長沙市區(qū)PM2.5中致癌重金屬鉛、鎘的污染特征與季節(jié)性變化研究

趙根成 姚運先 蔣利華 賈勁松 方 暉 付 希 羅 瑛

(長沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410004)

長沙市區(qū)PM2.5中致癌重金屬鉛、鎘的污染特征與季節(jié)性變化研究

趙根成 姚運先 蔣利華 賈勁松 方 暉 付 希 羅 瑛

(長沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410004)

2015年3月至2016年2月期間，在春夏秋冬四個季度，每個季度在長沙城區(qū)采樣15天，每天連續(xù)采樣20小時，共采集PM2.5有效樣品60個。 分析測試結(jié)果表明：長沙監(jiān)測點PM2.5樣品中Pb和Cd年平均濃度分別為4.24ng/m3和132.44ng/m3，對照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)中年平均濃度限值，PM2.5樣品中Pb年平均濃度遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值，PM2.5樣品中Cd年平均濃度則超過標(biāo)準(zhǔn)值25倍。其中冬季PM2.5樣品中Pb和Cd質(zhì)量濃度平均值均顯著高于其它季節(jié)。對比北京、上海、廣州、重慶等國內(nèi)主要城市，長沙PM2.5樣品中Pb年平均濃度處于較低水平；而Cd年平均濃度處于較高水平。

長沙；PM2.5；鉛、鎘；污染特征；季節(jié)性變化

城市空氣中顆粒物污染問題近年來受到人們越來越多的關(guān)注，尤其是大氣中的細(xì)顆粒物PM2.5，富含大量的有毒、有害物質(zhì)，且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠(yuǎn)，能長期漂浮在空氣中，這種細(xì)粒子能通過呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體中，因而對人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量具有重大影響[1，2]。 空氣中顆粒物所含有的有毒重金屬可對人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅，如Pb、Cd等致癌重金屬多以氣溶膠粉塵或蒸氣的形式通過呼吸作用進(jìn)入人體，已成為人類生存環(huán)境中不可忽視的隱形殺手。

近年來國內(nèi)許多學(xué)者對不同城市顆粒物中重金屬的污染特征進(jìn)行了大量富有成效的研究，對長沙市大氣顆粒物PM2.5中重金屬的污染特征的研究也有報道，如楊晴、張凱和柴發(fā)合等研究了長株潭地區(qū)大氣顆粒物TSP和PM10中重金屬濃度的含量與變化[3]；楊保華、陳劍虹和李倦生等研究了長沙大河西先導(dǎo)區(qū)大氣顆粒物PM2.5中重金屬含量[4]。此外，長沙市PM2.5中重金屬污染特征及時空變化研究鮮有報道。

通過研究長沙市區(qū)空氣顆粒物PM2.5中致癌重金屬污染特征和季節(jié)性變化，能為掌握長沙市空氣顆粒物PM2.5中致癌重金屬的污染特征、了解長沙市空氣顆粒物PM2.5中致癌重金屬的污染變化規(guī)律、為長沙市空氣污染的治理提供重要的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 PM2.5樣品采集

1.1.1 采樣點位

采樣點設(shè)置長沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校園內(nèi)，位于校園中心綜合樓四樓樓頂(113°1′43.85″E，28°8′3.75″N)，距最近交通干線洞井路400米，周邊無工業(yè)污染源，不受交通污染和工業(yè)污染影響。監(jiān)測儀器的采樣口離建筑物墻壁、屋頂?shù)戎挝锉砻娴木嚯x都大于1米。

1.1.2 采樣時間

2015年3月至2016年2月期間，在春夏秋冬每季度均采集15天，每天連續(xù)采氧采集20小時環(huán)境空氣PM2.5樣品，測定PM2.5中Pb和Cd的濃度。

1.1.3 采樣方法

樣品采集執(zhí)行《環(huán)境空氣質(zhì)量手工監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 194-2005)。

