大學(xué)生寢室春季空氣中大氣顆粒物粒徑分布及其影響因素

鐘 萍,宋 佳,肖宇倫,蔣凌霄, 張家泉,2*,劉 婷,2,劉先利,2

(1湖北理工學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 黃石 435003；2湖北理工學(xué)院礦區(qū)環(huán)境污染控制與修復(fù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 黃石 435003)

大學(xué)生寢室春季空氣中大氣顆粒物粒徑分布及其影響因素

鐘 萍1,宋 佳1,肖宇倫1,蔣凌霄1, 張家泉1,2*,劉 婷1,2,劉先利1,2

(1湖北理工學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 黃石 435003；2湖北理工學(xué)院礦區(qū)環(huán)境污染控制與修復(fù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 黃石 435003)

采用直讀式DustTrak 8533型顆粒物濃度測(cè)定儀于2016年3月26日至4月11日對(duì)黃石某高校大學(xué)生寢室室內(nèi)顆粒物濃度進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)。結(jié)果顯示，室內(nèi)PM2.5和PM10的濃度范圍分別為33～95 μg/m3和45～140 μg/m3，PM10日均濃度均未超過(guò)國(guó)家2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其中PM2.5質(zhì)量濃度有4 d超過(guò)國(guó)家2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(>75 μg/m3)；PM2.5的質(zhì)量濃度在顆粒物濃度中起著主導(dǎo)作用，占總懸浮顆粒物質(zhì)量濃度的63%; PM2.5/ PM10和PM10/TSP比值在采樣期間起伏變化都比較大，其中PM2.5/PM10在3月29日、4月2日比值達(dá)到0.8以上，說(shuō)明細(xì)顆粒物污染比較嚴(yán)重；PM10/TSP比值在0.75～0.92之間波動(dòng)，說(shuō)明PM10質(zhì)量濃度對(duì)顆粒物質(zhì)量濃度影響較大；分析采樣監(jiān)測(cè)的溫度、濕度、風(fēng)速與顆粒物濃度的相關(guān)性可知，顆粒物質(zhì)量濃度的變化與溫度、濕度都存在弱的負(fù)相關(guān)性。

大學(xué)生宿舍；室內(nèi)空氣；顆粒物；粒徑分布；影響因素

0 引言

校園作為一個(gè)文化傳播區(qū)，室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的高低，直接影響著學(xué)校師生的健康和教學(xué)工作的正常進(jìn)行[1]。越來(lái)越多的流行病學(xué)研究表明，人群發(fā)病率和死亡率與大氣顆粒物質(zhì)量濃度，特別是與室內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度存在顯著的相關(guān)性[2-4]。人們絕大部分時(shí)間是在室內(nèi)活動(dòng)，特別是老人和小孩在室內(nèi)時(shí)間更長(zhǎng)，而室外顆粒污染物也主要是通過(guò)室內(nèi)暴露來(lái)影響人體的健康[5-6]。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)提供的一項(xiàng)調(diào)查結(jié)果顯示，68%的疾病是由于室內(nèi)空氣污染所致，室內(nèi)空氣污染程度高出室外5～10倍[7]。室內(nèi)顆粒物的來(lái)源和組分與室外不同，因此室內(nèi)、外顆粒物污染的關(guān)系也日益受到重視[8-9]。

黃石是長(zhǎng)江中下游重要工礦型城市，粉塵顆粒物污染較嚴(yán)重，為了解學(xué)校寢室內(nèi)可吸入顆粒物的時(shí)間分布變化特征以及不同粒徑顆粒物的分布特征，用DustTrak粉塵顆粒物監(jiān)測(cè)儀對(duì)學(xué)校寢室內(nèi)不同粒徑顆粒物濃度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，并考察室外顆粒物濃度、室外氣象條件及室內(nèi)人為活動(dòng)等影響因素對(duì)室內(nèi)不同粒徑顆粒物質(zhì)量濃度的作用，掌握室內(nèi)空氣質(zhì)量的狀況及變化趨勢(shì)，展開室內(nèi)污染的預(yù)測(cè)工作和評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣污染對(duì)健康的影響[10]，為人們提供更合理的生活方式，以及為污染的防治提供依據(jù)。

1 采樣與監(jiān)測(cè)

選擇湖北理工學(xué)院某男生寢室為研究對(duì)象，學(xué)生公寓位于黃石市下陸區(qū)，背靠青龍山，西面為磁湖路。磁湖路為雙向六車道，為城市次干道，道路車流量較大。

