2021年开封市大气PM2.5成分特征分析

焦文志，邱富芝，陈 冲

(开封市疾病预防控制中心，河南 开封 475000)

近年来，随着我国城镇化和工业化的不断推进，大气颗粒物已成为影响城市空气质量的主要因素，尤其是大气细颗粒物(PM2.5)[1]。因其粒径更为细小，更易于吸附有毒有害物质，具有更强的穿透力，其大部分可直接到达细支气管并在肺泡沉积，进入血液循环，因而对人体产生的危害更大。此外，粒径在0.4～1.0 μm的颗粒物可以完全吸收和散射太阳光，导致近地层紫外线减弱，使空气中传染性病菌活性增强，传染病传播概率增加，还可以导致能见度下降，形成雾霾天气。相关研究提示：不同城市的PM2.5成因和污染特征的区别，与城市的产业结构[2-3]、环境气候和地理位置差异密切相关[4-6]。本研究通过分析2021年开封市大气PM2.5的污染状况及分布特征，并对其来源进行解析，为开封市大气污染相关研究及治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 监测点的选择 按开封市行政区划及往年大气污染特征，分别选择龙亭区、祥符区为监测区。龙亭区采样点位于开封市第六人民医院；祥符区采样点位于祥符区卫健委。具体监测点选择的条件是：采样点周围应避开污染源及障碍物、交通道路等；采样器需放置在室外，监测高度距地面为10～15 m。

1.1.2 采样时间及频率 每月10-16日采样，连续监测7 d；每日采样时间均在20 h以上。

1.1.3 采样仪器及材料 龙亭区配备4台中科海牛ZK-120F智能中流量PM2.5采样器，祥符区配备4台青岛恒远HY-100BL型高负载颗粒物采样器。2台用于石英滤膜采样，2台备用及进行空白平行样测定；采样流速为100 L·min-1；每批样品做不低于10%的平行样。滤膜称重用天平为赛多利斯CPA225D电子天平。另外，使用的主要仪器和材料有海宏WS 70Ⅲ恒温恒湿箱，武汉天虹TH-DCM干式活塞流量计、Whatman QMA石英滤膜等。

1.2 方法

1.2.1 PM2.5质量浓度检测方法 将采样后滤膜放置在恒温恒湿箱内25 ℃ 50%湿度条件下平衡24 h后，分析天平称重滤膜，记录滤膜重量。同一滤膜在恒温恒湿箱内相同条件下再平衡1 h后称重，两次重量之差<0.04 mg为满足恒重要求，以两次称重值算数平均数作为最终样品质量，并计算质量浓度。

1.2.3 PM2.5金属检测方法 金属成分测定由开封市疾病预防控制中心检验科负责。采用的检测方法是电感耦合等离子体质谱法。PM2.5样品前处理方法是：水浴超声浸提。取采样滤膜 1/4，准确称重后用陶瓷剪刀剪碎置于 50 mL 刻度离心管底部，加入 20 mL 5%硝酸溶液浸没截取的滤膜，拧紧离心管的螺旋盖，于通风橱里70 ℃水浴超声浸提 3 h 后，取出放至室温，提液用0.45 μm 滤头过滤，向离心管中加入适量纯水清洗内壁并过滤，合并滤液转移至 50 mL 容量瓶中，以去纯水定容至刻度，备用。金属成分的检出限分别为(ng·m-3)：锑0.02、铝1.0、砷0.1、铍0.02、镉0.005、铬0.1、汞0.005、铅0.01、锰0.1、镍0.1、硒0.01、铊0.005。

1.3 统计学处理 监测数据使用SPSS 17.0进行统计分析，组间比较采用Mann-Whitney U检验，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 PM2.5质量浓度分析 2021年龙亭区PM2.5质量浓度日最高出现在2021年3月15日，监测值为314 μg·m-3；最低值出现在2021年7月15日，监测值为20 μg·m-3；PM2.5质量浓度月平均值最高出现在1月，为142.22 μg·m-3；月平均值最低出现在7月，为31.00 μg·m-3；年平均值为83.65 μg·m-3。

2021年祥符区PM2.5质量浓度日最高出现在2021年3月15日，监测值为332 μg·m-3；最低值出现在2021年8月29日，监测值为11 μg·m-3。PM2.5质量浓度月平均值最高出现在1月，为137.56 μg·m-3；月平均值最低出现在8月，为27.29 μg·m-3；年平均值为82.05 μg·m-3。经两个独立样本的Mann-Whitney U检验，龙亭区、祥符区年均浓度差异无统计学意义(P=0.975)。见表1。

