佛山市道路环境PM2.5中金属与水溶性离子污染分析

陈士明，胡田珍，刘建昌，周鹏，陈治宇，3

（1.佛山科学技术学院环境工程系，广东佛山528000；2.佛山市禅城区环境监测站，广东佛山528000；3.华南理工大学环境与能源学院，广东广州510006）

佛山市道路环境PM2.5中金属与水溶性离子污染分析

陈士明1，胡田珍2，刘建昌2，周鹏2，陈治宇1，3

（1.佛山科学技术学院环境工程系，广东佛山528000；2.佛山市禅城区环境监测站，广东佛山528000；3.华南理工大学环境与能源学院，广东广州510006）

分别在佛山市城区有代表性的季华路（主干道）、同济路（次干道）、华远西路（支路）路边，采集了PM2.5样品，并分析了样品中12种金属元素和9种水溶性离子的含量。结果表明：佛山市城区各道路环境PM2.5日均浓度的由大到小依次为：季华路（173.3 μg/m3）、同济路（141.2 μg/m3）、华远西路（126.0 μg/m3），与车流量之间具有显著的正相关关系，且均高于同期城区PM2.5的日均浓度64.5 μg/m3。3个采样点检出金属元素中含量较高的是Fe、Al、Ca、Mg，其次是Zn和Pb。不同道路环境中Al、Ca、Mg、Zn和Pb元素的浓度由大到小均依次为：季华路、同济路、华远西路。富集因子分析表明佛山市城区道路环境人为污染较严重的金属元素为Cd、Zn、Pb、As。采样期间SO42-、NO3-和NH4+是主要的水溶性离子。

PM2.5；金属；水溶性离子

随着经济的快速发展，城区道路上机动车辆数量及所排放的污染物大幅度增加，已成为灰霾等现象日益频发的原因之一。与粗颗粒物（通常指粒径范围为2.5～10 μm的颗粒物）相比，PM2.5粒径小、比表面积大，易于富集空气中的有毒有害物质，如重金属元素等，并可以随人的呼吸进入气管，甚至肺泡和血液中，导致各种疾病［1］。因此，细颗粒物PM2.5对人体健康的危害更大。目前国内外对于PM2.5污染的研究，多集中在城市或者郊区等大区域范围，对于交通道路等微环境、小区域的污染研究较少。道路交通环境不仅是城市中PM2.5污染的典型微环境，同时又是人群受PM2.5污染暴露的微环境，日复一日的通勤出行使居民不可避免地受到交通环境中PM2.5污染的影响。此外，交通环境由于受到交通排放源的直接影响，PM2.5的浓度水平、化学组成等与城市的平均水平相比会有显著差异［2］。2012年，佛山市在全国最具有竞争力城市排名中位居地级市首位，机动车保有量已突破100万辆。因此，研究佛山市交通环境中PM2.5的污染特征具有重要意义。

1　实验与方法

1.1采样点的设置

禅城区是广东省佛山市的中心城区。对采样道路的选择，主要考虑了道路的车流量、平均车速、车型分布和路面情况。经现场调研，最终选定季华路（主干道）、同济路（次干道）和华远西路（支路）作为采样道路，各采样点道路的路面及交通车流量情况如表1所示。

表1　采样点道路及车流量情况

1.2样品采集

PM2.5样品采集于2013年1、4、7和9月，采样期间降雨较少，最低温度14℃，最高温度31℃，相对湿度介于64％～89％之间，风向4月和7月偏南，1月和9月偏北，风速介于1～4 m/s之间。采样方式为24 h连续采样；采样器为青岛崂山电子仪器公司的KC-120 H智能中流量采样器，配PM2.5采样头；采样高度1.5 m，距道路边缘1 m；采样流量为100 L/min。采样滤膜直径为90 mm的石英滤膜。滤膜采样前后均恒温恒湿24 h，并用万分之一的精密电子天平进行称重，前后重量相减即为采样重量。

1.3样品分析

1.3.1重金属元素分析

将1/4样品滤膜置于Teflon分析管中，并添加3 mL重蒸过的浓硝酸和1 mL重蒸过的浓盐酸。然后将分析管放入微波消解仪中消解48 min，消解后的溶液用去离子水定容到10 mL，使用美国安捷伦科技公司的7700型ICP-MS对溶液中的金属元素进行分析。此次分析的金属元素包括Mg、Al、Ca、Zn、Fe、Pb、Cr、Cd、Ni、Mn、V、As，共12种。

1.3.2水溶性离子分析

将1/4样品滤膜放入10 mL试管中，加入5 mL去离子水使之完全淹没，超声波振荡20 min后，提取液用0.45 μm微孔滤膜过滤。重复上述步骤1次，将2次滤液收集后合并在一起，使用瑞士万通公司的761型离子色谱仪进行分析，同时进行空白膜实验。此次分析的阳离子有Mg2+、NH4+、Ca2+、K+、Na+，阴离子有SO42-、NO3-、Cl-、F-，共9种离子。