于2016年3月26日至4月11日，在寢室內(nèi)采用粉塵顆粒物監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)顆粒物實(shí)時(shí)濃度。采樣點(diǎn)位于寢室中央，靠門較遠(yuǎn)的地方，盡可能地避免開關(guān)門對(duì)儀器附近氣流的擾動(dòng)。采樣點(diǎn)高度約1 m，即寢室同學(xué)坐位呼吸帶高度。每天24 h連續(xù)采樣，5 min自動(dòng)記錄一次室內(nèi)PM2.5、PM4、PM10及TSP的質(zhì)量濃度。室外顆粒物PM2.5、PM10質(zhì)量濃度通過(guò)黃石市環(huán)境保護(hù)局空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布系統(tǒng)獲取，并記錄當(dāng)?shù)靥鞖鉅顩r、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)力以及寢室通風(fēng)狀態(tài)、開關(guān)門窗、寢室內(nèi)瞬時(shí)學(xué)生數(shù)、做值日等情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 室內(nèi)空氣顆粒物日均質(zhì)量濃度變化特征

按照室內(nèi)空氣顆粒物濃度監(jiān)測(cè)方法，對(duì)選定的男生寢室室內(nèi)空氣顆粒物濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)所測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行日平均處理,其日平均值見表1。室內(nèi)PM2.5和PM10的濃度范圍分別為33～95 μg/m3和45～140 μg/m3，其中PM2.5質(zhì)量濃度有4 d超過(guò)國(guó)家2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(>75 μg/m3)，分別為3月26日、3月28日、3月29日、4月9日；PM2.5、PM4、PM10、TSP這4種顆粒物濃度逐日變化趨勢(shì)基本相似，變化趨勢(shì)都是先升高再降低再升高。較高值出現(xiàn)在3月26日—3月29日、4月9日，而最高值出現(xiàn)在3月29日，4種顆粒物的濃度分別是95 μg/m3、107 μg/m3，140 μg/m3、152 μg/m3；最低值出現(xiàn)在4月4日，此時(shí)4種顆粒物的濃度分別是33 μg/m3、39 μg/m3、45 μg/m3、58 μg/m3，主要是由于之前有灰霾出現(xiàn)，且在3月39日—4月6日有連續(xù)降雨，導(dǎo)致顆粒物濃度降低。監(jiān)測(cè)期間寢室顆粒物質(zhì)量分布的變化主要由細(xì)顆粒物和可吸入顆粒物引起，污染源性質(zhì)、氣象條件以及粒子間的物理和化學(xué)過(guò)程也可使細(xì)顆粒物和可吸入顆粒物質(zhì)量濃度進(jìn)一步發(fā)生變化[11]。

表1 寢室室內(nèi)PM2.5、PM4、PM10和TSP的日平均質(zhì)量濃度 μg/m3

2.2 寢室內(nèi)PM2.5、PM10平均質(zhì)量濃度的時(shí)間分布變化特征

為分析寢室PM2.5、PM10的晝夜平均質(zhì)量濃度變化特征，規(guī)定所測(cè)日19∶00—次日7∶00為夜，7∶00—19∶00為晝。寢室內(nèi)顆粒物濃度晝夜變化如圖1所示。從圖1可以看出，室內(nèi)空氣顆粒物的質(zhì)量濃度基本上呈現(xiàn)出白天濃度較夜間高的趨勢(shì)。由于采樣期間雨水較多，在采樣期間內(nèi)有8日(3月29日、3月30日和4月1日、2日、3日、5日、6日和9日)均有不同程度的降水，降水可以帶走空氣中大量顆粒物，室內(nèi)顆粒物在降雨時(shí)及降雨過(guò)后，其濃度會(huì)明顯降低。與其他室內(nèi)監(jiān)測(cè)時(shí)期相比，在此采樣期間，寢室人為活動(dòng)對(duì)室內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度的貢獻(xiàn)占據(jù)主要地位，這也是日間有人為活動(dòng)時(shí)顆粒物質(zhì)量濃度相應(yīng)較高的原因。

