太原市典型区域PM2.5污染过程分析

曹力媛

(太原市环境监测中心站,山西 太原 030002)

太原市典型区域PM2.5污染过程分析

曹力媛

(太原市环境监测中心站,山西 太原 030002)

以太原市典型区域2016年春季环境空气中的PM2.5为研究对象,利用单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS)分析其组成分类和污染特征,并定量解析了春季出现的两次污染过程的源贡献率。结果显示：2016年春季环境空气PM2.5主要由有机碳、元素碳、混合碳、左旋葡聚糖、高分子有机碳、矿物质、富钾和重金属颗粒组成,以有机碳和元素碳颗粒最多;第一次污染过程主要受燃煤烟尘和机动车尾气排放的影响,二者的贡献率之和介于64.1%～78.6%,但扬尘和生物质燃烧排放也不可忽视;第二次污染过程主要受机动车尾气排放的影响,其贡献率最高达73.7%,煤烟尘的贡献率相对第一次污染过程的较小,但二者的贡献率之和最高达83%。

单颗粒气溶胶质谱仪;细颗粒物;化学组分;源解析

0 引言

PM2.5污染问题已成为影响我国民生的热点问题。太原市2013至2015年间的空气质量数据显示,各年度的首要污染物均为PM2.5,其污染负荷为27%～30%,备受广大市民关注。PM2.5又被称作可入肺颗粒物,大的比表面积利于有害物质(例如:重金属和有机物)富集,对人体健康产生严重威胁[1-6]。目前我国关于PM2.5的研究工作主要集中在质量浓度、化学组分和来源研究方面[7-11],主要采用离线分析方法,但该方法持续时间长,易引起样品污染,且样品在处理过程中由于各实验室操作流程差异以及各操作人员等主观因素导致测试结果存在不确定性。

按照环境管理对污染物排放源分类的要求,太原市环境空气PM2.5排放源可分为7类,包括扬尘、生物质燃烧、机动车尾气、燃煤烟尘、工业工艺源、二次无机源和其它，且颗粒物的来源严重影响其粒径分布和化学组成[12]。近年来雾霾频发,研究各排放源对PM2.5的贡献率尤为重要。单颗粒气溶胶质谱仪(Single Particle Aerosol Mass Spectrometer,SPAMS)因其具有高时间分辨率、高灵敏度和信息量大的优势得到广泛应用[13],且可定量解析环境空气颗粒物来源。本研究利用SPAMS对太原市典型区域2016年春季环境空气PM2.5的组成分类进行了分析,同时对出现的两次污染过程进行了细颗粒物污染特征和化学组分的详细分析,并定量了主要组成和来源,建立了较全面的细颗粒物污染源谱库,是环境空气颗粒物来源解析的主要依据,同时也为环境管理部门制定和实施细颗粒物防控措施提供科学依据。

1 材料与方法

Fig.1 Location of sampling site图1 采样点位分布图

本研究监测点位于太原市小店区经济技术开发区(图1),是近年来环境空气细颗粒物污染较严重的区域。监测仪器为单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS0515),环境空气颗粒物经PM2.5切割头剔除粗颗粒物后,PM2.5细颗粒物进入SPAMS进行检测,采样持续40 d(2016/03/08 00:00——2016/04/18 00:00)。

2 结果与讨论

2.1 颗粒物检测信息

本研究共监测到1904.9万个具有粒径信息的颗粒物,其中444.8万个颗粒具有正负质谱图。图2是PM2.5质量浓度与SPAMS获取的PM2.5数浓度的变化趋势图。由图2可知,二者的变化趋势基本一致,相关系数r=0.76,说明SPAMS获取的细颗粒物数浓度信息在很大程度上可以揭示环境空气细颗粒物的污染状况。

Fig.2 Trends and correlation among mass concentration and number concentrations (hourly) of PM2.5图2 PM2.5质量浓度与数浓度的变化趋势(小时值变化)及相关性统计

