济南市春季大气颗粒物重金属的分布特征

刘 婷，赵长盛，陈庆锋，司国瑞，刘 鹏

（1.齐鲁工业大学（山东省科学院）环境科学与工程学院，山东 济南 250014；2.齐鲁工业大学（山东省科学院）山东省分析测试中心，山东 济南 250014）

0 引言

随着工业化及城市化的快速发展，大气污染已成为世界各国面临的最大环境挑战之一[1]。众多研究表明，d 在1.0 × 10－3～1.0 × 102μm 之间的大气颗粒物是主要的大气污染物[2]。按照空气动力学d 的大小，大气颗粒物分为：总悬浮颗粒物（TSP）、可吸入颗粒物（PM10）和细颗粒物（PM2.5）3种。TSP是指d 小于或等于100 μm 的颗粒物；PM10是指d 小于或等于10 μm 的颗粒物；PM2.5是指d 小于或等于2.5 μm 的颗粒物[3]。大气颗粒物不仅会降低大气能见度[4]，其附着的有毒有害物质还会通过呼吸途径进入人体[5]，对人体健康产生危害。尤其是重金属类污染物[6]，由于不能被生物降解，吸入人体后会在体内长期累积，造成慢性中毒，具有严重的致癌、致畸作用[7-9]。目前，我国大气颗粒物中重金属污染较为严重，引起了社会的广泛关注。

济南是我国东部沿海经济开放区重要城市，工业门类齐全，重工业占优势，能源消费量大。由于济南市的土质土壤及其特殊的地理条件，大部分工业园区和大气排放点源位于扩散条件差的区域，移动源、生活源和扬尘源排放集中、强度大，导致济南大气条件较差[10]。

研究采集济南市不同功能区的大气颗粒物，检测其中的重金属含量，分析了济南大气颗粒物中重金属的分布特征，以期为城市环境大气颗粒物中重金属污染的防控提供依据。

1 材料和方法

1.1 采样点概况

研究以山东省济南市(东经117°01'13″，北纬36°40'06″)春季大气环境中的颗粒物为研究对象。选取6 个采样点，分别是D1 热电厂(东经117°05'47″，北纬36°42'58″)，D2 某住宅区(东经116°55'51″，北纬36°37'13″)，D3 某出租公司(东经117°04'30″，北纬36°39'45″)，D4 东部工业园区(东经117°03'54″，北纬36°39'46″)，D5 北部工业园区(东经117°02'54″，北纬36°43'07″)，D6 某事业单位(东经117°02'52″，北纬36°38'34″)。

1.2 样品采集

研究采用滤膜法采集大气颗粒物，采样时间为2017年3月22日至2017年3月24日。利用天虹TH－150C 中流量空气总悬浮微粒采样器，采集环境空气中TSP，PM10，PM2.5，样品采集过程中使用d为90 mm 的聚氯乙烯有机纤维滤膜进行采样，采样流量为100 L/min。

