甘河工业园区环境空气重金属分布特征研究

王海波,王小蓉, 杨　震, 吴平霄

(1 广东中联兴环保科技有限公司,广东　广州　510335；2 华南理工大学环境与能源学院，广东　广州　510006)



甘河工业园区环境空气重金属分布特征研究

王海波1,王小蓉1, 杨震1, 吴平霄2

(1 广东中联兴环保科技有限公司,广东广州510335；2 华南理工大学环境与能源学院，广东广州510006)

以西宁市甘河工业园区管委会设置监测点，以监测点所采集大气颗粒物为样本，以大气可吸入颗粒物(PM2.5)为主要研究对象，系统地研究了该区域大气颗粒物的时间分布污染特征和重金属的相关性。通过运用数据库、EXCEL、SPSS等软件并通过对比《国家空气质量标准》(GB3095-2012)和加拿大相关标准表明砷和铅可能存在污染情况，进行相关分析，结果表明砷、铅和锌存在较高相关性。

大气污染；重金属；可吸入颗粒物

根据国内外主要的大气颗粒物排放源分类[1-2]，将城市大气颗粒物排放源分为四类：道路交通源、煤烟源、土壤源和建筑源：(l)交通尘源类：汽油和柴油车排放的尾气中含有的油烟飞灰，车辆对道路碾压而扬起扩散到空气中的尘；(2)煤烟尘源类：区域内主要的工业锅炉、电厂锅炉及其他燃煤锅炉从烟囱排放的飞灰；(3)土壤尘源类：由于自然力的作用把地面、干枯的河道等扩散到空气中的尘称为土壤风沙尘；(4)建筑尘源类：建筑工地施工排放的以水泥灰为主的建筑施工材料飞灰，建筑材料堆放场的扬尘等。

大气中重金属元素有自然来源和人为来源。自然来源包括风尘颗粒、火山灰颗粒、森林大火、海水盐粒以及生物来源。人为来源一般包括人类通过各种途径向大气中所排放的气体污染物，如：化石燃料燃烧(V、Ni、Hg、Se、Sn)、汽车尾气(Pb)、杀虫剂(As)、钢铁厂废气(Mn、Cr)、冶炼厂废气(As、Cu、Zn)等，而Pb是大气中主要的重金属污染物[3]。采矿、燃煤、工业废水和固体废弃物等是重金属的重要来源。煤燃烧可能导致Cd、Hg、Mn、Ni、Al、Fe和Ti释放到土壤环境中[4]，通过研究区域污染源的调查，将所研究的重金属元素确定为：Pb、Zn、As。

1　研究区域环境背景调查及样品采集

甘河工业园于2002年7月由青海省政府批准设立。规划面积10平方公里。2006年，为了理顺西宁地区工业园区管理体制，更好的发挥西宁经济技术开发区的优势，省政府从有利于加快西宁地区工业园区建设发展出发，按照一区多园的方式对现有西宁地区工业园区进行整合，调整成立了新的西宁经济技术开发区管委会，负责对西宁地区各工业园区进行管理。甘河工业园区是青海省重点建设的工业园区之一，发展定位为：依托青海丰富的电力和矿产资源，重点发展铝、铜、铅、锌、钠、硅、稀有金属以及电石、PVC、烧碱、化肥等高载能、多金属冶炼及其下游产品精深加工产业，通过几年的努力，实现工业与资源环境的协调发展，力争把甘河工业园区建成为我国重要的有色金属原料和加工基地。

1.1地理位置、地形地貌及园区简介

甘河工业园区位于西宁市西南、湟中县鲁沙尔镇西端，湟水河支流甘河谷内，区域河谷地形呈带状，大致南北走向，南高北低势，甘河由南向北纵贯全境，并与东、西两山构成区域地形骨架，呈现出典型的河谷地貌。距离西宁市35 km、湟中县城6 km。

由于甘河工业园区处于甘河滩河谷地带，东西两侧分布着山，导致地形是影响地面风场的重要因素，通过比较湟中县气象局的资料和甘河工业园区实测的资料比较发现，园区的实际情况与县气象局测得的数据不完全一致。园区北/中部全年近地层主导风向以SES风为主，频率为20.8%；其次为NWN风，频率为10.5%，其余各风向均有出现。中/南部因受高差50 m左右的山脉阻挡，北风频率较小，冬季W风为主导风向，其次是S风和E风，夏季以E分为主，其次是W、S、SE风，全年内以E风为主导风向，W风为次主导风向。在山脉丘陵的屏障作用下，甘河工业园区的平均风速较小，园区近地层1.9 m/s 以下风速段频率很高。

