太原市典型區(qū)域PM2.5污染過程分析

曹力媛

(太原市環(huán)境監(jiān)測中心站,山西 太原 030002)

太原市典型區(qū)域PM2.5污染過程分析

曹力媛

(太原市環(huán)境監(jiān)測中心站,山西 太原 030002)

以太原市典型區(qū)域2016年春季環(huán)境空氣中的PM2.5為研究對象,利用單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀(SPAMS)分析其組成分類和污染特征,并定量解析了春季出現(xiàn)的兩次污染過程的源貢獻率。結(jié)果顯示：2016年春季環(huán)境空氣PM2.5主要由有機碳、元素碳、混合碳、左旋葡聚糖、高分子有機碳、礦物質(zhì)、富鉀和重金屬顆粒組成,以有機碳和元素碳顆粒最多;第一次污染過程主要受燃煤煙塵和機動車尾氣排放的影響,二者的貢獻率之和介于64.1%～78.6%,但揚塵和生物質(zhì)燃燒排放也不可忽視;第二次污染過程主要受機動車尾氣排放的影響,其貢獻率最高達73.7%,煤煙塵的貢獻率相對第一次污染過程的較小,但二者的貢獻率之和最高達83%。

單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀;細顆粒物;化學組分;源解析

0 引言

PM2.5污染問題已成為影響我國民生的熱點問題。太原市2013至2015年間的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)顯示,各年度的首要污染物均為PM2.5,其污染負荷為27%～30%,備受廣大市民關(guān)注。PM2.5又被稱作可入肺顆粒物,大的比表面積利于有害物質(zhì)(例如:重金屬和有機物)富集,對人體健康產(chǎn)生嚴重威脅[1-6]。目前我國關(guān)于PM2.5的研究工作主要集中在質(zhì)量濃度、化學組分和來源研究方面[7-11],主要采用離線分析方法,但該方法持續(xù)時間長,易引起樣品污染,且樣品在處理過程中由于各實驗室操作流程差異以及各操作人員等主觀因素導(dǎo)致測試結(jié)果存在不確定性。

按照環(huán)境管理對污染物排放源分類的要求,太原市環(huán)境空氣PM2.5排放源可分為7類,包括揚塵、生物質(zhì)燃燒、機動車尾氣、燃煤煙塵、工業(yè)工藝源、二次無機源和其它，且顆粒物的來源嚴重影響其粒徑分布和化學組成[12]。近年來霧霾頻發(fā),研究各排放源對PM2.5的貢獻率尤為重要。單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀(Single Particle Aerosol Mass Spectrometer,SPAMS)因其具有高時間分辨率、高靈敏度和信息量大的優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用[13],且可定量解析環(huán)境空氣顆粒物來源。本研究利用SPAMS對太原市典型區(qū)域2016年春季環(huán)境空氣PM2.5的組成分類進行了分析,同時對出現(xiàn)的兩次污染過程進行了細顆粒物污染特征和化學組分的詳細分析,并定量了主要組成和來源,建立了較全面的細顆粒物污染源譜庫,是環(huán)境空氣顆粒物來源解析的主要依據(jù),同時也為環(huán)境管理部門制定和實施細顆粒物防控措施提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

Fig.1 Location of sampling site圖1 采樣點位分布圖

本研究監(jiān)測點位于太原市小店區(qū)經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)(圖1),是近年來環(huán)境空氣細顆粒物污染較嚴重的區(qū)域。監(jiān)測儀器為單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀(SPAMS0515),環(huán)境空氣顆粒物經(jīng)PM2.5切割頭剔除粗顆粒物后,PM2.5細顆粒物進入SPAMS進行檢測,采樣持續(xù)40 d(2016/03/08 00:00——2016/04/18 00:00)。

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒物檢測信息

本研究共監(jiān)測到1904.9萬個具有粒徑信息的顆粒物,其中444.8萬個顆粒具有正負質(zhì)譜圖。圖2是PM2.5質(zhì)量濃度與SPAMS獲取的PM2.5數(shù)濃度的變化趨勢圖。由圖2可知,二者的變化趨勢基本一致,相關(guān)系數(shù)r=0.76,說明SPAMS獲取的細顆粒物數(shù)濃度信息在很大程度上可以揭示環(huán)境空氣細顆粒物的污染狀況。

