青藏高原典型城市拉萨市大气颗粒物污染源成分谱建立研究与特征分析
杨和辰;陈旭;赵矿;张丹;楚宝临;张卫东;夏鹏超;袁睿;陈敏;杜敏;冀磊
【摘 要】系统研究建立高原典型城市拉萨市开放源(土壤风沙尘、道路扬尘、施工扬尘、采矿扬尘),移动源(机动车尾气尘),固定源(工业烟粉尘、生物质燃烧尘及餐饮油烟)共3类8种大气颗粒物(PM2.5、PM10)污染源化学成分谱.研究结果表明:开放源以地壳类元素为主,自然背景特征明显;移动源源成分谱中元素碳含量明显高于其他城市,在PM2.5、PM10源谱中分别占60.15％、51.86％,有机碳含量也相对较高,均超过20％;固定源中,牛粪和松柏枝两类生物质燃烧污染源的有机碳含量显著高于其他组分,工业烟粉尘中Ca远高于其他组分,在PM2.5 、PM10加源谱中分别占21.32％、21.21％.移动源、固定源源成分谱均显示出高原城市的独特特征.%The chemical composition of airborne particulate matter pollution source in a typical plateau city of Lhasa,China,was established and the sources of pollution include open sources (soil dust,road dust,construction dust,mining dust),mobile source (motor vehicle exhaust dust) and stationary sources (industrial smoke dust,biomass burning dust and cooking fumes),It is shown that the open sources are dominated by crustal elements and the influence of natural
background is significant.The mobile source component spectrum shows that the elemental carbon content in PM2.5 and PM10 source spectrum accounted for 60.15％ and 51.86％ respectively,which is obviously higher than that of other cities;the organic carbon contents are all more than 20％,which is relatively high.In stationary sources,the content of organic carbon in the biomass burning sources from cow dung and pine twig were significantly higher than that of other components.The content of calcium in industrial dust was much higher than other components,accounting for 21.32％ and 21.21％ in PM2.5 and PM10,respectively.Both the mobile source and the stationary source spectrum show the unique characteristics of the plateau city.
【期刊名称】《中国环境监测》
【年(卷),期】2017(033)006
【总页数】9页(P46-54)
【关键词】PM2.5;PM10;源成分谱;拉萨;青藏高原
【作 者】杨和辰;陈旭;赵矿;张丹;楚宝临;张卫东;夏鹏超;袁睿;陈敏;杜敏;冀磊
汽车尾气成分【作者单位】重庆大学,重庆400044;西藏自治区环境监测中心站,西藏拉萨850000;西藏自治区环境监测中心站,西藏拉萨850000;重庆市环境科学研究院,重庆401147;中国环境监测总站,国家环境保护环境监测质量控制重点实验室,北京100012;西藏自治区环境监测中心站,西藏拉萨850000;重庆市环境科学研究院,重庆401147;西藏自治区环境监测中心站,西藏拉萨850000;重庆市环境科学研究院,重庆401147;重庆市环境科学研究院,重庆401147;重庆市环境科学研究院,重庆401147;西藏自治区环境监测中心站,西藏拉萨850000
【正文语种】中 文
【中图分类】X823
拉萨市位于西藏自治区东南部，雅鲁藏布江支流拉萨河中游河谷平原，市区平均海拔为3 650 m，为世界海拔最高的城市之一。拉萨市作为青藏高原人类活动影响最显著的地区之一，其大气环境质量备受世人关注[1],尽管拉萨市近年空气质量总体优良，但在春冬季不利气象条件下也会有颗粒物污染发生。2015年拉萨市PM10、PM2.5质量浓度最高分别达到223、
102 μg/m3，对当地大气环境质量产生较为严重的影响[2]。中央第六次西藏工作座谈会提出“加大对青藏高原空气污染源的控制和治理”，因此针对拉萨市大气颗粒物污染进行系统的源识别并建立相应的源成分谱的研究，对于拉萨市开展精准颗粒物源解析，持续降低颗粒物浓度，保持和改善环境空气质量有十分重要的意义。目前拉萨市本地化的污染源成分谱的研究未见报道，本研究系统建立拉萨市本地大气颗粒物污染源成分谱，并对源谱特征进行分析。
1 PM2.5和PM10污染来源的识别