1.1.4 采樣儀器

(1)采樣器：TH-150C智能中流量采樣器(武漢天虹)。

(2)切割器：PM2.5切割器切割粒徑 Da50=(2.5±0.2)μm。

(3)流量計：中流量流量計，量程為60～125L/min，誤差≤2%。

(4)濾膜：玻璃纖維濾膜。

1.2 PM2.5樣品中重金屬含量的分析

1.2.1 分析方法

PM2.5樣品用濃硝酸和高氯酸消化后，用ICP-MS測定Pb，用原子吸收法測定Cd。計算PM2.5樣品中Pb和Cd的含量。

1.2.2 分析儀器

(1)AUW2200電子天平：感量0.00001g，日本島津；

(2)AA-7000原子吸收-石墨爐分光光度計：日本島津；

(3)NEXION 300Q電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)：美國PE。

1.3 監(jiān)測質(zhì)量保證與控制

1.3.1 采樣的質(zhì)量保證與控制

(1)氣密性檢查：連接采樣系統(tǒng)各裝置，確認(rèn)采樣系統(tǒng)連接正確后，進(jìn)行采樣系統(tǒng)的氣密性檢查。

(2)儀器設(shè)備參照有關(guān)計量檢定規(guī)程進(jìn)行了定期檢定、校準(zhǔn)和維護(hù)。采樣器使用前要進(jìn)行流量校準(zhǔn)。

(3)采樣前后，濾膜稱量使用同一臺分析天平。

(4)濾膜使用前進(jìn)行檢查，不得有針孔或任何缺陷。濾膜稱量時要消除靜電的影響。

(5)取清潔濾膜若干張，在恒溫恒濕箱(室)，按平衡條件平衡 24h，稱重。每張濾膜非連續(xù)稱量 10 次以上，求每張濾膜的平均值為該張濾膜的原始質(zhì)量。以上述濾膜作為“標(biāo)準(zhǔn)濾膜”。 每次稱濾膜的同時，稱量兩張“標(biāo)準(zhǔn)濾膜”。若標(biāo)準(zhǔn)濾膜稱出的重量在原始質(zhì)量±0.5mg范圍內(nèi)，則認(rèn)為該批樣品濾膜稱量合格，數(shù)據(jù)可用。否則檢查稱量條件是否符合要求并重新稱量該批樣品濾膜。

(6)空白濾膜按分析步驟進(jìn)行平衡處理至恒重，稱量后，放入干燥器中備用。

(7)采樣時，將已稱重的濾膜用鑷子放入潔凈采樣夾內(nèi)的濾網(wǎng)上，濾膜毛面應(yīng)朝進(jìn)氣方向，將濾膜牢固壓緊至不漏氣。采樣結(jié)束后，用鑷子取出，將有塵面兩次對折，放入樣品盒或紙袋，并做好采樣記錄。

1.3.2 分析質(zhì)量保障與控制

(1)儀器設(shè)備參照有關(guān)計量檢定規(guī)程進(jìn)行了定期檢定、校準(zhǔn)和維護(hù)。

(2)分析樣品同時分析現(xiàn)場空白濾膜，扣除空白樣品值。

1.3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的質(zhì)量保證與控制

(1)有效數(shù)字及數(shù)值修約按照GB/T 8170和相關(guān)環(huán)境監(jiān)測分析方法標(biāo)準(zhǔn)的要求執(zhí)行。

(2)記錄測定數(shù)值時，根據(jù)計量器具的精密度、準(zhǔn)確度和讀數(shù)誤差。有效數(shù)字位數(shù)記錄到計量器具最小分度值，最多保留一位不確定數(shù)字。

(3)異常值的判斷和處理執(zhí)行GB/T 4883，當(dāng)出現(xiàn)異常高值時，查找原因，原因不明的異常高值不應(yīng)隨意剔除。

2 結(jié)果與分析

2.1 PM2.5樣品中Pb和Cd質(zhì)量濃度分析結(jié)果

本研究課題小組于2015年3月至2016年2月期間，在春夏秋冬四個季度，每個季度采樣15天，每天連續(xù)采樣20小時，共采集PM2.5有效樣品60個，通過采樣監(jiān)測，采樣點大氣中PM2.5中Pb和Cd的濃度值分別見圖1和圖2。

圖1 不同季節(jié)PM2.5樣品中Pb質(zhì)量濃度

圖2 不同季節(jié)PM2.5樣品中Cd質(zhì)量濃度

從圖1和圖2可以看出，冬季PM2.5樣品中Pb和Cd質(zhì)量濃度均比其它季節(jié)顯著偏高，最高監(jiān)測值分別達(dá)到35.13ng/m3和719.63ng/m3。

2.2 PM2.5樣品中Pb和Cd質(zhì)量濃度季節(jié)性變化特征分析

表1為不同季節(jié)PM2.5樣品中Pb和Cd質(zhì)量濃度平均值，從表中數(shù)值也可以看到，冬季PM2.5樣品中Pb和Cd質(zhì)量濃度平均值均高于其它季節(jié)。

