石家莊市大氣顆粒污染物主要成分及其來源分析

張之琳

(河北工業(yè)大學,天津 300132)

石家莊市大氣顆粒污染物主要成分及其來源分析

張之琳

(河北工業(yè)大學,天津 300132)

總懸浮顆粒物(TSP)是對環(huán)境與人體健康造成危害的主要物質(zhì)。因此，本文對石家莊市大氣懸浮顆粒物的時空分布和組成進行分析，探究了導致石家莊市產(chǎn)生霧霾的物質(zhì)及其來源。結果表明：(1)研究區(qū)PM10和PM2.5平均濃度差異性較小，且高于《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB3095-2012)中所規(guī)定的年平均二級濃度限值；(2)西南高教的PM10濃度相對較??；(3)石家莊市冬季TSP 、PM10和降塵的濃度均高于夏季；(4)TSP和PM10二者所含重金屬種類和含量高低順序基本一致，由高到低依次為Ca、Al、Fe、Zn、Pb、Cu、Ni、Cr、Cd；(5)冬季(霧霾期)與夏季(非霧霾期)污染物主要化學組分基本一致，但冬季各元素含量明顯高于夏季。

TSP; PM10; PM2.5; 降塵

0 引言

大氣顆粒物是大氣污染的主要來源。大氣顆粒物源解析是對大氣顆粒物的來源進行定性或定量研究。因此，大氣顆粒物源解析對于防治顆粒物污染是一個非常重要而又復雜的課題，也是近十多年來國內(nèi)外大氣顆粒物研究領域的重要內(nèi)容之一[1]。大量降塵對大氣環(huán)境質(zhì)量、土壤性質(zhì)和人群健康產(chǎn)生了顯著影響[2]。在國家環(huán)?？偩值耐苿酉拢鞯丶訌娏祟w粒物源解析工作。近年來，已有較多城市相繼開展了顆粒物源解析工作，為顆粒物污染防治提供了有價值的科學指導。

石家莊市地處河北省中南部，距北京273km，是河北省的工業(yè)大市，也是中國最大的醫(yī)藥工業(yè)基地和重要的紡織基地之一。近年來，隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人與自然的矛盾日益凸顯，尤其表現(xiàn)在大氣污染方面。據(jù)統(tǒng)計，2016年1-10月，全國74個城市中，石家莊市的空氣質(zhì)量排名倒數(shù)第一，首要污染物為可吸入顆粒物PM10。

因此，需要以石家莊地區(qū)區(qū)域特點和污染物種類、含量及來源等信息為參考，針對多種大氣污染控制的可行性、經(jīng)濟合理性、區(qū)域適應性和實施可能性等進行最優(yōu)化選擇和評價，得到最優(yōu)的治理方案。本文主要對大氣中懸浮顆粒物的時空分布和組成特征進行監(jiān)測和分析，并提出相關建議。

1 樣品采集與分析方法

1.1 懸浮顆粒物的采集

PM10、TSP采樣儀器使用武漢天虹儀器廠智能中流量大氣采樣器及TH-16A四通道大氣顆粒物采樣儀；降塵采用集塵缸收集。具體采樣方法如下：

(1)TSP采用中流量采樣器，采樣流量為100L/min，濾膜用超細玻璃濾膜，采樣24小時；

(2)PM10采用帶PM10切割頭的中流量采樣器，采樣流量為100L/min，濾膜用聚丙烯濾膜，采樣20小時；

(3)降塵采用集塵缸(內(nèi)徑15±0.5cm，高30cm)置于定制的置物臺上。濕法集塵缸內(nèi)加入體積比為8:5的乙二醇水溶液130mL(抑制微生物生長，冬季時防止結冰)，采樣周期為30天。降塵通量計算公式：

式中，F(xiàn)d—降塵通量，g/m-2·月； W—降塵干重，g； Sd—降塵裝置底面積，m2； M—收集時間，月。

1.2 懸浮顆粒物成分分析方法

金屬元素測定采用強酸消解—電感耦合等離子質(zhì)譜儀方法測定，每批樣品均做空白對照以消除試劑或?qū)嶒炦^程所造成的系統(tǒng)誤差。具體選用的分析儀器如下：

(1)Ca、Al、Fe等常規(guī)金屬含量采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES，OPTIMA 2000DV，Perkin Elmer，USA)；(2)Cd、Cr、Cu、Ni、Zn、Pb等重金屬含量采用電感耦合等離子質(zhì)譜儀(7500a，ICP-MS，Agilent，USA)。