圖1 寢室內(nèi)顆粒物濃度晝夜變化

2.3 時(shí)段變化特征

為研究PM2.5濃度最高時(shí)間段，將1天的24 h分為8個(gè)時(shí)段，每3 h為1個(gè)時(shí)間段進(jìn)行分析。室內(nèi)顆粒物PM2.5的不同時(shí)段平均質(zhì)量濃度對(duì)比如圖2所示。從圖2可看出，在一天中PM2.5不同時(shí)段平均質(zhì)量濃度有顯著差異，變化趨勢(shì)基本一致。9∶00—12∶00時(shí)段和18∶00—21∶00時(shí)段的PM2.5平均質(zhì)量濃度最高，最低分別出現(xiàn)在15∶00—18∶00時(shí)段和00∶00—3∶00時(shí)段。9∶00—12∶00時(shí)段PM2.5平均質(zhì)量濃度高的原因是由于在云層較少的夜間，易形成逆溫，逆溫一般發(fā)生在上午10∶00左右持續(xù)0.5 h，從而造成室內(nèi)這一時(shí)段顆粒物質(zhì)量濃度偏高，通常中午同學(xué)打掃寢室，造成揚(yáng)塵增多，也是顆粒物質(zhì)量濃度偏高的原因，在18∶00—21∶00時(shí)段顆粒物質(zhì)量濃度偏高的原因是這個(gè)時(shí)段學(xué)生活動(dòng)頻率增加，寢室內(nèi)人數(shù)增多，各種室內(nèi)活動(dòng)增多，引起顆粒物質(zhì)量濃度升高。15∶00—18∶00時(shí)段和00∶00—3∶00時(shí)段顆粒物質(zhì)量濃度較低的原因主要是宿舍沒有明顯的污染源，此階段寢室人數(shù)少，或大多數(shù)人在休息，人為活動(dòng)較少，減少了人為活動(dòng)對(duì)顆粒物質(zhì)量濃度的貢獻(xiàn)。

圖2 室內(nèi)顆粒物PM2.5的不同時(shí)段平均質(zhì)量濃度對(duì)比

2.4 寢室內(nèi)不同粒徑顆粒物分布特征

室內(nèi)不同粒徑顆粒物所占百分比如圖3所示。由圖3可知，粒徑為0～2.5 μm、2.5～4 μm、4～10 μm、10～100 μm顆粒物的平均濃度占顆粒物總濃度的比例分別為63%，8%，14%，15%，其中PM2.5的質(zhì)量濃度占TSP質(zhì)量濃度的50%上，其他粒徑的顆粒物所占比例幾乎均等。因此，對(duì)寢室室內(nèi)顆粒物的污染控制重點(diǎn)是對(duì)微細(xì)顆粒物(PM2.5)質(zhì)量濃度的控制。一些研究也發(fā)現(xiàn)，在相同的質(zhì)量下，對(duì)人體危害較嚴(yán)重的是微細(xì)顆粒物[7]，而對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)PM2.5的來(lái)源、污染途徑的控制是減少室內(nèi)污染程度最有效的措施。

圖3 室內(nèi)不同粒徑顆粒物所占百分比圖

2.5 室內(nèi)與室外PM2.5、PM10質(zhì)量濃度的關(guān)系

室內(nèi)與室外PM2.5和PM10質(zhì)量濃度的對(duì)比如圖4所示，從圖4中可以看出,室內(nèi)、室外PM10濃度變化基本趨于一致。室內(nèi)可吸入顆粒物的濃度明顯小于室外可吸入顆粒物濃度，而且寢室室內(nèi)可吸入顆粒物質(zhì)量濃度和室外可吸入顆粒物濃度波動(dòng)大體趨于一致，這表明室內(nèi)可吸入顆粒物的濃度主要受室外可吸入顆粒物濃度的影響，并隨室外顆粒物濃度變化而變化[12]。經(jīng)證明，室內(nèi)顆粒物濃度隨室外顆粒物濃度變化而變化，但在時(shí)間上存在一定程度的滯后[13-15]。 室外PM2.5的濃度要小于室內(nèi)PM2.5的平均濃度，這是由于除受室外影響外，室內(nèi)顆粒物濃度還受寢室內(nèi)各因素的影響，如人的活動(dòng)量、清潔頻率、通風(fēng)量和沉降率等室內(nèi)環(huán)境因素[13,16-17]。

