桂林市细颗粒物部分典型排放源的粒径谱及成分分析

2016-04-18杜娟张志朋宋韶华易春盛计晓梅黎泳珊

环境监控与预警 2016年5期

关键词：桂林市气溶胶燃煤

杜娟，张志朋，宋韶华，易春盛，计晓梅，黎泳珊

(桂林市环境监测中心站，广西桂林 541002)

桂林市细颗粒物部分典型排放源的粒径谱及成分分析

杜娟，张志朋*，宋韶华，易春盛，计晓梅，黎泳珊

(桂林市环境监测中心站，广西桂林 541002)

单颗粒气溶胶质谱；源解析；典型排放源；桂林；可入肺颗粒物

桂林是世界著名的风景旅游名城、历史文化名城和国家环保模范城市。近年来随着经济、人口数量和各行各业的快速发展，城市环境空气质量逐年下降，出现了以颗粒物(PM10和PM2.5)为特征污染物的污染天气[1]。

2014年桂林市PM2.5年均值为66 μg/m3，日均值达标率仅为68.5%[2-4]。PM2.5能导致大气能见度下降，是灰霾等大气污染现象产生的主要诱因，已成为影响城市空气质量的重要因素，对人体的健康也产生巨大威胁[5-6]。

开展大气细颗粒物(PM2.5)来源解析工作是开展细颗粒物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基础和依据。传统大气颗粒物源解析技术有3种：分别为排放源清单法、源扩散模型法和受体模型法[7]。近年来发展的单颗粒质谱在线源解析法是利用在线单颗粒气溶胶质谱技术发展起来的新型源解析方法。其通过对典型排放源直接采样质谱分析，获得源谱图，对代表性监测点位的细颗粒物进行直接分析，通过自适应共振神经网络分类方法(ART-2a)、k-means等分类模型计算，定量解析各污染源类对环境空气中细颗粒物的贡献。该方法节省了对源样品和受体样品膜收集、实验室分析的烦琐步骤，实现快速、精准、连续地进行源解析，而且成本远低于传统的实验室分析[8-16]。

现采用在线单颗粒气溶胶质谱技术源解析方法对桂林市PM2.5典型排放源的粒径和化学成分进行质谱分析，共采集6类12种典型排放源，仅分析4类7种排放源的粒径分布及化学成分(其余5种排放源的分析参见文献[17])，期望从单颗粒角度解析桂林市典型污染源中的气溶胶理化特征，为进一步开展大气细颗粒物源解析工作提供基础数据和科学控制大气环境提供有效的决策依据。

为规范和推动四川省家庭服务业发展，依据中国家庭服务业协会的管理体制，四川省家庭服务业联席会议办公室积极与四川省商务厅沟通和协商，决定成立由四川省商务厅主管、四川省家庭服务业联席会议办公室业务指导，由发展家庭服务业促进就业部际联席会议办公室确认的四川省43个千户百强家庭服务业企业和四川省商务厅确定的《四川省家政重点联系企业名单》中30个重点家政企业为骨干的四川省家庭服务业协会。

1 研究方法

测试仪器为单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪(SPAMS 515)(广州禾信分析仪器有限公司)。采集数据软件为YAADA(Version2.1，运行在Matlab平台)，软件核心为ART-2a法则，该法则运行的3个主要参数分别为警戒因子、学习因子和迭代次数。

根据文献[7]，选取桂林市对PM2.5贡献较大的燃煤源/燃气源、工业工艺源、油烟源、扬尘源进行采集，燃煤、工业工艺、油烟源利用烟枪和采样泵将烟道气直接抽入8 L铝箔气袋，立即带回仪器处测定；扬尘样品直接扫取尘样，再悬浮后直接进样测定。每个源至少采集2个平行样品，保证数据的重复性。

按时间区分，2008年之前是各家各户的小烤房、节能立式炉等。2008年之后，保山市隆阳区丙麻乡不再建设小烤房，转入卧式密集气流下降式烤房建设。截至2018年，共建设102群816座。2015年又陆续出现了果蔬烘干机，建成在用的有160座。

