利用SPAMS研究景谷縣春季細(xì)顆粒物污染特征

劉浪 梅紅兵 彭劍平 馬思媛 王劍敏 劉軍

摘 要：2022年4月11日—4月25日期間，利用單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀（SPAMS）對(duì)景谷縣城區(qū)春季大氣細(xì)顆粒物化學(xué)成分和來(lái)源進(jìn)行分析，并結(jié)合縣城空氣自動(dòng)站監(jiān)測(cè)PM2.5質(zhì)量濃度研究了該地區(qū)大氣細(xì)顆粒物污染特征。結(jié)果顯示，景谷縣春季細(xì)顆粒物成分主要為鉀離子、硫酸鹽、元素碳、硝酸鹽、有機(jī)碳、氯離子；主要污染源為燃煤源、機(jī)動(dòng)車尾氣源、工業(yè)工藝源。監(jiān)測(cè)期間捕捉到5個(gè)短時(shí)污染天氣時(shí)段，此時(shí)燃煤源常為主要污染源；燃煤源占比峰值多出現(xiàn)在14：00—16：00，機(jī)動(dòng)車尾氣源白天占比高于夜間，工業(yè)工藝源占比峰值多出現(xiàn)在21：00—次日9：00。景谷縣城區(qū)工業(yè)工藝源、生物質(zhì)燃燒源、二次無(wú)機(jī)源占比隨PM2.5質(zhì)量濃度升高而增大，餐飲源占比隨PM2.5質(zhì)量濃度降低而增大。

關(guān)鍵詞：SPAMS；春季；細(xì)顆粒物；污染特征；景谷

中圖分類號(hào)：X51文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-9655（2023）02-0-05

0 引言

PM2.5是指空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑不大于2.5 μm的顆粒物，通常也稱細(xì)顆粒物[1]。細(xì)顆粒物是大氣的重要組分，其化學(xué)組成復(fù)雜、粒徑小、在環(huán)境中停留時(shí)間長(zhǎng)[2]；同時(shí)，細(xì)顆粒物中含有重金屬、多環(huán)芳烴和酸性物質(zhì)等眾多有毒有害物質(zhì)，對(duì)人體健康尤其是呼吸系統(tǒng)和血液循環(huán)系統(tǒng)具有明顯損害作用[3-6]。

近年來(lái)，景谷縣城區(qū)春季大氣污染頻發(fā)，污染因子主要為PM2.5，給居民生產(chǎn)和生活造成影響。本文利用單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀（SPAMS）實(shí)時(shí)獲取細(xì)顆粒物來(lái)源和化學(xué)成分，通過(guò)綜合分析細(xì)顆粒物特征，開(kāi)展快速源解析研究，系統(tǒng)的了解景谷縣春季細(xì)顆粒物污染特征，為決策部門制定有效的大氣污染防治措施提供科學(xué)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)和方法

1.1 樣品采集

采樣點(diǎn)設(shè)置在景谷縣水文站（經(jīng)度100.720531，緯度23.502482）。2022年4月11日—25日期間，將載有SPAMS的應(yīng)急監(jiān)測(cè)車放置在文化站廣場(chǎng)空曠處進(jìn)行采樣，共獲得具有粒徑信息的顆粒物（SIZE）3120800個(gè)，其中有正負(fù)質(zhì)譜圖的顆粒（MASS）779572個(gè)。

1.2 SPAMS工作原理

已有研究對(duì)SPAMS的工作原理、基本性能和質(zhì)量控制進(jìn)行了詳細(xì)的闡述[7-8]。氣溶膠顆粒通過(guò)0.1 mm的進(jìn)樣微孔引入到空氣動(dòng)力學(xué)透鏡，在這里顆粒被聚焦成為筆直運(yùn)動(dòng)的粒子束進(jìn)入真空系統(tǒng)。粒子束觸發(fā)雙側(cè)測(cè)徑激光完成粒徑測(cè)定和顆粒數(shù)統(tǒng)計(jì)，同時(shí)觸發(fā)電離激光，顆粒被打擊成為電離碎片，再由雙極飛行時(shí)間質(zhì)量分析器對(duì)顆粒化學(xué)組分進(jìn)行檢測(cè)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)SPAMS-ANALYZE-0515 V3.4.5.306軟件對(duì)顆粒質(zhì)譜信息進(jìn)行處理，使用自適應(yīng)共振神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類方法（Art-2a）對(duì)顆粒物進(jìn)行分類，根據(jù)化學(xué)成分特征將顆粒物分為主要幾類：元素碳顆粒、有機(jī)碳顆粒、左旋葡聚糖顆粒、富鉀顆粒、重金屬顆粒以及礦物質(zhì)顆粒，它們占總顆粒數(shù)的90％以上。然后，根據(jù)本地污染源排放特征，采用示蹤離子法將采集到的顆粒物分為燃煤源、機(jī)動(dòng)車尾氣源、工業(yè)工藝源、揚(yáng)塵源、生物質(zhì)燃燒源、二次無(wú)機(jī)源、餐飲源、其它共8種來(lái)源。

