采矿扬尘源成分谱化学组分特征研究*

彭 杏 刘贵荣 郑 俊 姚 逊 费 勇 史国良 张裕芬#(.南开大学环境科学与工程学院，国家环境保护城市空气颗粒物污染防治重点实验室，天津 0007；.宁波市环境监测中心，浙江 宁波 50；.湖州市环境保护监测中心站，浙江 湖州 000)

当前我国PM2.5污染严重，解析其来源是大气污染防治重点工作之一[1-4]。建立系统完善的源成分谱是开展源解析工作的基础，因此采集污染源样品并对其进行化学组分分析，获得可靠的源成分谱有助于得到可靠的源解析结果。这具有非常重要的理论和现实意义。

目前，我国关于PM2.5源成分谱的研究较少，主要集中在PM10的源成分谱研究[5]905，[6]，[7]4813，[8]，源成分谱资料缺乏，亟需建立具有代表性的污染源成分谱，为大气颗粒物来源解析提供基础数据。扬尘作为主要的污染源类[9-15]，种类多样，常见的有土壤扬尘、建筑扬尘、采矿扬尘等。而采矿扬尘由于受到地域等因素的限制，并没有被广泛研究。但是，针对某些采矿业较发达的城市来说，采矿场的爆破作业、挖掘设备的采样、装载与运输等都会产生大量的扬尘，带来严重的采矿扬尘污染[16-18]。因此，本研究首次构建了采矿扬尘源成分谱信息，为采矿扬尘的定量源解析工作提供基础数据。此外，对于其他典型的污染源类也进行了样品采集和分析，构建了相应的源成分谱，为今后开展源解析工作、制定颗粒物污染控制政策等提供依据。

表1 源样品的采集时间、点位及数量Table 1 Sampling time，points and numbers of source samples

1 材料与方法

1.1 源样品的采集

为获得采矿扬尘源样品，本研究选择矿产业较发达的湖州市作为研究点。湖州市地处浙江省北部，紧邻江苏、安徽两省，是连接长三角南北两翼和东中部地区的节点城市，建材及黏土类非金属矿产资源较丰富。根据《湖州市矿产资源总体规划(2011—2015)》资料显示，截至2009年底，全市年产矿石10 911万t，其中建筑石料类矿石年产量为8 477万t，约占总矿产量的80%，其次石灰石类矿产量为1 942万t。本研究首次尝试从采矿扬尘角度出发，建立采矿扬尘源成分谱，初步探究采矿扬尘化学组分特征。

本研究选择典型的两个石矿厂作为采样点，采集石矿厂周围的扬尘作为采矿扬尘，共10个样品。

此外，为与其他类型的颗粒物污染源比较，本研究还采集了湖州市其他主要的污染源类。根据湖州市大气颗粒物的排放清单和现场调查，结合湖州市具体情况，确定土壤扬尘、煤烟尘和建筑扬尘等3类代表性源。源样品的采集在非雨天进行，根据《大气颗粒物来源解析技术指南》中颗粒物源类样品采集原则对3类源样品进行采集，采样信息见表1。

所有源样品密封袋收集带回实验室，并过150目筛，而后密封保存样品待测。所有源样品采样方法具体参考以前的研究[5]905，[7]4813。

1.2 分析方法

2 结果与讨论

2.1 源成分谱特征

湖州市4类源成分谱如图1所示。采矿扬尘中主量成分为Si、Al、Ca、OC和Fe，其质量浓度分别为(0.13±0.01)、(0.07±0.01)、(0.07±0.02)、(0.03±0)、(0.02±0) g/g。由于Si是土壤扬尘的标识元素，说明采矿扬尘可能和土壤扬尘具有相似的标识组分。另外，湖州市的矿产资源主要以建材及黏土类非金属矿产为主，而Ca是建筑扬尘的标识元素，因此采矿扬尘中Ca含量也较高。

土壤扬尘的主量成分主要是地壳类元素，如Si、Al、Ca、Fe，其中Si质量浓度最高((0.21±0.02) g/g)；OC((0.05±0.04) g/g) 和EC((0.01±0.01) g/g)也较高。

建筑扬尘主量成分依次为Ca、Si、Al、OC。其中，Ca质量浓度最高((0.29±0.05) g/g)，因此通常都将Ca作为建筑扬尘的标识元素[20]2817。

煤烟尘主量成分为地壳元素(Si、Al、Ca)和碳组分。其中，OC一般作为煤烟尘的标识组分[20]2817，其质量浓度为(0.13±0.03) g/g。

2.2 比值分析

ARDITSOGLOU等[22]指出，在大气颗粒物来源解析中元素比值通常作为判断颗粒物来源和当地源谱特征的依据。因此，本研究通过比较相关特定化学组分之间的比值来分析采矿扬尘及其他源成分谱的特征。图1显示Si、Al、Ca在4类源成分谱中的含量均较高，且含量相对稳定，因此选取这3种化学组分之间的质量比作为4类源成分谱的特征比值加以分析，其计算结果见表2。

