石家莊市夏季道路交通揚(yáng)塵排放特征研究*

安 塞 肖捷穎 劉 娟 郭 碩 趙文霞 閆伯駿

(河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北省污染防治生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050018)

石家莊市夏季道路交通揚(yáng)塵排放特征研究*

安 塞 肖捷穎#劉 娟 郭 碩 趙文霞 閆伯駿

(河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北省污染防治生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050018)

利用石家莊市快速路、主干道、次干道、支路共8條道路上布設(shè)的降塵缸，收集夏季道路交通揚(yáng)塵并進(jìn)行樣品篩分、稱重、粒徑分析及碳分析。結(jié)果表明：(1)2.5～10.0μm粒徑顆粒物含量最高，其次為10.0～30.0μm，0～2.5μm最少。相同類型道路南側(cè)、西側(cè)細(xì)顆粒物多，而北側(cè)、東側(cè)大顆粒物相對(duì)多，原因與道路兩側(cè)車流量和周圍環(huán)境有關(guān)。2.5～10.0μm顆粒物更易在2.5m處富集，而10.0～30.0μm顆粒物在1.5m處容易富集。(2)PM2.5比PM10更易富集碳。快速路PM2.5中總碳(TC)、有機(jī)碳(OC)高，元素碳(EC)低。快速路和主干道2.5m處PM10更易富集碳，次干道和支路則更易在1.5m處富集。(3)研究區(qū)道路揚(yáng)塵PM2.5和PM10中碳組分的主要來源為汽油車尾氣和燃煤排放，少部分為生物質(zhì)燃燒。

道路揚(yáng)塵 顆粒物 粒徑分布 碳分析

Abstract: Road dust samples were collected from different types of city paved road by dust deposition gauges in Shijiazhuang during summer，and were sieved，weighed，particle size analyzed and carbon content analyzed. Results were as follows : (1) Diameter of road dustparticles was mainly between 2.5-10.0 μm, secondly between 10.0-30.0 μm, few of them between 0-2.5 μm. The concentration of fine particle was higher in south and west side of same type of road；while coarse particle concentration was higher in north and east side，it was due to traffic flow and surrounding environment. Comparing the particle size percentage from different types of road and different height (1.5，2.5 m)，percentage content of road dust with 10.0-30.0 μm in diameter from the height of 1.5 m was found higher than from 2.5 m，while particles diameter 2.5-10.0 μm had high percentage content in 2.5 m. (2) The carbon content of PM2.5was found higher than that of PM10. On expressway TC and OC concentration of PM2.5was high and EC was low. Carbon was easier to be enriched on PM10at a height of 2.5 m on expressway and trunk road，while it was easier to be enriched at a height of 1.5 m on secondary trunk and branch road. (3)The main sources of carbon of PM2.5and PM10in the road dust of the study area was gasoline car exhaust and coal combustion，a few was biomass burning.

Keywords: road dust; particles; size distribution; carbon analysis

顆粒物粒徑分布特征和人體健康息息相關(guān)[1]，粒徑越小危害越大。其中，碳是細(xì)粒徑顆粒物的主要組成成分[2]，而機(jī)動(dòng)車排放是城市大氣中細(xì)顆粒物的主要貢獻(xiàn)源之一[3]，北方城市主要表現(xiàn)為道路交通揚(yáng)塵排放[4]，且因其接近人群而被認(rèn)為對(duì)空氣質(zhì)量、能見度和人體健康的影響更直接[5]。近年來，工業(yè)煙塵、粉塵排放被逐步控制[6]，但揚(yáng)塵產(chǎn)生的顆粒物卻在增加。有研究者認(rèn)為，2006—2010年北京道路揚(yáng)塵排放是其大氣PM10的主要來源[7]。碳因?qū)е職馊苣z中有機(jī)污染[8]而備受關(guān)注，主要有元素碳(EC)和有機(jī)碳(OC)。EC是源于人為排放的單質(zhì)碳的一次污染物；OC包括一次OC和揮發(fā)性有機(jī)物在大氣中產(chǎn)生的二次OC[9]。

