严寒地区冬季农宅室内燃烧污染及相关性

王昭俊，谢栋栋，唐 瑞

严寒地区冬季农宅室内燃烧污染及相关性

王昭俊，谢栋栋，唐 瑞

（哈尔滨工业大学市政环境工程学院，150090哈尔滨）

为了解严寒地区冬季农宅室内空气污染的现状，对哈尔滨附近两个村10户农宅室内污染物PM2.5、PM10、CO、CO2、SO2、NOx、TVOC和NH3进行了现场测试，并分析了其相关性.结果表明：PM2.5、PM10、CO、CO2、SO2和NOx污染严重，超标率分别为93%、75%、62%、23%、99%和64%，是室内主要的污染物；PM10与PM2.5，PM2.5与CO之间皆显著线性相关，SO2与CO2、NOx与SO2之间皆线性相关；通过室内污染物间的相关性分析，提出了严寒地区冬季农宅室内空气品质主要检测指标和简易测试方法.

室内空气污染物；检测指标；相关性；农宅；冬季

我国农村人口约占总人口数的60%.几乎所有的农村居民以秸秆、薪柴、低质煤等作为燃料，这些固体燃料燃烧会造成严重的室内空气污染［1-2］.在我国每年由固体燃料燃烧造成的死亡人数高达42万［3］.因此，农村室内空气污染不容忽视.

目前一些学者对我国农宅的室内空气品质进行了研究，如Fischer等对中国北方农村冬季室内CO和PM10的测试结果表明，室内CO和PM10污染严重［4］.刘丛林对东北地区4户典型农户室内空气品质的测试结果表明，冬季室内空气污染严重，PM10超标率最高［5］.郭建斌等对农户室内PM2.5、CO与SO2的相关性分析结果表明，PM2.5与CO，SO2与CO皆线性相关［6］.

由于严寒地区冬季农宅主要以秸秆等为燃料烧炕和用土暖气分散供暖，而且供暖时间长达6个月以上，农宅室内空气质量堪忧.而目前关于该地区农宅室内空气品质的研究较少.为此，本研究于2012—2013年冬季对哈尔滨市周边地区农宅的室内污染物进行了测试.

农宅一般地处偏远地区，交通不便.由于测试参数多，颗粒物（PM10和PM2.5）测试仪器昂贵且笨重，而标准规定的测试方法复杂，不适用于农村测试.因此，亟待提出农村住宅室内空气品质测试指标和简易测试方法.

1 冬季农宅室内主要污染物及来源

我国室内空气质量标准［7］规定了影响室内空气品质的15种室内污染物，包括SO2、NO2、CO、CO2、NH3、O3、HCHO、苯C6H6、甲苯C7H8、二甲苯C8H10、苯并芘B（a）P、可吸入颗粒物PM10、总挥发性有机化合物TVOC、氡222Rn和菌落总数.

根据室内空气质量标准规定的室内污染物的种类，分析农宅室内污染物实际来源，将严寒地区农宅室内污染物以及来源和危害总结如表1所示.

表1 农宅室内主要污染物、来源及危害［8-11］

2 冬季农宅室内污染物测试结果与分析

2.1 污染物测试样本选择及测试仪器

于2012—2013年冬季对严寒地区代表性城市哈尔滨市附近两个村10户典型农宅的室内空气污染物进行了测试，其基本信息如表2所示.

表2 农宅基本信息

由表2可知，大多数农宅冬季采用火炕和土暖气采暖，秸秆和煤是农宅室内主要的燃料形式.根据农宅室内污染物的来源及危害，选择PM2.5、PM10、CO、CO2、SO2、NOx、TVOC和NH3作为测试参数.

本次现场测试的仪器为:TSI 8532粉尘测试仪，测量参数为PM2.5和PM10；TEL7001型CO2检测仪；GT901、MIC系列便携式气体检测仪，采用电化学或PID原理，其测量范围、分辨率等与农宅室内空气污染物的特点相对应.测试仪器参数见表3.

表3 室内空气污染物测试仪器及主要参数

2.2 标准值的单位转换

在我国室内空气质量标准中［7，12］，大多数污染物的含量以质量浓度的形式表示.而现场测试采用的测试仪器大都以体积浓度ppm作为单位，因此需要进行单位之间的转换.表4给出了将污染物体积浓度转换为质量浓度的转换系数.

表4 单位转换系数

2.3 测试结果分析与主要污染物测试指标

由于农民一般在卧室内停留时间较长，且卧室面积一般为20 m2，故在卧室中央设置1个测点；测点的高度与人的呼吸区高度一致，距地面高度约为1.0 m.分别于12、1、2、3月份对10户农宅进行了跟踪测试，冬季室内污染物的测试结果如表5所示.

