基于SPAMS 的宁东基地细颗粒物污染特征及源解析

黄 彬，侯红霞，韩增玉

（1.宁夏回族自治区宁东能源化工基地环境监测站，宁夏银川 754100；2.广州禾信仪器股份有限公司，广东广州 510530；3.宁夏回族自治区生态环境监测中心，宁夏 银川 750000）

传统的大气颗粒物离线来源解析技术方法有排放源清单法、源模型法（扩散模型）和受体模型法，其中化学质量平衡（CMB）受体模型和因子分析（PMF、PCA 等）受体模型是使用最为普遍的源解析方法，用来评估颗粒物污染的长期变化趋势和控制效果[1—3]。随着在线监测技术的发展，结合气溶胶分析手段，基于质谱的在线分析技术逐步应用到颗粒物在线源解析中。在大气环境分析和研究领域，单颗粒物气溶胶质谱仪（SPAMS）能够实时分析大气中颗粒物的粒径和化学组成，可以快速解析其来源，是近年来的研究热点之一[4—8]。

宁夏宁东能源化工基地（以下简称“宁东基地”）自2014 年开展环境空气质量自动监测以来，PM2.5年均浓度总体保持下降趋势，但冬季区域性PM2.5污染问题仍不容忽视。2020 年宁东基地优良天数比例为87.4%，细颗粒物PM2.5年均浓度31 μg/m3，以PM2.5为首要污染物的天气占到总污染天数的30.4%。为了解宁东基地大气PM2.5污染特征及组成，摸清以PM2.5为首要污染物的来源，厘清其化学组分和源贡献率，本研究选取2020 年冬季代表性污染时段、代表性监测点位的PM2.5作为研究对象，基于宁夏大气污染物排放源谱库，利用SPAMS 对大气污染物PM2.5主要成分进行实时在线源解析，初步分析探讨不同污染来源对PM2.5的影响，并结合气象数据与源解析结果，分析各类污染源的时空分布规律，从而进一步为开展大气污染物PM2.5源解析工作提供基础数据，为科学有效地制定大气环境调控策略提供技术参考。

1 研究方法

1.1 样品采集

采样监测地点位于宁东基地临河工业园区（东经106°32′12″，北纬38°13′4″），该监测点周边环绕交通干道横山路及朝阳路，北侧为宁夏宝丰能源A、B 区，西南侧为青铜峡铝业股份有限公司宁东铝业分公司，东南侧为宁夏京能宁东发电有限责任公司。采样时间为2020 年12 月18 日11:00—29 日09:00。采用在线单颗粒气溶胶质谱仪（SPAMS 05 系列，广州禾信分析仪器有限公司生产）等仪器设备进行样品连续采集及实时在线分析，并同步测定气象条件及大气中NO2，SO2的质量浓度。

1.2 SPAMS 工作原理

SPAMS 主要包含进样系统、测径系统、离子化系统和质谱分析系统等，在不改变颗粒物的组成情况下，将气溶胶颗粒通过0.1 mm 的进样微孔引入到空气动力学透镜，颗粒物在透镜内部被高效聚焦，形成运动的准直颗粒束，然后进入真空双光束测径系统，利用颗粒物粒子通过相距一定距离的两束连续的532 nm 激光时所需的飞行时间不同，完成颗粒物粒子数目的统计和粒径测定，颗粒物进入电离区后，激光电离产生正负离子，最后由双极型飞行时间质量分析器完成气溶胶颗粒化学组分的检测[9—10]。

1.3 在线源解析方法

利用SPAMS 开展在线源解析工作主要有以下三个步骤。

1.3.1 建立宁夏大气污染物排放源图谱库 参照环境保护部2013 年发布的《大气颗粒物来源解析技术指南（试行）》（以下简称“指南”），结合宁夏能源和产业结构，根据环境管理需求将细颗粒物污染来源归结八大类，分别为扬尘源、生物质燃烧源、机动车尾气源、燃煤源、工业工艺源、二次无机源、餐饮源及其他。按照“指南”中的相关标准要求，完成各类排放源类别颗粒物样品的采集、质谱分析等。

1.3.2 源谱特征提取及谱库建立 借助自适应共振神经网络分类方法（ART-2a）[11]，根据颗粒的图谱特征，将采集到的各源颗粒进行分类，得到各源颗粒的特征谱库，汇总后嵌入仪器内置的比对模型，在大量的源谱库基础上建立宁夏大气污染物排放源图谱库。