水泥厂、铁合金企业、制药厂工业工艺气体排放的细颗粒物粒径分布和平均质谱图见图2(a)(b)(c)。

由图1可见，燃煤源细颗粒物粒径为0.5～1.2 μm，燃气源细颗粒物粒径为0.5～1.0 μm。燃煤源的峰值粒径为0.58 μm，<1.0 μm粒子比例为92.6%。燃气源峰值粒径为0.56 μm，<1.0 μm的粒子比例为94.7%。2者的特征离子都为Fe+、Cl-、纯黑炭、有机低聚物。

2.1 燃煤/燃气

2 典型排放源细颗粒物特征

高超音速飞行器是当前航天航空领域的重要前瞻性技术，其在服役过程中承受极大热载荷和力学载荷，这对高超音速飞行器热防护系统提出了极高的要求[1-3]，所用材料需具备良好的比强度，高温性能和质轻等特点。先进C/C复合材料与传统的高温合金相比，具有低密度、高比强、耐烧蚀、抗热震、更高的耐温能力、耐磨性强等优点[4-6]，它是超音速飞行器热结构部件最有研究价值的候选材料之一。

在面积不大、形状不规则的用地里，既要营造传统园林曲径通幽、移步异景等园林艺术特点，又要兼顾传统建筑方正规整的建筑特点，为余荫山房的设计带来了一定程度的困难。余荫山房通过巧妙的空间构思与合理的建筑语言，解决了建筑与园林用地和使用者之间的关系。

采集燃煤砖厂和燃气锅炉排放的气体样品作为燃煤/燃气源的代表，燃煤砖厂和燃气锅炉排放细颗粒物粒径分布和平均质谱图见图1(a)(b)。

图1 燃煤砖厂、燃气锅炉排放细颗粒物粒径分布和平均质谱图

采样时注意排放源、所采集样品在空间和时间上的代表性。污染源处于正常工况条件，按《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》(GB 16157—1996)操作。

2.2 工业工艺

待测颗粒粒径范围：0～2.5 μm；颗粒粒径检测速度：20个/s；击打率：>20%；质谱分辨率：优于500 FWHM；化学成分可测量范围：1～500 u；采用266 nm激光电离，电离激光器的能量为0.5～0.6 mJ，产生能量密度为108 W/cm2；气体进样标准流量：75 mL/min；试验中，采用聚苯乙烯(PSL)小球进行粒径校正，用金属标准液(碘化钠)进行质谱校正[10]。

钻孔灌注桩施工特点，施工的噪声小，振动小；能够建造比预制桩的直径大的多的桩；这一施工技术没有太多的施工条件限制，在任何地基上都是可以使用；施工的质量决定桩的承载力；因为施工的关注特定，所以混凝土难以控制质量；钻孔灌注桩也存在费工费时，成孔速度比较慢以及泥渣具有污染性的缺点。

由图2可见，水泥厂细颗粒物粒径为0.5～1.5 μm，制药厂细颗粒物粒径范围在0.4～1.2 μm之间，因铁合金厂工艺气打击颗粒不足，未对其粒径波峰进行统计。水泥厂细颗粒物的峰值粒径为0.62 μm，<1.0 μm的粒子比例为90.8%。制药厂细颗粒物的峰值粒径为0.67 μm，<1.0 μm的粒子比例为89.5%。工业工艺源特征离子为Fe+、PO3-、Li+、黑炭类、有机低聚物等。

浮动核电站是将核动力装置安装在海上平台上并提供能源的装置，浮动核电站能够同时提供电、热、淡水和高温蒸汽等多种产品，可满足区域供电、区域供热、海上石油开采、化工、极地或偏远地区、孤岛等的特殊能源需要，具有灵活性强、用途广泛的特征[1-4].

图2 水泥厂窑尾、铁合金厂、药厂提取车间排放细颗粒物粒粒径分布和平均质谱图

2.3 扬尘

图3为建筑扬尘的细颗粒物粒径分布和平均质谱图。由图3可见，建筑扬尘细颗粒物粒径为0.4～2.5 μm，峰值粒径为0.75 μm，<1.0 μm粒子比例为64.2%，建筑扬尘颗粒物粒径分布较为分散。特征离子为Al+、SiO3-、Ca+、CaO、PO3-、Na+、K+及腐殖质。

2.4 餐饮油烟

图4为餐饮油烟的细颗粒物粒径分布和平均质谱图。由图4可见，油烟源细颗粒物粒径为0.3～1.6 μm，峰值粒径为0.73 μm，<1.0 μm的粒子比例为79.4%。油烟源主要特征离子为Ca+、Ca(OH)2、Cl-、Na+和油酸。