表1 不同季節(jié)PM2.5樣品中Pb和Cd質(zhì)量濃度平均值

注：每季度PM2.5樣品個數(shù)均為15個；濃度值為平均濃度±標(biāo)準(zhǔn)偏差；標(biāo)準(zhǔn)值采用《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)中年平均濃度限值。

另外，計算結(jié)果表明，PM2.5樣品中Pb和Cd年平均濃度分別為4.24ng/m3和132.44ng/m3，對照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)中年平均濃度限值，PM2.5樣品中Pb年平均濃度遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值，PM2.5樣品中Cd年平均濃度則超過標(biāo)準(zhǔn)值25倍。

2.3 PM2.5樣品中Pb和Cd污染水平分析

圖3和圖4分別對比了近年長沙及國內(nèi)幾個主要城市PM2.5樣品中Pb和Cd年平均濃度。從圖中可看出，與北京[5]、上海[6]、廣州[7]、重慶[8]等國內(nèi)主要城市相比，長沙PM2.5樣品中Pb年平均濃度分別為以上城市的0.03、0.03、0.01和0.01倍，處于較低水平；而Cd年平均濃度分別為以上城市的55.18、28.79、7.79和0.78倍，處于較高水平。

圖3 長沙及國內(nèi)幾個主要城市PM2.5樣品中Pb年平均濃度對比

圖4 長沙及國內(nèi)幾個主要城市PM2.5樣品中Cd年平均濃度對比

3 結(jié) 語

2015年3月至2016年2月期間，在春夏秋冬四個季度，每個季度在長沙城區(qū)采樣15天，每天連續(xù)采樣20小時，共采集PM2.5有效樣品60個，通過現(xiàn)場監(jiān)測，結(jié)果表明：

(1)長沙監(jiān)測點PM2.5樣品中Pb和Cd年平均濃度分別為4.24ng/m3和132.44ng/m3，對照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)中年平均濃度限值，PM2.5樣品中Pb年平均濃度遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值，PM2.5樣品中Cd年平均濃度則超過標(biāo)準(zhǔn)值25倍。

(2)冬季PM2.5樣品中Pb和Cd質(zhì)量濃度平均值均高于其它季節(jié)。

(3)對比北京、上海、廣州、重慶等國內(nèi)主要城市，長沙PM2.5樣品中Pb年平均濃度處于較低水平；而Cd年平均濃度處于較高水平。

針對以上情況，本研究下一步工作可以考慮分析PM2.5樣品中Pb和Cd的主要污染來源，以期對改善長沙城市空氣質(zhì)量提出相應(yīng)的預(yù)防和控制措施。

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Study on Pollution Characteristics and Seasonal Change of Pb and Cd in Heavy Metals of PM2.5in Changsha City

ZHAO Gencheng YAO Yunxian JIANG Lihua JIA Jinsong FANG Hui FU Xi LUO Ying

(Changsha Environmental Protection Vocational College，Changsha Hunan，410004)

From March 2015 to February 2016，by sampling 20 hours a day，15 days each season，60 effective PM2.5samples of Changsha City were collected in total.The analysis results show that the average concentration of Pb and Cd in Changsha monitoring samples were 4.24ng/m3and 132.44ng/m3.The average concentration of Pb in PM2.5samples is far below the standard value，and the average concentration of Cd in PM2.5samples is 25 times higher than the standard value.The average of Pb and Cd in winter PM2.5samples were higher than those of other seasons. Comparing Beijing，Shanghai，Guangzhou，Chongqing and other major cities，the average concentration of Pb in PM2.5samples in Changsha is at a low level；The average annual concentration of Cd is at a higher level.

Changsha City；PM2.5；Pb and Cd；Pollution Characteristics；Seasonal Change

趙根成，高級工程師，碩士研究生，主要從事環(huán)境監(jiān)測技術(shù)方面的教學(xué)、科研和對外技術(shù)服務(wù)工作

姚運先，教授，高級工程師，省級專業(yè)帶頭人，省級環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測專家?guī)斐蓡T

X21

A

1673-288X(2017)02-0165-03

項目資助：2014年湖南省環(huán)境保護(hù)廳環(huán)境保護(hù)研究課題“長沙市區(qū)PM2.5中致癌重金屬鉛、鎘的污染特征與季節(jié)性變化研究”

引用文獻(xiàn)格式：趙根成 等.長沙市區(qū)PM2.5中致癌重金屬鉛、鎘的污染特征與季節(jié)性變化研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42(2)：165-167.