濟南市春季大氣顆粒物重金屬的分布特征

劉 婷，趙長盛，陳慶鋒，司國瑞，劉 鵬

（1.齊魯工業大學（山東省科學院）環境科學與工程學院，山東 濟南 250014；2.齊魯工業大學（山東省科學院）山東省分析測試中心，山東 濟南 250014）

0 引言

隨著工業化及城市化的快速發展，大氣污染已成為世界各國面臨的最大環境挑戰之一[1]。眾多研究表明，d 在1.0 × 10－3～1.0 × 102μm 之間的大氣顆粒物是主要的大氣污染物[2]。按照空氣動力學d 的大小，大氣顆粒物分為：總懸浮顆粒物（TSP）、可吸入顆粒物（PM10）和細顆粒物（PM2.5）3種。TSP是指d 小于或等于100 μm 的顆粒物；PM10是指d 小于或等于10 μm 的顆粒物；PM2.5是指d 小于或等于2.5 μm 的顆粒物[3]。大氣顆粒物不僅會降低大氣能見度[4]，其附著的有毒有害物質還會通過呼吸途徑進入人體[5]，對人體健康產生危害。尤其是重金屬類污染物[6]，由于不能被生物降解，吸入人體后會在體內長期累積，造成慢性中毒，具有嚴重的致癌、致畸作用[7-9]。目前，我國大氣顆粒物中重金屬污染較為嚴重，引起了社會的廣泛關注。

濟南是我國東部沿海經濟開放區重要城市，工業門類齊全，重工業占優勢，能源消費量大。由于濟南市的土質土壤及其特殊的地理條件，大部分工業園區和大氣排放點源位于擴散條件差的區域，移動源、生活源和揚塵源排放集中、強度大，導致濟南大氣條件較差[10]。

研究采集濟南市不同功能區的大氣顆粒物，檢測其中的重金屬含量，分析了濟南大氣顆粒物中重金屬的分布特征，以期為城市環境大氣顆粒物中重金屬污染的防控提供依據。

1 材料和方法

1.1 采樣點概況

研究以山東省濟南市(東經117°01'13″，北緯36°40'06″)春季大氣環境中的顆粒物為研究對象。選取6 個采樣點，分別是D1 熱電廠(東經117°05'47″，北緯36°42'58″)，D2 某住宅區(東經116°55'51″，北緯36°37'13″)，D3 某出租公司(東經117°04'30″，北緯36°39'45″)，D4 東部工業園區(東經117°03'54″，北緯36°39'46″)，D5 北部工業園區(東經117°02'54″，北緯36°43'07″)，D6 某事業單位(東經117°02'52″，北緯36°38'34″)。

1.2 樣品采集

研究采用濾膜法采集大氣顆粒物，采樣時間為2017年3月22日至2017年3月24日。利用天虹TH－150C 中流量空氣總懸浮微粒采樣器，采集環境空氣中TSP，PM10，PM2.5，樣品采集過程中使用d為90 mm 的聚氯乙烯有機纖維濾膜進行采樣，采樣流量為100 L/min。