图3 建筑扬尘细颗粒物粒径分布和平均质谱图

图4 餐饮油烟细颗粒物粒径分布和平均质谱图

3 结论

研究表明，有机碳、硝酸盐和硫酸盐颗粒主要通过散射作用降低能见度，而元素碳颗粒则主要通过吸收可见光降低能见度，当元素碳与其他成分以内混形式存在时，吸光能力进一步增强。由排放源细颗粒物平均质谱图可知，元素碳主要来源于机动车尾气、燃煤以及生物质燃烧的排放；有机碳主要来源于燃煤、生物质燃烧以及工业工艺的排放；元素碳与有机碳混合颗粒主要来源于机动车尾气、燃煤与工业工艺源的排放；富锰颗粒主要来源于汽油车尾气的排放；含铁颗粒可能来源于扬尘颗粒、钢铁工业与燃煤排放；富钾颗粒主要为二次转化生成的无机颗粒；矿物质颗粒主要来源于扬尘；左旋葡聚糖颗粒主要来源于生物质燃烧；其他金属则主要为工业工艺排放的颗粒[18]。

[1] 张志朋，宋玉侠，邹志勇，等.基于环境库兹涅茨曲线特征的桂林市大气环境状况研究[J].环境监测管理与技术，2014，26(1)：14-18.

[2] 环境保护部，国家质量监督检验检疫总局.环境空气质量标准：GB 3095—2012[S].北京：中国环境科学出版社， 2012.

[3] 环境保护部. 环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)：HJ 633—2012[S].北京：中国环境科学出版社， 2012.

[4] 环境保护部.环境空气质量评价技术规范(试行)：HJ 663—2013 [S].北京：中国环境科学出版社， 2012.

[5] MENG X， MA Y， CHEN R， et al. Size-fractionated particle number concentrations and daily mortality in a Chinese city[J]. Environ Health Perspect， 2013，121(10)： 1174-1178.

[6] LIM S S， VOS T， FLAXMAN A D， et al. A comparative risk assessment of burden of disease and injury attributable to 67 risk factors and risk factor clusters in 21 regions， 1990-2010： a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2010[J]. Lancet，2012，380(9859)： 2224-2260.

[7] 环境保护部.大气颗粒物来源解析技术指南(试行)[G].北京：中国环境科学出版社，2013.

[8] 张雅萍，杨帆，汪明明，等.运用单颗粒气溶胶质谱技术研究上海大气重金属(Zn，Cu)污染[J].复旦学报(自然科学版)，2010(1)：51-59，65.

[9] 杨帆.运用单颗粒气溶胶飞行时间质谱对城市大气气溶胶混合状态的研究[D].上海：复旦大学，2010.

[10] 李梅，李磊，黄正旭，等.运用单颗粒气溶胶质谱技术初步研究广州大气矿尘污染[J].环境科学研究， 2011(6)：632-636.

[11] 芦亚玲，常加敏，赵立宁，等.庐山地区大气气溶胶单颗粒研究[J].中国科技论文，2013(3)：255-259.

[12] 何俊杰，张国华，王伯光，等.鹤山灰霾期间大气单颗粒气溶胶特征的初步研究[J].环境科学学报， 2013(8)：2098-2104.

[13] 王笑非.上海市大气二次气溶胶的单颗粒质谱研究[D].上海：复旦大学，2009.

[14] 严向宏.上海宝山区大气细颗粒气溶胶PM2.5特征研究与源解析[D].上海：华东理工大学， 2011.

[15] 吉祝美，咸月，赵友政. 质谱直接测量法解析盐城市大气细颗粒物来源[J].环境监控与预警，2015，7(3)：39-42.

[16] 陆晓波，傅寅，张予燕，等. 春节燃放烟花爆竹对南京气溶胶细粒子的影响[J].环境监控与预警，2014，6(4)：37-42.

[17] 杜娟，宋韶华，张志朋，等.桂林市细颗粒物典型排放源单颗粒质谱特征研究[J].环境科学学报， 2015，35(5)：1556-1562

[18] WAGGONER A P， CHARLSON R J. Fine particles： Aerosol generation， measurement， sampling and analysis[M].New York： Academic Press，1976.