國內(nèi)相關(guān)研究主要針對(duì)大氣顆粒物的化學(xué)成分和積塵負(fù)荷，如康蘇花等[10]分析了石家莊市2013年大氣顆粒物碳組分；溫先華等[11]發(fā)現(xiàn)廈門市2012—2013年降塵中含重金屬；朱瓊宇等[12]關(guān)注上海市不同粒徑顆粒物汞的分布特征；李佳琦等[13]、YE等[14]研究亞微米顆粒物元素組成。國外主要側(cè)重顆粒物化學(xué)組成，如對(duì)亞特蘭大街區(qū)揚(yáng)塵顆粒物含鉛量的研究[15]以及NALD等[16]對(duì)美國道路揚(yáng)塵化學(xué)成分的分析。

目前，對(duì)我國城市大氣顆粒物粒徑分布特征的研究相對(duì)較少[17]，更鮮有對(duì)城市道路交通揚(yáng)塵粒徑排放特征及碳組分的報(bào)道。本研究以石家莊市2014年夏季道路揚(yáng)塵為研究對(duì)象，利用降塵法收集道路揚(yáng)塵，處理并計(jì)算各粒徑區(qū)間顆粒物含量，分析不同類型道路顆粒物粒徑分布特征及顆粒物中的碳組分，為城市大氣污染治理提供理論參考和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究方法

1.1 采樣點(diǎn)及采樣方法

降塵缸依據(jù)《環(huán)境空氣 降塵的測定 重量法》(GB/T 15265—94)選取。道路交通揚(yáng)塵樣品通過在被測道路兩側(cè)路燈桿上安裝降塵缸來收集。依據(jù)《防治城市揚(yáng)塵污染技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 393—2007)的降塵法，干法收集揚(yáng)塵沉降到直徑15 cm、高30 cm圓柱形平底降塵缸內(nèi)的顆粒物。在石家莊市區(qū)選擇快速路、主干道、次干道、支路4種類型道路(以1～4編號(hào))，每種類型道路各2條(以(1)、(2)編號(hào))，每條各選8個(gè)采樣點(diǎn)(見圖1)，對(duì)稱布設(shè)道路兩側(cè)。將有編號(hào)的降塵缸安裝在路燈桿上，高度為1.5、2.5 m，共128個(gè)，降塵缸均對(duì)著道路一側(cè)放置并避開路口、施工路段等局部污染源。采樣時(shí)間為2014年7月20日至9月10日，盛行風(fēng)向?yàn)闁|南季風(fēng)，平均風(fēng)速約1.5～2.0 m/s。

圖1 采樣點(diǎn)分布Fig.1 Location of the sampling sites

1.2 粒徑分析

分析天平稱取1.5 g樣品通過進(jìn)樣口送入自制的再懸浮儀器，結(jié)合Grimm 1.109便攜式氣溶膠光學(xué)粒徑譜儀得到不同粒徑顆粒物濃度，計(jì)算不同粒徑區(qū)間(0～2.5、2.5～10.0、10.0～30.0 μm)顆粒物含量。

1.3 碳分析

使用DRI Model2001A熱光碳分析儀測定樣品PM2.5和PM10中碳組分，利用程序升溫法(IMPROVE)分兩個(gè)階段測定：(1)第1階段，在純氦氣零氧條件下，加熱到140 ℃得到有機(jī)碳組分1(OC1)，至280 ℃時(shí)得到有機(jī)碳組分2(OC2)，480 ℃得到有機(jī)碳組分3(OC3)，580 ℃時(shí)得到有機(jī)碳組分4(OC4)；(2)第2階段，在含98%(體積分?jǐn)?shù)，下同)氦氣和2%氧氣條件下，580 ℃時(shí)得到元素碳組分1(EC1)，740 ℃得到元素碳組分2(EC2)，840 ℃得到元素碳組分3(EC3)。第1階段會(huì)產(chǎn)生大氣水溶性極性化合物(OPC)[18]，所測定的OC=OC1+OC2+OC3+OC4+OPC，EC=EC1+EC2+EC3-OPC[19]。