青海甘河工业园区内企业有西部矿业有限责任公司下属的百河铝业公司、青海锌冶炼分公司、西部化肥有限责任公司、西部锌业公司、西部铝业公司、西部钢厂、湟水水泥和县属金塔酒业等17家具有一定规模的生产企业，已初步形成了冶金、化工、建材为支柱的三大工业体系。目前，园区内已初步形成了以铝、铅、锌等有色金属冶炼为主体的产业，建成投产的企业有西部矿业11.3万吨电解铝、5万吨电解铅、8万吨电解锌、12万吨炭素、12万吨化肥、20万吨水泥等27家企业。

1.2样品采集

(1)采样时间

采样的时间一般取决于采集的样品量最低满足测量元素的检出限要求不同的分析方法，元素的检出限不一样因此采样时间应该根据所用的元素分析方法的检出限和仪器的采样效率来确定[5]。采样时间为2016年1月5日-2016年3月5日,采样期间天气均为晴天,平均温度为-4.38 ℃ (-16～-5 ℃),平均风力小于三级。

(2)采样仪器

本次研究结合试验设施条件，参考国家环境空气质量标准[6]、加拿大相关标准[7]和相关金属的测试标准选择连续监测法，根据对研究区域分析，在甘河管委会建立监测子站，监测仪器为江苏天瑞EHM-X200大气重金属在线分析仪，主要监测元素：铅、铜、锌、锰、铬、砷等三十多种重金属元素；测量范围：0～100 μg/m3；采样流量：0～20 L/min可调节；仪器技术要求和监测使用满足国家标准[8]。并连续监测60天，同时进行气象参数监测。

环境空气采样点的选择除了依据主导风向外，更多考虑了本研究点的特殊性，选择了位于甘河工业园东区甘河管委会里进行采样，设备为天瑞EHM-X200大气重金属在线分析仪。

图1　采样布点

2　分析结果

分析数据的平均值采用数学平均值表示，统计分析采用Excel和Spss软件完成。在粒径上，很多研究均认为较小颗粒物中含有更高含量的重金属，重金属在PM2.5中含量要比在PM10中的含量要高，而在PM2.5中，这些重金属元素的富集系数甚至达到百倍至数千倍[9]。各种工业活动所释放重金属见表1[10]。

表1　各种工业活动所释放重金属

注：√ 表示该工业活动会释放此种重金属元素。

大气颗粒物质量浓度采用β射线法测定，其中在2016年1月5日-3月5日在管委会监测点采集所采大气颗粒物浓度数据见图2。

图2　大气颗粒物浓度

PM2.5在1月15日和1月26日有明显峰值，浓度分别为277.5 μg/m3和178.6 μg/m3，从2月6日之后日均值出现明显回落。若参考GB3095-2012浓度限值二级标准日均值75 μg/m3，则所测期间超标率为50%，最大超标倍数为3.7。

PM2.5在1月15日和1月26日有明显峰值，白天浓度明显高于夜间浓度，在不考虑其它影响因素的条件下，污染源强是导致大气颗粒物浓度增大的原因，符合园区工厂活动规律。从2月6日之后日均值出现明显回落，且昼夜均值基本相同，可能为春节假期导致工厂未完全开工所致。则所测期间白天超标率为47.5%，最大超标倍数为5.95。夜间超标率为33.9%，最大超标倍数为2.33。

2.1大气颗粒物中三种重金属质量浓度的昼夜分布

各采样点元素铅(Pb)、砷(As)和锌(Zn)的昼夜浓度分析如图3所示，三种元素均为白天浓度明显高于夜间浓度，2月20日均有明显峰值，锌(Zn)浓度值数量级明显高于其他两种元素，结合当地园区生产状况，可能为某些锌矿企业生产所致。由于国家对气体重金属日均值、时均值标准缺失，只能暂时选用中国(TJ36-79)居住区大气中有害物质的最高允许浓度0.7 μg/m3(日均值)，2月21日发生超标情况。以加拿大AAQC 0.5 μg/m3(日均值)为标准时，则有三天超标。砷(As)以加拿大AAQC 0.3 μg/m3(日均值)为标准时，则有三天超标。锌(Zn)以加拿大AAQC 120 μg/m3(日均值)为标准时，无超标情况。