圖4 室內(nèi)與室外PM10和PM2.5濃度的對(duì)比圖

2.6 氣象因素對(duì)室內(nèi)顆粒物分布的影響

顆粒物質(zhì)量濃度與溫度變化相關(guān)關(guān)系如圖5所示。監(jiān)測(cè)期間PM2.5、PM10、TSP三者的濃度具有一定的階段性變化特點(diǎn)，相較于溫度變化有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但是相關(guān)程度比較弱，所受影響可忽略不計(jì)。相對(duì)濕度與顆粒物質(zhì)量濃度之間關(guān)系如圖6所示，在所監(jiān)測(cè)的17 d內(nèi)，8 d有降水，9 d為晴天或多云，降水條件對(duì)相對(duì)濕度影響很大，4月3日—6日有降雨，相對(duì)濕度為96%，85%，83%和98%，PM2.5、PM10、TSP的質(zhì)量濃度亦呈現(xiàn)全月最低值，比晴天或者多云時(shí)低，主要是由于降水的沖刷作用，可見PM2.5為大氣中懸浮的粒徑較細(xì)的顆粒物，濕沉降是主要的清除方式[18]。風(fēng)速與顆粒物質(zhì)量濃度之間關(guān)系如圖7所示，4月3日、4月11日風(fēng)速增大時(shí)，PM2.5、PM10、TSP濃度降低，3月28—30日風(fēng)速減小時(shí)，PM2.5、PM10、TSP的質(zhì)量濃度卻增大，說(shuō)明風(fēng)速的大小決定了對(duì)污染物沖淡稀釋作用的大小，風(fēng)速較小時(shí)不利于顆粒物的擴(kuò)散，風(fēng)速增大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)從污染源排放出來(lái)的污染物被很快地拉長(zhǎng)，這時(shí)混入的大氣量越多，污染物濃度越小[19]。4月4—6日風(fēng)力逐漸增大，當(dāng)天的PM2.5、PM10、TSP質(zhì)量濃度也相應(yīng)較大，說(shuō)明當(dāng)風(fēng)速很大時(shí)，風(fēng)可能卷起更多地面的顆粒物，或者使較大的顆粒物相互碰撞為較小的顆粒物，使室內(nèi)PM2.5、PM10、TSP的質(zhì)量濃度相應(yīng)增大。

圖5 顆粒物質(zhì)量濃度與溫度變化相關(guān)關(guān)系

圖6 顆粒物質(zhì)量濃度與相對(duì)濕度相關(guān)關(guān)系

圖7 顆粒物質(zhì)量濃度與風(fēng)速相關(guān)關(guān)系

3 結(jié)論

1)在整個(gè)監(jiān)測(cè)期內(nèi)，PM2.5、PM4、PM10、TSP濃度都相對(duì)比較低，其中PM10日均濃度均未超過(guò)國(guó)家2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)， PM2.5質(zhì)量濃度有4 d超過(guò)國(guó)家2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(>75 μg/m3)。

2)從顆粒物粒徑分布研究中可以看出，寢室內(nèi)顆粒物污染以粒徑為0～2.5 μm的細(xì)顆粒物為主，說(shuō)明PM2.5的質(zhì)量濃度在顆粒物濃度中起著主導(dǎo)作用。采樣期間PM2.5質(zhì)量濃度與PM10、TSP質(zhì)量濃度的變化起伏基本一致，更加證明了控制PM2.5濃度的重要性。

3)室內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度與室外的氣象因素(溫度、濕度、風(fēng)速)相關(guān)性不是很強(qiáng)，室內(nèi)可吸入顆粒物的濃度主要受室外可吸入顆粒物濃度的影響，同時(shí)也會(huì)受到室外空氣顆粒物的滲透，以及室內(nèi)人為活動(dòng)的影響。

[1] 邢核,李國(guó)剛.綜合評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣質(zhì)量初探[J].環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù),2006,18(2):35-37.

[2] Lai SC,Ho KF,Zhang YY,et al.Characteristics of residential indoor carbonaceous aerosols:a case study in Guangzhou,Pearl River Delta Region[J].Aerosol & Air Quality Research,2010,10(5):472-478.

[3] Pope CA,Raizenne ME.Health effects of particulate air pollution: time for reassessment[J].Environmental Health Perspectives,1995,103(5):472-480.

[4] 孔祥瑜.室內(nèi)空氣污染及其防治[J].大眾標(biāo)準(zhǔn)化,2005(1):31-33.

[5] 修光利,趙一先.辦公室內(nèi)可吸入顆粒物污染初析[J].上海環(huán)境科學(xué),1999(5):202-204.

[6] 熊志明,張國(guó)強(qiáng),彭建國(guó),等.室內(nèi)可吸入顆粒物污染研究現(xiàn)狀[J].暖通空調(diào),2004,34(4):32-36.

