采暖期大气颗粒物PM1.0和PM2.5中水溶性离子污染特征

2016-06-09洪理靖黄丽坤贾琳琳金伊文

中国环境监测 2016年4期

关键词：采暖期水溶性比值

洪理靖，王琨，黄丽坤，王薇，贾琳琳，王醒，金伊文

1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨 150090 2.哈尔滨商业大学食品学院，黑龙江哈尔滨 150076 3.黑龙江省环境保护科学研究院，黑龙江哈尔滨 150056

采暖期大气颗粒物PM1.0和PM2.5中水溶性离子污染特征

洪理靖1，王琨1，黄丽坤2，王薇2，贾琳琳3，王醒1，金伊文1

PM1.0；PM2.5；质量浓度；水溶性离子；气象条件；采暖期

北方城市纬度较高，冬季天气寒冷，在寒冷时期会进行采暖以便人们能够正常地生产生活。采暖期的能源来源一般都为煤燃烧，大量的煤在燃烧过程中所产生的颗粒物会对大气造成污染。大气颗粒物由水溶性离子、无机元素和碳成分组成。

本研究着重考察寒冷城市采暖期大气PM1.0和PM2.5水溶性离子特征及变化规律，从而了解采暖期大气污染特征，为采暖期大气污染防治提供依据。

1 实验部分

1.1 大气PM1.0和PM2.5采集方法

本研究对象为黑龙江省哈尔滨市。哈尔滨市位于东经125°42′～130°10′、北纬44°04′～46°40′，地处中国东北平原东北部地区、黑龙江省南部。哈尔滨位于最北端，是中国纬度最高、气温最低的大城市。四季分明，11月至次年3月为冬季，漫长而寒冷干燥，有时也会出现暴雪天气。

为了准确评估哈尔滨市采暖期大气颗粒物污染的变化趋势，本研究于2014年11月至2015年3月逐月不间断采集大气颗粒物PM1.0和PM2.5，雨雪天间断采样，每月采样7～10 d。本研究根据哈尔滨市气候条件、地理地形、城市发展和能源等特点，选择哈尔滨典型区域作为样品采集点，故将采样点设置于居民、商业和教育比较集中的哈尔滨工业大学(第二学区)校园内，采样点距离地面14 m。该采样点周围没有较大的工业污染源，仅有小型的锅炉污染源、道路交通源和建筑扬尘等。采样方式为昼夜各12 h对其进行采集，白天采样时间为6:00—18:00，夜间采样时间为18:00至次日6:00。PM1.0采样器为武汉TH-150CⅢ型中流量颗粒物采样器，PM2.5采样器为武汉TH-150A型中流量颗粒物采样器，美国的石英纤维滤膜。

1.2 检测分析方法

2 结果及讨论

2.1 颗粒物质量浓度变化特征

对哈尔滨市PM1.0和PM2.5的质量浓度检测结果如图1。从图1可以看出，PM1.0和PM2.5具有相同的变化趋势。2014年11月至2015年2月的大气颗粒物质量浓度比2015年3月高。其中PM2.5各月的平均质量浓度为107.7 μg/m3，PM1.0各月的平均质量浓度为87.0 μg/m3。PM1.0质量浓度2015年3月最低(68.1 μg/m3)，PM2.5质量浓度最低也为3月(84.2 μg/m3)，它们在2015年2月达最高，分别为106.3 μg/m3和136.2 μg/m3。PM1.0与PM2.5的各月质量浓度比值为0.78～0.82，可以认为采暖期间大部分大气细颗粒物粒径在1.0 μm以下。从图1可以看出，采暖期间PM1.0夜间质量浓度在1月和3月大于白天质量浓度，其他月份结果相反。其中PM1.0夜间月平均质量浓度为85.0 μg/m3，白天月平均质量浓度为89.0 μg/m3，各个月份两者之间的比值为0.79～1.19。PM2.5具有相似的规律，同是在1月和3月夜间质量浓度大于白天质量浓度，其他月份结果相反，各个月两者之间的比值为0.86～1.02。