图3　大气颗粒物重金属浓度

2.2大气颗粒物中三种重金属质量浓度相关分析

由于本研究区域内工业区特殊工艺等可能对周边环境空气中监测因子含量有一定影响,因此将空气中监测因子数据进行相关性分析，结果如表2所示，可以发现三种元素具有显著相关性，因此可以在一定程度上说明可能为某种企业特殊工艺导致，同时发现白天三种元素相关性好于夜间，白天锌和砷的相关性最好，夜晚则是铅和砷的相关性最好。

表2　三种元素相关性分析

3　结　论

(1)在对甘河工业园区区域环境背景调查的基础上，结合试验条件，通过布点、采样、监测试验和统计分析，确定了甘河工业园区大气颗粒物的质量浓度时间分布特征。指出PM2.5大气颗粒物污染白天比夜晚高。

(2)大气颗粒物三种元素质量浓度的昼夜分布均为白天比夜晚高，其中铅和砷可能在当地有污染情况。

(3)大气颗粒物质量浓度相关分析三种元素均互有正向高相关，白天三种元素相关性优于夜间，白天锌和砷的相关性最好，夜晚则是铅和砷的相关性最好。

[1]贺斌,张志军.大气颗粒物组分分析[J].辽宁城乡环境科技,2005,25(l):14-15.

[2]孙伶俐.武汉理工大学南校区TSP源解析研究[D].武汉:武汉理工大学资源与环境工程学院,2005.

[3]Verkleji. J A S. The effects of heavy metals stress on higher plants and their use as biomonitors. In:Markert B (ed) Plant as bioindicators：indicators of heavy metals in the terrestrial environment[J].New York:VCH,1993:415-424.

[4]Moha Tnmed A S, Kapri A, Goel R. Heavy metal pollution: source, impact and remedies[J].Environmental Pollution, 2011,20:1228.

[5]陶俊.重庆市大气总悬浮颗粒物污染特征及来源解析[D].重庆:重庆人学城市建设与环境工程学院,2003.

[6]环境保护部,国家质量监督检验检疫总局.GB3095-2012.环境空气质量标准[S].

[7]Standards development branch ontario ministry of the environment .PIBS # 6570e01.ontario’s ambient air quality criteria[S].

[8]环境保护部.HJ653-2013.环境空气颗粒物(PM10和PM2.5)连续自动监测系统技术要求及检测方法[S].

[9]Cyrys J,Stolzel M,Heinrich J, et al. Elemental composition and sources of fine and ultrafineambient particles in Erfiirt, Germany [J]. Science of the Total Environment, 2003,305(1-3):143.

[10]Nagajyoti P C,Lee K D, Sreekanth T V M. Heavy metals, occurrence and toxicity for plants:a review[J]. Environmental Chemistry Letters, 2010,8:199-216.

Environmental Air Distribution Characteristics of Heavy Metals in Gan River Industrial Park

WANGHai-bo1,WANGXiao-rong1,YANGZhen1,WUPing-xiao2

(1 Guangdong Sino-co-flourish Environmental Protection Technology Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510335;2 College of Environment and Energy, South China University of Technology, Guangdong Guangzhou 510006, China)

Xining City, Gan River Industrial Park Administrative Committee set up monitoring stations to monitor atmospheric particulate matter collected points for the samples to inhalable particulate matter (PM2.5), taking this as the main object of study, time in the region of atmospheric particulate matter distribution, characteristics and correlation of heavy metal pollution was systematic studied. Through the use of databases, EXCEL, SPSS software and by comparing the National Air Quality Standards (GB3095-2012) and Canadian standards may indicate the presence of arsenic and lead pollution, correlation analysis, the results showed that arsenic, lead and zinc, there was a higher correlation.

atmospheric; pollution; heavy metals; particulate matter

王海波(1972-)，男，工程师，硕士，主要从事环境应急领域研究。

X507

B

1001-9677(2016)012-0143-03