2 實驗結果及分析

2.1 懸浮顆粒物的空間分布特征及分析

研究區(qū)內(nèi)選取22中、高新區(qū)、世紀公園、西北水源、西南高教5個站點，于2015年11月至2016年10月對可吸入顆粒物PM10和可入肺顆粒物PM2.5的濃度值進行連續(xù)監(jiān)測，結果見表1。經(jīng)對比與分析，得出以下結論：5個監(jiān)測點PM10和PM2.5平均濃度差異性較小，且高于《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB3095-2012)中所規(guī)定的年平均二級濃度限值(PM10的濃度限值為0.07 mg/m3，PM2.5的濃度限值為0.035 mg/m3)，可能有以下原因：一是機動車數(shù)量大，增長速度連續(xù)幾年保持在20%以上，機動車尾氣中的揮發(fā)性有機化合物(VOC)、SO2、NOx等有害物質(zhì)，為懸浮顆粒物的主要來源；二是石家莊市位于太行山和華北平原兩大地貌的交接位置，地勢西高東低，冬季在西部山脈屏障的影響下，西來冷空氣難以進入市區(qū)，市區(qū)風速較小，靜風期較長，氣象條件不利于污染物擴散；三是高層建筑的阻擋使風速進一步降低，阻礙了污染物的擴散；四是石家莊市能源消費結構中，化石能源比重高出全國平均水平[3]。2014年8月公布的石家莊市大氣污染源解析表明，煤炭對PM2.5的分擔率為28.5%，對PM10的分擔率為25%。西南高教的PM10濃度相對較小，可能有以下原因：一是離市區(qū)中心較遠，機動車、建筑工地等污染源數(shù)量較少；二是石家莊市全年盛行偏北風和東南風，西南風的出現(xiàn)頻率最低，減少了外部揚塵侵入市區(qū)西南部。

表1 大氣質(zhì)量監(jiān)測站點PM10和PM2.5濃度

2.2 懸浮顆粒物的時間分布特征及分析

綜合主導風向、環(huán)境功能分區(qū)、地面污染源分布、植被覆蓋程度及類型和環(huán)保部門常規(guī)監(jiān)測點等因素，共設置5個采樣位點：植物園(南水北調(diào)干渠，城市上風向)、紅旗大街(文教區(qū))、東苑小區(qū)(居民區(qū))、懷特(商住混合區(qū))、高新區(qū)(工業(yè)區(qū)、下風向)。將采樣時間定為2016年1月和7月，分別代表霧霾多發(fā)期和非霧霾期。

不同大氣污染條件下所對應的PM10、TSP、降塵濃度如圖1、圖2、圖3所示。從不同采樣期看，冬季石家莊市TSP、PM10和降塵的濃度均高于夏季，原因有二：一是氣候因素，石家莊市地處半濕潤半干旱區(qū)，屬暖溫帶大陸性半濕潤季風性氣候，年內(nèi)降水集中于夏季，冬季降水相對較少，不利于污染物的稀釋、擴散與沉降；二是與冬季供暖相關，部分區(qū)域仍采用傳統(tǒng)的燃煤供暖，由于煤炭不完全燃燒，生成了黑煙、飛灰等顆粒物，排入大氣后對空氣造成污染。

圖1 不同天氣下TSP濃度

圖2 不同天氣下PM10濃度

圖3 不同天氣下降塵通量

值得指出的是，石家莊市的TSP和PM10濃度與《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB3095-2012)中的濃度限值對比，可知除植物園監(jiān)測點外，其余監(jiān)測點的污染物濃度均高于二級標準中的濃度限值，顆粒物污染嚴重。尤其是在冬季(霧霾多發(fā)期)，PM10濃度嚴重超標。

2.3 懸浮顆粒物的組成特征及分析

由表2,3可得出的結論如下：TSP和PM10中，所含重金屬種類和含量高低順序基本一致，由高到低依次為Ca、Al、Fe、Zn、Pb、Cu、Ni、Cr、Cd；冬季(霧霾期)與夏季(非霧霾期)污染物主要化學組分基本一致，但冬季各元素含量明顯高于夏季，因為冬季煤炭燃燒量增加，顆粒物的生成量增加，且降水較少，靜風期較長，顆粒物懸浮在空氣中難以沉降。

目前，石家莊市的產(chǎn)業(yè)結構以工業(yè)為主，高排放行業(yè)比重較大，在市區(qū)周邊形成了正定新區(qū)、循環(huán)化工園區(qū)、良村經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)、空港工業(yè)園、高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)等工業(yè)園區(qū)，產(chǎn)生的工業(yè)廢氣會影響大氣環(huán)境。

