关于大气降尘中重金属污染源解析的相关研究

朱忠军

摘 要：工业革命带来了生产力的进步，能源资源开采成为社会进步的重要因素。当前，我国空气污染程度前所未有，特别是PM2.5、PM10等细颗粒物更是对居民健康造成重要危害。大于10 m粒径的固体颗粒物被称为大气降尘，其中重金属污染尤为突出。重金属污染具有来源广、影响因素复杂的特点，比如空气湿度、风速大小与地被覆盖率等因素。为降低大气中重金属含量，改善大气环境，防治大气降尘，有必要分析大气降尘的来源，寻根究底，从源头解析。

关键词：大气降尘 重金属污染源 相关研究

中图分类号：X5 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（c）-0007-02

大气降尘污染危害人类生存，其中重金属污染更是给人类带来严重生存考验。查明污染源是治理污染的前提。该文介绍了解析大气降尘中重金属污染源的几种办法及其研究特点，结合其在实践中的应用说明了其可行性。并就研究中存在的一些不足做了探讨，希望研究得到改善。

1 大气降尘中重金属污染源解析之受体模型法

扩散模型与受体模型是环境科学污染源分析的两种主要数学模型，其中受体模型以污染区域为研究对象。20世纪70年代，大气颗粒物源以受体模型进行解析。受体模型多应用于城区，以在受体与源处检测的颗粒物物理化学特性，获取受体源及其贡献值。化学法与显微分析法是常用的受体模型研究方法。

1.1 显微分析法

显微清单（源数据库）的建立是利用该方法的前提，若颗粒物具比较明显的形态特征，则依据单颗粒物形状、颜色、表面特征、大小等形态特点，结合颗粒物外貌与标志性污染源矿物构成做源的判断。颗粒物污染源可由独特的颗粒物粒子外形特征反映。比如颗粒物多呈球形、表面平滑、灰褐色，则为燃煤排放物，其表面含S、Fe、Si、Al元素；颗粒物呈多孔海绵状、表面高低不整、黑色，则为燃油排放物，表面含S、V、Pb、Si元素。如果知晓污染物的形态特点，那么颗粒物来源可在单个粒子在显微镜中的显像判断。Gomez曾利用SEM法对大气颗粒物做了来源鉴别与物相组成分析。陈天虎在结合TEM与X射线衍射法，观察分析了合肥市大气降尘，证明XRD（X射线衍射仪）的成效，发现了纳米碳球、玻璃微珠、无定形SiO2、磷石灰等XRD未检测物相，这对大气颗粒物来源判断起了基础性作用。根据检测结果分析，认为地表杨尘为合肥市头号污染源，标志是粘土矿物；与污染气体排放关联的SO2、NOx、CO2等大气化学次生气溶液则排第二，标志是易容盐业、碳酸盐、石膏等；另外，以碳球为标志的汽车尾气烟尘与标志为球形玻璃珠的燃煤烟尘分别占第三、第四。

显微分析法具有费用昂贵、所需时间长的缺点，难发现无定性有机成分，做体积与密度观察是存在较大误差，在源评估中有必要慎重选择此法。

1.2 化学法

对污染物来源判别以标志性的大气颗粒物的化学元素与含量比率或有机物成分、元素化合形态作来源判断依据则为化学法。汽车尾气污染中Br、Ba与Pb为标志性元素，燃煤燃烧中Cu、Cr、Se、Co、As为标志性元素，精炼厂与农药污染重V为标志元素，钢铁厂污染重Mn为标志元素。化学法并不单用，而是在多元统计分析法、受体模型结合基础上，对污染源和对受体贡献量做判别。

化学法在假设质量守恒基础上扩大了应用范围，为质量平衡分析的典型应用。该法较为成熟，包括了FA（因子分析法）、EF（富集因子法）、CMB（化学质量平衡法）、主成分法分析法、绝对因子得分法、混合受体模式等。在我国，此法广泛应用。比如，大同市的大气颗粒物金属源富集特点分析中，细颗粒物直径《2.0 m对人体危害大，人为污染源为Cu、As、Zn、Pb，自然污染源为Ca、Fe、Al；黄辉军杭州市大气颗粒物做PM10富集因子、元素质量谱分布研究，以CMB法计量PM10受到的污染源贡献率，发现建筑尘占第一，其余为煤烟尘、土壤尘、汽车尘、冶炼尘、其他源。对兰州市的大气降尘源污染做因子分析法，显示燃煤、建材、汽车尾气、风沙扬尘为主要污染源；对成都市大气飘尘源污染做目标转换因子分析，得到煤烟是主要飘尘污染源。有人以因子分析法对拉合尔、克英布拉、伯明翰三个城市的大气污染源作分析，显示三者有类似的源。