Fig.2 Trends and correlation among mass concentration and number concentrations (hourly) of PM2.5圖2 PM2.5質(zhì)量濃度與數(shù)濃度的變化趨勢(小時值變化)及相關(guān)性統(tǒng)計

Fig.3 Average mass spectrum profile of fine particles圖3 細顆粒物的平均質(zhì)譜圖

2.2 顆粒物化學組分

為了更清楚認識細顆粒物成分類別,選用自適應(yīng)共振神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類法(Art-2a)對顆粒物進行分類(分類參數(shù)為:相似度0.6,學習效率0.05),經(jīng)分類合并后確定了8類細顆粒物,分別為元素碳、混合碳、有機碳、高分子有機碳、富鉀、左旋葡聚糖、重金屬和礦物質(zhì),其中有機碳顆粒主要來源于燃煤源、機動車排放源[14]與工業(yè)工藝源,元素碳主要來源于機動車尾氣源與燃煤源,混合碳顆粒主要來源于機動車尾氣源、燃煤源與工業(yè)工藝源,礦物質(zhì)顆粒主要來源于揚塵源[15],左旋葡聚糖顆粒主要來源于生物質(zhì)燃燒源[15],富鉀顆粒主要來源于生物質(zhì)燃燒源[16-17]與二次無機源[18],重金屬顆粒主要來源于工業(yè)工藝源[19],可見顆粒物的成分分類與監(jiān)測點位周圍污染源排放密切相關(guān)。

圖4為8類顆粒物在總顆粒物中所占比例。圖中數(shù)據(jù)顯示,有機碳顆粒占顆粒總數(shù)的比例最大,為42.3%,是顆粒物的主要組成部分,一定程度上反映在研究期間二次轉(zhuǎn)化反應(yīng)影響較大[13],表明燃煤源、工業(yè)工藝源和機動車尾氣是太原市有機物污染的主要排放源;混合碳和高分子有機碳同屬于有機物,在顆粒物中所占比例分別為15.3%和6.5%。有研究認為,空氣中的揮發(fā)性有機物通過光化學反應(yīng)轉(zhuǎn)化為半揮發(fā)性有機物,這些二次產(chǎn)物在元素碳顆粒上冷凝可形成混合碳[20];有機碳、混合碳和高分子有機碳顆粒物之和在總顆粒物中所占比例為64.1%,說明太原市典型區(qū)域環(huán)境空氣有機物污染嚴重。元素碳顆粒在總顆粒物中所占比例(19.9%)僅次于有機碳,同樣也是太原市典型區(qū)域環(huán)境空氣顆粒物的重要組成部分。有研究認為,元素碳主要來源于化石燃料(石油、汽油、燃煤等)和生物質(zhì)燃燒[21]。由此推測,元素碳顆粒占比較高可能與當?shù)亟斩挿贌筒裼蛙囄矚馀欧庞休^大關(guān)系;左旋葡聚糖和K+離子是生物質(zhì)燃燒的示蹤化合物,其對應(yīng)的顆粒物在總顆粒物中所占比例分別為6.6%和2.1%,說明生物質(zhì)燃燒是太原市典型區(qū)域環(huán)境空氣顆粒物的來源之一,當?shù)卮迕竦慕斩捜紵赡苁亲钪饕?。礦物質(zhì)顆粒占總顆粒物的5.3%,而重金屬顆粒在總顆粒物中所占比例相對較小,僅為2.0%。上述結(jié)果顯示,太原市典型區(qū)域細顆粒物主要來自燃煤煙塵、工業(yè)排放、機動車尾氣和生物質(zhì)燃燒。

Fig.4 Proportion of all kinds of particles to the total particles圖4 各類顆粒物占總顆粒物的比例