表1 2021年开封市PM2.5质量浓度监测结果汇总表(μg·m-3)

2.2 PM2.5中PAHs监测数据分析 2021年开封市共监测16种PAHs，分别为Nap、Acy、Fla、Ace、Phe、Ant、Flu、Pyr、Chr、BaA、BbF、BkF、BaP、DBahA、BghiP、IcdP。16种PAHs月均浓度趋势图见图1。本文采用特征比值来分析大气PM2.5中多环芳烃的来源。Flu/(Flu+Pyr)在0.40～0.50是燃油排放、>0.50是生物质燃烧[7]。BaP/BghiP在0.90～6.60是煤的燃烧，BaA/(BaA+Chr)>0.35为生物质燃烧，Phe/(Ant+Phe)在0.50～0.76为柴油燃烧、>0.76为煤的燃烧[8-9]。Ant/(Ant+Phe)>0.10为生物质燃烧、Icdp/(Icdp+BghiP)在0.20～0.50是柴油燃烧、>0.50为生物质燃烧[10-11]。PM2.5中PAHs特征比值见表2。

图1 开封市16中PAHs月均浓度趋势图(ng·m-3)

表2 开封市PM2.5中PAHs特征比值

2.3 PM2.5中金属成分监测数据分析 龙亭区监测点构成比前六位的分别是铝、锰、铅、砷、硒和锑，合计占比为97.96%；祥符区监测点前六位的也为铝、锰、铅、砷、硒和锑，合计占比为97.86%。见表3。

表3 2021年开封市PM2.5中金属元素年平均浓度(ng·m-3)

表4 各监测点PM2.5中阴阳离子季度平均浓度(μg·m-3)

3 讨论

开封市2021年大气PM2.5年均值为83.65 μg·m-3，高于广州市2015—2017年PM2.5平均浓度(36.22 μg·m-3)[12]和淄博市2016—2017年PM2.5平均浓度(70.4 μg·m-3)[13]。低于石家庄市2013—2016年大气PM2.5平均浓度(113.86 μg·m-3)[14]。这可能与不同城市的地理方位不同有关，华北平原多年来一直是我国雾霾污染较严重的地区。

PAHs经动物实验证明是一种致突变、致癌、致畸的物质，具有很强的毒性[15]。对PM2.5成分PAHs进行分析可以看出，在16种PAHs月均浓度中，浓度最高的是Flu。全市PAHs年浓度构成比前四位的分别是IcdP、BghiP、BaP、Flu。吉林省五个典型城市大气颗粒物中PAHs分析测试结果中Flu、Pyr、BaA、BbF的浓度均较高[16]，这与开封市全年状况有所不同，可能是由于不同省份的空气污染状况存在差异所致。从开封市2021年大气PM2.5中PAHs的特征比值可以看出，PM2.5的来源是机动车、燃煤和生物质燃烧，其中气温较高的季节以机动车和生物质燃烧为主、低温较低的季节以燃煤和机动车为主。

重金属元素均会对人体产生危害。铅含量超标会引起贫血，损伤神经系统，尤其幼儿大脑比成人敏感，受的损害更严重，孕妇体内砷超标会诱发畸胎，过量的砷会使中枢神经系统发生紊乱，并有致癌的可能[17]。开封市2021年空气PM2.5金属元素分析结果显示全市重金属年平均浓度排序中前三位是铝、锰和铅。杭州地区的研究结果显示主要的重金属污染为锌、铅、铜、锰[18]。这可能是不同地区工业生产结构不同的原因所导致的。不同来源的PM2.5所含金属元素不同。汽车尾气颗粒主要含铅、钡等，燃油颗粒主要含硅、铅、硫、钒、镍等，燃煤颗粒主要含硅、铅、硫、硒、氟、砷等，冶金工业排放颗粒主要含锰、铝、铁等，土壤颗粒主要含硅、铝、铁等[19]。从开封市2021年大气PM2.5中重金属含量可以看出，PM2.5的主要来源是燃煤、工业排放及汽车尾气。

综上，开封市PM2.5污染有明显的季节性，应在不同季节针对PM2.5的污染程度及不同来源采取相应的措施。