石家庄市PM2.5工业源成分谱的建立及分析

齐　堃，戴春岭，冯　媛，杨丽丽

(石家庄市环境监测中心，河北石家庄　050022)



石家庄市PM2.5工业源成分谱的建立及分析

齐堃，戴春岭，冯媛，杨丽丽

(石家庄市环境监测中心，河北石家庄050022)

摘要：石家庄大气污染严重，尤其是PM2.5浓度经常居高不下。为更加有效地降低PM2.5的浓度，需要对石家庄市PM2.5的来源进行精确解析。为了更加精确地进行源解析工作，需要以本地排放源的成分谱作为输入参数，目前关于石家庄市PM2.5工业源谱的研究还未见有文献报道。选取石家庄市具有代表性的若干工业，借助各种先进分析测试手段，深入细致地分析了石家庄市PM2.5的工业源谱，对于研究石家庄市PM2.5源解析具有很大的参考价值。研究发现：电力行业源谱中的Al可作为电力行业燃煤源标志性化学组分，且含量高于其他城市数据，是石家庄市电力行业源谱的显著特点；在钢铁行业源谱中，Fe和Ca的含量明显区别于电力行业源谱，可作为石家庄市钢铁行业源谱的标志性化学组分。

关键词：区域环境学；石家庄市； PM2.5；工业源谱；化学质量平衡模型

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齐堃，戴春岭，冯媛，等.石家庄市PM2.5工业源成分谱的建立及分析 [J].河北工业科技,2015,32(1):78-84.

QI Kun, DAI Chunling, FENG Yuan,et al.Establishment and analysis of PM2.5industrial source profiles in Shijiazhuang City[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2015,32(1):78-84.

根据现行的《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)，PM2.5已经作为常规的监测项目由相关部门向社会实时发布其监测数据，但进一步制定有针对性的法律法规，实施具体的治理措施，就需要弄清PM2.5的污染来源及其贡献。源解析技术是指对大气颗粒物的来源进行定性或定量研究的技术。石家庄市开展的PM2.5源解析工作所使用的是受体模型中的化学质量平衡模型(CMB)，该模型需要本地排放源的成分谱作为基本输入参数。排放源的成分谱就是排放源中各种化学组分的含量，不同排放源成分谱的差异是应用CMB进行源解析的基础。目前，中国PM2.5的源解析工作还处于起步阶段，本土源谱数量较少，且研究分布地区较为有限[1-6]。若在源解析工作中借鉴外来源谱，由于地域和建立方法的差异，即便是相同源类也存在很大的不同，简单借鉴使用会对源解析结果的准确性造成影响。因此，建立并完善本地源谱是源解析工作的迫切需求。

石家庄市处于京津冀地区，是中国大气污染较为严重的地区，因此开展PM2.5源解析工作具有很强的代表性，而工业源谱是源解析工作中的重要一环。目前中国源解析工作使用的采样及分析方法尚无统一标准，不同的工况条件和燃料成分也会对最终结果造成影响，不同研究机构所建立的源谱结果存在一定差异，工业源谱的建立工作是一项不确定性和难度均较高的研究工作[7-14]。笔者通过研究，建立了石家庄市包括电力行业和钢铁行业的工业源谱，分析了源谱的行业特征，并与国内外其他城市的源谱进行了比对，找出了石家庄市同类源谱的特点，为进一步深入开展石家庄市PM2.5研究工作奠定了基础。

1研究方法

1.1　排放源选择及样品采集

通过深入调查石家庄市的自然环境、经济社会、能源结构、城市建设、工业现状及对2009年—2013年大气环境质量和污染问题进行分析，确定工业源为石家庄市PM2.5的主要污染源之一。根据石家庄污染源普查及2009年—2013年污染源监控监测情况，选取主要的工业源包括电力行业7家企业、钢铁行业2家企业，结合具体情况确定采样点位，详细情况见表1。样品采集时根据滤膜本身的特性和采样后用于化学分析的需要来确定滤膜材质，本课题使用直径47 mm的2种膜，分别为聚丙烯滤膜和石英滤膜。

表1　采样点位具体信息

1.2　样品分析

滤膜样品采用十万分之一的天平(Mettler Toledo XS105型)进行质量称重，采用离子色谱仪(Dionex ICS-2000离子色谱仪，Dionex 600离子色谱仪)进行水溶性离子分析，采用电感耦合等离子体质谱仪(Agilent 7700X型)进行元素分析。石英滤膜样品采用碳分析仪(美国沙漠研究所DRI2001A型热/光碳分析仪)进行EC/OC分析。具体分析组分见表2。

表2　样品组分分析

1.3　质量保证和质量控制

采样前石英滤膜经过马弗炉高温灼烧，以去除滤膜上吸附的有机物。采样过程中确保工业设备处于正常稳定运行的状态。样品采集完毕后，滤膜均由单独膜盒盛放，石英滤膜由铝箔纸包好再放入膜盒内。聚丙烯滤膜称重后，于22 ℃恒温条件放入干燥器中保存；将石英滤膜称重后，于4 ℃冷藏避光保存。组分分析的标准曲线回归系数R为20.99，加标回收率大于85%。