1.3 樣品分析

1.3.1 儀器及試劑

儀器：原子熒光分光光度計 （北京吉天普析PF52）;ICP-MS 電感耦合等離子體質譜分析儀（美國PerkinElmer Nexion 300x）。

試劑：H2NO3（65%～68%），HCl（UP 級，蘇州晶瑞化學股份有限公司）。

1.3.2 分析方法

將采集的濾膜剪碎后用1∶1 王水消解后用原子熒光光度計和ICP-MS 測定空氣中重金屬含量。

2 結果與討論

2.1 TSP，PM10，PM2.5 中重金屬的質量濃度及分布特征

2.1.1 TSP 中重金屬的質量濃度

TSP 中重金屬的質量濃度見表1。由表1看出，8種重金屬中，ρ（Cu）平均最高，為1 091 ng/m3，ρ（Cr）平均最低，為0.67 ng/m3。6 個采樣點中，D1 中ρ（As）最高，為11.2 ng/m3，D6最低，為5.80 ng/m3；Cr，Zn，Pb，Ni，Cd，Mn的質量濃度在D5處最高、D6處最低；ρ（Cu）在D2 處表現最高，為1 984 ng/m3，D6 處最低，為408 ng/m3。由表1可知，TSP 中D6 點位重金屬污染程度較低，這主要與濟南市城市地形及工業布局有關。D6 點位為風景名勝區，污染源少且綠化等相較其它區域更好。D5 的重金屬質量濃度高，主要原因是D5位于工業園區，較大粒徑的大氣顆粒物降落量較大，使得工業園區污染較重，加之顆粒物在自然沉降過程中受周圍環境影響，吸附一定量的重金屬，顆粒物之間相互碰撞，顆粒物粒徑隨之變大，重金屬不斷累積，較大顆粒粒徑的降塵顆粒物中重金屬含量也隨之升高，導致重金屬濃度偏高[11]。Cu，Zn，Mn，Pb 的質量濃度較高的原因主要是早春住宅區燃煤取暖，另外，工業用煤、燃油、工業揚塵和金屬冶煉等也會造成偏高。

表1 濟南市大氣顆粒物TSP 中重金屬的質量濃度 ng·m-3

2.1.2 PM10中重金屬的質量濃度

PM10中重金屬的質量濃度見表2。由表2看出，8種重金屬中，ρ（Cu）平均最高為598 ng/m3，ρ（Cr）平均最低為0.37 ng/m3。6 個采樣點中，D5 處ρ（As）最高為9.97 ng/m3，D4 處最低為6.14 ng/m3；ρ（Cr），ρ（Pb），ρ（Mn），ρ（Zn）最高的是D5，分別為0.91，71.1，101，216 ng/m3，最低的是D6，分 別為0.18，29.3，33.1，79.3 ng/m3；ρ（Cu），ρ（Cd）最高的為D2，分 別為245，1.18 ng/m3，最低的是D6，分別為408，0.18 ng/m3；ρ（Ni）由高到低依次為D5>D4>D2>D1>D6>D3。從以上數據可以看出D6 的重金屬質量濃度最低，D2 和D5 的重金屬濃度最高，原因是D5位于工業園區，受工業生產和附近電廠的影響，導致其重金屬質量濃度偏高；D2 屬于住宅區，位于市中區和槐蔭區之間，偏高的主要原因是濟南市四面環山，北靠黃河，不利于大氣污染物的水平運輸和擴散，使污染物更易于在市區積聚，從而加重污染，另外早春住宅區燃煤采暖導致D2 的重金屬質量濃度偏高。PM10中重金屬分布規律及造成這一現象的原因與TSP 基本一致。

表2 濟南市大氣顆粒物PM10 中重金屬的質量濃度 ng·m-3

2.1.3 PM2.5中重金屬的質量濃度

PM2.5中重金屬的濃度見表3。由表3看出，8種重金屬中，ρ（Cu）平均最高為225 ng/m3，ρ（Cr）平均最低為0.10 ng/m3。6 個采樣點中，ρ（As）最高的是D1為5.58 ng/m3，最低的是D4為2.80 ng/m3；ρ（Cr），ρ（Zn），ρ（Cd）最高的是D2，分別為0.20，93.5，0.92 ng/m3，最低的是D6，分別為0.03，46.4，0.38 ng/m3；ρ（Cu）最高的是D5為301 ng/m3，最低的是D6為83.6 ng/m3；ρ（Mn）和ρ（Pb）D1 處最高，分別為21.9 和47.0 ng/m3，D6 處最低，分別為9.72 和21.5 ng/m3；ρ（Ni）最高的是D4為7.42 ng/m3，最低處在D3為3.94 ng/m3。從以上數據可以看出D6 的重金屬濃度最低，D1，D2的重金屬濃度最高，主要原因是早春住宅區用煤取暖導致重金屬濃度偏高，且濟南市四面環山，北靠黃河，不利于大氣污染物的水平運輸和擴散，使污染物更易于在市區積聚，從而加重污染[10]。Cu，Zn，Mn，Pb質量濃度較高的主要原因是濟南市重工業發達，且早春住宅區采暖，工業燃煤、燃油、工業揚塵、金屬冶煉和汽車尾氣的排放等導致。

