渝水區(qū)空氣顆粒物化學(xué)組分特征分析

陳海兵，劉海江

（新余市渝水生態(tài)環(huán)境局，江西 新余 338000）

1 引言

空氣中的顆粒物來源復(fù)雜，不同地區(qū)的顆粒物特征不一，是大氣環(huán)境中化學(xué)組成最復(fù)雜、危害最大的污染物之一[1]。環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，空氣顆粒物是中國多數(shù)城市的首要空氣污染物[2]。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市化水平的提高以及能源消耗的增加，許多城市的大氣環(huán)境狀況有所變化，空氣顆粒物的粒徑特征和化學(xué)組分以及污染來源也發(fā)生著相應(yīng)的變化[3]。通過分析新余市渝水區(qū)氣象局、第二水廠、新鋼沁園村三個站點(diǎn)顆粒物化學(xué)組分的時空分布特征，以及掃描電鏡結(jié)果分析，研究近年來渝水區(qū)空氣顆粒物時空變化特征，為有效開展顆粒物污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

2 顆粒物化學(xué)組分的時間分布特征

2.1 無機(jī)元素

渝水區(qū)各季節(jié)PM2.5中無機(jī)元素質(zhì)量濃度可以看出（圖1），地殼元素（Fe、Al、Si等）明顯高于其他無機(jī)元素，Si的濃度表現(xiàn)出秋季>冬季>夏季，百分占比表現(xiàn)出秋季>夏季>冬季。Si組分主要來自揚(yáng)塵，說明秋季揚(yáng)塵源對渝水區(qū)PM2.5濃度貢獻(xiàn)率較高。Fe的濃度三個季節(jié)濃度差異較小，百分占比表現(xiàn)出夏季>秋季>冬季。Fe元素主要來自鋼鐵行業(yè)排放，夏季Fe占比最高，主要是受到更多偏南風(fēng)影響，導(dǎo)致南部新鋼排放貢獻(xiàn)占比上升。

圖1 不同季節(jié)渝水區(qū)PM2.5中無機(jī)元素質(zhì)量濃度

各季節(jié)PM10中無機(jī)元素質(zhì)量濃度可以看出（圖2），地殼元素（Fe、Al、Si等）明顯高于其他無機(jī)元素，地殼元素（Fe、Al、Si等）的質(zhì)量濃度整體表現(xiàn)出秋季>冬季>夏季，其中組分主要來自揚(yáng)塵污染排放，說明秋季揚(yáng)塵源對渝水區(qū)PM10貢獻(xiàn)更為明顯。

圖2 不同季節(jié)渝水區(qū)PM10中無機(jī)元素質(zhì)量濃度

2.2 水溶性離子與碳組分

圖3展示了渝水區(qū)各季節(jié)PM2.5中碳組分與水溶性離子的質(zhì)量濃度情況，其中OC、SO42-、NO3-和NH4+質(zhì)量濃度與占比明顯高于其他的組分。其中OC、EC、K+、NH4+、NO3-濃度均表現(xiàn)出冬季 >秋季>夏季，而OC、EC、K+、NH4+百分占比則基本呈現(xiàn)夏季>秋季 >冬季的特征，主要是NO3-濃度與占比在進(jìn)入冬季后上升幅度較大，質(zhì)量濃度是秋季的4.82倍。PM2.5中NO3-主要以硝酸銨的形式存在，由于硝酸銨易揮發(fā)，夏季高溫條件下導(dǎo)致渝水區(qū)NO3-濃度較低，而冬季低溫條件下，則促進(jìn)大氣中NOx更容易轉(zhuǎn)化為NO3-，從而導(dǎo)致冬季NO3-濃度逐漸上升，其中NOx主要來自機(jī)動車與工業(yè)排放。因此渝水區(qū)冬季12月～1月PM2.5濃度較為突出，主要是由于冬季溫度較低，靜穩(wěn)天氣較為頻繁，導(dǎo)致機(jī)動車與工業(yè)排放的NOx更多向NO3-轉(zhuǎn)化，加重本地PM2.5污染。

圖3 不同季節(jié)渝水區(qū)PM2.5中碳組分與水溶性離子質(zhì)量濃度

圖4展示了渝水區(qū)各季節(jié)PM10中碳組分與水溶性離子的質(zhì)量濃度與質(zhì)量占比情況，其中OC、SO42-、NO3-和NH4+、EC及Ca2+質(zhì)量濃度與占比明顯高于其他的組分。其中OC、K+、H4+、NO3-及Ca2+濃度均表現(xiàn)出冬季>秋季>夏季，而OC、EC、SO42-、Ca2+占比則基本呈現(xiàn)夏季>秋季>冬季的特征。NO3-和NH4+占比則呈現(xiàn)冬季>秋季 >夏季，主要原因是PM10中NO3-和NH4+濃度冬季出現(xiàn)明顯上升。