1.3 样品分析

1.3.1 仪器及试剂

仪器：原子荧光分光光度计 （北京吉天普析PF52）;ICP-MS 电感耦合等离子体质谱分析仪（美国PerkinElmer Nexion 300x）。

试剂：H2NO3（65%～68%），HCl（UP 级，苏州晶瑞化学股份有限公司）。

1.3.2 分析方法

将采集的滤膜剪碎后用1∶1 王水消解后用原子荧光光度计和ICP-MS 测定空气中重金属含量。

2 结果与讨论

2.1 TSP，PM10，PM2.5 中重金属的质量浓度及分布特征

2.1.1 TSP 中重金属的质量浓度

TSP 中重金属的质量浓度见表1。由表1看出，8种重金属中，ρ（Cu）平均最高，为1 091 ng/m3，ρ（Cr）平均最低，为0.67 ng/m3。6 个采样点中，D1 中ρ（As）最高，为11.2 ng/m3，D6最低，为5.80 ng/m3；Cr，Zn，Pb，Ni，Cd，Mn的质量浓度在D5处最高、D6处最低；ρ（Cu）在D2 处表现最高，为1 984 ng/m3，D6 处最低，为408 ng/m3。由表1可知，TSP 中D6 点位重金属污染程度较低，这主要与济南市城市地形及工业布局有关。D6 点位为风景名胜区，污染源少且绿化等相较其它区域更好。D5 的重金属质量浓度高，主要原因是D5位于工业园区，较大粒径的大气颗粒物降落量较大，使得工业园区污染较重，加之颗粒物在自然沉降过程中受周围环境影响，吸附一定量的重金属，颗粒物之间相互碰撞，颗粒物粒径随之变大，重金属不断累积，较大颗粒粒径的降尘颗粒物中重金属含量也随之升高，导致重金属浓度偏高[11]。Cu，Zn，Mn，Pb 的质量浓度较高的原因主要是早春住宅区燃煤取暖，另外，工业用煤、燃油、工业扬尘和金属冶炼等也会造成偏高。

表1 济南市大气颗粒物TSP 中重金属的质量浓度 ng·m-3

2.1.2 PM10中重金属的质量浓度

PM10中重金属的质量浓度见表2。由表2看出，8种重金属中，ρ（Cu）平均最高为598 ng/m3，ρ（Cr）平均最低为0.37 ng/m3。6 个采样点中，D5 处ρ（As）最高为9.97 ng/m3，D4 处最低为6.14 ng/m3；ρ（Cr），ρ（Pb），ρ（Mn），ρ（Zn）最高的是D5，分别为0.91，71.1，101，216 ng/m3，最低的是D6，分 别为0.18，29.3，33.1，79.3 ng/m3；ρ（Cu），ρ（Cd）最高的为D2，分 别为245，1.18 ng/m3，最低的是D6，分别为408，0.18 ng/m3；ρ（Ni）由高到低依次为D5>D4>D2>D1>D6>D3。从以上数据可以看出D6 的重金属质量浓度最低，D2 和D5 的重金属浓度最高，原因是D5位于工业园区，受工业生产和附近电厂的影响，导致其重金属质量浓度偏高；D2 属于住宅区，位于市中区和槐荫区之间，偏高的主要原因是济南市四面环山，北靠黄河，不利于大气污染物的水平运输和扩散，使污染物更易于在市区积聚，从而加重污染，另外早春住宅区燃煤采暖导致D2 的重金属质量浓度偏高。PM10中重金属分布规律及造成这一现象的原因与TSP 基本一致。

表2 济南市大气颗粒物PM10 中重金属的质量浓度 ng·m-3

2.1.3 PM2.5中重金属的质量浓度

PM2.5中重金属的浓度见表3。由表3看出，8种重金属中，ρ（Cu）平均最高为225 ng/m3，ρ（Cr）平均最低为0.10 ng/m3。6 个采样点中，ρ（As）最高的是D1为5.58 ng/m3，最低的是D4为2.80 ng/m3；ρ（Cr），ρ（Zn），ρ（Cd）最高的是D2，分别为0.20，93.5，0.92 ng/m3，最低的是D6，分别为0.03，46.4，0.38 ng/m3；ρ（Cu）最高的是D5为301 ng/m3，最低的是D6为83.6 ng/m3；ρ（Mn）和ρ（Pb）D1 处最高，分别为21.9 和47.0 ng/m3，D6 处最低，分别为9.72 和21.5 ng/m3；ρ（Ni）最高的是D4为7.42 ng/m3，最低处在D3为3.94 ng/m3。从以上数据可以看出D6 的重金属浓度最低，D1，D2的重金属浓度最高，主要原因是早春住宅区用煤取暖导致重金属浓度偏高，且济南市四面环山，北靠黄河，不利于大气污染物的水平运输和扩散，使污染物更易于在市区积聚，从而加重污染[10]。Cu，Zn，Mn，Pb质量浓度较高的主要原因是济南市重工业发达，且早春住宅区采暖，工业燃煤、燃油、工业扬尘、金属冶炼和汽车尾气的排放等导致。

