開封市大氣顆粒物來源解析研究

白冰

摘要：采用顆粒物源解析技術，對開封市環境空氣顆粒物的來源進行了分析，利用一年時間，分三次采集環境受體樣品兩種，采集各種污染源類塵六類。通過對源和受體樣品的無機元素分析、離子分析和碳分析，得出了源與受體成分譜，將其帶入CMB模型進行計算，取得了全市大氣顆粒物時間與空間分布特征，并給出了結論：顆粒物主要來源為城市揚塵、煤煙塵、建筑塵、土壤風沙塵、機動車尾氣塵和二次揚塵。

關鍵詞：大氣顆粒物；環境空氣；源解析；排放源

中圖分類號：X513

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）18014804

1引言

顆粒物是我國城市大氣環境的首要污染物＼[1，2＼]。PM10和PM2.5能長期懸浮在空氣中，對人體健康產生很大的威脅＼[3＼]。動力學直徑10 μm以下的可進入鼻腔，7 μm以下的可進入咽喉，小于2.5 μm的則可深入肺泡＼[4＼]。要從根本上治理顆粒物污染，必須弄清其污染來源及成因。開封市環境空氣中，PM10年平均濃度值超過國家《環境空氣質量標準》（GB3095—2012）中的二級標準（100 μg/m3），超標率多在30%左右。二氧化硫達到國家二級標準、二氧化氮達標率95%以上。可見，環境空氣主要污染因子是顆粒物＼[5＼]。研究表明，目前，全國這類研究進展很快，并順利運用于環境管理，為找出顆粒物主要污染來源，開封市環境保護局開展了開封市大氣顆粒物來源解析研究。

2研究方法及實驗部分

2.1顆粒物來源解析基本理論——受體模型（CMB）概述

假設對受體中的大氣顆粒物有貢獻的源類有N類，并且各類源排放的顆粒物化學組成有明顯區別；各類源排放的顆粒物化學組成相對穩定；各類源排放的顆粒物相互之間沒有作用，傳輸過程中的變化可以忽略。那么，受體上測量的總物質濃度C，就是N類源貢獻濃度值的線性加和＼[6＼]。

2.2源與受體樣品采集與分析

2.2.1大氣顆粒物排放源類的識別和分類

排放源的識別：CMB模型的輸入參數是各種源類和受體顆粒物的成分譜，為了獲得該參數，首先要對大氣顆粒物的排放源類進行識別，為建立各類源的成分譜奠定基礎，為此本次研究進行了深入的污染源類的調查與識別。本研究識別的污染源主要分以下幾類：土壤風沙塵 、燃煤飛灰 、機動車尾氣油煙飛灰 、建筑水泥塵 、揚塵等＼[7＼]。

排放源的分類：為管理上的方便，把某類屬性相近的源類綜合歸類為：單一塵源類如：土壤風沙塵、燃煤飛灰、汽車尾氣等；混合塵源類如：揚塵、城市外來塵、城市內產塵；固定的有組織排放源類、開放無組織排放源類等。根據對開封市大氣顆粒物排放源類的調查，確定開封市大氣顆粒物源類分類符合上述分類情況。

2.2.2排放源類樣品的采集

在城市四郊的東、南、西、北各方向，城市主導風向的上、下風向和黃河沙灘上，采集裸露的表層土、深層土各一個樣品，共計14個樣品，作為土壤風沙塵樣品；選擇不同噸位，不同燃燒方式，不同除塵方式的燒煤或燒油的爐窯（包括火電廠鍋爐和一般工業鍋爐）幾臺，采集除塵器除下來的灰和 10噸位工業爐窯煙道內的飛灰，共計7個樣品，作為燃煤飛灰樣品；在高度為5～15 m的建筑物窗臺或平臺上，避免人為源的干擾，采集較長時間未打掃的塵土，共計11個樣品，作為揚塵樣品；采集純水泥樣品2種；采集施工建筑塵6個，作為建筑水泥塵樣品；分別取主干道、次干道、支路各3條，每條路上采集3個混合樣品，作為道路塵樣品。開封市各個源樣品采集5種53個。

