天津市2016、2021年夏秋季颗粒物水溶性离子污染特征对比研究*

邹官灿 杨 阳 武甫亮 罗 希 肖致美 吴建会#

(1.南开大学环境科学与工程学院,国家环境保护城市空气颗粒物污染防治重点实验室,天津 300071;2.天津市生态环境监测中心,天津 300191)

细颗粒物(PM2.5)是影响我国城市环境空气质量的首要污染物,其化学组成复杂,主要包括水溶性离子、碳成分、地壳元素及各种微量元素等[1],其中水溶性离子是PM2.5的重要化学成分[2-4],不仅可以控制PM2.5的酸碱性[5],影响大气能见度[6],还会引发人体的心肺功能、免疫系统等多方面的疾病[7],因此研究PM2.5中水溶离子的组成特征及来源等对于有效控制大气PM2.5污染具有重要意义[8]。当前,国内许多城市对大气颗粒物中水溶性离子污染特征进行了系统性研究,主要集中在京津冀[9-10]、长三角[11-12]、珠三角[13-14]等重点区域。天津市位于京津冀区域的中北部,是京津冀区域PM2.5污染较重的城市之一,有关PM2.5中水溶性离子特征的研究主要集中于部分区域的短时间观测[15-16],缺少较长时间变化趋势研究。

“十三五”以来,随着《大气污染防治行动计划》《打赢蓝天保卫战三年行动计划》以及历年《京津冀及周边秋冬季大气污染综合治理攻坚行动方案》的深入实施,天津市大气污染源的排放总量、排放结构和排放方式均发生较大变化,PM2.5由2015年的70 μg/m3降至2021年的39 μg/m3,但依然高于《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)中的二级标准限值,因此有必要基于长期观测数据开展PM2.5中主要化学组分变化趋势研究,客观真实反映污染源的实际变化,以期为制定本地化的PM2.5污染防治方案提供支撑,同时也为“十四五”期间PM2.5精细化管控提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 监测点位分布

基于天津市各区空间分布特点,结合污染源的排放情况,在不同功能区设置监测点,监测点位分布情况见表1。

表1 监测点位分布Table 1 Distribution of sampling points

1.2 样品采集与分析

采用KB120型小流量采样器采集PM2.5样品,采样流量为16.7 L/min,采样前统一使用皂膜流量计对采样流量进行校准,定期清洗各采样仪器的切割头、采样管路和膜夹。分别于2016、2021年的8月(夏季)和10月(秋季)晴朗天气下采集PM2.5样品,采样时间为每日9:00至次日8:00。滤膜采用直径为47 mm的石英滤膜(美国,Pallflex Life Science),采样前将石英滤膜置于马弗炉中450 ℃灼烧2 h以消除本底值的影响,采样前后滤膜均在恒温恒湿(温度(20±1) ℃、相对湿度为50%±5%)条件下平衡24 h,使用自动平衡称重系统对石英滤膜进行称重。

2 结果与讨论

2.1 PM2.5时空变化

由图1可见,天津市2016年夏、秋季PM2.5分别为57.4、105.2 μg/m3,2021年夏、秋季的PM2.5分别为39.1、44.2 μg/m3,季节变化特征呈现为秋季>夏季,这可能与秋季不利的气象因素及较差的扩散条件有关[18]。从年际变化特征来看,2021年夏、秋季PM2.5较2016年分别降低了31.9%、58.0%。2021年天津市PM2.5年均值为39.0 μg/m3,较2016年PM2.5年均值下降了43.5%。

图1 天津市PM2.5质量浓度水平Fig.1 PM2.5 mass concentration of Tianjin

从空间变化特征来看,中山北路和复康路PM2.5浓度较高,在2016年秋季、2021年夏季、2021年秋季两个点位的PM2.5浓度均处前二位。中山北路、复康路监测点位处于天津市中心区域,交通流量大,生产生活较密集。同德路PM2.5浓度较低,2016年夏、秋季及2021年秋季同德路PM2.5浓度均为最低,这可能与同德路点位处于郊区,周边工业源较少有关。

2.2 化学组分变化特征

2.2.1 季节变化特征

图2 天津市PM2.5中水溶性离子质量浓度Fig.2 Mass concentration of water-soluble ions in PM2.5 in Tianjin

2.2.2 不同污染天气下的变化特征

为研究不同污染水平下水溶性离子的变化特征,根据GB 3095—2012中PM2.5的二级标准限值,将采样期间的污染水平分为清洁天和污染天,其中清洁天PM2.5≤75 μg/m3,污染天PM2.5>75 μg/m3。

采样期间,2016年夏季污染天、清洁天分别为7、17 d,PM2.5分别为92.8、6.2 μg/m3;2016年秋季污染天、清洁天分别为10、4 d,PM2.5分别为116.7、62.6 μg/m3;2021年夏季污染天、清洁天分别为1、29 d,PM2.5分别为77.4、36.9 μg/m3;2021年秋季污染天、清洁天分别为7、15 d,PM2.5分别为105.5、56.2 μg/m3。

图3 天津市清洁天及污染天PM2.5中水溶性离子浓度Fig.3 Concentrations of water-soluble ions in PM2.5 on clean and polluted days in Tianjin

2.2.3 特征指标

图4 天津市PM2.5中SOR、NOR及S/N的季节变化Fig.4 Seasonal variation of SOR,NOR and S/N in PM2.5 in Tianjin

2015—2020年期间,天津市关停淘汰落后企业221家、整治“散乱污”企业18 635家、改燃关停燃煤锅炉11 568台、实施重点工业企业脱硫脱硝治理,环境空气中SO2浓度下降72.4%,NOx下降了7.1%[17],这些措施降低了二次粒子的前体物浓度,降低了PM2.5中水溶性离子二次转化的程度,这与本节SOR、NOR变化趋势分析结论一致。

2.2.4 二次离子的存在形式

2.3 来源分析

利用SPSS 22进行水溶性离子主成分分析,获取各污染源对PM2.5中水溶性离子的贡献,在所有因子中选取特征值大于1的因子,结果见表2。

表2 PM2.5中主要水溶性离子主成分旋转因子载荷矩阵Table 2 Rotated component matrix of major water soluble ions in PM2.5

总体上来看,不同季节因子所指向的污染源主要有二次源、建筑尘和生物质燃烧源。对比可发现,天津市2016年及2021年夏、秋季的主要来源均为二次源、建筑尘。

3 结 论

(1) 天津市PM2.5表现为2016年秋季(105.2 μg/m3)> 2016年夏季(57.4 μg/m3) >2021年秋季(44.2 μg/m3) >2021年夏季(39.1 μg/m3)。2021年PM2.5浓度较2016年有较大幅度降低,夏、秋季分别降低了31.9%、58.0%。PM2.5在季节上呈现为秋季高夏季低的特点,在空间分布特征上,中山北路和复康路的PM2.5浓度较高,同德路较低。

(3) 2021年移动源贡献比2016年更显著,但水溶性离子的二次转化程度低于2016年。

(5) 2016年夏季水溶性离子主要来源于二次源、建筑尘和海盐源,2016年秋季主要来源于二次源、生物质燃烧和建筑尘,2021年夏季主要来源于建筑尘、二次源、燃煤和生物质燃烧,2021年秋季主要来源于二次源、生物质燃烧和建筑尘。