[7] 劉陽(yáng)生,沈興興,毛小苓,等.北京市冬季公共場(chǎng)所室內(nèi)空氣中TSP，PM10，PM2.5和PM1污染研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2004,24(2):190-196.

[8] Matta E,Facchini MC,Decesari S,et al.Mass closure on the chemical species in size-segregated atmospheric aerosol collected in an urban area of the Po Valley,Italy[J].Atmospheric Chemistry & Physics,2003,3(3):623-637.

[9] 楊復(fù)沫,賀克斌,馬永亮,等.北京PM2.5化學(xué)物種的質(zhì)量平衡特征[J].環(huán)境化學(xué),2015,23(3):326-333.

[10] 王冰.西安市南郊大氣顆粒物PM2.5及其組分特征研究[D].西安建筑科技大學(xué),2010.

[11] 滕恩江，胡偉，吳國(guó)平，等.中國(guó)四城市空氣粗細(xì)顆粒物元素組成特征[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，1999,19(3):238-242.

[12] Ando M,Katagiri K,Tamura K,et al.Indoor and outdoor air pollution in Tokyo and Beijing supercities[J].Atmospheric Environment,1996,30(5):695-702.

[13] Kulmala M,Asmi A,Pirjola L.Indoor air aerosol model:the effect of outdoor air,filtration and ventilation on indoor concentrations[J].Atmospheric Environment,1999,33(3):2133-2144.

[14] Li CS.Relationships of indoor/outdoor inhalable and respirable particles in domestic environments[J].Science of the Total Environment,1994,151(3):205-211.

[15] 張永,李心意,姜麗娟,等.住宅室內(nèi)空氣顆粒物污染狀況及其與大氣濃度關(guān)系的初探[J].衛(wèi)生研究,2005,34(4):407-409.

[17] 黃書華,劉建國(guó),劉文清,等.夏季高濕度條件下北京市氣溶膠顆粒物粒譜特征研究[J].環(huán)境科學(xué),2010,31(1):17-21.

[18] 張晶，陳宗良，王瑋.北京市大氣小顆粒物的污染源解析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),1998,81:62-67.

[19] 寶文宏,王莉,孫麗,等.影響大氣污染物擴(kuò)散的因素及影響趨勢(shì)分析[J].包鋼科技,2002,28(6):72-74.

(責(zé)任編輯 高 嵩)

Size Distribution of Airborne Particles and Its Influencing Factors of College Student's Dormitory in Spring

ZhongPing1,SongJia1,XiaoYulun1,JiangLingxiao1,ZhangJiaquan1,2*,LiuTing1,2,LiuXianli1,2

(1School of Environmental Science and Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;2Hubei Key Laboratory of Mine Environmental Pollution Control and Remediation,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003)

The indoor particle mass concentration of the college student's dormitory in Huangshi was analyzed by the direct-reading DustTrak 8533 particle concentration detector from March 26 to April 11,2016,and the factors affecting indoor air quality were discussed.The results indicated that the indoor PM2.5and PM10concentration ranges were 33～95 μg/m3and 45～140 μg/m3,PM10daily average concentration did not exceed the national secondary standard,but four days in which the concentration of PM2.5exceed the national secondary standard(>75 μg/m3). PM2.5of the mass concentration played a major role in particulate concentration and occupied 63% of the total suspended particles.The fluctuations of the ratio of PM2.5/PM10and PM10/TSP changed greatly during the sample period,the ratio of PM2.5/PM10on March 29 and April 2 were above 0.8,indicating the fine particle pollution was serious;the ratio of PM10/TSP changed between the 0.75～0.92,indicating PM10mass concentration has great influence on TSP concentration.The correlation between particle concentration and temperature,humidity and air velocity acquired by sampling and monitoring analysis showed that there was weak negative correlation between the particle concentration change and temperature and humidity.

college student's dormitory;indoor air;particle;size distribution;influence factor

2016-08-19

湖北理工學(xué)院優(yōu)秀青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：13xtz07);湖北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(對(duì)外科技合作類)(項(xiàng)目編號(hào)：2014BHE0030)；湖北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：201610920010)。

鐘萍，本科生。

10.3969/j.issn.2095-4565.2016.06.007

X513

A

2095-4565(2016)06-0030-05

*通訊作者：張家泉，副教授，博士，研究方向:環(huán)境污染化學(xué)。