表5 冬季农宅室内污染物测试结果

将测试结果与转换后的污染物标准限值进行比较，农宅室内污染物PM2.5、PM10、CO2、CO、SO2和NOx超标率分别为93%、75%、62%、23%、99%和64%；超标倍数分别为3.9、1.8、0.4、0.6、2.6和0.6.可见我国严寒地区农宅室内PM2.5、PM10、CO2、CO、SO2和NOx污染严重.

NH3和TVOC的平均质量浓度均未超标，其超标率与其他污染物相比也较小.说明严寒地区冬季农宅室内NH3和TVOC污染较轻.

燃料燃烧是影响农宅室内空气品质的主要因素，固体燃料特别是秸秆等生物质燃料的燃烧会释放大量的污染物，致使PM10、PM2.5、CO2、CO、NOx和SO2污染比较严重.由于农村住宅室内装修较少，TVOC和NH3主要来源于室外家禽、牲畜及粪便.而较低的室外温度不利于TVOC和NH3的挥发，因而TVOC和NH3质量浓度处于较低水平，在绝大多数样本中均未超标.

PM2.5、PM10的平均质量浓度分别为0.369、0.414 mg／m3.由此可见，PM2.5（粒径小于2.5 μm）的质量浓度占PM10（粒径小于10 μm）的质量浓度的比例超过89%.由于小于2.5 μm的粒子会直接进入支气管对人体健康影响更大，因此村镇住宅内PM2.5污染严重，应引起人们足够的重视.

综上所述，PM2.5、PM10、CO、CO2、SO2和NOx是我国严寒地区农宅室内主要的污染物，应作为冬季农宅室内污染物测试指标.

3 相关性分析

3.1 PM2.5与CO相关性分析

在严寒地区冬季农宅室内污染物的排放与燃料不完全燃烧有关.PM2.5和CO质量浓度存在较强的线性相关关系［5］.对室内PM2.5与CO质量浓度进行线性拟合，结果如图1所示.

由图1可知，室内PM2.5及CO质量浓度的线性回归方程可以表示为

式中:y为PM2.5质量浓度，mg／m3；x为CO质量浓度，mg／m3.

由R=0.70，n=40计算F=36.5，F≥F0.995（1，38）≈8.83［6］．可见，PM2.5与CO相关性显著，PM2.5的质量浓度可以通过CO的质量浓度预测得到.

图1 PM2.5和CO质量浓度的线性拟合曲线

3.2 PM10与PM2.5相关性分析

将PM10与PM2.5线性拟合，结果见图2.由图2可知，室内PM10及PM2.5质量浓度的线性回归方程为

式中:y为PM10质量浓度，mg／m3；x为PM2.5质量浓度，mg／m3.

图2 PM10和PM2.5质量浓度的线性拟合曲线

由R=0.98，n=40计算F=912，F≥F0.995（1，38）≈8.83.可见，PM10与PM2.5相关性非常显著，PM10质量浓度可以通过PM2.5质量浓度预测得到.

3.3 SO2与CO2相关性分析

由于燃料燃烧时会同时释放CO2、SO2等，对SO2和CO2的质量浓度进行线性相关性分析，结果如图3所示.

由图3可知，SO2与CO2质量浓度的线性回归方程可以表示为

式中:y为SO2质量浓度，mg／m3；x为CO2质量浓度，mg／m3.

由R=0.58，n=40计算F=19.3，F≥F0.995（1，38）≈8.83，相关性显著.在测试条件受限时，可以通过CO2质量浓度粗略地估计SO2的质量浓度.

图3 SO2和CO2质量浓度的线性拟合曲线

3.4 NOx与SO2相关性分析

对室内NOx和SO2的质量浓度进行相关性分析，结果如图4所示.

图4 NOx和SO2质量浓度的线性拟合曲线

由图4可知，NOx与SO2的质量浓度线性方程为

式中:y为NOx质量浓度，mg／m3；x为SO2质量浓度，mg／m3.

由R=0.54，n=40计算F=15.6，F≥F0.995（1，38）≈8.18，相关性显著.在测试条件受限时，可以通过SO2质量浓度估计NOx的质量浓度.

4 室内污染物简易测试方法

4.1 测试参数选择

由前面分析可知:严寒地区农宅室内主要污染物有PM2.5、PM10、CO2、CO、SO2和NOx．PM2.5和 PM10测试仪器比较昂贵、且笨重、不便于携带，给农村现场测试带来了不便；而CO测试仪器简单、便携，且应用比较普遍.根据测试条件及简化程度不同，提出以下两种不同的测试方法.方法1根据室内污染物相关关系分析可知，农宅室内PM2.5与CO、PM10与PM2.5的质量浓度相关关系显著，PM2.5、PM10的质量浓度可以通过CO的质量浓度由式（1）、（2）预测得到，采用该方法，需要测试CO、CO2、SO2和NOx的质量浓度．方法2根据相关关系分析结果，表明室内SO2与CO2、NOx与SO2的质量浓度线性相关.

