环境空气中PM10 主要来源解析

宋红光，鲁 磊

（1 贵州省煤矿设计研究院，贵阳 550025；2 广东省湛江市环境科学技术研究所，湛江 524022）

PM10 来源解析是一种定性及定量研究环境空气颗粒物来源的技术方法，其解析结果可为PM10 控制措施提供参考依据。

1 实验方法及结果

1.1 样品采集

选择A市夏季某典型日环境空气中PM10中各组分进行测量。

1.2 滤膜处理及质量控制

本次采样使用聚丙烯滤膜，滤膜的孔隙约0.2μm，该膜先用去离子水洗涤后采用超声波振荡约15min，然后用去离子水重复洗涤3 次，去除滤膜中离子组分后备用。

在恒温室内快速称量备用膜，其质量记为M1，称量后将其再次放入干燥器内干燥至质量不再改变（干燥时间应大于6h）。然后再次快速称量该备用膜，其质量记为M2。

实验中前后两次称量均须至质量恒重，称量结果应误差范围应准确至0.1mg 以内。

1.3 样品处理、保存

称量后实验前滤膜应采用密封塑料袋密封装，并将该膜储藏于干燥器具内；样品采集后应确保滤膜中各组成不在传输环节丢失，以免影响测量数据对分析结果的影响。

1.4 受体样品的分析方法

本次实验采用X 射线荧光（XRF）方法对采样膜中各元素进行分析。该实验一共采集和分析了Mg、Na、Ca、Al 等16 种元素、样品中的阴阳离子及有机碳和元素碳。

1.5 结果

本次实验监测结果列表如表1：

2 因子分析法基本原理及计算

2.1 因子分析法的基本原理

因子分析法（FA）是多元统计分析方法之一。因子分析法的基本原理是通过一个模型将具有复杂关系的变量归纳为几个综合因子的一种统计和分析方法。

因子分析法的数学表达式为：

式中：xij－为i 元素在j 样品中的浓度结果（μg/m3）；

fkj－又称公因子，为k 污染源对j 样品的贡献值（μg/m3），一般对所有组分均有贡献；

vi－又称唯一因子，为仅对i 组分贡献值的特殊源的污染物排放（μg/m3）；

aik－又称因子载荷，为i 元素在k 污染源污染物中的含量（g/g）；

di－为唯一因子的系数（g/g）；

ξi 为i 元素的误差变量。

将上述数学表达式改为矩阵：

其中X：样品参数矩阵；F：公因子矩阵，V：唯一因子矩阵；

A：因子载荷矩阵，D ：唯一因子载荷矩阵，ξ：误差矩阵。

本实验就是根据样品测量结果X，从全部变量的测量数据结果中分析归纳出少数公因子F，并同时得出各因子载荷A 的结果，以指导实际工作。

2.2 主要运算步骤

使用因子分析法进行分析的主要操作步骤如下：

① 将数据标准化

数据标准化可将各变量在数量级别或量纲上产生的不同之处进行统一，在因子分析前，需对原始监测数据进行标准化预处理来统一。

②提取因子

该阶段主要用于提取几个贡献值较大的污染物因子，并确保被提取的主要污染因子的总贡献值大于85%。

③旋转因子

采用方差极大旋转法对上述因子矩阵进行旋转，使较大因子载荷主要集中在少数变量上。

④定量计算

须进一步计算绝对主因子得分矩阵F*，同时计算绝对因子载荷矩阵C*，计算公式如下 ：

式中：F*为绝对主因子矩阵；C*为绝对因子矩阵；X 为样品参数矩阵；S 为元素标准偏差对角化矩阵；B 为主因子的系数矩阵。

样品中各污染源对PM10 的浓度贡献情况计算如下：

3 A 市级PM10 主要来源确定

A 市环境中PM10 的来源可归纳为5个方面，以5个公因子代表，样品中各元素的因子载荷矩阵旋转后以及5个公因子的组分贡献值统计情况见表2 所示。

3.1 PM10 主要来源解析

3.1.1 公因子1 解析。由于A 市静风频率很高，土壤产生的风沙尘的贡献值不会太高，而公因子1 中Al、Mg 和Si 等元素载荷很高，因此考虑公因子1 为地面扬尘，主要包括施工场地和运输道路扬尘，其浓度贡献率为21.56%，综合A 市实际情况来看，A 市运输线路众多、施工工地数量多且分布广泛，因此，该判断结果可信程度较高。

3.1.2 公因子2 解析。由公因子2 中NO3-、SO42 离子和NH4+离子的相关程度分析可知，公因子2 主要成分应该是（NH4）2SO4、NH4HSO4 和NH4NO3 等污染物，主要来自于城市机动车尾气和原煤燃烧产生的NOx 和SO2 的二次反应产物；由于矩阵中S元素与NO3-、SO42-离子的相关性较好，由此可知燃煤烟尘对实验中PM10 中主要成分的贡献值较大。

3.1.3 公因子3 解析。在监测结果中Br 含量极少，Br 是机动车尾气污染物的代表性元素，一般情况轮胎磨损残余物中Zn的成分较高，综合考虑，可认为公因子3 为交通源产生的粉尘，该粉尘浓度贡献率为10.70%。

3.1.4 公因子4 解析。经分析，公因子4 中变量Fe、Co 等元素的载荷较高，考虑到A 市分布了较多的冶炼企业，而Fe、Co 元素的产生一般与冶炼过程有关，因此，可判断公因子主要为钢铁产生的颗粒物，其颗粒物的浓度贡献率为11.30%。

3.1.5 公因子5 解析。经过分析公因子5，发现公因子5 中变量Ca2+、Mg2+和Sr 等元素载荷较高，上述元素均是建筑材料中标志元素，因此可考虑公因子5 为建筑材料所产生的颗粒物，其粉尘浓度贡献率为16.30%。

3.1.6 各元素共同度分析结果均大于0.65，说明本次分析结果与A 市具体情况的拟合度较高，同时也可说明上述5个公因子为A 市环境空气中PM10 的几个主要来源。

3.2 污染因子贡献率解析

A 市环境空气PM10 中因子1 的比例为 29.30%，因子2的比例为46.60%，因子3 的比例为5.18%，因子4 的比例为11.43%，因子5 的比例为8.03%。

由此可知，A 市环境空气中PM10 中来源于工业燃煤的污染最为严重，其次是施工及运输扬尘，该分析结果与A 市的现状及近年统计数据相符。

4 结论

4.1 经研究分析，因子分析法可用于环境空气中PM10 的来源解析。

4.2 A 市中环境空气中PM10 的主要来源为施工及运输扬尘（公因子1）、燃煤烟气污染源（公因子2）、交通源粉（公因子3）、冶炼尘（公因子4）、建材尘（公因子5），按其浓度贡献率排序为：公因子2＞公因子1＞公因子4＞公因子5＞公因子3。

[1]鲁累.重庆市主城区大气PM（10）来源的混合模型解析研究.重庆大学硕士论文，2008.

[2]吴淑岱，丁枚.大气固定源的采样分析.中国环境科学出版社，1993:60～70.

[3]Blifford I.H.,Meeker G.O.A factor analysis model of large scale pollution.Atmospheric Environment,1967,1:149～l56.

[4]孙文爽，陈兰祥.多元统计分析[M].第I 版.北京：高等教育出版社，1994.

[5]蒋耀淞.多元统计分析方法[M].第I 版北京.中国地质大学出版社.