大气细颗粒物PM2.5的源解析技术探讨

杨峰晓

摘    要：近年来，大量研究也发现 PM2.5因其粒径较小、比表面积较大，所以它更容易富集吸附空气中的有机污染物、酸性氧化物、有毒重金属、细菌和病毒。当PM2.5被人吸入到体内时，就可以产生并导致人体呼吸、内分泌、心血管、神经及免疫等各系统疾病的发生。此外，PM2.5还会对大气能见度的降低有重要影响，它是雾霾或阴霾的主要构成，可以吸收和反射太阳辐射，这不仅影响城市大气的光学性质，而且影响热平衡，导致农作物产量降低。因此，PM2.5的源解析对于有效控制PM2.5显得尤其重要。文章主要分析了大气细颗粒物PM2.5的源解析技术，以供广大同仁研究探讨。

关键词：大气细颗粒物;PM2.5;源解析技术

1  引言

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，是颗粒物污染防治的重要技术手段。源解析技术在当今已经取得了快速的发展。

2  大气颗粒物污染现状

随着城市化和工业化进程的加速，我国大气污染开始由煤烟型转向复合型污染。可吸入颗粒物（PM10）污染虽有所控制，但未从污染源头得到完全解决。与此同时，汽车尾气和工业燃烧排放增加，一些城市群细颗粒物（PM2.5）的浓度在持续增加，区域性大气污染愈发严重，并且呈现扩张趋势。

3  大气颗粒物的危害

3.1  大气颗粒物对人体健康影响

随着我国城市化、工业化进程加快，人们越来越重视城市建设，工业生产过程中产生的大气颗粒物对人体健康影响。人体如果吸收空气中大量颗粒物会对心肺功能造成损害，进而引發各种肺部呼吸疾病，严重的话会导致肺癌。特别是PM2.5中的细微颗粒可以被人体吸入体内并长期存在。研究表明，生活在颗粒物污染水平较高地区人群的死亡率显著增加，且颗粒物浓度和暴露时间决定了吸入剂量，浓度越高，暴露时间越长，则损害越大。

3.2  大气颗粒物对生态环境影响

生态环境方面，大气颗粒物对光具有散射和吸收作用，其中吸收效应是由碳黑颗粒物引起，不同程度地削弱光强度，使得视野受限，能见度的下降容易使人的心理健康受到影响，严重时可能造成交通阻塞。当大量细颗粒物PM2.5长时间停留在空中则会造成空气混浊，严重时则会产生雾霾天气，对人体健康产生危害。雨水凝结核中同样含有大气细颗粒物PM2.5，不同条件下，PM2.5会吸附空气中水分而引发干旱天气，或使雨水凝结核的数量异常增加，最终会导致暴雨天气。

4  PM2.5源解析技术及应用分析

4.1  化学质量平衡模型

CMB 是目前实际应用于PM2.5源解析领域研究最广泛的受体模型。其原理是质量守恒，在源类、受体成分谱确定前提下，通过建立一组线性方程，计算出不同源类贡献值浓度大小。但 CMB技术缺乏源类成分谱，污染物性质不稳定时，CMB模型源解析结果准确性不高。例如，通过有机碳与元素碳最小比值法确定二次有机碳对 PM2.5的贡献率，采用CMB技术研究了不同环境受体点各个季节 PM2.5源解析，城市扬尘、煤烟尘、二次硫酸盐为PM2.5重要源类。

4.2  主成分分析法

PCA利用降维思维，最大化保留原始变量信息基础上，把指标信息转化成若干综合指标，即为主成分，且主成分间无相关性。结合线性代数理论，对收集的数据作进一步的处理，获取不同污染源对PM2.5及其组分贡献值。当因子符号存在正负时，源解析的结果不够准确，需要采用正矩阵因子分析法。例如，在采暖季、非采暖季选择4个受体点，利用PCA技术对PM2.5源解析发现：建筑扬尘、土壤尘、道路扬尘、汽车尾气累计对该市的PM2.5贡献率超过90%。

4.3  富集因子法

EF 利用富集因子评价相关元素是来自人为源还是自然源。EF应用于解析PM2.5元素，通过定性判断元素来源，结合其他方法进行来源解析。当EF>10，表示元素是人为源;1

4.4  空气质量模型

包括CMAQ 模型（美国）、CHIMERE 模型（法国）、NAQPMS模型（中国）等，其中 CMAQ 模型应用较为广泛。该模型主要用以比较模拟与观测差距，分析差距产生原因，探索如何提升精度;分析大气污染物源及其产生机理，扩散和传输过程，为污染物跨区域传输研究提供参考。该法还存不断完善更新中。例如，采用MM5-Models-3/CMAQ模拟系统，分析计算PM2.5来源，计算的结果也表明随着污染源浓度的增加，该技术方法的计算结果更加科学合理。此外，还有稳定同位素法等，在大气环境PM2.5源解析中也取得了良好的应用效果。

5  PM2.5源解析技术发展趋势

5.1  PAHs源解析

PM2.5中的有机碳成分十分复杂，其中PAHs是增加其复杂程度的重要因素。由于PAHs 具有显著致癌、致突变和致畸，PM2.5中PAHs源解析成为关注重点。目前对PAHs源解析主要采用比值法、轮廓图法等定性源解析和CMB法、稳定碳同位素法、多元统计法等定量解析。此外，PM2.5中的饱和烃、硝基多环芳烃也成为PM2.5源解析研究的重点领域。

5.2  单颗粒源解析

利用显微镜技术对单个的PM2.5中的物理性质及化学部分进行分析，获得单个颗粒物 Micro-PIXE能谱，并用模式识别法对能谱进行比较和统计，获得PM2.5源及其贡献率。可见，显微镜技术的发展至关重要，还需要建立单颗粒指纹数据库，提高单颗粒源解析效率和精确度。

5.3  有机碳、元素碳解析

大气中PM2.5组分中有10%-50%为有机碳和元素碳组分，分析有机碳与元素碳关系，可以反映其来源特征，为PM2.5源解析提供现实依据。

5.4  扩散模型与受体模型联用解析

随着PM2.5污染问题日益突出，将受体模型与扩散模型结合起来研究PM2.5源解析成为研究的发展趋势之一。其中，扩散源解析是利用污染物数量及排放量，模拟各个污染物在区域内分布情况，受体模型无需对污染源进行调查及参数支持，与扩散模型结合弥补其不足。

6  结语

总之，大气PM2.5源解析为人们及时掌握区域PM2.5主要来源，为源头降低PM2.5提供了第一手宝贵资料支撑。因此，我们要熟练掌握各种监测技术外，还应关注新技术新理论的发展，不断提升PM2.5源解析结果的准确性，为环境保护提供技术支撑。

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