开封市大气颗粒物来源解析研究

白冰

摘要：采用颗粒物源解析技术，对开封市环境空气颗粒物的来源进行了分析，利用一年时间，分三次采集环境受体样品两种，采集各种污染源类尘六类。通过对源和受体样品的无机元素分析、离子分析和碳分析，得出了源与受体成分谱，将其带入CMB模型进行计算，取得了全市大气颗粒物时间与空间分布特征，并给出了结论：颗粒物主要来源为城市扬尘、煤烟尘、建筑尘、土壤风沙尘、机动车尾气尘和二次扬尘。

关键词：大气颗粒物；环境空气；源解析；排放源

中图分类号：X513

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）18014804

1引言

颗粒物是我国城市大气环境的首要污染物＼[1，2＼]。PM10和PM2.5能长期悬浮在空气中，对人体健康产生很大的威胁＼[3＼]。动力学直径10 μm以下的可进入鼻腔，7 μm以下的可进入咽喉，小于2.5 μm的则可深入肺泡＼[4＼]。要从根本上治理颗粒物污染，必须弄清其污染来源及成因。开封市环境空气中，PM10年平均浓度值超过国家《环境空气质量标准》（GB3095—2012）中的二级标准（100 μg/m3），超标率多在30%左右。二氧化硫达到国家二级标准、二氧化氮达标率95%以上。可见，环境空气主要污染因子是颗粒物＼[5＼]。研究表明，目前，全国这类研究进展很快，并顺利运用于环境管理，為找出颗粒物主要污染来源，开封市环境保护局开展了开封市大气颗粒物来源解析研究。

2研究方法及实验部分

2.1颗粒物来源解析基本理论——受体模型（CMB）概述

假设对受体中的大气颗粒物有贡献的源类有N类，并且各类源排放的颗粒物化学组成有明显区别；各类源排放的颗粒物化学组成相对稳定；各类源排放的颗粒物相互之间没有作用，传输过程中的变化可以忽略。那么，受体上测量的总物质浓度C，就是N类源贡献浓度值的线性加和＼[6＼]。

2.2源与受体样品采集与分析

2.2.1大气颗粒物排放源类的识别和分类

排放源的识别：CMB模型的输入参数是各种源类和受体颗粒物的成分谱，为了获得该参数，首先要对大气颗粒物的排放源类进行识别，为建立各类源的成分谱奠定基础，为此本次研究进行了深入的污染源类的调查与识别。本研究识别的污染源主要分以下几类：土壤风沙尘 、燃煤飞灰 、机动车尾气油烟飞灰 、建筑水泥尘 、扬尘等＼[7＼]。

排放源的分类：为管理上的方便，把某类属性相近的源类综合归类为：单一尘源类如：土壤风沙尘、燃煤飞灰、汽车尾气等；混合尘源类如：扬尘、城市外来尘、城市内产尘；固定的有组织排放源类、开放无组织排放源类等。根据对开封市大气颗粒物排放源类的调查，确定开封市大气颗粒物源类分类符合上述分类情况。

2.2.2排放源类样品的采集

在城市四郊的东、南、西、北各方向，城市主导风向的上、下风向和黄河沙滩上，采集裸露的表层土、深层土各一个样品，共计14个样品，作为土壤风沙尘样品；选择不同吨位，不同燃烧方式，不同除尘方式的烧煤或烧油的炉窑（包括火电厂锅炉和一般工业锅炉）几台，采集除尘器除下来的灰和 10吨位工业炉窑烟道内的飞灰，共计7个样品，作为燃煤飞灰样品；在高度为5～15 m的建筑物窗台或平台上，避免人为源的干扰，采集较长时间未打扫的尘土，共计11个样品，作为扬尘样品；采集纯水泥样品2种；采集施工建筑尘6个，作为建筑水泥尘样品；分别取主干道、次干道、支路各3条，每条路上采集3个混合样品，作为道路尘样品。开封市各个源样品采集5种53个。

机动车尾气尘：各地的尾气尘成分谱一致，本研究采样杭州市尾气尘成分谱＼[8＼]。

2.2.3环境样品的采集

根据开封市具体情况，选取2月、4月、9月，共分3次，采样时间分别为7 d，每天24 h。开封市采暖季从每年的12月到次年的2月，非采暖季从3月到11月，受体采样周期设置在采暖季、非采暖季。同时，考虑到植被覆盖情况影响，在非采暖季进行了二次采样。

开封市有4个环境空气常规监测点，是经过优化布点并通过环保部验收的国控点位，选择4个点作为源解析的受体监测点。结合空间分布等又增设了一个受体采样点：北郊变电站，具体点位见表1。

受体采样在非采暖季、采暖季和风沙季均设5个点位，采样情况见表2。

2.2.4采样仪器及滤膜的选择

采用武汉天虹仪器厂生产的TH-150型中流量采样器，用聚丙烯（有机）滤膜采集尘样，供无机元素实验室分析使用；用石英（无机）滤膜采集样品，供碳、离子和有机物组分实验室分析使用＼[9＼]。

2.2.5源与受体样品成分分析方法

无机元素分析：采用日本理学株式会社的3080E2型X射线荧光光谱分析仪，分析Na、Mg、Al等19种元素。

离子分析：用英国戴尔公司的DX-120 型离子色谱仪对样品中的Cl-、NO-3、SO2-4进行定量分析。

碳分析：使用国土资源部的SMT-2型热解碳分析仪，分析TC和OC。

3源与受体成分谱测量结果分析

3.1源成分谱分析

3.1.1源成分谱组成

大气颗粒物各排放源类成分谱之间的差异主要体现在谱的组成、含量范围、特征元素等方面。本章将就上述问题对主要源类的成分谱特征进行研究。由3部分组成：①化学元素谱：Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb，共计19种；②碳组分谱：TC、OC，共计2种；③离子谱：SO2-4、NO-3、Cl-，共计3种。