图1 PM1.0和PM2.5质量浓度变化

2.2 水溶性离子污染变化特征

2.2.1 颗粒物中水溶性离子质量浓度变化

图2 PM1.0和PM2.5中水溶性离子质量浓度变化

PM1.0和PM2.5中9种水溶性离子质量浓度均为夜间大于白天，在采暖期PM1.0白天与夜间质量浓度比值为0.65～0.98，PM2.5白天与夜间质量浓度比值为0.62～0.96。其中9种水溶性离子在PM1.0和PM2.5中的占比最高的均为2015年3月，分别为0.68和0.66。5个月中水溶性离子在PM1.0和PM2.5的占比分别为32.6%～68.4%、38%～66%，故可认为水溶性离子是导致采暖期大气颗粒物污染的主要原因之一。

2.2.2 颗粒物中水溶性离子相关性分析

表1 采暖期间9种水溶性离子在PM1.0和PM2.5中的占比 %

表2 PM1.0中水溶性离子的相关性

注：“*”表示P<0.05。

表3 PM2.5中水溶性离子的相关性

注：“*”表示P<0.05。

2.2.3 气象条件的影响

邓利群等[13]研究表明，气温对颗粒物在大气中分布没有显著影响，但在采暖期，气温降低会影响供暖情况，从而使燃料的使用量上升，进而使大气空气质量下降。屠月青等[14]研究表明：在相对湿度较小时，容易造成颗粒物污染，但在一定湿度范围内，湿度增加会促使雾的形成，加剧大气污染。孙韧等[15]发现风速较小时，颗粒物浓度和风速呈现负相关，但达到一定程度后，又变为正相关。国内关于气压的研究大致相同，均认为气压对颗粒物污染为正作用，但气压为次要因素。结合图2和表4可知，1月的污染最严重，该月气温低，相对湿度较小，风速小，且气压较高，与上述研究结论相一致。而12月情况与1月相似，但颗粒物污染却较小，这是由于12月的降雪频繁，降低了颗粒物的浓度。所以，从温度、相对湿度、风级和气压可以判断出大致趋势，但考虑实际情况时还要结合湿沉降状况。

表4 各月份的气象条件情况

2.2.4 PM1.0和PM2.5的酸性

式中：AE、CE分别表示阴、阳离子当量浓度；[X]表示元素X的质量浓度，μg/m3。

用AE/CE比值表示颗粒物的酸碱性，若比值大于1，表示偏酸性；若比值小于1，表示偏碱性。

表5 各月PM1.0和PM2.5的AE/CE

3 结论

1)采暖期间哈尔滨市PM1.0和PM2.5的质量浓度具有相同的变化趋势，它们都在3月呈现最低浓度，而在2月时为最高浓度。PM1.0与PM2.5的各月份质量浓度的比值为0.78～0.82，可以认为在采暖期间大部分大气细颗粒物粒径在1.0 μm以下。在1月和3月时，PM1.0和PM2.5的白天平均浓度小于夜间平均浓度，其他月份则相反。

2)PM1.0和PM2.5中的水溶性离子具有相同的变化趋势。采暖期间PM1.0和PM2.5中9种水溶性离子质量浓度总和分别为25.4～60.7 μg/m3和38.8～78.0 μg/m3。PM1.0和PM2.5中9种水溶性离子质量浓度均为夜间大于白天。

4)由温度、相对湿度、风级和气压等气象条件可以判断出颗粒物污染大致趋势，但考虑实际情况时还要结合当时的湿沉降状况。

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Pollution Characteristics of Water-soluble Ions in PM1.0and PM2.5in Heating Period

HONG Lijing1, WANG Kun1, HUANG Likun2, WANG Wei2, JIA Linlin3, WANG Xing1, JIN Yiwen1

1.School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China 2.School of Food Engineering, Harbin University of Commerce, Harbin 150076, China 3.Heilongjiang Scientific Research Institute of Environmental Protection, Harbin 150056, China