论 坛·FORUM
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文_牛璨1,2 张文璇1 张宪1,2 韩金保3 文一舒4
1.河北省公共卫生安全重点实验室 河北大学公共卫生学院
2.河北大学药物化学与分子诊断教育部重点实验室
3.河北大学质量技术监督学院
4.中央司法警官学院法学院
摘要：
为了识别保定市大气细颗粒物的主要污染源及对环境污染的贡献率，采用功能分区布点法在市区内布设5个点位，2018年6～9月期间采集有效膜样品90个，分析细颗粒物的质量浓度及其化学成分。运用PMF 源解析模型，确定污染源种类，定量地计算出各类污染源贡献率，从而为制定减排政策提供可靠的依据。
关键词：
细颗粒物；来源解析；PMF 模型基金项目：
河北省社会科学基金（HB17SH010）Source Apportionment of Atmospheric Fine Particles in Baoding City
NIU Can ZHANG Wen-xuan ZHANG Xian HAN Jin-bao WEN Yi-shu
[ Abstract ] In order to identify the main pollution sources of fine particulate matter in Baoding city and the contribution rate of various sources to environmental pollution, five points were set up in the urban area by the method of functional zoning, and 90 effective membrane samples were collected from June to September 2018 to analyze the mass concentration and chemical composition of fine particulate matter. PMF source analysis model is used to determine the types of pollution sources and quantitatively calculate the contribution rate of various sources, so as to provide a reliable basis for formulating emission reduction policies.
[ Key words ] fine particles; source apportionment; PMF model 近年来，经济的快速发展使人们在各个方面（如交通、工业）的需求量增多，煤炭等能源消耗急剧增加，机动车保有量增长较快，导致空气污
染越来越严重，空气质量急剧下降。在目前公认的各种大气污染物中，细颗粒物（PM 2.5）被认为是危害最大、代表性最强的大气污染物。
源解析是对大气颗粒物来源进行定量或定性研究的技术、方法，Eugene Kim 等人利用PMF 模型对美国华盛顿州斯波坎市大气颗粒物来源进行解析工1作，结果表明该市的主要污染贡献源类是生物质燃烧、机动车尾气、硫酸盐粒子和硝酸盐粒子等。Pia Anttila 等人利用PMF 模型对墨尔本大气颗粒物来源进行解析，结果表明主要污染源为海盐粒子和土壤尘埃。Eddie Lee 等人利用PMF 法分析香港大气中可吸入悬浮颗粒物（PM 10）的来源，结果表明香港大气PM 10的来源主要包括海盐粒子、硫酸盐、有金属冶炼等。针对北京市展开研究，宋宇等人分析结果表明细颗粒物主要来源于建筑源、地面扬尘、生物质燃烧、机动车排放、二次源和燃煤等6类源的排放。
本研究在保定市区范围内根据不同功能区选择监测位点，对其进行定期地监测，采集细颗粒物滤膜样品。采用重量法获得细颗粒物质量浓度，并对其化学组分进行定量分析。将所得到的各物质浓度及相对应的不确定度输入到PMF 模型软件中，
对其进行源解析，识别大气细颗粒物的主要污染源及对环境污染的贡献率。最后根据解析结果和研究区域的细颗粒物污染特征，按照经济合理、技术可行原则，有针对性地提出各污染源控制对策，为环境管理部门提供参考。
1 材料与方法
在保定市区内的工业区、农田区、交通区、居民区、背景区五个功能区进行布点。运用主动采样法收集空气样品，将颗粒物吸附于直径为37mm 的石英滤膜上。采样滤膜使用前先放置于马弗炉450℃焙烧5h，称量前后把滤膜置于恒温恒湿环境中平衡48h，使用百万分之一天秤进行称重，保证最近两次称量误差不超过0.005mg，然后置于洁净干燥的膜盒中保存。滤膜采集及运输过程严格遵循《环境空气颗粒物（PM 2.5）手工监测方法（重量法）技术规范》（2013）执行。
PMF 模型使用的基本思路是：首先利用权重计算出颗粒物中各化学组分的误差，然后通过最小二乘法来确定出颗粒物的主要污染源及其贡献率。在源解析模型中，PMF 模型不需要测量源成分谱，不需要输入污染源的详细信息，提取的污染源信息比较客观，分解矩阵中元素的分担率为非负，可以利用数据标准偏差来进行优化，并且可处理遗漏和不精确数据等特点，可以定量评价各类源的污染贡献率。