图1 湖州市4类源成分谱Fig.1 Profiles of four sources in Huzhou

表2 4类源成分谱的特征比值Table 2 Ratio analysis for the four source categories

由表2可以看出，Al/Si依次为建筑扬尘>煤烟尘>采矿扬尘>土壤扬尘；Al/Ca依次为煤烟尘>采矿扬尘>土壤扬尘>建筑扬尘；Si/Ca依次为土壤扬尘>采矿扬尘>煤烟尘>建筑扬尘。对于4类源成分谱，Al/Si、Al/Ca、Si/Ca在不同的源成分谱中的取值存在一定的差异。建筑扬尘中Al/Ca和Si/Ca较小，分别为0.26和0.37，可能与建筑扬尘中Ca的含量较高有关，而且Al/Ca和Si/Ca与其他源差异较大，因此本研究认为其可作为建筑扬尘的特征比值。土壤扬尘中Si的含量很高，导致Al/Si较小(0.30)，而Si/Ca较大(1.89)，与其他源差异较大，可作为其特征比值。煤烟尘中Si和Al的含量较高，所以Al/Ca和Si/Ca较大，可以作为标识煤烟尘的特征比值。采矿扬尘中Al/Si、Al/Ca、Si/Ca分别为0.53、1.00、1.88，Al/Si较小，而Si/Ca较大，可能是因为采矿扬尘中Si的含量较高导致，3个比值都与其他源中对应的比值较相似，无明显的特征。综合分析，采矿扬尘源成分谱与其他源具有较强的相似性。

2.3 分歧系数分析

采矿扬尘与其他源成分谱较相似，根据化学组分含量和比值分析，采矿扬尘各化学组分含量与其余3类源化学组分含量并无明显差异。因此，采用分歧系数(CD)对采矿扬尘与其余3类源成分谱之间的相似程度进行定量比较。分歧系数的计算公式[23]为：

(1)

式中：CDjk为j源和k源的分歧系数；p为参与计算的化学组分的总个数；i为化学组分序号；xij、xik分别为j、k类源成分谱中i化学组分的平均质量浓度，g/g。

如果两类源成分谱的组成非常相似，CD将趋近于0；如果组成相差极大，则CD趋近于1[24]。为了比较采矿扬尘源成分谱与其余3类源成分谱的差异性，根据式(1)分别计算出采矿扬尘与其余3类源成分谱化学组分的分歧系数，采矿扬尘与其余3类源成分谱的化学组分比较见图2至图4。

图2 采矿扬尘与土壤扬尘源成分谱化学组分比较Fig.2 Chemical components comparision between mineral dust and resuspended dust

图3 采矿扬尘与建筑扬尘源成分谱化学组分比较Fig.3 Chemical components comparision between mineral dust and cement dust

图4 采矿扬尘与煤烟尘源成分谱化学组分比较Fig.4 Chemical components comparision between mineral dust and coal combustion

经计算，采矿扬尘与土壤扬尘、建筑扬尘、煤烟尘源成分谱的分歧系数分别为0.49、0.36、0.39。这可能是因为矿石可能部分应用于建筑材料，导致采矿扬尘与建筑扬尘源成分谱的化学组分特征更相似。采矿扬尘与煤烟尘的源成分谱中OC的差异较大，导致其分歧系数较大。采矿扬尘和土壤扬尘尽管主量化学组分都是地壳类元素，如Si、Ca、Al等，但它们的差异较大，所以分歧系数较大，源成分谱相似性较低。因此，采矿扬尘与建筑扬尘源成分谱的相似性较高，与土壤扬尘源成分谱的相似性较低。由图3可见，采矿扬尘与建筑扬尘源成分谱中各化学组分均匀分布在对角线(斜率为1)两侧(除Ca外)，且位于对角线的元素相对于图2、图4来说最多，由此也可说明采矿扬尘源成分谱与建筑扬尘源成分谱最相似。

本研究参考姬亚芹[25]的研究，将分歧系数0.2作为判断两个源成分谱是否相似的临界点，即分歧系数在0～<0.2的两个源成分谱必定相似、0.2～<0.5为可能相似、0.5～1.0为必定不相似。可见，采矿扬尘与其他3类源成分谱之间可能相似。

3 结 语

(1) 采矿扬尘中主量成分为Si、Al、Ca、OC和Fe，其质量浓度分别为(0.13±0.01)、(0.07±0.01)、(0.07±0.02)、(0.03±0)、(0.02±0) g/g。

(2) 采矿扬尘中Al/Si、Al/Ca、Si/Ca与其他源中对应的比值较相似，无明显的特征，说明采矿扬尘源成分谱与其他源具有较强的相似性。

(3) 采矿扬尘与土壤扬尘、建筑扬尘、煤烟尘源成分谱的分歧系数分别为0.49、0.36、0.39，表明采矿扬尘与其他3类源成分谱之间可能相似。

(4) 本研究初次构建了采矿扬尘源成分谱信息，丰富了我国颗粒物源成分谱数据库；对于受到采矿扬尘污染的城市，建立采矿扬尘源成分谱不仅可为环境有关部门控制PM2.5的污染提供科学依据和基础数据，而且也可为开展相关采矿扬尘研究的城市提供参考与借鉴。

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