表3 济南市大气颗粒物PM2.5 中重金属的质量浓度ng·m-3

2.2 国内外部分城市大气颗粒物重金属质量浓度及分布特征

我国部分城市大气颗粒物汇总重金属含量见表4。由表4看出，多数城市大气都受到了不同程度的重金属污染，城市大气颗粒物中重金属含量大致呈Zn＞Pb＞Mn＞Cu＞Cr＞As＞Ni＞Cd 的分布规律。另外，我国大气颗粒物重金属质量浓度在各城市之间差异较大，这主要与采样点当地的能源结构、城市地形和污染物扩散的气候条件等有关[12]。在空间分布上，北方的京津冀及南方的珠江三角洲地区大气重金属污染比较严重；南、北方城市大气中Cd，Cr 和Ni 的差异较大，其中，Cd 污染多分布在南方城市，Mn 污染主要集中在华北和华东地区，As，Cr，Ni，Pb 污染空间分布无明显地域性。济南市大气颗粒物中的重金属除Cu 外，Zn，Pb，Mn，Cr，As，Ni 和Cd 均低于全国平均水平，且济南市与国内其他城市相比，除了Cu外，其它重金属含量比大多数城市低，说明济南市在国内城市中大气颗粒物重金属污染相对较轻。

表4 我国部分城市大气颗粒物中重金属质量浓度 ng·m-3

国外部分城市大气颗粒物中重金属含量数据见表5。由表5可知，我国城市大气颗粒物中重金属的平均含量略低于南亚部分城市，高于日韩、欧美的城市。主要原因是南亚的巴基斯坦、印度等地区，与中国一样属于发展中国家，在污染物排放控制和污染物治理上相对处于比较落后的阶段，而日韩、欧美等发达国家则在污染物排放和控制上投入更多，做得更好[12]。另外，就单个城市而言，国内多数城市大气颗粒物中重金属含量也都远远高于国外，特别是较欧美城市要高。

表5 国外城市大气颗粒物中重金属质量浓度 ng·m-3

3 结论与展望

3.1 结论

（1）从组分特征上看，在TSP 中，6 个采样点As，Cr，Cu，Mn，Ni，Cd，Pb，Zn的平均质量浓度分别为7.82，0.67，1 091，104，11.62，1.27，68.1，204 ng/m3；在PM10中，分 别为 6.06，0.37，598，59.1，8.5，0.89，53.9，147 ng/m3；在PM2.5中，分别为3.97，0.10，225，18.0，5.47，0.58，35.3，71.8 ng/m3。由以上数据可以看出，6 个采样点中大气颗粒物重金属质量浓度均表现为Cu，Zn，As，Ni 较高，Cr，Pb 较低。

（2）从分布特征上看，6 个采样点中，D2 和D5的重金属质量浓度相对较高，D6 的重金属质量浓度最低，各采样点间重金属质量浓度差异较大。住宅区重金属质量浓度高的原因主要与早春取暖有关；北部工业园区和热电厂重金属质量浓度高主要与济南的地形及工业园区分布有关：南部某事业单位的重金属质量浓度最低，主要与海拔较高有关，在济南城区不同地区大气颗粒物重金属质量浓度受地区地形影响较大。

（3）与多数国内城市相比，济南市大气颗粒物重金属污染相对较轻，除了Cu 外，其它重金属质量浓度比大多数城市低；与国外城市相比，我国城市大气颗粒物中重金属的平均质量浓度略低于南亚部分城市，但是远高于东亚日韩、美洲城市和大部分欧洲城市；就单个城市而言，国内多数城市大气颗粒物重金属质量浓度远高于国外。

3.2 展望

本研究采样时间较短，且只采集了一个季节的样品，存在一定的不足，今后可加大对大气颗粒物中重金属质量浓度的跟踪监测，并开展相应的研究，为城市大气颗粒物重金属分布特征研究提供参考。