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2 采样与分析
2018年6～9月期间，监测夏季保定市不同功能区固定点位PM 2.5污染水平，采样模式设定为间歇性采样，每两小时泵连续启动15min，每个周期为5d，共采集90个滤膜样品。每个周期结束后，将取回的样品滤膜放入-4℃冰箱保存。PM 2.5质量浓度分析采用的是称重法。计算公式如下：
汽车尾气污染ρ=（m 2-m 1）/V n ×1000
式中 ρ—PM 2.5 浓度，μg/m 3；
m 1—采样前滤膜的质量，mg ； m 2—采样后滤膜的质量，mg ；
V n —换算成标准状态下的采样体积，m 3。
采用电感耦合等离子体质谱仪（Agilent 7500）测定元素。使用酸熔融ICP-MS 法测定样品中钠、镁、铝、钾、钙等在内的34种元素，使用碱熔融ICP-OES 法测定其中的硅、铝、钙、镁、铁、钛、锶、钡、锆等9种元素。采用离子谱法（戴安DX120）分析测定样品中水溶性无机离子（Cl -、NO 3-、SO 42-、K +、Na +、Ca 2+、Mg 2+）。使用IMPROVE 分析协议规定的热光反射法（TOR）分析测量大气中碳组分，OC、EC、TC 的最低检测限分别为0.82μg/cm 2、0.19μg/cm 2、0.93μg/cm 2。
3 PMF模型解析结果
将实验分析得到的49种化学组分、PM 2.5质量浓度和与之相对应的各组分的不确定性资料输入到PMF 模型中。通
过多次运行程序，寻最小目标函数值，得到4类因子的贡献率。
图1中因子1代表工业源：金属元素有Zr、Fe、Be、Cr、Mn、Co、Ni、Y 、Mo、Ce、W 等，其中 Fe、Mn、Cr 是典型的金属冶炼的标志性元素。Zr、Be、Co、Ni、Y 、Mo、Ce、W 等金属元素也主要应用于冶金工业，说明工业排放对保定市大气污染有一定的贡献。
因子2代表燃煤污染源：从图2中各污染物的贡献可以看出，SO 42-所占比例最高约80%。燃煤会产生较多的硫化物，因此SO 42-是煤烟污染的标志物。此外，Zhang 等人研究结果中发现燃煤产生的飞灰中富含铅，结果中铅也有显现。碳组分不仅来自于机动车尾气，煤炭的燃烧也会产生。图2中还有一些金属元素，可能是混合了一些工业灰尘。
图3中因子3代表扬尘：该因子中Fe、Be、Na、P 、Co、Ni、Zn、Ce、Pb 等地壳元素较多，说明由于人类活动导致有较多的土壤扬尘；Co 及碳组分来主要自于道路扬尘；Zr、Y 等矿物质元素是建筑扬尘的标志元素。因此，因子3是土壤扬尘、道路扬尘及建筑扬尘的混合污染源，而由于机动车使用量的增加，道路扬尘占据了很大的比例。
图4中因子4代表机动车尾气：典型组分Cr、Ni、Zn、Pb 及碳组分含量较高。Alastuey 等研究结果也表明这些元素常在机动车尾气中富集；Puxbaum 等在对维也纳城区大气颗粒物解析结果中表明机动车尾气中Pb、Zn、Cr 等金属元素污染贡献率
图1 各物质分配到因子1的浓度及百分比
图2 各物质分配到因子2
的浓度及百分比
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较高。此外，该因子中Na +、Ca 2+地壳元素含量也比较高，可能是混合有扬尘；K +含量最高，可能是临近收获季节采样周围有秸秆等生物质燃烧污染源。
保定市大气细颗粒物4种主要污染源贡献率中，机动车尾气所占比例最大，约为39.63%；其次为扬尘，约为35.30%；工业污染约占12.44%；燃煤污染贡献率最小，仅有1.30%。
4 结论
通过对保定市大气细颗粒物样品采集分析，解析得到4种主要污染源：工业源、燃煤污染源、机动车尾气、扬尘，其中污染贡献率最大的是机动车尾气，将近40%。
由于居民生活水平的不断提高，机动车保有量不断增加，不仅会有汽车尾气的严重污染，还会增加道路扬尘的污染。尽管环保部门一直对机动车采取限行管理，但机动车尾气的污染贡献率并没有降低，反而有所增加，由25.62%增加至39.63%。说明限行并不是解决机动车尾气污染可行的办法，应从根本上减少汽油、柴油的使用量，推广机动车排放实时在线监控，对排出的尾气进行降解处理。
由于保定市区周边焚烧秸秆和垃圾的情况时有发生，城市建设扬尘、道路扬尘和裸露地面扬尘不能得到有效地遏制，从
而使扬尘污染贡献率比较高。因此建议严格监控秸秆和垃圾的燃烧，执行建筑场所和道路扬尘防护措施。
参考文献
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作者简介
牛璨（1986-），女，河北保定人，副教授，研究方向为大气污染特征分析及控制技术应用。
图4 各物质分配到因子4的浓度及百分比
图3各物质分配到因子3
的浓度及百分比
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