大氣環(huán)境揮發(fā)性有機(jī)物的污染特性分析

摘" 要：在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的大背景下，降低大氣環(huán)境中揮發(fā)性有機(jī)物的濃度成為現(xiàn)代城市管理的一項(xiàng)重要任務(wù)。該文以S市為例，分別在該市的學(xué)校、小區(qū)和工業(yè)園設(shè)置采樣點(diǎn)，采集空氣樣品并使用氣相色譜儀展開成分分析。分析結(jié)果表明，空氣中揮發(fā)性有機(jī)物共有6大類，分別是鹵代烷烴、苯系物、硫氧化合物、烷烴烯烴、鹵代烯烴和鹵代苯。進(jìn)一步分析，揮發(fā)性有機(jī)物在1年之中的冬季，1天之中的上午，濃度較高；工業(yè)園的揮發(fā)性有機(jī)物濃度最高，小區(qū)次之，學(xué)校最低。通過采取大氣污染專項(xiàng)治理措施，能夠顯著降低大氣環(huán)境中揮發(fā)性有機(jī)物的濃度。下一步，S市應(yīng)重點(diǎn)從推廣清潔能源、完善監(jiān)督體系和嚴(yán)格懲戒機(jī)制等方面綜合施策，從而進(jìn)一步降低揮發(fā)性有機(jī)物的濃度。

關(guān)鍵詞：揮發(fā)性有機(jī)物；鹵代烷烴；特征污染物；時(shí)空分布規(guī)律；管控措施

中圖分類號(hào)：X701" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）10-0059-04

Abstract： In the context of industrial structure adjustment， reducing the concentration of volatile organic compounds in the atmospheric environment has become an important task of modern urban management. Taking S city as an example， this paper sets up sampling points in schools， residential areas and industrial parks of the city， collects air samples and uses gas chromatograph to carry out composition analysis. The results show that there are six types of volatile organic compounds in the air， which are halogenated alkanes， benzene series， oxygen-containing sulfur compounds， alkane olefins， halogenated olefins and halogenated benzene. Further analyses showed that the concentration of volatile organic compounds was higher in the winter of the year and in the morning of the day; the concentration of volatile organic compounds in the industrial park was the highest， followed by the community， and the school was the lowest. By taking special measures to control air pollution， the concentration of volatile organic compounds in the atmospheric environment can be significantly reduced. In the next step， S city should focus on the promotion of clean energy， improve the supervision system， strict punishment mechanism and other aspects of comprehensive measures， so as to further reduce the concentration of volatile organic compounds.

Keywords： volatile organic compound; halogenated alkane; characteristic pollutant; temporal and spatial distribution; control measures

揮發(fā)性有機(jī)物作為PM2.5的主要成分，是造成大氣污染、導(dǎo)致城市霧霾的罪魁禍?zhǔn)住＝陙恚瑥闹醒氲降胤剑嗬^出臺(tái)了若干治理?yè)]發(fā)性有機(jī)物的政策，除了《中華人民共和國(guó)大氣污染防治法》外，還有GB 37822—2019《揮發(fā)性有機(jī)物無(wú)組織排放控制標(biāo)準(zhǔn)》和《重點(diǎn)行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物削減行動(dòng)計(jì)劃》等。要想有效降低大氣環(huán)境中揮發(fā)性有機(jī)物的濃度，首先要了解揮發(fā)性有機(jī)物的主要來源、污染特性，然后才能制定針對(duì)性的預(yù)防方案和治理對(duì)策，從而達(dá)到理想的防治效果。S市是一座工業(yè)化城市，由于煤炭燃燒、汽車尾氣排放等原因，近年來空氣中揮發(fā)性有機(jī)物的濃度較高。通過采樣分析S市揮發(fā)性有機(jī)物的污染特性，為下一步的防治工作提供依據(jù)，對(duì)改善S市空氣質(zhì)量有積極幫助。

1" 大氣環(huán)境揮發(fā)性有機(jī)物的采集

1.1" 采樣地點(diǎn)與時(shí)間

本文分別選取S市的一所高中、一處小區(qū)和開發(fā)區(qū)某工業(yè)園作為采樣點(diǎn)，前2個(gè)地點(diǎn)均位于市區(qū)。采樣時(shí)間為2020年1月—12月，在每個(gè)月的月初（即1—5號(hào)）連續(xù)5 d采集樣品，具體采集時(shí)間為當(dāng)天的上午9—10時(shí)、下午16—17時(shí)，每次采樣時(shí)間為120 min。