2 結(jié)果與討論

2.1 SPAMS數(shù)濃度與PM2.5質(zhì)量濃度相關(guān)性分析

將監(jiān)測(cè)期間SPAMS顆粒物數(shù)濃度（SIZE）與景谷縣江東城建局空氣自動(dòng)站監(jiān)測(cè)PM2.5質(zhì)量濃度進(jìn)行相關(guān)性分析。從圖1可以看出兩者變化趨勢(shì)較為一致（相關(guān)性R2 = 0.8），說(shuō)明SPAMS監(jiān)測(cè)顆粒物數(shù)濃度在一定程度上可以反映大氣細(xì)顆粒物的污染狀況。

2.2 顆粒物成分分析

2.2.1 顆粒物平均質(zhì)譜圖

監(jiān)測(cè)期間整體顆粒物平均質(zhì)譜圖中如圖2所示，SPAMS采集到的顆粒物中均有較為明顯C+、C3+、C4+、C5+、C2-、C3-、C4-等元素碳信息（m/z=12、36、48、60、-24、-36、-48），同時(shí)有機(jī)碳（m/z=27/37/43/51/63），NH4+（m/z=18），Na+（m/z=23），Al+（m/z=27），NaH2O+（m/z=41），O-（m/z=-16），OH-（m/z=-17），OH-（m/z=-25），CN-（m/z=-26），Cl-（m/z=-35），C2HO-/ C2H2O-（m/z =-41），C4-（m/z=-48），C4H-（m/z=-49），SiO2-（m/z=-60）C2O3OH-（m/z=-89），SO4-/ C8-（m/z=-96），NO2-（m/z =-46），NO3-（m/z=-62），SO3-（m/z=-80），HSO4-（m/z=-97），左旋葡聚糖（m/z=-45/-59/-73）等離子的信號(hào)明顯。

2.2.2 整體顆粒物化學(xué)組成

監(jiān)測(cè)期間整體顆粒物化學(xué)組成如圖3所示。可以看出，監(jiān)測(cè)期間景谷縣細(xì)顆粒物中主要成分為鉀離子（24.2%）、硫酸鹽（20.3%）、元素碳（15.3%）、硝酸鹽（13%）、有機(jī)碳（5.97%）、氯離子（5.88%）等。

2.2.3 顆粒物各離子成分動(dòng)態(tài)變化

監(jiān)測(cè)期間顆粒物各離子成分及PM2.5質(zhì)量濃度日變化趨勢(shì)如圖4所示?？梢钥闯?，4月15日PM2.5日均質(zhì)量濃度升高時(shí)，硫酸鹽、硝酸鹽、鉀離子、元素碳等離子數(shù)濃度明顯上升，說(shuō)明該時(shí)間二次生成、機(jī)動(dòng)車排放等反應(yīng)加強(qiáng)。

2.3 顆粒物源解析結(jié)果

2.3.1 總體源解析結(jié)果

總體顆粒物來(lái)源解析結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，監(jiān)測(cè)期間顆粒物污染來(lái)源構(gòu)成為：燃煤源（占比20.1%）、機(jī)動(dòng)車尾氣源（占比18.9%）、工業(yè)工藝源（占比13.4%）、揚(yáng)塵源（占比13.3%）、生物質(zhì)燃燒源（占比11.1%）、二次無(wú)機(jī)源（占比7.68%）、餐飲源（占比7.53%）、其它（占比7.98%）。其中，首要污染源為燃煤源，次要污染源為機(jī)動(dòng)車尾氣源，第三污染源為工業(yè)工藝源。

2.3.2 晝夜源解析結(jié)果

晝、夜顆粒物來(lái)源解析結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，白天和夜間的首要污染源、次要污染源、第三污染源均相同，分別是燃煤源、機(jī)動(dòng)車尾氣源、工業(yè)工藝源；其中，白天燃煤源和機(jī)動(dòng)車尾氣源占比高于夜間，這是由于居民出行及生產(chǎn)生活集中在白天時(shí)段，與居民生活與出行習(xí)慣規(guī)律吻合；夜間工業(yè)工藝源占比明顯高于白天，說(shuō)明夜間工業(yè)污染物排放有加強(qiáng)趨勢(shì)。

