環(huán)境空氣中PM10 主要來源解析

宋紅光，魯 磊

（1 貴州省煤礦設(shè)計研究院，貴陽 550025；2 廣東省湛江市環(huán)境科學(xué)技術(shù)研究所，湛江 524022）

PM10 來源解析是一種定性及定量研究環(huán)境空氣顆粒物來源的技術(shù)方法，其解析結(jié)果可為PM10 控制措施提供參考依據(jù)。

1 實驗方法及結(jié)果

1.1 樣品采集

選擇A市夏季某典型日環(huán)境空氣中PM10中各組分進行測量。

1.2 濾膜處理及質(zhì)量控制

本次采樣使用聚丙烯濾膜，濾膜的孔隙約0.2μm，該膜先用去離子水洗滌后采用超聲波振蕩約15min，然后用去離子水重復(fù)洗滌3 次，去除濾膜中離子組分后備用。

在恒溫室內(nèi)快速稱量備用膜，其質(zhì)量記為M1，稱量后將其再次放入干燥器內(nèi)干燥至質(zhì)量不再改變（干燥時間應(yīng)大于6h）。然后再次快速稱量該備用膜，其質(zhì)量記為M2。

實驗中前后兩次稱量均須至質(zhì)量恒重，稱量結(jié)果應(yīng)誤差范圍應(yīng)準確至0.1mg 以內(nèi)。

1.3 樣品處理、保存

稱量后實驗前濾膜應(yīng)采用密封塑料袋密封裝，并將該膜儲藏于干燥器具內(nèi)；樣品采集后應(yīng)確保濾膜中各組成不在傳輸環(huán)節(jié)丟失，以免影響測量數(shù)據(jù)對分析結(jié)果的影響。

1.4 受體樣品的分析方法

本次實驗采用X 射線熒光（XRF）方法對采樣膜中各元素進行分析。該實驗一共采集和分析了Mg、Na、Ca、Al 等16 種元素、樣品中的陰陽離子及有機碳和元素碳。

1.5 結(jié)果

本次實驗監(jiān)測結(jié)果列表如表1：

2 因子分析法基本原理及計算

2.1 因子分析法的基本原理

因子分析法（FA）是多元統(tǒng)計分析方法之一。因子分析法的基本原理是通過一個模型將具有復(fù)雜關(guān)系的變量歸納為幾個綜合因子的一種統(tǒng)計和分析方法。

因子分析法的數(shù)學(xué)表達式為：

式中：xij－為i 元素在j 樣品中的濃度結(jié)果（μg/m3）；

fkj－又稱公因子，為k 污染源對j 樣品的貢獻值（μg/m3），一般對所有組分均有貢獻；

vi－又稱唯一因子，為僅對i 組分貢獻值的特殊源的污染物排放（μg/m3）；

aik－又稱因子載荷，為i 元素在k 污染源污染物中的含量（g/g）；

di－為唯一因子的系數(shù)（g/g）；

ξi 為i 元素的誤差變量。

將上述數(shù)學(xué)表達式改為矩陣：

其中X：樣品參數(shù)矩陣；F：公因子矩陣，V：唯一因子矩陣；

A：因子載荷矩陣，D ：唯一因子載荷矩陣，ξ：誤差矩陣。

本實驗就是根據(jù)樣品測量結(jié)果X，從全部變量的測量數(shù)據(jù)結(jié)果中分析歸納出少數(shù)公因子F，并同時得出各因子載荷A 的結(jié)果，以指導(dǎo)實際工作。

2.2 主要運算步驟

使用因子分析法進行分析的主要操作步驟如下：

① 將數(shù)據(jù)標準化

數(shù)據(jù)標準化可將各變量在數(shù)量級別或量綱上產(chǎn)生的不同之處進行統(tǒng)一，在因子分析前，需對原始監(jiān)測數(shù)據(jù)進行標準化預(yù)處理來統(tǒng)一。