1.2" 樣品的采集與保存

每次采集空氣樣品前，操作人員需要檢查設(shè)備，確認(rèn)設(shè)備不存在問題后將蘇瑪罐連接到3 100罐清洗儀上，設(shè)定好清洗時(shí)間和充氣壓力后，使用高純度（純度大于99.99%）氮?dú)馇逑刺K瑪罐。在觀察到罐內(nèi)壓力小于等于50 mTorr后，停止清洗操作。然后利用清洗后的蘇瑪罐在指定地點(diǎn)采集空氣樣品。常用的采樣方式有瞬時(shí)采樣、恒流采樣2種，考慮到瞬時(shí)采樣所得樣品不具備代表性，因此在本次現(xiàn)場(chǎng)采樣中使用了恒定流量采樣[1]。將采集到的樣品按照順序編號(hào)后進(jìn)行保存，以備檢驗(yàn)分析。

2" 揮發(fā)性有機(jī)物的污染特性分析

2.1" 揮發(fā)性有機(jī)物的成分與濃度分析

參照HJ 759—2015《環(huán)境空氣 揮發(fā)性有機(jī)物的測(cè)定 罐采樣/氣相色譜-質(zhì)譜法》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)采集到的空氣樣品進(jìn)行成分分析。

色譜條件：初始溫度40 ℃，維持該溫度對(duì)空氣樣品預(yù)熱5 min后開始升溫，在10 min內(nèi)將溫度從40 ℃勻速升高至150 ℃，維持該溫度5 min后開始升溫，在30 min內(nèi)將溫度從150 ℃勻速升高至200 ℃，維持該溫度10 min。載氣流速為1.5 mL/min，溶劑延遲時(shí)間為10 min。

質(zhì)譜條件：接口240 ℃，離子源溫度220 ℃，掃描范圍為40～500 amu。

設(shè)定好上述條件后，開始進(jìn)行成分分析實(shí)驗(yàn)，從采集到的揮發(fā)性有機(jī)物中共分離出55種目標(biāo)化合物，各目標(biāo)組分的回收率在91.39%～119.07%之間，分析結(jié)果的準(zhǔn)確度能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。這55種目標(biāo)組分，共涉及到6大類，按照占比排序分別是：鹵代烷烴（占比為32.04%、濃度為47.805 μg/m3）大于苯系物（占比為30.19%、濃度為45.197 μg/m3）大于硫氧化合物（占比為23.84%、濃度為35.278 μg/m3）大于烷烴烯烴（占比為10.71%、濃度為17.248 μg/m3）大于鹵代烯烴（占比為2.19%、濃度為3.448 μg/m3）大于鹵代苯（占比為1.03%、濃度為1.471 μg/m3），占比情況如圖1所示。

在揮發(fā)性有機(jī)物的濃度水平方面，本次檢測(cè)中各地區(qū)總的揮發(fā)性有機(jī)物平均濃度為154.692 μg/m3，其中濃度較高的組分有丙酮（濃度為24.443 μg/m3）、二氯甲烷（濃度為20.225 μg/m3）和甲苯（濃度為15.778 μg/m3）等。除此之外，濃度超過5 μg/m3的組分還有苯、乙酸乙酯、氯甲烷、正己烷、二硫化碳、二氯丙烷及二氯乙烷7種。這10種組分的濃度，占到了揮發(fā)性有機(jī)物總濃度的78.46%，是S市的特征污染物，具體占比如圖2所示。

2.2" 揮發(fā)性有機(jī)物的時(shí)間變化規(guī)律

揮發(fā)性有機(jī)物的濃度會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化。由于本次采樣時(shí)間正好為1年，因此選擇“季節(jié)”作為單位，分析S市揮發(fā)性有機(jī)物在1年之中的變化規(guī)律，各季節(jié)的揮發(fā)性有機(jī)物平均濃度如圖3所示。

結(jié)合圖3，一年之中S市揮發(fā)性有機(jī)物平均濃度最高的季節(jié)為冬季（198.241 μg/m3），其次是秋季（177.686 μg/m3）、夏季（112.484 μg/m3），最低為春季（89.151 μg/m3）。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，揮發(fā)性有機(jī)物在不同季節(jié)的濃度差異明顯。分析其原因，主要是揮發(fā)性有機(jī)物的擴(kuò)散速度與溫度、風(fēng)力等有密切關(guān)系。夏季溫度較高，工廠或汽車排放的揮發(fā)性有機(jī)物，能夠快速地向周邊擴(kuò)散，因此大氣中揮發(fā)性有機(jī)物的濃度相對(duì)較低；相應(yīng)的，冬季由于擴(kuò)散速度慢，加上供暖期間燃煤量明顯增加，導(dǎo)致大氣中的揮發(fā)性有機(jī)物濃度升高。春季雖然氣溫也比較低，并且燃燒煤炭排放較多的揮發(fā)性有機(jī)物，但是因?yàn)榇杭撅L(fēng)大，因此大氣中揮發(fā)性有機(jī)物平均濃度較低[2]。