1.3.3 在线源解析 利用SPAMS 进行连续在线监测，调取源谱库与实时在线测到的颗粒物质谱图进行相似度计算，判断每一个颗粒物的来源，进而统计得到源解析结果。

2 空气质量分析

2.1 监测期间空气质量状况

图1 为监测期间PM2.5质量浓度小时变化趋势图。对PM2.5质量浓度日均值进行统计，PM2.5平均质量浓度为53 μg/m3，并得到监测期间PM2.5不同污染等级占比分布，见图2。由图1～2 可知：监测期间出现3 d 轻度污染，占比25.0%；共出现2 次污染过程，分别是12 月18—23 日和12 月25—28 日，12月22 日0:00 PM2.5出现最大小时峰值148 μg/m3。

图1 监测期间PM2.5 质量浓度小时变化趋势图

图2 监测期间细颗粒物污染等级占比分布图

2.2 监测期间气象条件

图3 为监测期间气象条件变化趋势图。监测期间平均风速为2.3 m/s，平均温度-5.7 ℃，湿度在19%～68%，期间无降水。

图3 监测期间气象条件变化趋势图

3 监测结果分析

3.1 颗粒物信息

图4 为监测期间SPAMS 采集到的细颗粒物颗粒数浓度与PM2.5质量浓度关系图。监测期间共采集到具有测径信息的颗粒物（SIZE）108.6 万个，同时有正负谱图的颗粒物（MASS）16.7 万个。细颗粒物数浓度与PM2.5质量浓度相关系数r 值为0.72，达到中度相关，说明SPAMS 采集到的颗粒物数浓度数据能够较好地反映大气环境中细颗粒物的污染状况。

图4 细颗粒物颗粒数浓度与质量浓度的变化趋势图

3.2 细颗粒物来源分析

3.2.1 总体源解析结果 监测期间细颗粒物污染来源解析结果为：燃煤源（29.6%）、机动车尾气源（23.4%）、工业工艺源（16.6%）、二次无机源（14.0%）、生物质燃烧源（6.0%）、扬尘源（4.9%）、其他（3.4%）、餐饮源（2.1%）。

图5 是各污染源小时变化趋势图。由图5 可知，12 月18 至23 日、27 日下午至28 日凌晨处于污染状态，污染时段风速较小，PM2.5质量浓度高值时段伴随着燃煤源和机动车尾气源占比增大，受二者影响较大。其中12 月22 日PM2.5质量浓度从32 μg/m3（19:00）突升至130 μg/m3（20:00），扬尘源占比也从5.3%升至32.5%，短时污染主要受扬尘的影响。

图5 各污染源小时变化趋势图

3.2.2 不同污染等级来源解析 由图6 和表1 可知，空气质量从优到轻度污染，PM2.5质量浓度均值从28 μg/m3上升至95 μg/m3。期间机动车尾气源占比从21.1%上升至25.3%，颗粒物数浓度从497 个/h 上升至1 880 个/h；二次无机源占比从12.2%上升至16.3%，颗粒物数浓度从288 个/h 上升至1 210 个/h。

表1 不同污染程度各污染源贡献率统计

图6 不同污染程度颗粒物来源对比图

从轻度污染到中度污染，PM2.5质量浓度均值从95 μg/m3上升至125 μg/m3。期间扬尘源占比从4.2%上升至5.4%，颗粒物数浓度从309 个/h 上升至485 个/h；燃煤源占比从26.8%上升至27.3%，颗粒物数浓度从1 991 个/h 上升至2 449 个/h。

总体来看，监测期间PM2.5的上升主要受燃煤源、机动车尾气源、二次无机源、扬尘源增多的影响。

3.3 污染过程分析

3.3.1 污染过程1 监测期间内发生了2 次污染过程，第1 次污染过程出现在2020 年12 月18—23日，污染过程各污染源贡献率变化见图7，污染时段信息统计见表2。由图7 和表2 可知，污染时段1，3与优良时段2，4 相比，主要表现为燃煤源占比的增大，污染时段燃煤源占比在40%左右，优良时段燃煤源占比在25%左右。污染时段1 和3 主要是由于燃煤源的累积所致。时段5 和时段6 出现轻度污染，与良时段8 相比，主要表现为工业工艺源和二次无机源占比较大。时段7 出现短时污染，主要表现为扬尘占比升高。结合图3 的气象条件可以发现，污染时段1，3，5，6 与优良时段2，4，8 相比，湿度高、风速低，风速均在2 m/s 以下，污染时段主要是由于静稳天气下燃煤和工业工艺源为主的颗粒物累积以及二次颗粒物转化增多导致。