表2 TSP主要化學組分濃度(μg/m3 )

表3 PM10主要化學組分濃度(μg/m3 )

進一步對懸浮顆粒物的重金屬組分來源進行分析表明：在鐵礦冶煉、加工和廢料運輸?shù)冗^程中，會不同程度的排放含鐵粉塵，因此推測Fe、Al來自鋼鐵工業(yè)廢氣；在建材工業(yè)中，會大量使用到砂石、石灰、玻璃等，Ca為其中較主要的成分，因此推測Ca來自建材工業(yè)廢氣；石家莊市周邊土壤中Zn污染嚴重，因此推測Zn來自揚塵；汽油組分中存在含鉛化合物，燃燒后會使Pb成為揮發(fā)性物質(zhì)從氣缸中排出，因此推測Pb來自機動車尾氣；Cu、Ni、Cr、Cd為機械加工、表面處理的主要原輔材料，因此推測Cu、Ni、Cr、Cd來自工業(yè)廢氣。

3 結論與建議

通過分析研究，獲得以下結論：(1)造成石家莊市霧霾現(xiàn)象的首要污染物為PM10；(2)由于冬季降水少、靜風期較長、燃煤需求量增大，使得污染物排放量增加但擴散條件變差，成為霧霾高發(fā)的季節(jié)；(3)在空間分布上，市區(qū)內(nèi)各區(qū)域顆粒污染物濃度基本無差別，植被覆蓋率高的地方因植物對顆粒物的阻滯作用，污染物濃度較低；(4)對TSP和PM10進行化學組分分析后，推測鋼鐵工業(yè)、金屬加工、建材工業(yè)、揚塵、機動車為污染物的主要來源。

建議進行以下大氣污染治理：(1)相關政府部門加大查處力度，對排放超標的單位進行處罰；(2)加強對大氣污染源的分析監(jiān)測，明確污染物的種類、組成及時間與空間分布特征等特點，進而采取合理高效的措施進行處理凈化；(3)進行創(chuàng)新與技術改革，在工業(yè)方面使用新技術，減少工業(yè)生產(chǎn)中廢氣的產(chǎn)生和加工處理后廢氣的排放；在機動車尾氣處理方面使用新技術，減少尾氣中污染物的排放；(4)調(diào)整能源結構，推廣使用天然氣、優(yōu)質(zhì)煤和新能源；(5)增加城市及工業(yè)園區(qū)綠化，利用植物對顆粒物的阻滯作用，使污染物濃度降低。

[1] 姬亞芹.城市空氣顆粒物源解析土壤風沙塵成分譜研究[D].天津：南開大學環(huán)境科學與工程學院，2006.

[2] 藺昕，李曉軍，胡濤，等.北方典型城市降塵時空分布特征及影響因素分析[J].生態(tài)環(huán)境，2008，17(1)：143-146.

[3] 黃玥，張思乾.優(yōu)化能源消費結構構建大氣污染綜合防治體系[J].商品與質(zhì)量：消費研究，2015,(9).

[4] 張晶，胡春玲，任慶.城市揚塵污染現(xiàn)狀及防治對策[J].環(huán)境保護科學，2008,(02).

Analysis of main components and sources of atmospheric particulate pollutants in Shijiazhuang city

ZHANG Zhi-lin

(HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300132,China)

Total suspended particulate (TSP) is the main substance,which is harmful to environment and human health.Therefore, the temporal and spatial distribution and composition of atmospheric suspended particulates in Shijiazhuang were analyzed, and the sources of haze in Shijiazhuang were investigated in the paper.The results showed as follows: (1)The average concentration of PM10and PM2.5in the study area is similar, and is higher than the annual average concentration limitation specified in "Ambient Air Quality Standard" (GB3095-2012).(2) The concentration of PM10in the Southwest Higher Education district is relatively lower.(3) The concentrations of TSP, PM10and dustfall in winter are higher than that in summer.(4) The order of heavy metal contents which are contained in TSP and PM10is the same, from high to low order Ca, Al, Fe, Zn, Pb, Cu, Ni, Cr, Cd.(5) The main pollutants of chemical components are basically the samein winter and summer, but the content of each element in winter is higher in winter than in summer.

TSP; PM10; PM2.5; Dustfall

2017-01-25

張之琳(1996-)，女，河北省唐山市人，研究方向為大氣污染與治理.

1001-9383(2017)01-0084-05

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