武汉市源成分谱特征研究
作者：宫攀 骆颖
来源：《南京信息工程大学学报（自然科学版）》2018年第05期
        摘要通过采集武汉市土壤风沙尘、建筑水泥尘、城市扬尘、餐饮源、生物质燃烧源、工业煤烟尘和电厂煤烟尘等7类源样品，并分析其碳组分、水溶性离子组分和无机元素组分，建立PM10和PM25源成分谱.研究表明，地壳元素Si、Ca、Al以及Fe等是土壤风沙尘的主要特征组分，其中Si是含量最高的成分，也是土壤风沙尘的标识组分.无组织建筑水泥尘中Si和Ca元素含量较高，将Ca元素作为无组织建筑水泥尘区别其他源类的重要元素，而有组织建筑水泥尘中OC、SO2-4含量比无组织建筑水泥尘高.城市扬尘中Ca的含量相对较高，表明城市扬尘受到建筑水泥尘影响较多.生物质燃烧源成分谱中OC的含量远高于成分谱中其他组分，另外Cl-和K的平均含量也较高，K一般为生物质源的特征元素.关键词PM10；PM25；源成分谱
        中图分类号X513
        文献标志码A
        1武汉市环境监测中心，武汉，430015
        0引言
        大气颗粒物来源解析是基于颗粒物受体和源的化学组成信息，利用源解析模型对不同类型的颗粒物排放源类进行识别并定量解析其对颗粒物贡献的技术方法，是科学、有效开展大气污染防治工作的基础和前提，是制定环境空气质量达标规划和重污染天气应急预案的重要依据[12].武汉市作为华中地区重要的社会经济发展中心，城市环境空气呈现典型的大气复合污染特征.随着武汉市空气质量改善工作的推进，政府部门需要为空气质量达标和精准治霾持续提供更加全面深入的技术支撑.源成分谱是开展受体模型研究的基础资料，也是排放源污染特征的直接反映，是影响源解析结果正确与否的关键因素[3].近年来，北京[4]、重庆[5]、浙江[6]、贵州[7]、山东[8]、河北[9]等多地针对颗粒物排放源谱开展了深入的研究.本文根据武汉市实际情况，结合国内外源解析方面的研究进展[1012]，对武汉市PM10和PM25主要污染源进行分类，采集有代表性的样品，并分析其碳组分、水溶性离子组分和无机元素组分，建立主要污染源的源成分谱，以期充分认识武汉市PM10和PM25主要污染源的污染特点，对利用受体模型开展大气颗粒物源解析研究工作及制定科学的颗粒物污染防治措施起到积极的作用.
        1研究方法
        11样品采集
        土壤风沙尘的采集，选取武汉市市郊（距市区20km左右）东、南、西、北、东北、东南、西北、西南8个方向以及主导风向上的裸露农田、河滩或果园，各方向上均匀布点，分别采样.布点周围避免烟尘、工业粉尘、汽车、建筑工地等人为污染源的干扰.土壤风沙尘共布设10个点位，清除地表植物碎屑等杂物，以梅花布点法采集表层土壤和0～20cm内的下层土壤，采集量为200g/袋，采集样品共计17个，其中西南、西、主导上风向各采集2个，南、主导下风向样品各3个，北、西北、东、东北、东南样品各1个.
        建筑水泥尘的采集，选取建成区内典型建筑施工场所，包括道路桥梁施工、地铁施工和房屋建筑施工工地等多种工地性质，同时考虑不同的行政区划，均匀布点采集建筑揚尘.收集散落在施工作业面（如建筑楼层水泥地面、窗台、楼梯、水泥搅拌场地等）上的建筑尘混合样品，共计7个样品.
汽车尾气成分        城市扬尘样品的采集充分考虑了城市的功能区划、地理位置和主导风向等，结合空气质
量监测点（国控、省控和市控）的布局，在监测点1km范围内布设采样点，共采集33个样品.在样品采集时，选取周边没有或远离其他局部污染源的地方，用毛刷采集楼房、仓库等建筑物的窗台、储物架等平台上积累时间较长的降尘，采集量约50～200g.