表2 污染过程1 时段信息统计

图7 污染过程1 各污染源贡献率变化分布图

3.3.2 污染过程2 第2 个污染过程出现在2020年12 月26—28 日，污染过程各污染源贡献率变化见图8，污染时段信息统计见表3。由图8 和表3 可知，时段1 到时段3，从低点到污染高峰PM2.5质量浓度从36 μg/m3增大至104 μg/m3，机动车尾气的占比也从19%逐步增大至26.1%，到时段4 污染结束，尾气的占比降至19.9%。同时，污染时段2，3 与优良时段1，4 相比，工业工艺源和二次无机源的占比都相对较高，所以该时段的污染主要是由于机动车尾气、工业工艺源的累积以及二次颗粒物的转化增多导致。

图8 污染过程2 各污染源贡献率变化分布图

表3 污染过程2 时段信息统计

3.4 各类污染源时空分布规律

3.4.1 机动车尾气源时空分布规律 从机动车尾气源小时排放规律图（图9）和机动车尾气颗粒与NO2风向来源三维图（图10）可知，监测期间机动车尾气源比例峰值出现在5:00，10:00 和17:00，风向来源高峰出现在点位东北面与西南面。应重点关注凌晨和早晚高峰时段监测点位东北面和西南面区域道路的交通疏导，避免车辆长时间的怠速与停留，禁止未达标排放车辆的通行，强化周边煤、灰、渣等柴油运输车辆的管控。

图9 机动车尾气源小时排放规律图

图10 机动车尾气颗粒与NO2 风向来源三维图

3.4.2 燃煤源时空分布规律 由图11～12 可知，监测期间燃煤源比例高峰出现在22:00 至次日09:00，夜间占比明显高于白天，风向来源高峰出现在点位东面与西南面，与西南面二氧化硫高值区域相对一致。应进一步排查东面和西南面区域的用煤情况，加强对周边燃煤企业废气排放的管控力度，严查工业企业废气污染物的达标排放，并要求企业在达标的基础上提高污染治理设施效率。开展冬季散煤专项整治活动，确保临河商业街无散煤燃烧现象。

图11 燃煤源小时排放规律分布图

3.4.3 工业工艺源时空分布规律 从工业工艺源小时排放规律图（图13）可见，监测期间工业工艺源比例高峰出现在11:00 至21:00，白天占比高于夜间，风向来源高峰出现在点位西部、西北部和西南部（图14）。建议对该方位的企业进行排查，对不达标工段进行整改。

图13 工业工艺源小时排放规律分布图

图14 工业工艺颗粒风向来源三维图

4 结论

（1）监测期间细颗粒物等级优良率为75%，其中轻度污染有3 d，细颗粒物质量浓度均值为53 μg/m3。

（2）通过对污染来源分析发现：监测期间大气主要受到燃煤源和机动车尾气源的影响，二者占比分别为29.6%和23.4%；其次为工业工艺源和二次无机源，占比分别为16.6%和14.0%。生物质燃烧源、扬尘源、其他及餐饮源占比分别为6.0%，4.9%，3.4%，2.1%。细颗粒物等级上升过程主要受燃煤源、机动车尾气源、二次无机源、扬尘源增多的影响。

（3）监测期间两次污染过程主要是由于机动车尾气、燃煤和工业工艺源为主的颗粒物累积以及二次颗粒物转化增多导致，两次污染天气的发生分别受西南面和西北面颗粒物排放的影响。

（4）机动车尾气源、燃煤源、工业工艺源呈现出不同的时空分布规律。机动车尾气源比例峰值出现在5:00，10:00 和17:00，风向来源高峰出现在点位东北面与西南面。燃煤源比例高峰出现在22:00 至次日9:00，夜间占比明显高于白天，风向来源高峰出现在东面与西南面，与西南面二氧化硫高值区域相对一致。工业工艺源比例高峰出现在11:00 至21:00，白天占比高于夜间，风向来源高峰出现在点位西部、西北部和西南部。