当现场无SO2和NOx测试仪器时，可通过式（3）由CO2质量浓度得到SO2质量浓度.NOx的质量浓度可通过（4）由SO2质量浓度预测得到.采用该方法需要测试CO2和CO的质量浓度.

4.2 测点布置和测试仪器

测点应设在人员经常活动的卧室或客厅，测点布置依据文献［7］，测点高度与人体呼吸区的高度一致.

室内空气品质的测试标准规定:采用称重法、化学分析法、气相色谱法等测试室内污染物.但上述测试分析方法操作复杂、设备昂贵、不便携带，无法实现实时监测［15］.

由于通用方法操作繁琐，很多学者开始寻求室内污染物的快速检测方法，并通过与通用方法对比验证了快速检测方法的准确性［16］.基于电化学、红外线、PID等原理的测试仪器便于携带、操作简单，在进行室内空气品质检测尤其是现场测试时，在精度允许的情况下可以采用便携式测试仪器.为了保证测试结果的准确性，在测试前应与标准仪器校准.

4.3 检测时间

文献［17］中规定污染物检测时间:一氧化碳检测时间为8 h均值；二氧化硫检测时间为24 h均值；PM2.5和PM10都为24 h均值.可见，一般以24 h的平均质量浓度值作为标准限值.我国室内空气质量标准［7］中规定CO、SO2和NOx取1 h的平均体积浓度、CO2、PM2.5和PM10都取24 h的平均体积浓度作为限值.

燃料燃烧、人员活动、通风状况等是影响农村住宅室内空气品质的主要因素，室内污染物呈现周期性波动，尤其是燃料燃烧对室内污染物的质量浓度值影响较大.建议采取上一次生火开始至下一次生火前作为一个周期（一般为8 h），取一个周期内的加权平均值作为限定值.

当研究室内居民一般的暴露水平时，可以在用火前后两个小时之内取样.由于这期间室内污染物质量浓度变化较小，采样时间可以取15 min.当研究用火期间的室内居民暴露水平及污染物的峰值时，可在用火期间连续取样1～2 h.

5 结 论

1）严寒地区农宅室内PM2.5、PM10、CO、CO2、SO2和NOx污染严重，超标率分别为93%、75%、23%、62%、99%和64%，是室内主要的污染物. PM2.5的质量浓度占PM10的质量浓度89%以上，说明农宅室内PM2.5污染严重，应引起足够的重视.

2）严寒地区农宅室内污染物PM10与PM2.5的质量浓度，PM2.5与CO的质量浓度之间皆显著线性相关.PM2.5和PM10的质量浓度可通过CO的质量浓度进行预测.室内污染物SO2与CO2，NOx与SO2的质量浓度之间皆线性相关，SO2和NOx的质量浓度可通过CO2的质量浓度进行预测.

3）通过室内污染物间的相关性分析，提出了严寒地区冬季农宅室内空气品质主要检测指标和简易测试方法.

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（编辑 魏希柱）

Indoor air pollutants and their correlation at rural houses in severe cold region in winter

WANG Zhaojun，XIE Dongdong，TANG Rui
（School of Municipal and Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China）

To explore the indoor air pollution at rural houses in severe cold region in winter，a field study was conducted at 10 rural houses in two villages around Harbin.The indoor pollutants including PM2.5，PM10，CO，CO2，SO2，NOx，TVOC and NH3were tested and the correlation of pollutants were analyzed.The results showed that PM2.5，PM10，SO2，NOx，CO2and CO were the main pollutants at rural houses in winter，with the overproof rates of 93%，75%，62%，23%，99%，64%，respectively.There were good relations between PM10and PM2.5，CO and PM2.5，respectively.In addition，the linear correlations were also found between SO2and CO2，NOxand SO2，respectively.The main test indices of pollutants were given based on the regression analysis results.The test method of pollutants was proposed at rural houses in severe cold region in winter.

indoor air pollutants；test indices；correlation；rural houses；winter

X508

A

0367-6234（2014）06-0060-05

2013-06-06.

国家“十二五”科技支撑计划项目（2011BAJ08B07）；哈尔滨市科技创新人才研究专项资金项目（2013RFXXJ045）.

王昭俊（1965—），女，教授，博士生导师.

王昭俊，wangzhaojun＠hit.edu.cn.