3.1.2源成分谱中化学组分含量特征分析

各源类成分谱中的化学组分含量水平及组成特征如表3所示。从表3中可知：除机动车尾气以外，其他5种源类的细颗粒中元素的含量和的范围在30%～64%，总碳的含量范围在0～21%，离子和的范围在0～3%。机动车尾气尘中元素和的含量仅占4%，离子和占5%，总碳则占到90%左右。表中“元素和”指被测的19种元素在样品中的百分含量之和；“离子和”指被测的3种离子在样品中的百分含量之和；“总碳”指被测的总碳组分在样品中的百分含量；“总和”指“元素和”、“离子和”与“总碳”三者之和。endprint

3.1.3源成分谱特征元素分析

源成分谱的特征元素是某源类区别于其它源类的重要标志。一般有几个特点：首先，某源类的特征元素，一般来说在该源类中的含量比在其它源类中的含量要高几倍到几十倍；其次，特征元素的化学性质最稳定，在迁移扩散过程中不易发生化学变化；再次，特征元素的标准偏差较小。大气颗粒物各排放源类的特征元素见表4。

3.2.1监测浓度的时间分布特征分析

本研究在开封市北郊变电站、柴油机厂、旅游品商场、纱厂、气象台等5个点位设立大气颗粒物采样点，于风沙季（4月）、非采暖季（9月）和采暖季（2月），采集PM10受体样品，分别代表开封市风沙季、非采暖季和采暖季的颗粒物污染情况，年均数据由三季数据加权而得，结果见表5。

根据监测结果可知，从全市平均来看，颗粒物污染的时间分布特点为：采暖季污染最重，风沙季次之，非采暖季最轻，PM10年均值处于超标状态。

3.2.2化学组成特征分析

开封市环境空气中PM10的成份谱也由3部分组成：①无机化学元素谱：Na、Mg、Al、Si 、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb，共计19种；②碳组分谱：TC、OC，共计2种；③离子谱：SO2-4、NO-3、Cl-，共计3种。

3.2.3各类源特征元素在受体样品中含量特征

Al、Si、Ca、TC是各单一源类成份谱的特征元素，在受体中浓度和含量水平如表6所示。

3.3源贡献值和分担率特征讨论

3.3.1二次颗粒物源解析

二次颗粒物是指受体中由气态污染物转化成的颗粒物，大气中的二次粒子主要由环境空气中气态的硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）、氯化物（HCl）和含碳化合物经一定的光化学氧化反应所生成。

3.3.2源贡献值和分担率结果

源贡献值解析结果：将选择好的源类和受体的成分谱代入CMB模型进行计算，得到各源类对受体的贡献值和分担率，称为“二重源解析”技术。考虑扬尘情况，利用“二重源解析技术” 得到开封市扬尘和各单一尘源类对PM10的贡献值，列于表7。

3.3.3源贡献值和分担率特征分析

时间变化规律分析：源解析结果表明，对PM10影响最大的源类仍然是扬尘，风沙季的分擔率最高（52.22%），年分担率为25.71%。第二位的源类是煤烟尘，采暖季的分担率最高（30.26%），年分担率为23.84%。硫酸盐非采暖季的分担率最高（13.14%），年分担率为10.96%。硝酸盐的季节变化采暖季的分担率最高（10.61%），年分担率为8.15%。汽车尾气尘、建筑尘，这两种源类的分担率基本相当，各季及全年分担率都在6%～11%。

空间变化规律分析：利用二重源解析技术对5个采样点进行源解析，分别得到了5个采样点的年均解析结果。根据各采样点的解析结果，对主要颗粒物源类的空间污染变化规律分析如下：柴油机厂由于临近主要运输公路，扬尘污染、汽车尾气最为严重；纱厂在工业区，煤烟尘污染最重；气象台在新开发区，建筑工地多，建筑尘污染最重。

4结论

（1）开封市颗粒物污染严重，颗粒物的主要来源是城市扬尘、煤烟尘、建筑尘、土壤风沙尘、机动车尾气尘和由大气化学反应转化而来的二次粒子。

（2）扬尘作为次生复合源，对环境空气中颗粒物的贡献在25%左右，是影响环境空气中颗粒物污染的首要因素。

（3）土壤风沙尘、建筑尘、煤烟尘直接对扬尘产生重要影响。它们本质上是空气颗粒物污染的三大原始源，其治理的好坏，直接关系到扬尘的治理效果。因此，这三种源类视为主要污染源。

（4） 汽车尾气尘的浓度贡献相对比较稳定，贡献率在10%左右，随着开封市城市规模的规模和车辆保有量的增加，也应当引起环保部门足够的重视。

（5）扬尘污染呈现风沙季严重，非采暖季和采暖季较轻的变化趋势；煤烟尘在采暖季污染最重，在风沙季和非采暖季较轻。

参考文献：

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Research of the Source Apportionment of the Atmospheric Particles in Kaifeng

Bai Bing

（Kaifeng Environment Monitoring Station， Kaifeng 475000， China）

Abstract： This research adopted the technology of particle source apportionment to analyze the source of the atmospheric particles in Kaifeng. Through a years time， two kinds of receptor samples and 6 kinds of dusts from various kinds of pollution sources were collected. Sources element and environmental receptors element spectrum were obtained through the analysis of sources element and environmental receptors inorganic element， ion and carbon. A CMB model was applied to identify the time and space distribution features. The results showed that urban raising dust， soot dust， building dust， soil dust， exhaust gas dust and dust re-entrainment contributed to the source of particulate matters.

Key words： atmospheric particles； ambient air； source apportionment； emission sourceendprint