城市大气颗粒物来源复杂，呈现多污染物共存、多污染源叠加、多尺度关联、多过程耦合、多介质影响的独特的复合型污染特征[3-5]，拉萨市也不例外。根据拉萨市地形地貌特征、气候条件、当地城市建设和社会经济发展情况以及民族习俗等特点对拉萨市大气颗粒物污染来源进行分析识别。将拉萨市颗粒物的排放源分为开放源、移动源、固定源3类:开放源包括土壤风沙尘、道路扬尘、施工扬尘、采矿扬尘，移动源包括机动车尾气尘，固定源主要包括工业烟粉尘以及生物质燃烧(松柏枝和牛粪)、餐饮油烟等，共8种污染源[6-13]。
2 实验部分
2.1 仪器设备
移动源、生物质燃烧及餐饮油烟样品的采集使用颗粒物手工采样器(TH-150AII，100 L/min)。开放源及工业烟粉尘样品通过再悬浮采样器采集[14]。采样前清洗所有仪器，并对流量进行检查或校准，采样滤膜为聚丙烯滤膜(直径90 mm)和石英滤膜(直径90 mm)。采用电感耦合等离子体光谱仪(Optima 8300DV)分析样品中的18种元素，包括S、Si、K、Na、Ca、Mg、Ba、Cd、Cr、Ni、Mn、Cu、Zn、Pb、Fe、V、Ti、Al；采用离子谱仪(ICS-1100)分析样品中的Na+、Mg2+、Ca2+、K+、NH4+、SO42-、PO43-、Cl-、NO3-含量；采用热光碳分析仪(DRI 2001A)分析有机碳(OC)、元素碳(EC)的浓度。
2.2 样品采集
样品采集依据《环境空气颗粒物来源解析监测方法指南》进行，具体采样数量及处理方法见表1,开放源无组织采样点分布情况见图1。
表1 采样数量及处理方法Table 1 Sampling quantity and processing methods排放源排放源种类样品数量/个采样及处理方法开放源土壤风沙尘11道路扬尘18施工扬尘9采矿扬尘6粉末
样过筛后再悬浮固定源工业烟粉尘6生物质燃烧24餐饮油烟12粉末样过筛后再悬浮直接采样法移动源机动车尾气尘24隧道法
图1 开放源采样点分布情况Fig.1 Sampling site distribution of open source
样品分为滤膜源样品和粉末源样品。机动车尾气、工业烟粉尘、生物质燃烧、餐饮油烟的采集样品为滤膜源样品，为避免样品交叉污染，将滤膜分类密封，低温保存，以备后续分析。采集的土壤风沙尘、道路扬尘、施工扬尘、采矿扬尘样品为粉末源样品。阴干后去除杂物，再分别通过筛孔尺寸为0.300、0.150 mm的筛子依次筛选，将不同地点采集的同类源样品混合，密封低温保存，以备再悬浮处理。颗粒物再悬浮采样法是通过送样装置将已干燥、筛分好的粉末样品送至再悬浮箱中使颗粒物再次悬浮起来，然后利用分级切割器将样品采集到滤膜上。每类源做3组平行样，每组同时用聚丙烯滤膜和石英纤维滤膜采集，用于不同的成分分析。
3 结果与讨论
PM2.5和PM10的源成分谱见图2、图3。可以看出，各种污染源的物质组成特征十分明显。其中牛粪、松柏枝均为生物质燃料，两者的组分特征不同，故分别列于图中。
图2 PM2.5源成分谱Fig.2 PM2.5 source component spectrum
图3 PM10源成分谱Fig.3 PM10 source component spectrum
3.1 开放源
为了更好地对各类污染源进行比较，将源成分谱中各化学组分分为地壳类元素、离子组分、痕量元素以及OC、EC。其中，地壳类元素包括Si、Ca、Fe、Al、Mn、K、Mg、Na、S，离子组分含有Na+、Mg2+、Ca2+、K+、NH4+、SO42-、PO43-、Cl-、NO3-，痕量元素有Ti、V、Pb、Ni、Cd、Cr、Zn、Cu、Ba。开放源PM2.5、PM10化学组分对比见图4。
图4 开放源PM2.5、PM10组分对比Fig.4 Comparison of PM2.5 and PM10 components from open source
由图4可知，开放源中的4类污染源都是以Si、Ca、Fe、Al为代表的地壳类元素的含量最高，自然背景特征明显。其中土壤风沙尘、建筑施工扬尘、采矿扬尘3种污染源组分相似，在各类源中，采矿扬尘痕量元素较高，道路扬尘OC、EC含量明显偏高，且离子组分占比较大。
土壤风沙尘主要来源于拉萨市周边的农田、裸地及干涸的河滩。由图2可以看出，PM2.5源谱中以Si为代表的地壳类元素的含量较高，其他依次为Fe、Al、Ca、Ca2+，分别占6.12%、4.92%、4.54%、4.14%，PM10与PM2.5源谱的物质组成特征基本一致，与其他城市无明显差异。两源谱中SO42-、NO3-、NH4+及OC较其他城市偏低，可能与拉萨市周边土质及使用情况有关。拉萨市土壤属于高山土，主要包括潮土、草毡土、巴嘎土、莎嘎土等，农业用地较少，没有化肥及农药的使用，故SO42-、NO3-、NH4+含量较低。又因植被稀缺、土壤裸露而造成了OC的流失，形成有机质含量少、土壤肥力低的特点[15-16]，导致土壤风沙尘中OC所占比重较其他城市偏低。
建筑施工扬尘的主要起尘物质来自土壤、细沙、水泥、道路尘以及水泥砂浆等[17]，施工扬尘的组成也是以地壳元素为主。与土壤风沙尘不同的是，PM2.5与PM10源谱中作为建筑材料主要成分的Ca在本源中含量最高，其次分别是Si、Fe、Al，四者都是施工扬尘典型的标识元素。OC、EC含量较土壤风沙尘和采矿扬尘偏高，主要来自施工场地内大型机械(钩机、挖机)和重型货运汽车的尾气排放及施工现场其他操作(钢材加工、焊接等)。
采矿扬尘与土壤风沙尘不同的是，S、SO42-含量较高，PM2.5源谱中分别占2.93%、0.91%，
PM10源谱中分别占0.65%、0.62%。自然界中已发现的含钼矿物达30余种，其中分布最广且最具工业意义的是辉钼矿(MoS2)，约99%的钼金属来自辉钼矿[18-19]，故源谱中含有较高含量的S、SO42-。两源谱中Cu、Zn、Pb等痕量元素含量较其他污染源偏高，相关研究表明，成矿流体中除富集Mo外，亦富含Cu、Zn、W、Pb、Bi等元素[20]，与本研究较为吻合。