2结果与讨论

2.1　石家庄市工业源中电力行业的源谱特征及比对

石家庄市电力行业7家企业的源谱特征见图1。

2.2　石家庄市工业源中钢铁行业的源谱特征及比对

2.3　石家庄市工业源中电力行业和钢铁行业的源谱比对

对比石家庄市工业源电力行业和钢铁行业PM2.5中化学组分的含量，可以看出2个行业的源谱有非常明显的区别，详细情况见表3。在高含量化学组分中，电力行业中Al的含量明显高于钢铁行业中的Al含量。Al是能区别煤烟尘与其他源类的重要组分，是煤烟尘的标志元素。而钢铁行业中，Fe和Ca的含量则明显比电力行业高。在钢铁行业中Fe的含量最高。对比电力行业，在列表中多出Mg，Mn，Zn这3种化学组分，与其工艺过程中使用废铁和铁水有关；Ca的含量较高，与其均采用石膏法脱硫有关；OC的含量也较高，与其工艺过程中的添加剂有关。

图1　石家庄市电力行业源谱特征Fig.1　Electric power industry source spectrum of Shijiazhuang City

图2　石家庄市钢铁行业源谱特征Fig.2　Iron and steel industry source spectrum of Shijiazhuang City

分析全部化学组分占PM2.5的含量，7家电力企业分别为45.40%，45.91%，46.30%，45.51%，42.41%，46.14%和41.01%，均值为44.67%；而5家钢铁企业则为63.90%，56.45%，64.92%，66.70%和55.27%，均值为61.45%。其中电力行业源谱解释普遍偏低，可能是由于电厂特殊工艺导致有较多特殊物质未包含在此次监测的化学组分项目中，今后还需要进行更深入的探索和研究。

2.4　石家庄市2种工业源谱与国内外工业源谱比对

通过比较不同地区同种类的工业源谱，可以发现不同研究得到的PM2.5源谱中主要化学组分和其所占比例存在较大差异，这其中除了地域差异、生产工艺和除尘方式的不同，还与源谱建立的方式、研究使用的采样方法、分析方法有关[15-19]。

表3　不同行业PM2.5源谱化学组分对比

表5比较了石家庄市钢铁行业源谱与其他地区钢铁源谱部分化学组分含量。不同地区钢铁行业PM2.5源谱中Fe的含量均为最高，但石家庄市相较于其他几个地区的Fe含量还是较低的，同时Zn和Cl-的含量较低。其他进行比对的化学组分含量均相近。

表4　不同地区燃煤源谱中主要化学组分在PM2.5中的质量分数

注：—表示无数据。

表5　不同地区钢铁相关源谱中主要化学组分在PM2.5中的质量分数

注：-表示无数据。

3结论

1)在石家庄市建立的PM2.5工业源谱中，电力行业源谱中Al含量较高，为(15.14%±1.05%)，使其不仅区别于石家庄市的钢铁行业源谱，同时也区别于中国其他地区的燃煤源谱，是十分重要的标志性化学组分。在后续工作中，需要对石家庄市电力企业的生产工艺和处理过程进行深入分析研究，找出Al含量偏高的具体原因。

2)钢铁行业源谱中，Fe含量为(26.19%±6.12%)，贡献最大，Ca含量也较高，达到(8.95%±5.97%)，使其明显区别于电力行业源谱，是石家庄钢铁行业源谱的标志性化学组分。通过研究发现，烧结源谱与高炉、转炉源谱均不同，其化学组分中Si的含量(29.44%)远高于Fe的含量(17.16%)；而高炉和转炉源谱中，Si的含量均值为13.65%，表明烧结源与其他典型的钢铁炉窑排放具有各自特性，可为源解析提供典型的不同来源源谱。

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Establishment and analysis of PM2.5industrial source

profiles in Shijiazhuang City

QI Kun, DAI Chunling, FENG Yuan, YANG Lili

(Shijiazhuang Environmental Monitoring Center, Shijiazhuang， Hebei 050022, China)

Abstract:The air pollution in Shijiazhuang City is serious; especially the PM2.5concentration is often high. Accurate source apportionment for PM2.5in Shijiazhuang City is needed in order to decrease the concentration of PM2.5more effectively. CMB model which requires local source profile as an input parameter is used for the source apportionment. There is no research on the industrial source profile of PM2.5in Shijiazhuang City in current research. Several typical industries are selected in this paper for the in-depth analysis of PM2.5source profile with advanced analysis methods. It has a great reference value for the PM2.5source apportionment of pollution in Shijiazhuang City. The results show that Al could be used as the identification components for power industry in Shijiazhuang City in which the concentration is higher than in the other cities. It is a remarkable characteristic for the source profile of power industry in Shijiazhuang City. In the steel industry source profile, the concentrations of Fe and Ca are significantly different from the source profile of power industry, and they can be used as the identification components for steel industry.

Keywords:regional environics; Shijiazhuang City; PM2.5; industrial source profiles; CMB

作者简介：齐堃(1984—)，男，河北石家庄人，工程师，主要从事环境监测方面的研究。

基金项目：河北省科技支撑计划项目(13273702D)

收稿日期：2014-05-05;修回日期：2014-08-19；责任编辑：张士莹

中图分类号：X513

文献标志码：A

doi:10.7535/hbgykj.2015yx01014

文章编号：1008-1534(2015)01-0078-07