2　结果和讨论

2.1PM2.5质量浓度水平

通过在3个采样点的采样分析，得到佛山城区交通环境PM2.5的浓度（标准状态下体积浓度，本研究中所有浓度数据均已换算成标准状态下体积浓度，以下同）。同时，从佛山禅城区环境监测站获得采样期间城区PM2.5的平均浓度，以作比较。其数据和统计结果如表2所示。

表2　佛山市交通环境PM2.5监测数据μg/m3

由表2可知，各交通环境采样点的PM2.5日均浓度由大到小依次为：季华路（主干道）、同济路（次干道）、华远西路（支路），与其车流量的变化趋势一致。佛山市城区交通环境的PM2.5浓度水平明显高于同期城区水平。采用SPSS19.0分析车流量和PM2.5浓度之间的相关性，分析结果如表3所示。由表3可知，3个交通环境采样点的PM2.5浓度和车流量之间的相关系数均较高，说明交通环境的PM2.5浓度和车流量之间具有显著的正相关关系。

表3　各交通环境车流量和PM2.5浓度之间的相关性

2.2PM2.5中金属元素分析

2.2.1金属元素组成特征

表4为季华路、同济路、华远西路3个采样点大气PM2.5中各金属元素的质量浓度分布。由表4可知，季华路、同济路和华远西路PM2.5中12种金属元素的浓度总量占PM2.5质量的比重分别为4.4％、5.3％和6.1％。3个采样点检出金属元素中含量较高的是Fe、Al、Ca、Mg，其次是Zn和Pb。

表4　各交通环境PM2.5中金属元素的质量浓度均值ng/m3

不同道路环境PM2.5中Al、Ca、Mg、Zn、Pb元素的浓度由大到小依次为：季华路、同济路、华远西路。分析其原因可知，3个采样点都在同一区域，气象条件基本一致，故金属元素浓度在各采样点的差异主要与污染源的贡献差异有关。Zn和Pb元素主要来源于机动车尾气排放，说明机动车尾气排放对各交通环境采样点的贡献由大到小依次为：季华路、同济路、华远西路。Mg、Al、Ca等金属元素是典型的地壳元素，推测道路扬尘对其有直接影响，并且道路扬尘污染由大到小依次为：季华路、同济路、华远西路，这不仅与3条道路的车流量变化趋势一致，同时与平均车速和车型分布中大型车所占比重的变化趋势一致。刘泽常等［3］通过对济南市的道路分类优化布点、样品采集、实地观测和计算分析，发现不同道路类型中，在路面粉尘负荷相同的情况下，车流量、平均车重和车速越大，道路扬尘排放因子越大。本研究中，3条道路都是沥青路面，且每天都有清洁车和环卫工人定时清扫，路面粉尘负荷差别不大，本次研究结果与之相符。Ni、Cr、Cd、As、Mn等元素的浓度在各交通环境采样点差异不大，并且无明显变化规律，说明其受机动车尾气排放等因素的影响较小。

2.2.2富集因子分析

富集因子是用于定量评价污染程度与污染来源的重要指标。选择一定的参考系统下的某一元素作为参比元素，试样中污染元素的质量浓度与参比元素质量浓度的比值除以参比系统中二者的质量平均含量比值的比率即为富集因子（EF）。EF越大，富集程度就越高，说明人为源的贡献越大。通常以EF是否大于10判断人为源是否对i元素有显著贡献［4-5］。当某种元素的富集因子小于10时，则可认为相对地壳而言没有富集，i元素主要由进入大气中的土壤或岩石风化的尘埃形成［6］；当富集因子大于10时，人为源对i元素具有显著的贡献。本研究选择Fe作为参比元素，计算结果如表5所示。

表5　佛山市城区交通环境PM2.5中各金属元素的富集因子

由表5可知，佛山市城区交通环境PM2.5中金属元素的EF值处在0.7～2 995.4之间。Mg、Al、V、Ca在各交通环境采样点的富集因子均小于10，表明这些元素主要受土壤扬尘等自然源的影响，人类活动污染对其影响较小。Cr、Ni、Zn、As、Pb、Cd在各交通环境采样点的富集因子均大于10，其中尤以Cd、Zn、Pb、As的富集因子较高，说明佛山市城区交通环境人为污染较严重的元素为Cd、Zn、Pb、As。Pb和Zn等主要来源于机动车排放源的元素富集因子季华路最高，这与季华路的交通污染源状况相符。华远西路Cd、Cr等主要来源于工业排放等其他污染源的元素，富集因子均高出其余2个采样点，这可能与华远西路特殊的峡谷街道环境有关，容易造成重金属元素的集聚。