Fig.3 Average mass spectrum profile of fine particles图3 细颗粒物的平均质谱图

2.2 颗粒物化学组分

为了更清楚认识细颗粒物成分类别,选用自适应共振神经网络分类法(Art-2a)对颗粒物进行分类(分类参数为:相似度0.6,学习效率0.05),经分类合并后确定了8类细颗粒物,分别为元素碳、混合碳、有机碳、高分子有机碳、富钾、左旋葡聚糖、重金属和矿物质,其中有机碳颗粒主要来源于燃煤源、机动车排放源[14]与工业工艺源,元素碳主要来源于机动车尾气源与燃煤源,混合碳颗粒主要来源于机动车尾气源、燃煤源与工业工艺源,矿物质颗粒主要来源于扬尘源[15],左旋葡聚糖颗粒主要来源于生物质燃烧源[15],富钾颗粒主要来源于生物质燃烧源[16-17]与二次无机源[18],重金属颗粒主要来源于工业工艺源[19],可见颗粒物的成分分类与监测点位周围污染源排放密切相关。

图4为8类颗粒物在总颗粒物中所占比例。图中数据显示,有机碳颗粒占颗粒总数的比例最大,为42.3%,是颗粒物的主要组成部分,一定程度上反映在研究期间二次转化反应影响较大[13],表明燃煤源、工业工艺源和机动车尾气是太原市有机物污染的主要排放源;混合碳和高分子有机碳同属于有机物,在颗粒物中所占比例分别为15.3%和6.5%。有研究认为,空气中的挥发性有机物通过光化学反应转化为半挥发性有机物,这些二次产物在元素碳颗粒上冷凝可形成混合碳[20];有机碳、混合碳和高分子有机碳颗粒物之和在总颗粒物中所占比例为64.1%,说明太原市典型区域环境空气有机物污染严重。元素碳颗粒在总颗粒物中所占比例(19.9%)仅次于有机碳,同样也是太原市典型区域环境空气颗粒物的重要组成部分。有研究认为,元素碳主要来源于化石燃料(石油、汽油、燃煤等)和生物质燃烧[21]。由此推测,元素碳颗粒占比较高可能与当地秸秆焚烧和柴油车尾气排放有较大关系;左旋葡聚糖和K+离子是生物质燃烧的示踪化合物,其对应的颗粒物在总颗粒物中所占比例分别为6.6%和2.1%,说明生物质燃烧是太原市典型区域环境空气颗粒物的来源之一,当地村民的秸秆燃烧可能是最主要原因。矿物质颗粒占总颗粒物的5.3%,而重金属颗粒在总颗粒物中所占比例相对较小,仅为2.0%。上述结果显示,太原市典型区域细颗粒物主要来自燃煤烟尘、工业排放、机动车尾气和生物质燃烧。

Fig.4 Proportion of all kinds of particles to the total particles图4 各类颗粒物占总颗粒物的比例

2.3 污染过程分析

基于太原市典型区域环境空气细颗粒物质量浓度的变化趋势(图2),3月11日～25日时段PM2.5质量浓度最高达393 μg·m-3,属严重污染。本研究将该时段分为第一污染时段(3月10日5:00-3月13日12:00)和第二污染时段(3月14日12:00-3月26日0:00),并分别进行污染源分析,以期揭示重污染天气发生的原因。

2.3.1 第一次污染过程分析

为了更细致地分析污染过程,本研究将3月10日5:00-3月13日12:00细化为7个时段,每时段历时1 h。由图2可知,每天夜间PM2.5均出现明显的质量浓度高峰(>100 μg·m-3),而白天的质量浓度处于较低水平;气象资料显示此时段的平均风速为1.59 m·s-1,大部分时段大气处于静稳状态,尤其是在夜间,这可能是夜间污染物大量积聚的最主要的客观因素。

由各时段颗粒物污染源分布图(图5)可知,各时段的首要污染源均为燃煤烟尘(贡献率范围:42.3%～47.2%),其次为机动车尾气(贡献率范围:21.8%～31.4%),二者的贡献率之和为64.1%～78.6%,太原市环境空气受燃煤烟尘和机动车尾气的污染较严重。除监测时段1和3外,其他时段的生物质燃烧比例均高于10%(11.1%～22.1%),其中时段2高达22.1%,可见生物质燃烧进一步加剧了污染的程度,该结果与广州细颗粒物污染特征研究一致[18];生物质燃烧对颗粒物的贡献率为5.7%～9.5%,同时结合卫星火点图(图6)可知,该时段内太原市及周边地区出现明显火点,说明太原市生物质燃烧对颗粒物的贡献不容小觑。近些年来,政府对工矿企业环保措施的检查力度加大,明显缩小了工业排放源的排污力度,其对太原市环境空气细颗粒物的贡献率为1.2%～10.1%,远远小于燃煤和机动车尾气排放。上述结果表明固定源排污控制相对较容易,而无组织排放源和流动源排污的控制相对较难,应该受到足够的重视。