        在餐饮源的采样中，根据武汉市主要餐饮类型和油烟排放特点，选取以炒菜为主、排风量较大的餐饮单位在炒菜高峰时所排放的油烟，在其油烟排放口周边（以油烟排放口为中心半径为2m）按扇形布点法布设采集点位.选取4家典型的餐厅，包括2家大型酒店和2家综合型商业广场，分时间段采集餐饮油烟颗粒物，用TH150系列智能中流量空气总悬浮微粒采样器以100L/min的流量同时采集PM10和PM25两种粒径样品，采样时间段分别为中午11：00—14：00和下午17：00—20：00.
        为调查武汉市主要种类生物质燃烧排放颗粒物特征，于2017年5月在武汉市蔡甸区消泗乡港洲村（11378°E，3025°N）农家菜地对油菜、小麦2种作物秸秆部分进行燃烧实验并采集其燃烧过程排放的烟气，采样仪器为8台TH150系列智能中流量空气总悬浮微粒采样器，以100L/min的流量同时采集PM10和PM25两种粒径的颗粒物样品，分空白对照组（4台）及采样组（4台）进行模拟实验，空白组仪器布于燃烧点位上风向位置，采样组布于下风向位置，电风扇作为辅助工具引导风向.
        本次研究中，从南开大学国家环境保护城市空气颗粒物污染防治重点实验室颗粒物源成分谱库中选取与武汉市机动车排放类型相类似城市的机动车尾气源成分谱，作为武汉市机动车尾气源成分谱参与模型计算.
        固定源根据锅炉吨位、除尘、脱硫和脱硝方式的不同，结合燃煤使用情况，采集了6家单位的煤烟尘样品，其中火力发电厂1家、食品工业2家、水泥厂2家和垃圾焚烧厂1家.各企业信息详见表1.所有固定源采样均采用便携式稀释通道采样器（PDSI01P型，陕西正大环保科技有限公司）进行烟囱排气口颗粒物的采集.
        12样品的处理和分析
        本次研究采集的源样品包括直采污染源的滤膜样品和土壤尘、城市扬尘等开放源样品.对采集到的开放源样品，首先置于实验室自然阴干，而后采用200目标准尼龙筛进行筛分处理，再采用NKUZXF颗粒物再悬浮采样器模拟污染源颗粒物样品进入环境中的过程，完成对开放源PM10和PM25等不同粒径颗粒物滤膜样品的制备.
        样品分析项目包括质量分析、水溶性离子、元素及碳组分分析.采用ICAP7400电感耦合
等离子体发射光谱仪（美国赛默飞世尔）分析Na、Mg、Al、Si、S、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Br、Ba、Hg、Pb等无机元素；采用ThermoICS900离子谱仪（美国Thermo公司）分析Na+、NH+4、K+、Mg2+、Ca2+等水溶性阳离子，以及SO2-4、Cl-、NO-3、F-等水溶性阴离子的浓度；采用DRI2001A型热光碳分析仪分析样品中的OC（有机碳）和EC（元素碳）.
        2结果与讨论
        各源类的化学组分百分比和成分谱详见表2—4.
        21土壤风沙尘
        由图1可见，地壳元素Si、Ca、Al以及Fe等是土壤风沙尘的主要特征组分，所占比例较高，而且不确定度相对较小.其中Si是含量最高的成分，在2种粒径颗粒物中均为014g/g左右，Al、Ca、Fe等元素含量水平在004～007g/g.除地壳元素之外，土壤风沙尘中也含有一定的OC，在PM25、PM10中均为011g/g.