2.3 污染過程分析

基于太原市典型區(qū)域環(huán)境空氣細顆粒物質(zhì)量濃度的變化趨勢(圖2),3月11日～25日時段PM2.5質(zhì)量濃度最高達393 μg·m-3,屬嚴重污染。本研究將該時段分為第一污染時段(3月10日5:00-3月13日12:00)和第二污染時段(3月14日12:00-3月26日0:00),并分別進行污染源分析,以期揭示重污染天氣發(fā)生的原因。

2.3.1 第一次污染過程分析

為了更細致地分析污染過程,本研究將3月10日5:00-3月13日12:00細化為7個時段,每時段歷時1 h。由圖2可知,每天夜間PM2.5均出現(xiàn)明顯的質(zhì)量濃度高峰(>100 μg·m-3),而白天的質(zhì)量濃度處于較低水平;氣象資料顯示此時段的平均風速為1.59 m·s-1,大部分時段大氣處于靜穩(wěn)狀態(tài),尤其是在夜間,這可能是夜間污染物大量積聚的最主要的客觀因素。

由各時段顆粒物污染源分布圖(圖5)可知,各時段的首要污染源均為燃煤煙塵(貢獻率范圍:42.3%～47.2%),其次為機動車尾氣(貢獻率范圍:21.8%～31.4%),二者的貢獻率之和為64.1%～78.6%,太原市環(huán)境空氣受燃煤煙塵和機動車尾氣的污染較嚴重。除監(jiān)測時段1和3外,其他時段的生物質(zhì)燃燒比例均高于10%(11.1%～22.1%),其中時段2高達22.1%,可見生物質(zhì)燃燒進一步加劇了污染的程度,該結(jié)果與廣州細顆粒物污染特征研究一致[18];生物質(zhì)燃燒對顆粒物的貢獻率為5.7%～9.5%,同時結(jié)合衛(wèi)星火點圖(圖6)可知,該時段內(nèi)太原市及周邊地區(qū)出現(xiàn)明顯火點,說明太原市生物質(zhì)燃燒對顆粒物的貢獻不容小覷。近些年來,政府對工礦企業(yè)環(huán)保措施的檢查力度加大,明顯縮小了工業(yè)排放源的排污力度,其對太原市環(huán)境空氣細顆粒物的貢獻率為1.2%～10.1%,遠遠小于燃煤和機動車尾氣排放。上述結(jié)果表明固定源排污控制相對較容易,而無組織排放源和流動源排污的控制相對較難,應(yīng)該受到足夠的重視。

Fig.5 Source apportionment of particulate in the first pollution process圖5 第一次污染過程顆粒物來源解析

Fig.6 Map of satellite fire point in March 10th to 13rd圖6 3月10日～13日衛(wèi)星火點圖

2.3.2 第二次污染過程分析

此次污染過程持續(xù)時間較長,PM2.5平均質(zhì)量濃度為113.7 μg·m-3,最高達393 μg·m-3,細顆粒物濃度峰值多出現(xiàn)在夜間和早晨,這可能與當時的氣象條件(平均風速為1.86 m·s-1)和上下班高峰期有關(guān)。

將污染過程劃分為10個時段,圖7為此污染過程10個重要時段的污染源分布圖。圖中數(shù)據(jù)顯示,時段1-3可以劃分為第一階段,時段4-8劃分為第二階段,時段9-10劃分為第三階段。具體來講,在時段1和時段3期間,燃煤煙塵對環(huán)境空氣顆粒物的貢獻率(分別為43.7%和45.9%)約為機動車尾氣貢獻率(分別為29.2%和29%)的1.5倍,在時段2時二者的貢獻率幾乎相等(分別為35.8%和38%); 3個時段二者的貢獻率之和幾乎一致,分別為72.9%、73.8%和74.9%,說明第一階段燃煤煙塵和機動車尾氣排放是太原市環(huán)境空氣細顆粒物的主要來源。在第二階段,機動車尾氣的貢獻率(56.3%～73.7%)明顯高于煤煙塵的(7.7%～26.7%),且二者的貢獻率之和為76.5%～83.1%,比第一階段的高;從時段4至時段8,機動車尾氣和煤煙塵的貢獻率呈相反變化趨勢,時段8時機動車尾氣的貢獻率達到最小56.3%,煤煙塵的達到最大26.7%;第二階段以機動車尾氣為環(huán)境空氣顆粒物的主要來源。在第三階段,機動車尾氣的貢獻率分別為34.4%和39.7%,較第二階段的明顯降低;煤煙塵的貢獻率分別為37.1%和29.4%,較第二階段的明顯上升;二者的貢獻率之和分別為71.5%和69.1%,與第一階段的相當。綜上所述,在第一和第三階段燃煤煙塵和機動車尾氣排放是主要排放源,在第二階段機動車尾氣排放是主要來源;機動車尾氣在第二次污染過程中起著決定性作用。