機動車尾氣塵：各地的尾氣塵成分譜一致，本研究采樣杭州市尾氣塵成分譜＼[8＼]。

2.2.3環境樣品的采集

根據開封市具體情況，選取2月、4月、9月，共分3次，采樣時間分別為7 d，每天24 h。開封市采暖季從每年的12月到次年的2月，非采暖季從3月到11月，受體采樣周期設置在采暖季、非采暖季。同時，考慮到植被覆蓋情況影響，在非采暖季進行了二次采樣。

開封市有4個環境空氣常規監測點，是經過優化布點并通過環保部驗收的國控點位，選擇4個點作為源解析的受體監測點。結合空間分布等又增設了一個受體采樣點：北郊變電站，具體點位見表1。

受體采樣在非采暖季、采暖季和風沙季均設5個點位，采樣情況見表2。

2.2.4采樣儀器及濾膜的選擇

采用武漢天虹儀器廠生產的TH-150型中流量采樣器，用聚丙烯（有機）濾膜采集塵樣，供無機元素實驗室分析使用；用石英（無機）濾膜采集樣品，供碳、離子和有機物組分實驗室分析使用＼[9＼]。

2.2.5源與受體樣品成分分析方法

無機元素分析：采用日本理學株式會社的3080E2型X射線熒光光譜分析儀，分析Na、Mg、Al等19種元素。

離子分析：用英國戴爾公司的DX-120 型離子色譜儀對樣品中的Cl-、NO-3、SO2-4進行定量分析。

碳分析：使用國土資源部的SMT-2型熱解碳分析儀，分析TC和OC。

3源與受體成分譜測量結果分析

3.1源成分譜分析

3.1.1源成分譜組成

大氣顆粒物各排放源類成分譜之間的差異主要體現在譜的組成、含量范圍、特征元素等方面。本章將就上述問題對主要源類的成分譜特征進行研究。由3部分組成：①化學元素譜：Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb，共計19種；②碳組分譜：TC、OC，共計2種；③離子譜：SO2-4、NO-3、Cl-，共計3種。

3.1.2源成分譜中化學組分含量特征分析

各源類成分譜中的化學組分含量水平及組成特征如表3所示。從表3中可知：除機動車尾氣以外，其他5種源類的細顆粒中元素的含量和的范圍在30%～64%，總碳的含量范圍在0～21%，離子和的范圍在0～3%。機動車尾氣塵中元素和的含量僅占4%，離子和占5%，總碳則占到90%左右。表中“元素和”指被測的19種元素在樣品中的百分含量之和；“離子和”指被測的3種離子在樣品中的百分含量之和；“總碳”指被測的總碳組分在樣品中的百分含量；“總和”指“元素和”、“離子和”與“總碳”三者之和。endprint

3.1.3源成分譜特征元素分析

源成分譜的特征元素是某源類區別于其它源類的重要標志。一般有幾個特點：首先，某源類的特征元素，一般來說在該源類中的含量比在其它源類中的含量要高幾倍到幾十倍；其次，特征元素的化學性質最穩定，在遷移擴散過程中不易發生化學變化；再次，特征元素的標準偏差較小。大氣顆粒物各排放源類的特征元素見表4。

3.2.1監測濃度的時間分布特征分析

本研究在開封市北郊變電站、柴油機廠、旅游品商場、紗廠、氣象臺等5個點位設立大氣顆粒物采樣點，于風沙季（4月）、非采暖季（9月）和采暖季（2月），采集PM10受體樣品，分別代表開封市風沙季、非采暖季和采暖季的顆粒物污染情況，年均數據由三季數據加權而得，結果見表5。

根據監測結果可知，從全市平均來看，顆粒物污染的時間分布特點為：采暖季污染最重，風沙季次之，非采暖季最輕，PM10年均值處于超標狀態。

3.2.2化學組成特征分析

開封市環境空氣中PM10的成份譜也由3部分組成：①無機化學元素譜：Na、Mg、Al、Si 、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb，共計19種；②碳組分譜：TC、OC，共計2種；③離子譜：SO2-4、NO-3、Cl-，共計3種。

