白值后的結果，其主要分布區域統計詳見表1～表3。

表1　1號采樣點PM2.5及附著在其中的八種重金屬質量濃度主要分布區域統計表

表2　2號采樣點PM2.5及附著在其中的八種重金屬質量濃度主要分布區域統計表

表3　3號采樣點PM2.5及附著在其中的八種重金屬質量濃度主要分布區域統計表

2.2不同采樣期PM2.5各重金屬分布規律

由表1～表3可知，附著在PM2.5上的重金屬質量濃度隨采樣期變化明顯。同一重金屬供暖前、供暖期和供暖后三期比較，1和3號點供暖期質量濃度最高的是Pb、Cr、Cd、Ni、Hg，供暖前質量濃度最高的是Zn、Cu、As。2號點供暖期質量濃度最高的是Pb、Cr、Cd、Hg，供暖后質量濃度最高的是Cu、Ni、As，供暖前質量濃度最高的是Zn。三個采樣點供暖期質量濃度最高的重金屬都有Pb、Cr、Cd、Hg。按PM2.5中重金屬質量濃度平均值進行比較，1、2號點Pb的質量濃度大約是3號點的1.3-1.6倍，Cr是4.6-7.2倍，Cd是2.0-3.1倍，Hg是1.4-2.4倍。

2.3PM2.5各重金屬的權重分析

由表1～表3可知，比較分析供暖前中后附著在PM2.5中權重較大的重金屬，可以得出結論，供暖前：1號點是Zn、Cu、Ni、Cr、Cd、As，2號點是Zn、Cu、Ni、Cr、Cd，3號點是Zn、Cu、Ni、Cr、As，三個采樣點都有Zn、Cu、Ni、Cr。供暖期：三個采樣點均是Zn、Cu、Ni、Cr、Cd、Pb。供暖后：1號點是Zn、Ni，2、3號點均是Zn、Cu、Ni，三個采樣點都有Zn、Ni。所監測大氣污染物PM2.5中的這八種重金屬，主要在PM2.5中富集的供暖前是Zn、Cu、Ni、Cr，供暖期Zn、Cu、Ni、Cr、Cd 、Pb，供暖后Zn、Ni組成。三期所采樣品PM2.5中Zn、Ni都占有較大的權重，鋅的主要污染源可能有鋅礦開采、冶煉加工、機械制造以及鍍鋅、儀器儀表、有機會合成和造紙等工業的排放、汽車輪胎磨損以及煤燃燒產生的粉塵、煙塵，鋅在土壤中可以富集，霧霾可能引起土壤顆粒進入大氣而引起鋅含量升高。鎳也可以在土壤中富集，所以鎳含量較高可能與鎳礦開采或大氣降塵有關。As、Hg含量除1、3號點As供暖前較高外，其余均較低，可見大氣污染物PM2.5幾乎不受As、Hg的影響。1、3號點As供暖前較高可能跟局部空氣污染有關。

2.4PM2.5與各重金屬之間的關系分析

PM2.5是供暖后最高、供暖前次之、供暖期最低，而八種重金屬除As、Hg含量較低不做對比外，其余六種重金屬質量濃度均和PM2.5變化規律不一致，當PM2.5的含量相近時，同一重金屬的含量卻相差甚遠。當PM2.5增大或減少時，所監測的這六種重金屬含量并沒隨之增大或減小。結果表明當PM2.5引起嚴重霧霾時，其所含有的重金屬可能不會隨之升高。

另外，本實驗設計采樣時間為早上7點到晚上7點，12h的采樣時間均為白天，所以此次檢測數據只能表征蘭州市白天的空氣狀況，由于夜間出行車量較少，工業企業很少生產，檢測結果可能比24h采樣偏高。

3　結論

1）從三個采樣點重金屬分布規律可以看出，不論是安寧區還是城關區，供暖期PM2.5中Pb、Cr、Cd、Hg四類重金屬污染均較大，這可能是供暖期煤炭燃燒所釋放的煙塵和廢氣所致。且城關區污染大于安寧區。

2）供暖前中后PM2.5中權重較大的重金屬元素有所區別，但三個采樣期Zn、Ni都占有較大的權重，As、Hg都占有較小的權重。說明PM2.5受Zn、Ni影響較大，幾乎不受As、Hg的影響。

3）PM2.5含量與附著在其上的

重金屬含量變化規律不一致，當PM2.5引起嚴重霧霾時，其所含有的重金屬可能不會隨之升高。

蘭州市供暖期間Pb、Cr、Cd、Hg在 PM2.5中富集，對大氣污染較大。這四種重金屬都屬于人為污染元素，所以改變產業結構，取締小煤爐，逐步采用天然氣取代煤碳供暖，或許能在一定程度上解決供暖期間這四類重金屬的污染問題。PM2.5中Zn、Ni含量較高的原因還有待進一步研究，只有找到污染源才能有效解決Zn、Ni污染問題。

參考文獻：

[1]魏復盛,胡偉,滕恩江,等.空氣污染與兒童呼吸系統患病率的相關分析[J].中國環境科學,2000,20(3):220-224.

[2]林海鵬，武曉燕等.蘭州市某城區冬夏季大氣顆粒物及重金屬的污染特征[J].中國環境科學，2012,32（5）：810-815.

[3]李麗娟，溫彥平，董繼元等.太原市春季 PM2.5和 PM10中AS及重金屬污染特征研究[J].太原理工大學學報，2015,1：104-110.

[4]XieHE.DISTRIBUTIONOFHEAVYMETALELEMENTS INTHEDIFFERENTDIAMETRALATMOSPHERIC PARTICULATEMATTERS[J].EnvironmentalEngineering, 2002,20(6):55-57.

[5]葛楊,梁淑軒,孫漢文.大氣氣溶膠中重金屬元素痕量分析及形態分析研究進展[J].環境監測管理與技術,2007, 19(6):9-14.

[6]張六一,付川,楊復沫等.微波消解ICP-OES法測定PM2.5中金屬元素[J].光譜學與光譜分析,2014，34(11):3109-3112.

[7]王帥.沈陽市采暖期空氣可吸入顆粒物重金屬組分特征研究[J].環境保護與循環經濟，2014,34（8）：63-67.

[8]林治卿,襲著革,楊丹鳳,等.采暖期大氣中不同粒徑顆粒物污染及其重金屬分布狀況[J].環境與健康雜志,2005, 22(01):33-34.

[9]王京，王初，陳振樓,等.貴陽市城區近地面PM10/PM2.5及重金屬污染水平研究[J].環境科學與技術,2011,34(4): 74-76.

[10]周衛靜.大氣顆粒物中重金屬元素的測定研究[D].保定市,河北大學2014(11):3109-3112.

中圖分類號：X832

*基金項目：甘肅省自然科學基金項目（項目編號：1208RJZA128）

通訊作者：△張會妮（1983-）女，助理研究員，環境和食品檢測分析與方法研究工作。E-mail:523789871@qq.com。