圖4 不同季節(jié)渝水區(qū)PM10中碳組分與水溶性離子質(zhì)量濃度

2.3 物質(zhì)構(gòu)成

渝水區(qū)不同季節(jié)PM2.5物質(zhì)構(gòu)成中顆粒態(tài)有機(jī)物（OM）的占比最大，其次是硫酸鹽，時間變化均表現(xiàn)為夏季>秋季>冬季。冬季硝酸鹽占比上升明顯，地殼元素、OM及硫酸鹽占比明顯下降，主要是夏季溫度高，濕度相對較低，由于硝酸鹽易揮發(fā)，導(dǎo)致夏季占比極低，而進(jìn)入冬季后，濕度上升，溫度下降低，有利于NOx轉(zhuǎn)化為硝酸鹽。不同季節(jié)PM10物質(zhì)構(gòu)成中地殼元素的占比最大，時間變化表現(xiàn)為秋季>夏季>冬季，其次是OM，說明秋季揚(yáng)塵污染特征明顯。

3 顆粒物化學(xué)組分的空間分布特征

3.1 無機(jī)元素

渝水區(qū)各站點(diǎn)PM2.5無機(jī)元素構(gòu)成情況如圖5所示，從圖中可以看出，新鋼沁園村、氣象局站點(diǎn)Fe質(zhì)量濃度與百分占比均相對較高，而Fe主要來自鋼鐵塵排放，因此鋼鐵行業(yè)的排放對新鋼沁園村、氣象局站點(diǎn)影響相對較大。第二水廠站點(diǎn)Si和Al元素質(zhì)量濃度與百分占比較大，Si與Al屬于地殼元素，主要來自于揚(yáng)塵污染排放，因此第二水廠受到揚(yáng)塵污染影響較大。

圖5 各站點(diǎn)PM2.5無機(jī)元素構(gòu)成情況

渝水區(qū)各站點(diǎn)PM10無機(jī)元素構(gòu)成情況如圖6所示，從圖中可以看出第二水廠和新鋼沁園村站點(diǎn)Al、Si和Fe元素占比較大，Si主要來自于揚(yáng)塵源中的土壤揚(yáng)塵，其中新鋼沁園村站點(diǎn)PM10中地殼元素普遍高于第二水廠站點(diǎn)，說明新鋼沁園村的揚(yáng)塵污染更多以粗顆粒物為主。

圖6 各站點(diǎn)PM10無機(jī)元素構(gòu)成情況

3.2 水溶性離子與碳組分

渝水區(qū)各站點(diǎn)PM2.5水溶性離子與碳組分構(gòu)成情況如圖7所示，各站點(diǎn)的水溶性離子與碳組分構(gòu)成中NO3-、OC、SO42-、NH4+和EC占比均較大。從質(zhì)量濃度來看，氣象局站點(diǎn)的NO3-和EC濃度較為突出，其次是新鋼沁園村站點(diǎn)和第二水廠站點(diǎn)，說明氣象局站點(diǎn)PM2.5濃度不僅受到鋼鐵排放影響，還受到較大機(jī)動車排放影響。

圖7 各站點(diǎn)PM2.5水溶性離子與碳組分構(gòu)成

渝水區(qū)各站點(diǎn)PM10水溶性離子與碳組分構(gòu)成情況如圖8所示，各站點(diǎn)的水溶性離子與碳組分構(gòu)成中OC、NO3-、SO42-、NH4+占比較大。其中第二水廠PM10中Ca2+與SO42-占比相對較高。

圖8 各站點(diǎn)PM10水溶性離子與碳組分構(gòu)成

3.3 物質(zhì)構(gòu)成

新余市渝水區(qū)4個站點(diǎn)物質(zhì)構(gòu)成占比較為相似，均為有機(jī)物站點(diǎn)最高（OM），質(zhì)量占比均在25%以上，其次為硝酸鹽與硫酸鹽，占比均在17%與14%以上。對比高新環(huán)保局站點(diǎn)，渝水區(qū)3個站點(diǎn)硝酸鹽占比整體較高，其中硝酸鹽主要來自機(jī)動車尾氣排放NOx的二次轉(zhuǎn)化，說明渝水區(qū)受工業(yè)燃燒與機(jī)動車尾氣排放影響大于高新環(huán)保局站點(diǎn)。

從質(zhì)量濃度上看，氣象局站點(diǎn)組分質(zhì)量濃度均處于較高水平，其中硝酸鹽、硫酸鹽、微量元素質(zhì)量濃度最高。說明氣象站站點(diǎn)受周邊燃煤、機(jī)動車等多種污染類型影響，導(dǎo)致各類組分質(zhì)量濃度均相對較高，另外第二水廠站點(diǎn)地殼元素濃度最高，說明第二水廠受到揚(yáng)塵源影響較大。

4 掃描電鏡結(jié)果分析

對渝水區(qū)氣象局、第二水廠與高新環(huán)保局三個站點(diǎn)不同類別顆粒物在不同粒徑范圍內(nèi)的數(shù)量做掃描電鏡分析，使用儀器為場發(fā)射掃描電鏡（型號：SU8000，日立Hitachi），顆粒物類型共發(fā)現(xiàn)10種，包括：復(fù)合礦物硅鋁酸鹽顆粒、復(fù)合礦物富鈣顆粒、燃煤飛灰顆粒、揚(yáng)塵顆粒、碳質(zhì)顆粒、硫鈣顆粒、植物排放顆粒、鐵銅鋅等金屬氧化物顆粒和生物質(zhì)燃燒顆粒以及其他。