        22建筑水泥塵
        建筑水泥尘（无组织）PM25、PM10源成分谱如图2所示.Ca、Si元素含量最高，PM25、PM10中均为017g/g左右；其次为SO2-4和OC，在2种粒径颗粒物成分谱中分别占003、009g/g左右；地壳元素Al、Fe、Mg等也占有一定比例.与国内其他研究的无组织建筑水泥尘相比，武汉市源成分谱中Ca元素含量较低，如北京Ca元素在PM10中比例为2051%，贵阳Ca元素在PM25中比例为3359%，常州为2500%.
        建筑水泥尘（研磨站及水泥窑）PM25、PM10源成分谱分别如图3、图4所示.在研磨站源成分谱中，Ca在PM25、PM10中含量均为最高，分别为024、026g/g；其次为Si，含量为012～014g/g左右.在水泥窑源成分谱中，SO2-4含量最高，在PM25、PM10中含量分别为020、008g/g，Ca在PM25、PM10中含量与研磨站源成分谱相比均大幅减少.
        23城市扬尘
        由图5可见，PM10、PM25城市扬尘源成分谱中以Si、OC、Ca、SO2-44类组分为最高，其他组分Al、Fe等也占有一定比例.Ca元素在PM25、PM10中含量最高，分别达013、014g/g，可见城市扬尘受到建筑水泥尘影响较多；而OC、SO2-4分别为012、008g/g左右，可见其也受到机动车尘和煤烟尘一定程度的影响.从国内其他城市的城市扬尘成分谱中可以看
到，各城市之间存在一定差异，北京城市扬尘主要受道路尘的影响，石家庄城市扬尘主要受土壤风沙尘和道路尘影响，而贵阳城市扬尘主要受土壤风沙尘、建筑水泥尘的影响.由此可见，城市扬尘作为混合源，受多种一次源类的共同影响，多种源类的特征元素在扬尘源成分谱中均有体现.
        24餐饮源
        4家餐饮机构采集的颗粒物源谱如图6所示，普遍表现为OC含量最高，在PM25中含量为050～051g/g，在PM10中含量也达到了043～049g/g，餐饮源源成分谱中OC的含量远高于成分谱中其他组分.另外，EC和Ca含量也相对较高，EC在PM25中含量为001～002g/g，在PM10中含量均为001g/g；Ca在PM25中含量为0006～003g/g，在PM10中含量为001～002g/g，这与文献[13]的结果相一致，OC一般作为餐饮源的特征元素.
        25生物质燃烧尘
        生物质燃烧是大气颗粒物中碳组分的重要来源[14].武汉市周边郊区为了解决大量秸秆闲置，将秸秆在田间露天焚烧，产生大量焚烧烟雾可以传输到城区，成为武汉市大气中OC和E
C的重要来源[15].本次源采样工作对油菜和小麦2种生物质燃烧源进行颗粒物采样，分析得到PM25、PM10源成分谱如图7所示.在生物质燃烧源产生的颗粒物中，OC含量最高，在油菜燃烧尘中，OC在PM25、PM10中含量均为050g/g，在小麦燃烧尘中分别为047、048g/g；EC含量相对较少，在油菜燃烧尘中，EC在PM25、PM10中含量均为003g/g，在小麦燃烧尘中含量均为002g/g.另外，生物质燃烧源成分谱中Cl-和K的含量也较高，其中油菜燃烧尘中的Cl-在PM25、PM10中含量均为0005g/g，小麦均为001g/g；油菜燃烧尘中K元素在PM25、PM10中含量相近，均为0008g/g，小麦则分别为001、002g/g.由于生物质中富含K、Cl-等组分，K一般作为生物质燃烧源的特征元素.
        26工业煤烟尘
        工业企业煤烟尘源成分谱如图8所示.在源成分谱中，Si、Ca、NH+4、Cl-等含量较高，在PM25中的含量分别为012、008、006、007g/g，在PM10中的含量分别008、004、006、008g/g；其次为Na，在PM25、PM10中的含量分别为006、005g/g，OC含量也较高，在PM25、PM10中为005g/g左右；Mg、K等元素在PM25、PM10中含量较低，且略有差异.