2.3PM2.5中水溶性离子分析

图1为采样期间交通环境采样点各水溶性离子平均浓度分布。由图1可知，采样期间SO42-、NO3-和NH4+是交通环境最主要的水溶性离子，3种离子平均质量浓度的总和在水溶性离子总浓度中所占的比重，季华路为82.4％、同济路为82.5％、华远西路为82.3％。其次是Ca2+和Cl-，季华路、同济路和华远西路的二者浓度之和分别占到水溶性离子总浓度的9.4％、11.1％和8.9％。

采用SPSS统计软件中K个独立样本的佚和检验，对3个交通环境采样点各水溶性离子的平均浓度分别进行比较，结果如表6所示。由表6可知，采样期间3个交通环境采样点各水溶性离子的渐进显著性均大于0.01，差异无统计学意义。另外，采样期间水溶性离子在各交通环境采样点之间的浓度变化也没有明显规律。

表6　采样期间3个交通环境采样点各水溶性离子平均浓度的比较

3　结论

（1）佛山市城区交通环境的PM2.5浓度水平明显高于同期城区平均水平，且PM2.5浓度和车流量之间具有显著的正相关关系。

（2）金属元素中含量较高的是Fe、Al、Ca、Mg，其次是Zn和Pb。不同交通环境PM2.5中Al、Ca、Mg、Zn、Pb元素的浓度由大到小均依次为：季华路、同济路、华远西路，这主要与各采样点交通污染源的贡献差异有关。富集因子分析表明佛山市城区交通环境人为污染最严重的元素为Cd、Zn、Pb、As。

（3）采样期间SO42-、NO3-和NH4+是交通环境最主要的水溶性离子。经统计分析可知不同交通环境中各水溶性离子的浓度差异无统计学意义，变化也无明显规律。

［1］刘岩磊,孙岚,张英鸽,等.粒径小于2.5微米可吸入颗粒物的危害［J］.国际药学研究杂志,2011,38（6）:428-431.

［2］陈治宇,陈士明,周鹏,等.佛山市城区道路环境大气颗粒物中水溶性无机离子分析［J］.环境化学,2013,32（12）: 2404-2405.

［3］刘泽常,张猛,郝长瑞,等.济南市道路扬尘排放因子估算及其影响因素研究［J］.环境科学与技术,2012,35（1）: 150-154.

［4］于令达,王广浦,朱光华,等.2008年北京采暖开始前后大气颗粒物区域污染特征［J］.环境科学学报,2010,30（1）: 204-210.

［5］冯茜丹,党志,黄伟林.广州市秋季PM2.5中重金属的污染水平与化学形态分析［J］.环境科学,2008,29（3）:569-575.

［6］赵晴,贺克斌,马永亮，等.北京及周边地区夏季大气颗粒物区域污染特征［J］.环境科学,2009,30（7）:1873-1880.

【责任编辑：任小平renxp90@163.com】

Pollution analyse on metal and water-soluble ions of PM2.5in road environment of Foshan city

CHENShi-ming1，HUTian-zhen2，LIUJian-chang2，ZHOUPeng2，CHENZhi-yu1，3

（1.Department ofEnvironmental Engineering，Foshan University，Foshan 528000，China；2.Environmental Monitoring Station of Chancheng，Foshan 528000，China；3.College of Environmental and Energy，South China University of Technology，Guangzhou 510006，China）

On the side of representative Jihua road(main road)，Tongji road(secondary main road)，Huayuanxi road(branch)in Foshan city,PM2.5samples were collected.And 12 kinds of metal elements and 9 kinds of water-soluble ions in PM2.5have been analyzied.Results showed that the daily average concentration of PM2.5in traffic environment ofFoshan citywere in order:Jihua road(173.3 μg/m3),Tongji road(141.2 μg/m3),Huayuanxi road(126.0 μg/m3),had a significant positive correlation with traffic and were higher than the daily average concentration of PM2.5in urban 64.5 μg/m3.The contents of Fe、Al、Ca、Mgwere higher,followed byZn and Pb in three sampling points.These metals concentrations in each traffic environment were tested highest in Jihua road, followed by Tongji road and Huayuanxi road.The analysis of enrichment factor showed that the pollution of Cd, Zn,Pb,As were the most serious from man-made source.During sampling,SO42-,NO3-and NH4+were the main water-soluble ions ofroad environment.

PM2.5;metal;water-soluble ions

X51

A

1008-0171（2015）02-0042-05

2014-09-12

佛山科技发展专项资金资助项目（2012AA100381）

陈士明（1962-），男，浙江宁波人，佛山科学技术学院教授。