除了1年之中揮發(fā)性有機(jī)物的濃度呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化外，在1天之中的不同時(shí)段，揮發(fā)性有機(jī)物濃度也會(huì)有差異。由于本次實(shí)驗(yàn)中空氣樣品的采集時(shí)間分別為上午的9—10時(shí)和下午的16—17時(shí)，因此可以對(duì)比上午和下午大氣環(huán)境中揮發(fā)性有機(jī)物的濃度差異。統(tǒng)計(jì)2020年1月—12月上午和下午揮發(fā)性有機(jī)物的濃度，如圖4所示。

結(jié)合圖4可知，除了4月和11月外，在1年之中的10個(gè)月份中，S市揮發(fā)性有機(jī)物濃度均存在“上午大于下午”的特點(diǎn)。在1月份，上午揮發(fā)性有機(jī)物平均濃度為4.614 μg/m3，下午為4.350 μg/m3；在6月份，上午揮發(fā)性有機(jī)物平均濃度為1.668 μg/m3，下午為1.174 μg/m3；在12月份，上午揮發(fā)性有機(jī)物平均濃度為3.467 μg/m3，下午為3.441 μg/m3。分析其原因，主要與揮發(fā)性有機(jī)物的來源有關(guān)。S市大氣環(huán)境中揮發(fā)性有機(jī)物主要來源于工廠排放和汽車尾氣，有少部分為植物夜間代謝排放。在一天之中，晚間植物代謝排放的揮發(fā)性有機(jī)物會(huì)逐步積累，加上早高峰汽車排出大量的尾氣，因此在上午的9點(diǎn)、10點(diǎn)，大氣中揮發(fā)性有機(jī)物的濃度會(huì)迅速升高，并達(dá)到1天之中的峰值。之后，隨著溫度的上升，以及植物光合作用的開始，空氣中揮發(fā)性有機(jī)物的濃度開始降低。而下午的采樣時(shí)間為16—17時(shí)，這一時(shí)間段內(nèi)植物仍能進(jìn)行光合作用，加上還沒有進(jìn)入晚高峰，因此空氣中揮發(fā)性有機(jī)物的濃度要低于上午。實(shí)際上，在1天之中的傍晚20點(diǎn)、21點(diǎn)，因?yàn)闅鉁叵陆怠⑼砀叻褰Y(jié)束，大氣中揮發(fā)性有機(jī)物的濃度會(huì)再次達(dá)到峰值[3]。

2.3" 揮發(fā)性有機(jī)物的空間變化規(guī)律

在本次實(shí)驗(yàn)中，從S市3個(gè)采樣點(diǎn)采集的空氣樣品中，揮發(fā)性有機(jī)物6種組分的濃度與占比見表1。

結(jié)合表1可知，S市揮發(fā)性有機(jī)物的平均濃度（ρ）為ρ=（132.216+162.161+169.699）/3=154.692，其中，工業(yè)園揮發(fā)性有機(jī)物平均濃度最高，達(dá)到了169.699 μg/m3，按照濃度排序?yàn)椋汗I(yè)園大于小區(qū)大于學(xué)校。呈現(xiàn)這種濃度分布規(guī)律的原因主要是工業(yè)園的工業(yè)、制造業(yè)企業(yè)相對(duì)集中，并且由于貨物運(yùn)輸需要，重型貨車的出入比較頻繁，因此生產(chǎn)過程中排放以及汽車排放的揮發(fā)性有機(jī)物，共同導(dǎo)致了工業(yè)園揮發(fā)性有機(jī)物濃度較高[4]。而小區(qū)內(nèi)私家車數(shù)量較多，汽車尾氣排放是導(dǎo)致其揮發(fā)性有機(jī)物濃度偏高的主要原因。相比之下，學(xué)校沒有太多的揮發(fā)性有機(jī)物排放源，因此在3個(gè)采樣點(diǎn)中，其揮發(fā)性有機(jī)物濃度最低。

2.4" 揮發(fā)性有機(jī)物在不同管控措施下的污染特性

S市為改善城市控制質(zhì)量，于2020年8月—10月實(shí)行了大氣污染治理的專項(xiàng)行動(dòng)。為了驗(yàn)證專項(xiàng)管控對(duì)大氣環(huán)境中揮發(fā)性有機(jī)物濃度的影響，本文分別選取專項(xiàng)行動(dòng)開展前的2020年7月，以及開展專項(xiàng)行動(dòng)時(shí)的2020年8月作為研究對(duì)象展開分析。在這2個(gè)月的時(shí)間里，3個(gè)采樣點(diǎn)空氣樣品揮發(fā)性有機(jī)物的平均濃度對(duì)比見表2。