1.4 車流量

用行車記錄儀統(tǒng)計(jì)車流量，快速路、主干道、次干道、支路平均車流量分別為17萬、6萬、4萬、2萬輛/d。快速路平均車流量遠(yuǎn)高于其他3種類型道路。

2 結(jié)果與分析

2.1 道路兩側(cè)粒徑組成特征對(duì)比

由圖2可見，北側(cè)的10.0～30.0 μm顆粒物含量都高于南側(cè)。1(1)號(hào)南側(cè)0～2.5、2.5～10.0 μm顆粒物含量高于北側(cè)，但南側(cè)10.0～30.0 μm顆粒物含量低于北側(cè)。1(2)號(hào)1.5 m處北側(cè)0～2.5、10.0～30.0 μm顆粒物含量高于南側(cè)，而南側(cè)2.5～10.0 μm顆粒物含量高于北側(cè)；2.5 m處南側(cè)0～2.5、2.5～10.0 μm顆粒物含量高于北側(cè)，而北側(cè)10.0～30.0 μm顆粒物含量高于南側(cè)。車流量數(shù)據(jù)顯示，1(1)號(hào)南側(cè)多于北側(cè)，1(2)號(hào)北側(cè)多于南側(cè)，表明車流量對(duì)細(xì)粒徑顆粒物有一定影響。

由圖3可見，2(1)號(hào)1.5 m處西側(cè)的0～2.5、2.5～10.0 μm顆粒物含量遠(yuǎn)高于東側(cè)，10.0～30.0 μm顆粒物含量則東側(cè)高于西側(cè)；2.5 m處兩側(cè)的顆粒物含量相差不大。2(2)號(hào)1.5、2.5 m處兩側(cè)的顆粒物質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不大，主要集中在2.5～10.0 μm，約60%，0～2.5 μm占10%左右，10.0～30.0 μm占30%左右。兩條主干道兩側(cè)車流量沒太大差異，結(jié)果可能與道路兩側(cè)環(huán)境有關(guān)。

由圖4可見，兩側(cè)的顆粒物含量沒有明顯差距。顆粒物集中在2.5～10.0 μm，約占60%；其次為10.0～30.0 μm，約占30%；0～2.5 μm占10%左右。

由圖5可見，4(1)號(hào)1.5、2.5 m處兩側(cè)顆粒物含量無明顯規(guī)律性。1.5 m處南側(cè)的0～2.5 μm顆粒物含量高于北側(cè)，2.5～10.0、10.0～30.0 μm則北側(cè)高于南側(cè)；2.5 m處0～2.5 μm顆粒物含量沒有明顯差異，2.5～10.0 μm北側(cè)高于南側(cè)，10.0～30.0 μm南側(cè)高于北側(cè)。4(2)號(hào)1.5 m處兩側(cè)顆粒物含量無明顯差異；2.5 m處兩側(cè)顆粒物集中在2.5～10.0 μm，且南側(cè)高于北側(cè)，0～2.5 μm則北側(cè)高于南側(cè)，其余粒徑區(qū)間差別不大。南北兩側(cè)車流量數(shù)據(jù)差異不大，可能是周圍環(huán)境的影響。

圖2 快速路兩側(cè)降塵缸顆粒物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)比Fig.2 Comparison of particle size percentage distribution from both sides of expressway

圖3 主干道兩側(cè)降塵缸顆粒物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)比Fig.3 Comparison of particle size percentage distribution from both sides of trunk road

圖4 次干道兩側(cè)降塵缸顆粒物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)比Fig.4 Comparison of particle size percentage distribution from both sides of secondary trunk road