2 大气降尘中重金属污染源解析之元素同位素示踪技术

2.1 铅同位素示踪

204-208Pb为稳定的四种铅同位素，同位素组成因来源差异而不同，对同位素比率做测定，可判别铅的源污染。含铅汽油尾气、工业排放、燃煤飞灰是主要铅污染源，各污染源在206Pb与207Pb同位素中的丰度比是1.06-1.08、1.14-1.21、1.14-1.17。各污染源混合构成丰度比，则可将聚类、线型混合模型等法与铅同位素示踪判别污染源与贡献。在测定北美煤与石油铅同位素后显示，两种同位素差异较大，可以此判别与示踪铅污染源。王琬在对冬季天津大气颗粒物中铅同位素来源于组成分析后发现，铅污染源多样，包括含铅汽油、工业排放、燃煤飞灰。因受气象与季节变化影响，如温湿度、风速、风向，采集铅样品同位素组成比存在变化。如果206Pb/207Pb组成比降低，说明加铅汽油贡献更多；相反，说明土壤扬尘、燃煤飞灰贡献更多。高志友在对成都市大气降尘的地球化学特征研究显示，燃油铅是组成大气降尘铅同位素的主要，其他为燃煤铅与燃油铅之间，说明汽车尾气排放、燃煤扬尘为大气铅污染源；常向阳在对珠三角城市的气溶胶、大气尘埃、土壤、汽车尾气铅同位素组成分析显示，汽车尾气铅污染严重，工业用铊、铜、铅、锌则更严重；再如长春市公路两旁绿化带土壤铅同位素平均组成与汽油铅基本相同，说明汽车尾气为该市铅污染源。

2.2 锶同位素示踪

Sr是重要的环境污染指示剂，土壤中煤飞灰的转移、分布可由其中的Sr同位素质量分数比值表示。在实践中应用广泛，比如James在对美国阿斯林森林生态系统研究中以87Sr/86Sr比值给予确定，发现该锶来源于大气降尘，而非岩石风化；Antonio在对大气颗粒物Sr（87Sr/86Sr）与Pb（206Pb/207Pb）含量研究中分析北美东北部重金属的污染源。endprint

2.3 放射性核示踪技术

该技术应用也较为广泛，Rosamilia对波斯尼亚黑-塞哥维那的树皮与地衣做234U、238U比值和含量关联研究，234U/238U显示，234U来源于悬浮粒子降尘与战争中释放的尘粒，证明了导弹销毁增加了重金属含量。

3 不足与展望

环境地球化学中的PMF模型、EF法、CMB法、UNMIX模型对大气中金属污染源做研究，通过分析土壤与大气降尘里的富集因子，明确了土壤重金属的累积受大气降尘影响。但富集因子法与CMB法在大气降尘源解析时存有不足，比如不能明显区分土壤尘、冶金尘、采矿尘，选择标识元素困难；多元统计分析要求有较多的样品数量，参与计量元素变量数小于样品数量，元素浓度变动值与污染数量有关，污染源想被识别则需要样品数量多且降尘元素源只能由富集因子法定性判别，主观因素影响分析结果。UNMIX模型与PMF模型可不对源成分谱事先了解，但需以样品数据足够多方可得到源解析平均值。

因为大气污染源具复杂性与多样性，以多参数、多方法、多手段的研究很必要，综合性研究可全方面对物质来源作解释，研究结果更准确。如Pb、Sr同位素示踪和重金属形态研究，重金属元素地球化学行为和多元统计分析，化学统计学法与显微法间的结合，互相对比。以高灵敏度、高分辨率的PM分析大气污染源颗粒与气溶胶单颗粒物，获得Micro PIXE能谱，以模式识别法比较、统计能谱，可明确大气污染源与其贡献率。

街道灰尘参杂的重金属源繁杂，目前仅以统计学、定性描述法分析其污染源，若以Sr、Pb同位素定量分析法研究其来源，可提升我们对其的认识与控制力度。

4 结语

当前，人类生存面临诸环境污染的挑战。随着工业革命对矿产资源的大肆利用，地球环境破坏殆尽。大气降尘污染中的重金属污染给人们带来了呼吸道疾病，加大了致癌风险。当前国内多数城市笼罩在雾霾之中，空气环境恶化严重。针对此种情况，有必要做好污染源的分析，结合多种研究方法从源头治理，还天空以明净，给人类呼吸舒适。

参考文献

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