3.2.3各類源特征元素在受體樣品中含量特征

Al、Si、Ca、TC是各單一源類成份譜的特征元素，在受體中濃度和含量水平如表6所示。

3.3源貢獻值和分擔率特征討論

3.3.1二次顆粒物源解析

二次顆粒物是指受體中由氣態污染物轉化成的顆粒物，大氣中的二次粒子主要由環境空氣中氣態的硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）、氯化物（HCl）和含碳化合物經一定的光化學氧化反應所生成。

3.3.2源貢獻值和分擔率結果

源貢獻值解析結果：將選擇好的源類和受體的成分譜代入CMB模型進行計算，得到各源類對受體的貢獻值和分擔率，稱為“二重源解析”技術。考慮揚塵情況，利用“二重源解析技術” 得到開封市揚塵和各單一塵源類對PM10的貢獻值，列于表7。

3.3.3源貢獻值和分擔率特征分析

時間變化規律分析：源解析結果表明，對PM10影響最大的源類仍然是揚塵，風沙季的分擔率最高（52.22%），年分擔率為25.71%。第二位的源類是煤煙塵，采暖季的分擔率最高（30.26%），年分擔率為23.84%。硫酸鹽非采暖季的分擔率最高（13.14%），年分擔率為10.96%。硝酸鹽的季節變化采暖季的分擔率最高（10.61%），年分擔率為8.15%。汽車尾氣塵、建筑塵，這兩種源類的分擔率基本相當，各季及全年分擔率都在6%～11%。

空間變化規律分析：利用二重源解析技術對5個采樣點進行源解析，分別得到了5個采樣點的年均解析結果。根據各采樣點的解析結果，對主要顆粒物源類的空間污染變化規律分析如下：柴油機廠由于臨近主要運輸公路，揚塵污染、汽車尾氣最為嚴重；紗廠在工業區，煤煙塵污染最重；氣象臺在新開發區，建筑工地多，建筑塵污染最重。

4結論

（1）開封市顆粒物污染嚴重，顆粒物的主要來源是城市揚塵、煤煙塵、建筑塵、土壤風沙塵、機動車尾氣塵和由大氣化學反應轉化而來的二次粒子。

（2）揚塵作為次生復合源，對環境空氣中顆粒物的貢獻在25%左右，是影響環境空氣中顆粒物污染的首要因素。

（3）土壤風沙塵、建筑塵、煤煙塵直接對揚塵產生重要影響。它們本質上是空氣顆粒物污染的三大原始源，其治理的好壞，直接關系到揚塵的治理效果。因此，這三種源類視為主要污染源。

（4） 汽車尾氣塵的濃度貢獻相對比較穩定，貢獻率在10%左右，隨著開封市城市規模的規模和車輛保有量的增加，也應當引起環保部門足夠的重視。

（5）揚塵污染呈現風沙季嚴重，非采暖季和采暖季較輕的變化趨勢；煤煙塵在采暖季污染最重，在風沙季和非采暖季較輕。

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Research of the Source Apportionment of the Atmospheric Particles in Kaifeng

Bai Bing

（Kaifeng Environment Monitoring Station， Kaifeng 475000， China）

Abstract： This research adopted the technology of particle source apportionment to analyze the source of the atmospheric particles in Kaifeng. Through a years time， two kinds of receptor samples and 6 kinds of dusts from various kinds of pollution sources were collected. Sources element and environmental receptors element spectrum were obtained through the analysis of sources element and environmental receptors inorganic element， ion and carbon. A CMB model was applied to identify the time and space distribution features. The results showed that urban raising dust， soot dust， building dust， soil dust， exhaust gas dust and dust re-entrainment contributed to the source of particulate matters.

Key words： atmospheric particles； ambient air； source apportionment； emission sourceendprint