圖5 支路兩側(cè)降塵缸顆粒物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)比Fig.5 Comparison of particle size percentage distribution from both sides of branch road

道路編號(hào)高度/m質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%0～2.5μm2.5～10.0μm10.0～30.0μm道路編號(hào)高度/m質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%0～2.5μm2.5～10.0μm10.0～30.0μm1(1)1.58.2658.0928.033(1)1.514.1666.5518.492.510.0462.0426.222.512.6267.8219.091(2)1.510.8265.8420.923(2)1.511.5159.1128.332.510.0462.0426.222.59.9359.5229.942(1)1.56.1142.7440.564(1)1.59.2458.6230.102.59.2864.8824.342.510.2660.2228.532(2)1.59.5359.6228.424(2)1.58.4060.2630.592.57.5563.0927.812.516.5355.5227.32

圖6 不同類型道路降塵粒徑對(duì)比Fig.6 Comparison of particle size percentage distribution from different types of road

2.2 顆粒物粒徑分布高度差異分析

由表1可見，兩條次干道不同高度各區(qū)間顆粒物差異非常小。1(1)、2(1)、4(1)號(hào)2.5 m處0～2.5、2.5～10.0 μm顆粒物含量高于1.5 m處；10.0～30.0 μm則2.5 m處低于1.5 m處。1(2)、2(2)號(hào)1.5 m處0～2.5 μm顆粒物含量高于2.5 m處；2.5～10.0 μm則1(2)號(hào)1.5 m處高于2.5 m處、2(2)號(hào)2.5 m處高于1.5 m處；10.0～30.0 μm則1(2)號(hào)1.5 m處低于2.5 m處、2(2)號(hào)1.5 m處高于2.5 m處。總體上，2.5～10.0 μm顆粒物更易在2.5 m處富集，而10.0～30.0 μm顆粒物在1.5 m處容易富集。

2.3 不同類型道路顆粒物粒徑分布對(duì)比

如圖6所示，總體上，1.5 m處0～2.5、2.5～10.0 μm顆粒物含量為次干道>快速路>支路>主干道；10.0～30.0 μm則為主干道>支路>快速路>次干道。2.5 m處0～2.5 μm顆粒物含量為支路>次干道>快速路>主干道；2.5～10.0 μm則為主干道>快速路>次干道>支路；10.0～30.0 μm則為支路>主干道>快速路>次干道。表明，次干道1.5 m處最易富集10.0 μm以下顆粒物，主干道富集最少；10.0 μm以上的顆粒物更易在主干道1.5 m處富集。所有道路在2.5 m處富集2.5～10.0 μm顆粒物的差別不大，支路更容易富集0～2.5、10.0～30.0 μm顆粒物。

3 顆粒物中碳分析

3.1 不同類型道路PM2.5和PM10中碳組分特征

表2顯示，PM2.5中EC的含量為支路>次干道>主干道>快速路，PM2.5中TC、OC的含量均為快速路>次干道>支路>主干道。PM10中TC、OC的含量均為次干道>支路>快速路>主干道，PM10中EC的含量為次干道>主干道>支路>快速路。快速路PM2.5中TC、OC高，EC低。所有道路中，主干道PM2.5中TC最少，次干道和支路相差不大；支路PM2.5中EC最高，表明支路上人為排放的碳較多；次干道PM10中TC、OC、EC最高，主干道TC、OC最少，快速路和支路TC、OC、EC相差不大。不同道路PM2.5中碳組分含量高于PM10中，說明粒徑小的顆粒物更易富集碳。

表2 不同類型道路PM2.5和PM10中碳組分

注：快速路-1.5表示采樣點(diǎn)位于快速路的1.5 m高度處，其余類推。圖7 不同高度PM2.5和PM10中碳組分Fig.7 PM2.5 and PM10 carbon content from different heights