Fig.7 Source apportionment of Particulate in the second pollution process圖7 第二次污染過程顆粒物來源解析

3 結(jié)論

本研究利用單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀(SPAMS)對太原市典型區(qū)域2016年春季環(huán)境空氣PM2.5的化學組分進行了分析,并基于排放源譜對春季出現(xiàn)的兩次污染過程進行了來源和成因分析,主要結(jié)論如下:

(1)太原市典型區(qū)域環(huán)境空氣PM2.5主要由有機碳顆粒、元素碳顆粒、混合碳顆粒、左旋葡聚糖顆粒、高分子有機碳顆粒、礦物質(zhì)顆粒、富鉀顆粒和重金屬顆粒8種顆粒物組成,其中有機碳和元素碳顆粒最多,分別占總顆粒物的42.3%和19.9%;

(2)第一次污染過程的7個時段均以燃煤煙塵為首要污染源,其次是機動車尾氣排放源,二者貢獻率之和為64.1%～78.6%,太原市典型區(qū)域環(huán)境空氣受燃煤煙塵和機動車尾氣排放污染嚴重;同時揚塵和生物質(zhì)燃燒塵對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響不容小覷;第二次污染過程的10個時段均以機動車尾氣排放為首要污染源,其次是燃煤煙塵,二者的貢獻率之和以時段4～8期間的較大(76.5%～83.1%)。

(3)燃煤煙塵雖是太原市典型區(qū)域環(huán)境空氣污染的首要排放源,但數(shù)量激增的機動車給城市環(huán)境帶來的危害已經(jīng)不遜于燃煤煙塵;機動車屬于移動源,對其進行排污控制相對較難。

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AnalysisonthePollutionProcessofFineParticulatesinTypicalDistrictofTaiyuan,Shanxi

CAO Liyuan

(TaiyuanEnvironmentalMonitoringStation,Taiyuan,Shanxi030002,China)

The PM2.5in atmospheric environment in the spring of the typical aera in Taiyuan was researched to reveal the composition and pollution signature by SPAMS,and the primary sources for the two pollution processes in the spring along with the quantified source apportionment were analyzed.The results were as follows:the PM2.5was composed with organic carbon particulates,elemental carbon particulates,mixture carbon particulates,levoglucosan particulates,macromolecule organic carbon particulates,mineral substance particulates,potassium-rich particulates and heavy metal particulates,and the number concentration of the organic carbon particulars and elemental carbon particulates were both maximum.The primary influence factors were coal soot and vehicle exhaust during the first pollution process,and the sum of their contributions was ranged from 64.1% to 78.6%,simultaneously,raise dust and biomass burning were also the main pollution sources.Moreover,the vehicle exhaust with the largest contribution of 73.7% was the primary pollution source during the second pollution process,while the contribution of coal soot was smaller than that associated with the first pollution process,but the maximum sum of their contributions was 83%.

SPAMS;fine particulate; chemical composition;source apportionment

10.13451/j.cnki.shanxi.univ(nat.sci.).2017.04.032

2017-02-17；

2017-05-07

曹力媛(1964-),女,河北元氏人,高級工程師,研究方向:環(huán)境監(jiān)測。E-mail:lirumei027@163.com

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A

0253-2395(2017)04-0866-06