結(jié)合表2可以發(fā)現(xiàn)，在非管控期間，S市大氣環(huán)境中揮發(fā)性有機(jī)物的總濃度為472.003 μg/m3，其中工業(yè)園的揮發(fā)性有機(jī)物濃度最高，達(dá)到了165.574 μg/m3。在實(shí)行專項(xiàng)管控后，S市大氣環(huán)境中揮發(fā)性有機(jī)物的總濃度為370.451 μg/m3，相比上個(gè)月份下降了101.552 μg/m3，空氣治理效果十分明顯。雖然在實(shí)行專項(xiàng)管控后，工業(yè)園的揮發(fā)性有機(jī)物濃度仍然高于另外2個(gè)采樣點(diǎn)，但是也降低到了130.540 μg/m3，相比于非管控期間降幅達(dá)到了35.034 μg/m3。綜上，S市這次為期3個(gè)月的城市大氣污染專項(xiàng)治理行動(dòng)，使得大氣中揮發(fā)性有機(jī)物的濃度有了明顯的降低，整治效果十分明顯。

在特征污染物濃度方面，管控期間與非管控期間也存在一定的差異。在管控期間，二氯甲烷在揮發(fā)性有機(jī)物中的占比為16.480%；在非管控期間，二氯甲烷在揮發(fā)性有機(jī)物中的占比為15.887%；丙酮在管控期間的占比為17.242%，在非管控期間的占比為19.595%；甲苯在管控期間的占比為18.639%，在非管控期間的占比為20.642%。這3種組分的濃度要高于其他組分的濃度，也進(jìn)一步驗(yàn)證了在S市大氣揮發(fā)性有機(jī)物中，二氯甲烷、丙酮和甲苯是典型的特征污染物，也是大氣污染治理中需要重點(diǎn)整治的對(duì)象。

3" 大氣環(huán)境揮發(fā)性有機(jī)物的控制對(duì)策

大氣中的揮發(fā)性有機(jī)物達(dá)到一定濃度后，除了會(huì)引起城市霧霾、造成環(huán)境污染，還會(huì)使人體出現(xiàn)咳嗽、頭痛和惡心等不適癥狀。因此，在城市現(xiàn)代化建設(shè)中，必須要加強(qiáng)對(duì)大氣環(huán)境中揮發(fā)性有機(jī)物的控制。根據(jù)揮發(fā)性有機(jī)物的來源、成分及時(shí)間和空間變化規(guī)律，可以采取以下控制對(duì)策：首先是加強(qiáng)源頭治理，尤其是在工業(yè)、制造業(yè)等領(lǐng)域，盡量減少化石燃料的使用，從源頭上降低揮發(fā)性有機(jī)物的排放。對(duì)于使用化石燃料的，應(yīng)當(dāng)建立完善的污染物凈化體系，保證生產(chǎn)中產(chǎn)生的污染氣體，凈化達(dá)標(biāo)后再排放到大氣中。其次是推廣清潔能源的使用，私家車尾氣排放是大氣中揮發(fā)性有機(jī)物的主要來源，可通過推廣新能源汽車，或者鼓勵(lì)市民乘坐公交車、地鐵等方式，減少汽車尾氣排放量。最后，對(duì)于大氣中揮發(fā)性有機(jī)物濃度較高的地區(qū)，可采取先進(jìn)技術(shù)予以治理，例如冷凝技術(shù)、催化技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物的轉(zhuǎn)化或分解，降低其不良影響[5]。建立健全揮發(fā)性有機(jī)物的防控體系，改善城市空氣質(zhì)量，從而提升城市居民的幸福感。

4" 結(jié)束語(yǔ)

揮發(fā)性有機(jī)物是由數(shù)十種成分組成的混合物，其中占比較高的成分有鹵代烷烴、苯系物和硫氧化合物等。在同一地點(diǎn)，大氣中揮發(fā)性有機(jī)物的濃度會(huì)根據(jù)時(shí)間的變化，表現(xiàn)出較為明顯波動(dòng)，一般來說冬季高于其他季節(jié)、上午高于下午、市區(qū)高于郊區(qū)。另外，如果政府采取關(guān)于揮發(fā)性有機(jī)物的專項(xiàng)整治活動(dòng)，那么在管控期間內(nèi)大氣中揮發(fā)性有機(jī)物的濃度會(huì)有明顯下降。因此，地方政府要做到預(yù)防、治理的雙管齊下，既要強(qiáng)化監(jiān)督與懲戒機(jī)制，以及推廣使用新能源等方式，從源頭上降低揮發(fā)性有機(jī)物的排放；同時(shí)還要利用先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行污染治理，改善空氣質(zhì)量，真正實(shí)現(xiàn)城市的綠色發(fā)展。

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