三個季節(jié)渝水區(qū)10種類型顆粒物占比分析，夏季碳質(zhì)顆粒占比最高，為35.6%，其次為燃煤飛灰顆粒10.1%、鐵銅鋅氧化物顆粒9.7%、揚(yáng)塵顆粒9.0%，污染源主要以機(jī)動車源、燃煤源、鋼鐵工業(yè)源、揚(yáng)塵源為主。秋季，不同類別顆粒物占比有所變化，復(fù)合礦物富鈣顆粒占比有明顯上升（14.2%），生物質(zhì)燃燒顆粒占比上升，占比5.8%，表明秋季受揚(yáng)塵與生物質(zhì)燃燒影響相對較大。冬季顆粒物類別占比與春季較為類似，而燃煤飛灰顆粒占比達(dá)到三個季節(jié)中最大，為12.3%，碳質(zhì)顆粒占比仍在35%以上，表明冬季燃煤源與機(jī)動車貢獻(xiàn)較大。

渝水區(qū)不同類別顆粒物分布具有一定的空間變化特征，由圖9所示。氣象局與第二水廠站點(diǎn)顆粒物均以碳質(zhì)顆粒為主，占比依次為36.2%、32.2%，表明氣象局站點(diǎn)機(jī)動車源貢獻(xiàn)高于第二水廠。此外，氣象局站點(diǎn)復(fù)合礦物富鈣顆粒與硫鈣顆粒占比也均高于第二水廠，這與新鋼集團(tuán)排放對氣象局站點(diǎn)影響較大有關(guān)。而第二水廠燃煤飛灰顆粒、揚(yáng)塵顆粒占比較大且明顯高于氣象局站點(diǎn)，說明該點(diǎn)受散煤燃燒源與揚(yáng)塵源的影響均高于氣象局站點(diǎn)。

圖9 氣象局與第二水廠不同顆粒占比對比

5 結(jié)論

通過分析新余市渝水區(qū)氣象局、第二水廠、新鋼沁園村三個站點(diǎn)顆粒物化學(xué)組分的時空分布特征，以及掃描電鏡結(jié)果分析，研究得出主要結(jié)論如下：

（1）渝水區(qū)秋季揚(yáng)塵組分濃度占比明顯，揚(yáng)塵污染更為突出。NO3-濃度與占比均表現(xiàn)出冬季>秋季>夏季，在夏季高溫條件下二次顆粒物NH4NO3易分解成氣態(tài)硝酸和氨，導(dǎo)致其在夏季濃度較低。而冬季高濕低溫，NO3-占比上升幅度明顯增大，機(jī)動車排放貢獻(xiàn)增大。

（2）各站點(diǎn)PM2.5組分構(gòu)成較為相似，第二水廠和高新環(huán)保局站點(diǎn)Si元素占比較大，Si主要來自于揚(yáng)塵源中的土壤揚(yáng)塵，說明揚(yáng)塵污染對第二水廠與高新環(huán)保局貢獻(xiàn)影響較大。新鋼沁園村、氣象局站點(diǎn)Fe（鋼鐵塵排放）質(zhì)量濃度與百分占比均相對較高，因此鋼鐵行業(yè)排放對新鋼沁園村、氣象局站點(diǎn)影響相對較大。氣象局站點(diǎn)NO3-和EC（機(jī)動車尾氣標(biāo)識組分）濃度最高，說明機(jī)動車排放對氣象局站點(diǎn)同樣有較大影響。

（3）從電鏡掃描結(jié)果來看，各季節(jié)碳質(zhì)顆粒物的顆粒數(shù)占比最大，其次為揚(yáng)塵顆粒與燃煤飛灰顆粒，污染源主要以機(jī)動車源、燃煤、揚(yáng)塵源為主。進(jìn)入秋季后，復(fù)合礦物富鈣顆粒占比有明顯上升，表明秋季揚(yáng)塵貢獻(xiàn)占比較大。冬季顆粒物類別占比與夏季較為類似，而燃煤飛灰顆粒占比達(dá)到三個季節(jié)中最大，為12.3%，碳質(zhì)顆粒物占比仍在35%以上，表明冬季燃煤源與機(jī)動車貢獻(xiàn)較大。

（4）氣象局與第二水廠站點(diǎn)顆粒物均以碳質(zhì)顆粒物占比依次為36.2%、32.2%，表明氣象局站點(diǎn)機(jī)動車源貢獻(xiàn)高于第二水廠。此外，氣象局站點(diǎn)硫鈣顆粒占比高于第二水廠，說明工業(yè)燃煤煙氣對氣象局站點(diǎn)影響較大。而第二水廠燃煤飛灰顆粒、揚(yáng)塵顆粒占比較大且明顯高于氣象局站點(diǎn)，說明該點(diǎn)受散煤燃燒源與揚(yáng)塵源的影響均高于氣象局站點(diǎn)。