②提取因子

該階段主要用于提取幾個貢獻值較大的污染物因子，并確保被提取的主要污染因子的總貢獻值大于85%。

③旋轉(zhuǎn)因子

采用方差極大旋轉(zhuǎn)法對上述因子矩陣進行旋轉(zhuǎn)，使較大因子載荷主要集中在少數(shù)變量上。

④定量計算

須進一步計算絕對主因子得分矩陣F*，同時計算絕對因子載荷矩陣C*，計算公式如下 ：

式中：F*為絕對主因子矩陣；C*為絕對因子矩陣；X 為樣品參數(shù)矩陣；S 為元素標準偏差對角化矩陣；B 為主因子的系數(shù)矩陣。

樣品中各污染源對PM10 的濃度貢獻情況計算如下：

3 A 市級PM10 主要來源確定

A 市環(huán)境中PM10 的來源可歸納為5個方面，以5個公因子代表，樣品中各元素的因子載荷矩陣旋轉(zhuǎn)后以及5個公因子的組分貢獻值統(tǒng)計情況見表2 所示。

3.1 PM10 主要來源解析

3.1.1 公因子1 解析。由于A 市靜風頻率很高，土壤產(chǎn)生的風沙塵的貢獻值不會太高，而公因子1 中Al、Mg 和Si 等元素載荷很高，因此考慮公因子1 為地面揚塵，主要包括施工場地和運輸?shù)缆窊P塵，其濃度貢獻率為21.56%，綜合A 市實際情況來看，A 市運輸線路眾多、施工工地數(shù)量多且分布廣泛，因此，該判斷結(jié)果可信程度較高。

3.1.2 公因子2 解析。由公因子2 中NO3-、SO42 離子和NH4+離子的相關(guān)程度分析可知，公因子2 主要成分應(yīng)該是（NH4）2SO4、NH4HSO4 和NH4NO3 等污染物，主要來自于城市機動車尾氣和原煤燃燒產(chǎn)生的NOx 和SO2 的二次反應(yīng)產(chǎn)物；由于矩陣中S元素與NO3-、SO42-離子的相關(guān)性較好，由此可知燃煤煙塵對實驗中PM10 中主要成分的貢獻值較大。

3.1.3 公因子3 解析。在監(jiān)測結(jié)果中Br 含量極少，Br 是機動車尾氣污染物的代表性元素，一般情況輪胎磨損殘余物中Zn的成分較高，綜合考慮，可認為公因子3 為交通源產(chǎn)生的粉塵，該粉塵濃度貢獻率為10.70%。

3.1.4 公因子4 解析。經(jīng)分析，公因子4 中變量Fe、Co 等元素的載荷較高，考慮到A 市分布了較多的冶煉企業(yè)，而Fe、Co 元素的產(chǎn)生一般與冶煉過程有關(guān)，因此，可判斷公因子主要為鋼鐵產(chǎn)生的顆粒物，其顆粒物的濃度貢獻率為11.30%。

3.1.5 公因子5 解析。經(jīng)過分析公因子5，發(fā)現(xiàn)公因子5 中變量Ca2+、Mg2+和Sr 等元素載荷較高，上述元素均是建筑材料中標志元素，因此可考慮公因子5 為建筑材料所產(chǎn)生的顆粒物，其粉塵濃度貢獻率為16.30%。

3.1.6 各元素共同度分析結(jié)果均大于0.65，說明本次分析結(jié)果與A 市具體情況的擬合度較高，同時也可說明上述5個公因子為A 市環(huán)境空氣中PM10 的幾個主要來源。

3.2 污染因子貢獻率解析

A 市環(huán)境空氣PM10 中因子1 的比例為 29.30%，因子2的比例為46.60%，因子3 的比例為5.18%，因子4 的比例為11.43%，因子5 的比例為8.03%。

由此可知，A 市環(huán)境空氣中PM10 中來源于工業(yè)燃煤的污染最為嚴重，其次是施工及運輸揚塵，該分析結(jié)果與A 市的現(xiàn)狀及近年統(tǒng)計數(shù)據(jù)相符。

4 結(jié)論

4.1 經(jīng)研究分析，因子分析法可用于環(huán)境空氣中PM10 的來源解析。

4.2 A 市中環(huán)境空氣中PM10 的主要來源為施工及運輸揚塵（公因子1）、燃煤煙氣污染源（公因子2）、交通源粉（公因子3）、冶煉塵（公因子4）、建材塵（公因子5），按其濃度貢獻率排序為：公因子2＞公因子1＞公因子4＞公因子5＞公因子3。

[1]魯累.重慶市主城區(qū)大氣PM（10）來源的混合模型解析研究.重慶大學(xué)碩士論文，2008.

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