贵阳市大气细颗粒物PM2.5来源解析研究

李 勇

(贵州民族大学化学工程学院，贵州 贵阳 550025)

大气细颗粒物PM2.5对人类身体健康、能见度和气候变化都有很大危害，因而受到广泛关注[1-2]。随着中国城镇化进程的加速以及社会车辆保有量的急剧增长，PM2.5污染加重，对PM2.5污染有很大贡献的源类也逐渐增多[3]。化学质量平衡模型(CMB)所分析的源类物理含义清楚，更适应于环境管理的要求。贵阳市是贵州省的省会城市，地处高原山间盆地，具有典型的人口稠密且生态环境脆弱的西南喀斯特地貌特征，空气中的污染物很不利于扩散稀释。因此，本研究于2020年7月至2021年6月采集贵阳市2个点位PM2.5样品，分析其中无机元素、水溶性阴离子、有机碳和元素碳的含量，并利用CMB模型对PM2.5进行来源解析，以期为制定PM2.5污染控制政策提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 采样方法

选择贵阳市2个采样点位(如图1所示)，云岩区的宝山师大(北纬26°62′，东经106°72′)及白云区的师大(北纬28°11′，东经107°30′)采集样品。使用智能中流量采样器加载PM2.5切割头(TH-150AⅡ，武汉天虹智能仪表厂)，放置在距地面约十米的楼顶上方，采样流量为100 L/min，各采样点同时放置两台采样器，使用聚丙烯滤膜(天津鑫垚科技有限公司，φ=90 mm，用于无机元素的分析)和石英滤膜(Whatman，φ=90 mm，用于水溶性离子和碳组分分析)同时采样。本文分四个季节采样，每个季节连续采样20天，每日8：00-23：00连续采样。

图1 贵阳市 PM2.5采样点位图Fig.1 Sampling sites of PM2.5 in Guiyang

1.2 样品分析

2 结果与讨论

2.1 PM2.5质量浓度水平

两个采样点位PM2.5的质量浓度见表1，年均质量浓度为75.21 μg/m3。

表1 贵阳市大气PM2.5质量浓度Table 1 The mass concentration of PM2.5 in Guiyang

PM2.5秋、冬季的质量浓度均值均超过了国家二级标准的浓度限值(75 μg/m3)，说明贵阳市大气存在PM2.5污染。另外，白云点位四季的PM2.5质量浓度均高于宝山点位，白云点位附近有贵州铝厂等企业使用大量燃煤，周围又有施工工地，柴油车较多，人为污染明显比宝山点位严重。

2.2 贵阳市PM2.5成分谱特征

选取了环境中浓度较大并能代表污染源特征的17种无机元素进行研究，并将这17种元素分成两类，一类是与人类活动污染有关的元素：As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni、V和Cd，另一类是典型的地壳元素：Si、Ti、Al、Na、K、Ca、Mg、Mn、Fe，其中K与燃料燃烧也有一定的关系。贵阳市PM2.5中的17种无机元素、3种水溶性阴离子及有机碳(OC)、元素碳(EC)的质量浓度见表2和表3。

表2 贵阳市PM2.5受体成分谱 (与人类活动污染有关的元素)Table 2 Receptor profiles of PM2.5 in Guiyang City (elements related to human activity pollution)

表3 贵阳市PM2.5受体成分谱(地壳元素)Table 3 Receptor profiles of PM2.5 in Guiyang City(crustal element)

2.3 贵阳市PM2.5的来源解析

化学质量平衡模型(CMB)是目前使用较为普遍的模式之一，CMB通过研究气体污染物的源类和受体样本的物理化学性质来判断不同大气污染源对受体浓度的贡献，CMB法的核心概念为质量守恒原理[6]。

贵阳市的重点污染源类为城市扬尘、建筑水泥尘、钢铁粉尘、燃煤尘、机动车尾气尘、二次硫酸盐和二次硝酸盐，这7类污染源成分谱的数据见本课题组前期发表的论文[7]。将大气环境污染源成分谱及PM2.5受体成分谱数值作为CMB模型计算，得出了全年的大气颗粒物环境污染源对环境空气中PM2.5的贡献率，见图2。

图2 贵阳市大气PM2.5源解析结果Fig.2 Source apportionment of PM2.5 in Guiyang

由图2知，这七类污染源贡献率之和为87.13%，成为贵阳市的大气中PM2.5主要来源。其中二次硫酸盐和二次硝酸盐贡献率之和最高，达到了41.20%，其贡献值为32.02 μg/m3，体现了大部分来自燃煤废气的SO2以及从机动车尾气排出的NOx等经化学转化后成为硫酸盐和硝酸盐对空气质量所造成的危害。由此可见，随着中国大气复合污染物特征的日益突出，贵阳市大气二次污染不容忽视。

汽车尾气尘在各类源贡献中居处于第二位，贡献率约为24.78%，贡献值为19.20 μg/m3。近年来贵烟市机动车保有量急剧上升，车辆尾气尘对大气颗粒物污染的贡献也越来越明显。机动车大量光污染废气，经过各种光化学反应后还能产生二次粒子，这种气体不但能够直接进入空气细颗粒物中，同时还为光化学污染物提供了反应的温床。因此，加大对机动车尾气治理的力度，是当前乃至未来有效治理贵阳市大气细颗粒物污染的关键。

燃煤尘对PM2.5的贡献率为20.75%，贡献值为16.21 μg/m3，同时，随燃煤尘排放到大气中的SO2形成的二次硫酸盐对PM2.5的贡献率也高达33.18%，从这个角度来讲，燃煤尘对PM2.5的实际贡献率可能高达50%左右。这是由于贵阳市的能量构成主要以燃煤为首，燃煤大约占了贵阳市整体能量构成的百分之七十左右，工业燃煤平均消费量为699.72万t，而城市居民的生活燃煤消费量则为823.04万t，致使贵阳市燃煤污染严重，因此燃煤尘污染控制是贵阳市大气环境质量改善的首选途径。

贵阳市城市扬尘对大气PM2.5的贡献率相对于合肥[8]、沈阳[9]等其它省会城市小了许多，仅为0.23%，贡献值约为0.12 μg/m3，最主要的影响因素是贵阳市一年四季无风沙，空气湿润，多年平均相对湿度约为78%，年平均总降水量可达 1 129.5 mm。

建筑水泥尘、钢铁粉尘等对贵阳市大气环境中的PM2.5也有相当的重要贡献，该类源主要指在建筑施工过程中，有混凝土、石灰等施工建材的混合搅拌、浇筑时及钢铁冶炼过程中所释放的细颗粒物。

除上述重要污染源外，12.87%的未知源类可能是生物质焚烧、土壤风沙尘、燃油粉尘等其它贵阳市环境PM2.5的排放源。

3 结 论

(1)贵阳市大气PM2.5中水溶性二次离子、碳组分的质量分数较高，分别为31.39%、26.30%，是PM2.5的主要组成组分。

(2)贵阳市PM2.5的主要污染来源为二次硫酸盐、汽车尾气尘、燃煤粉尘和二次硝酸盐，其贡献率分别为33.18%、24.78%、20.75%和8.02%。加大对燃煤和机动车尾气治理的力度，是当期乃至未来有效治理贵阳市大气细颗粒物污染的关键。