利用SPAMS解析PM2.5污染成因及特征

祖彪

摘 要：利用单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪在沈阳市2017年春节期间进行监测，通过自适应共振神经网络分类方法（Art-2a）对数据进行分析，得出春节期间PM2.5化学组分和来源，探讨烟花爆竹集中燃放对PM2.5的污染贡献和离子特征。结果表明，春节期间PM2.5化学组分以含碳颗粒为主，占79.2%；PM2.5来源占比前三位的为：燃煤（31.9%）、其他源类（17.8%）、二次无机源（16.6%），其中其他源类主要包含烟花爆竹燃放。

关键词：沈阳市 春节期间 SPAMS PM2.5

中图分类号：X51 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）03（c）-0123-02

春节期间大量烟花爆竹集中燃放，释放大量污染物，导致局地污染物浓度急剧攀升[1]。烟花爆竹燃放带来的环境影响及对人体健康可能造成的危害引起了人们的重视，国内学者对春节期间大气颗粒污染特征及成因开展了大量研究，王占山等[2]对2014年春节期间北京市空气质量分析时表明，烟花爆竹燃放对PM10和PM2.5的影响最为显著，短时间可使颗粒物浓度达到平时的1.5～3.2倍。Wang等[3]对2006年北京市元宵节期间气溶胶化学成分的研究表明，燃放爆竹的夜晚气溶胶

中一次成分含量（ 如Ba、K、Sr、Pb、Mg等） 和二次成分（如SO42-和NO3-）比正常情况下高出5倍以上。

目前，针对沈阳市春节期间PM2.5污染特征的研究较少。本研究选取2017年春节期间PM2.5作为研究对象，利用单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪（SPAMS）分析其化学组分及来源，探讨烟花爆竹燃放对PM2.5的影响。

1 研究方法

1.1 样品采集

采样地点位于沈阳市东陵区双园路30甲辽宁省环保科学园内，采样时间为2017年1月25日13：00～2017年1月31日22：00（农历二十八至正月初四），连续监测154h。监测仪器为单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪（简称“SPAMS”）。

1.2 SPAMS工作原理

气溶胶颗粒通过0.1 mm的微孔片进入真空系统，在空气动力学透镜的作用下聚焦成粒子束，随后逐一进入测径区，通过光电倍增管检测颗粒物经过两个连续的532nm的激光的时间，从而获得颗粒物的飞行速度，通过PSL小球粒径校正曲线得到颗粒物的空气动力学直径，然后颗粒物到达电离区中心被266nm的紫外脉冲激光电离，电离产生的正负离子分别被双极飞行时间质量分析器检测，获得单个气溶胶粒子的正负质谱图[4]。

1.3 数据分析

本文通过SPAMS的监测数据，利用自适应共振神经网络分类方法（Art-2a）对SPAMS采集的数据进行了成分分类，分类过程中使用的分类参数为：相似度0.7，学习效率0.05。分类后，在根据化学成分特征人为将这些颗粒类型合并，最终确定了7类颗粒物，分别为：元素碳、混合碳、有机碳、富钾颗粒、左旋葡聚糖颗粒、矿物质和重金属。依据PM2.5各类排放源的指纹特征，定义出每一类源的搜索程序，对所监测的颗粒逐个进行归类，计算出各类源的贡献占比。

2 研究结果与讨论

2.1 PM2.5化学成分分析

根据颗粒物的质谱特征，化学成分划分为七种类型，按照占比大小依次是：有机碳（43.9%）、混合碳（22.2%）、元素碳（13.1%）、左旋葡聚糖（10.4%）、富钾颗粒（5.8%）矿物质元素（4.2%）、重金属（0.4%）。说明春节期间的颗粒物的化学组成以含碳颗粒为主。

通过对PM2.5各化学成分颗粒数占总颗粒数比例随时间变化趋势分析表明：26日（农历二十九）的颗粒物中元素碳占比相对高于其他时段，而有机碳占比相对低于其他监测时段；自27日（除夕）开始，有机碳和混合碳的占比增加并持续稳定在较高的占比状态；富钾颗粒和左旋葡聚糖的占比在27日之后也相对增加；重金属颗粒占比在28日（初一）至29日（初二）上午出现整个监测时段的峰值状态。

2.2 PM2.5来源分析

基于监测结果，参照《大气颗粒物来源解析技术指南》，将PM2.5污染来源归结为七大类，按照占比大小依次是：燃煤（31.9%）、其他源类（17.8%）、二次无机源（16.6%）、机动车尾气（14.0%）、生物质（秸秆）燃烧（12.8%）、工业工艺源（4.6%）和扬尘（2.3%）。

由于对烟花爆竹燃放源谱的未知，来源结果中不能得出烟花爆竹燃放的占比，但是其他源类的占比显著高于平时，笔者认为其他源类中主要包含烟花爆竹燃放。

2.3 除夕夜污染过程分析

除夕夜0时至11时，PM2.5小时值明显增加，由之前的优良状态增加至中度污染以上。为了对比分析，将除夕夜0-11时确定为高污染时段，全时段为整个监测时段。

来源分析结果表明：高污染时段PM2.5来源的组成与全时段基本一致，占比前三位的仍为燃煤（29.8%）、其他源类（21.8%）、二次无机源（12.1%），其他源类占比增加主要是由于烟花爆竹燃放所致。

离子分析结果表明：爆竹烟花燃放集中的高污染时段和全时段相比，6种离子数浓度显著增加，详见表1。从表1可以看出，高污染時段采集到的表征钡离子（Ba+，m/z=138，139）和锶离子（Sr+，m/z=88）颗粒总数占全时段的颗粒总数的比例均超过50%，分别达59.0%和55.5%；铝离子（Al+，m/z=27）、钾离子（K+，m/z=39）、氯化二钾（K2cl+，m/z=113）和镁离子（Mg+，m/z=24）等4种离子的颗粒占比也较高，在10%左右。钡离子和锶离子，在高污染时段采集到的平均颗粒数是全时段小时均值的7倍以上，其他4种离子也在1.2～1.5倍之间。

3 结论

（1）沈阳市2017年春节期间PM2.5化学成分以碳组分为主，含碳颗粒数量占比为79.2%，其中有机碳（43.9%）、混合碳（22.2%）、元素碳（13.1%）。

（2）春节期间PM2.5来源占比前三位的为：燃煤（31.9%）、其他源类（17.8%）、二次无机源（16.6%），其他源类的占比显著高于平时，主要是由于烟花爆竹燃放所致。

（3）除夕夜0-11时PM2.5质量浓度明显增加，此时段PM2.5来源构成与全时段基本一致；烟花爆竹燃放可使钡、锶、铝、钾、镁等金属离子显著增加。

参考文献

[1] 姚青，刘敬乐，韩素芹，等.天津城区春节期间大气气溶胶污染特征和数浓度分布[J].气象，2016，42（4）：443-449.

[2] 王占山，张大伟，李云婷，等. 2014年春节期间北京市空气质量分析[J].环境科学学报，2015，35（2）：371-378.

[3] Wang Y， Zhang G S， Xu C， et.al. The air pollution caused by the buming of fireworks during the lantern festival in Beijing[J]. Atmospheric Environment，2007，41（2）：417-431.

[4] 李梅，李磊，黄正旭，等.运用单颗粒气溶胶质谱技术初步研究广州大气矿尘污染[J].环境科学研究， 2011，24（6）：632-636.