顆粒物道路類型高度/m質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%OC1OPCOC2OC3OC4EC1EC2EC3快速路1.53.224.0118.1643.9321.3610.632.620.082.53.614.5017.6246.2218.3811.392.780主干道1.51.393.8813.3149.4921.5111.922.240.14PM2.52.51.542.4712.9649.6220.4811.823.530.06次干道1.52.821.3312.8257.7917.288.171.1202.52.271.0516.7648.8617.8510.673.000.60支路1.53.630.0116.5050.6015.2011.512.420.142.52.141.6813.7054.6215.8111.422.310快速路1.52.653.1515.8742.9324.9311.002.510.102.52.532.7720.1738.9922.9811.053.600.69主干道1.51.472.6614.1644.8923.8811.763.720.12PM102.51.833.9312.1947.1522.1112.703.750.27次干道1.52.732.4115.4942.8625.9710.152.750.052.51.981.6414.9344.7725.859.143.290.04支路1.51.321.3316.3951.1517.5211.372.200.042.50.653.1414.6651.5419.7810.702.570.10

3.2 PM2.5和PM10中碳組分的高度差異

圖7顯示，同類型道路2.5 m處PM2.5中TC、OC均高于1.5 m處；EC除支路1.5 m處高于2.5 m處外，其余均相反。快速路、主干道2.5 m處PM10中TC、OC、EC均高于1.5 m處，而次干道、支路則相反。快速路、主干道和次干道PM2.5中TC、OC、EC更易在2.5 m處富集，而EC在支路更易富集在1.5 m處；快速路、主干道上PM10中TC、OC、EC更易富集在2.5 m處，而次干道、支路則更易在1.5 m處富集。

3.3 OC、EC組成分析

有研究表明，生物質(zhì)燃燒排放OC1、OPC最多，燃煤排放OC2最多，汽車尾氣排放OC3、OC4、EC1最多，柴油車排放EC2、EC3最多，可據(jù)此推斷顆粒物碳的來源[20]。由表3可見，不同類型道路PM2.5中OC3最高，為43.93%～57.79%；其次為OC4和OC2，分別為15.20%～21.51%、12.82%～18.16%；EC3最低。PM10中碳組分規(guī)律與PM2.5相同。同類型道路、不同高度碳組分相差不大。由此判斷，研究區(qū)道路揚(yáng)塵PM2.5和PM10中碳組分的主要來源為汽油車尾氣和燃煤排放，少部分為生物質(zhì)燃燒。

4 結(jié) 論

(1) 2.5～10.0 μm粒徑含量最高，其次為10.0～30.0 μm，0～2.5 μm最少。相同類型道路南側(cè)、西側(cè)細(xì)顆粒物多，而北側(cè)、東側(cè)大顆粒物相對(duì)多，原因與道路兩側(cè)車流量和周圍環(huán)境有關(guān)。2.5～10.0 μm顆粒物更易在2.5 m處富集，而10.0～30.0 μm顆粒物在1.5 m處容易富集。

(2) PM2.5比PM10更易富集碳。快速路PM2.5中TC、OC高，EC低。快速路和主干道2.5 m處PM10更易富集碳，次干道和支路則更易在1.5 m處富集。

(3) 研究區(qū)道路揚(yáng)塵PM2.5和PM10中碳組分的主要來源為汽油車尾氣和燃煤排放，少部分為生物質(zhì)燃燒。

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EmissioncharacteristicsofroaddustduringsummerinShijiazhuang

ANSai，XIAOJieying，LIUJuan，GUOShuo，ZHAOWenxia，YANBojun.

(PollutionPreventionBiotechnologyLaboratoryofHebeiProvince，SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering，HebeiUniversityofScienceandTechnology，ShijiazhuangHebei050018)

安 塞，男，1992年生，碩士研究生，研究方向?yàn)榄h(huán)境工程。#

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*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.41471027)；國家環(huán)境保護(hù)部環(huán)保公益性科研專項(xiàng)(No.201409004)；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.D2015208162)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.09.016

2016-05-03)