表3 濟南市大氣顆粒物PM2.5 中重金屬的質量濃度ng·m-3

2.2 國內外部分城市大氣顆粒物重金屬質量濃度及分布特征

我國部分城市大氣顆粒物匯總重金屬含量見表4。由表4看出，多數城市大氣都受到了不同程度的重金屬污染，城市大氣顆粒物中重金屬含量大致呈Zn＞Pb＞Mn＞Cu＞Cr＞As＞Ni＞Cd 的分布規律。另外，我國大氣顆粒物重金屬質量濃度在各城市之間差異較大，這主要與采樣點當地的能源結構、城市地形和污染物擴散的氣候條件等有關[12]。在空間分布上，北方的京津冀及南方的珠江三角洲地區大氣重金屬污染比較嚴重；南、北方城市大氣中Cd，Cr 和Ni 的差異較大，其中，Cd 污染多分布在南方城市，Mn 污染主要集中在華北和華東地區，As，Cr，Ni，Pb 污染空間分布無明顯地域性。濟南市大氣顆粒物中的重金屬除Cu 外，Zn，Pb，Mn，Cr，As，Ni 和Cd 均低于全國平均水平，且濟南市與國內其他城市相比，除了Cu外，其它重金屬含量比大多數城市低，說明濟南市在國內城市中大氣顆粒物重金屬污染相對較輕。

表4 我國部分城市大氣顆粒物中重金屬質量濃度 ng·m-3

國外部分城市大氣顆粒物中重金屬含量數據見表5。由表5可知，我國城市大氣顆粒物中重金屬的平均含量略低于南亞部分城市，高于日韓、歐美的城市。主要原因是南亞的巴基斯坦、印度等地區，與中國一樣屬于發展中國家，在污染物排放控制和污染物治理上相對處于比較落后的階段，而日韓、歐美等發達國家則在污染物排放和控制上投入更多，做得更好[12]。另外，就單個城市而言，國內多數城市大氣顆粒物中重金屬含量也都遠遠高于國外，特別是較歐美城市要高。

表5 國外城市大氣顆粒物中重金屬質量濃度 ng·m-3

3 結論與展望

3.1 結論

（1）從組分特征上看，在TSP 中，6 個采樣點As，Cr，Cu，Mn，Ni，Cd，Pb，Zn的平均質量濃度分別為7.82，0.67，1 091，104，11.62，1.27，68.1，204 ng/m3；在PM10中，分 別為 6.06，0.37，598，59.1，8.5，0.89，53.9，147 ng/m3；在PM2.5中，分別為3.97，0.10，225，18.0，5.47，0.58，35.3，71.8 ng/m3。由以上數據可以看出，6 個采樣點中大氣顆粒物重金屬質量濃度均表現為Cu，Zn，As，Ni 較高，Cr，Pb 較低。

（2）從分布特征上看，6 個采樣點中，D2 和D5的重金屬質量濃度相對較高，D6 的重金屬質量濃度最低，各采樣點間重金屬質量濃度差異較大。住宅區重金屬質量濃度高的原因主要與早春取暖有關；北部工業園區和熱電廠重金屬質量濃度高主要與濟南的地形及工業園區分布有關：南部某事業單位的重金屬質量濃度最低，主要與海拔較高有關，在濟南城區不同地區大氣顆粒物重金屬質量濃度受地區地形影響較大。

（3）與多數國內城市相比，濟南市大氣顆粒物重金屬污染相對較輕，除了Cu 外，其它重金屬質量濃度比大多數城市低；與國外城市相比，我國城市大氣顆粒物中重金屬的平均質量濃度略低于南亞部分城市，但是遠高于東亞日韓、美洲城市和大部分歐洲城市；就單個城市而言，國內多數城市大氣顆粒物重金屬質量濃度遠高于國外。

3.2 展望

本研究采樣時間較短，且只采集了一個季節的樣品，存在一定的不足，今后可加大對大氣顆粒物中重金屬質量濃度的跟蹤監測，并開展相應的研究，為城市大氣顆粒物重金屬分布特征研究提供參考。