2.3.3 顆粒物來(lái)源占比動(dòng)態(tài)變化

監(jiān)測(cè)期間顆粒物污染來(lái)源占比及PM2.5質(zhì)量濃度小時(shí)變化趨勢(shì)分布如圖7所示。在線源解析的優(yōu)勢(shì)在于可得到每類污染源實(shí)時(shí)貢獻(xiàn)比例的變化趨勢(shì)?？梢钥闯?，監(jiān)測(cè)期間PM2.5質(zhì)量濃度均值為43 μg/m3，最大值為97 μg/m3；監(jiān)測(cè)期間捕捉到5個(gè)短時(shí)污染天氣時(shí)段，短時(shí)污染天氣出現(xiàn)時(shí)，燃煤源常為主要污染源；占比前三的污染源中，燃煤源占比峰值多出現(xiàn)在14：00—16：00，機(jī)動(dòng)車尾氣源白天占比較高，7：00—18：00占比明顯上升，工業(yè)工藝源占比峰值多出現(xiàn)在21：00—次日9：00。

監(jiān)測(cè)期間PM2.5小時(shí)質(zhì)量濃度極值出現(xiàn)時(shí)段如表1所示。可以看出，PM2.5小時(shí)質(zhì)量濃度高值經(jīng)常出現(xiàn)在夜間至凌晨時(shí)段，濃度低值經(jīng)常出現(xiàn)在中午15：00—18：00。

PM2.5小時(shí)質(zhì)量濃度極值出現(xiàn)時(shí)段各污染源的占比如圖8所示。可以看出， PM2.5小時(shí)質(zhì)量濃度出現(xiàn)高值和低值的過(guò)程中伴隨者各污染源占比的增大與減小。PM2.5小時(shí)質(zhì)量濃度出現(xiàn)高值時(shí)，工業(yè)工藝源、生物質(zhì)燃燒源、二次無(wú)機(jī)源占比明顯增大；PM2.5小時(shí)質(zhì)量濃度出現(xiàn)低值時(shí)，餐飲源占比明顯增大；此外，燃煤源、機(jī)動(dòng)車尾氣源占比一直保持在較高的水平。

3 結(jié)論

（1）景谷縣春季細(xì)顆粒物中主要成分為鉀離子、硫酸鹽、元素碳、硝酸鹽、有機(jī)碳、氯離子，其余離子占比較小。

（2）景谷縣城區(qū)主要污染源為燃煤源、機(jī)動(dòng)車尾氣源、工業(yè)工藝源；夜間工業(yè)工藝源占比明顯高于白天，說(shuō)明夜間工業(yè)污染物排放有加強(qiáng)趨勢(shì)。

（3）監(jiān)測(cè)期間捕捉到5個(gè)短時(shí)污染天氣時(shí)段，此時(shí)燃煤源常為主要污染源；燃煤源占比峰值多出現(xiàn)在14：00—16：00，機(jī)動(dòng)車尾氣源白天占比高于夜間，工業(yè)工藝源占比峰值多出現(xiàn)在21：00—次日9：00。

（4）景谷縣城區(qū)工業(yè)工藝源、生物質(zhì)燃燒源、二次無(wú)機(jī)源占比隨PM2.5質(zhì)量濃度升高而增大，餐飲源占比隨PM2.5質(zhì)量濃度降低而增大。

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Abstract： During the period from April 11 to April 25， 2022， the chemical composition and source of fine particles in Jinggu County urban area in spring were analysed by using the single particle aerosol mass spectrometer （SPAMS）， and the pollution characteristics of fine particles in this area were studied in combination with the PM2.5 mass concentration monitored by the County Air Automatic Station. The results showed that the main components of fine particles in Jinggu County in spring were potassium ion， sulfate， elemental carbon， nitrate， organic carbon and chloride ion. The main pollution sources were coal-fired sources， vehicle tail gas sources and industrial process sources. Five short-term pollution weather periods were captured during the monitoring period， at which time the coal-fired source was often the main pollution source; The peak value of the proportion of coal-fired sources mostly occurred from 14：00 to 16：00， the proportion of Vehicle Exhaust Sources in the daytime was higher than that at night， and the peak value of industrial process sources mostly occurred from 21：00 to 9：00 the next day. The proportion of industrial process sources， biomass combustion sources and secondary inorganic sources in the urban area of Jinggu County increased with the increase of PM2.5 mass concentration; the proportion of catering sources increased with the decrease of PM2.5 mass concentration.

Key words： SPAMS; spring; fine particles; pollution characteristics; Jinggu County