Fig.5 Source apportionment of particulate in the first pollution process图5 第一次污染过程颗粒物来源解析

Fig.6 Map of satellite fire point in March 10th to 13rd图6 3月10日～13日卫星火点图

2.3.2 第二次污染过程分析

此次污染过程持续时间较长,PM2.5平均质量浓度为113.7 μg·m-3,最高达393 μg·m-3,细颗粒物浓度峰值多出现在夜间和早晨,这可能与当时的气象条件(平均风速为1.86 m·s-1)和上下班高峰期有关。

将污染过程划分为10个时段,图7为此污染过程10个重要时段的污染源分布图。图中数据显示,时段1-3可以划分为第一阶段,时段4-8划分为第二阶段,时段9-10划分为第三阶段。具体来讲,在时段1和时段3期间,燃煤烟尘对环境空气颗粒物的贡献率(分别为43.7%和45.9%)约为机动车尾气贡献率(分别为29.2%和29%)的1.5倍,在时段2时二者的贡献率几乎相等(分别为35.8%和38%); 3个时段二者的贡献率之和几乎一致,分别为72.9%、73.8%和74.9%,说明第一阶段燃煤烟尘和机动车尾气排放是太原市环境空气细颗粒物的主要来源。在第二阶段,机动车尾气的贡献率(56.3%～73.7%)明显高于煤烟尘的(7.7%～26.7%),且二者的贡献率之和为76.5%～83.1%,比第一阶段的高;从时段4至时段8,机动车尾气和煤烟尘的贡献率呈相反变化趋势,时段8时机动车尾气的贡献率达到最小56.3%,煤烟尘的达到最大26.7%;第二阶段以机动车尾气为环境空气颗粒物的主要来源。在第三阶段,机动车尾气的贡献率分别为34.4%和39.7%,较第二阶段的明显降低;煤烟尘的贡献率分别为37.1%和29.4%,较第二阶段的明显上升;二者的贡献率之和分别为71.5%和69.1%,与第一阶段的相当。综上所述,在第一和第三阶段燃煤烟尘和机动车尾气排放是主要排放源,在第二阶段机动车尾气排放是主要来源;机动车尾气在第二次污染过程中起着决定性作用。

Fig.7 Source apportionment of Particulate in the second pollution process图7 第二次污染过程颗粒物来源解析

3 结论

本研究利用单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS)对太原市典型区域2016年春季环境空气PM2.5的化学组分进行了分析,并基于排放源谱对春季出现的两次污染过程进行了来源和成因分析,主要结论如下:

(1)太原市典型区域环境空气PM2.5主要由有机碳颗粒、元素碳颗粒、混合碳颗粒、左旋葡聚糖颗粒、高分子有机碳颗粒、矿物质颗粒、富钾颗粒和重金属颗粒8种颗粒物组成,其中有机碳和元素碳颗粒最多,分别占总颗粒物的42.3%和19.9%;

(2)第一次污染过程的7个时段均以燃煤烟尘为首要污染源,其次是机动车尾气排放源,二者贡献率之和为64.1%～78.6%,太原市典型区域环境空气受燃煤烟尘和机动车尾气排放污染严重;同时扬尘和生物质燃烧尘对环境空气质量的影响不容小觑;第二次污染过程的10个时段均以机动车尾气排放为首要污染源,其次是燃煤烟尘,二者的贡献率之和以时段4～8期间的较大(76.5%～83.1%)。

(3)燃煤烟尘虽是太原市典型区域环境空气污染的首要排放源,但数量激增的机动车给城市环境带来的危害已经不逊于燃煤烟尘;机动车属于移动源,对其进行排污控制相对较难。

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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,高级工程师,研究方向:环境监测。E-mail:lirumei027@163.com

X823

A

0253-2395(2017)04-0866-06