乌鲁木齐采暖期TSP、PM10、PM5、PM2.5中重金属污染水平评价

帕丽达·牙合甫，努尔比亚·藿加吾买尔,麦麦提·斯马义

新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052

乌鲁木齐采暖期TSP、PM10、PM5、PM2.5中重金属污染水平评价

帕丽达·牙合甫，努尔比亚·藿加吾买尔,麦麦提·斯马义

新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052

采用石墨炉原子吸收分光光度法、双道原子荧光光谱法研究乌鲁木齐市采暖期前期与后期不同粒径大气颗粒物(TSP、PM10、PM5、PM2.5)中Hg、As、Zn、Pb、Ni 等5种重金属元素的质量浓度，并对重金属污染水平进行评价。Hg质量浓度为0.3～5.7 ng/m3；As质量浓度为15.3～122.5 ng/m3；Zn质量浓度为298.0～1 686.5 ng/m3；Pb质量浓度为0.5～88.8 ng/m3；Ni质量浓度为10.4～25.5 ng/m3。Igeo计算得出采暖期后期的TSP、PM10、PM5、PM2.5中各重金属Igeo值均高于采暖期前期，其中Hg元素为严重污染；富集因子分析得出Hg、Zn元素的EFi值大于10，说明这些元素是人为源贡献。通过研究乌鲁木齐市不同时期、不同粒径大气颗粒物中各种重金属污染状况，为乌鲁木齐大气污染治理提供科学支持。

乌鲁木齐；重金属；污染评价

大气颗粒物是影响人类健康的主要危害因素之一[1]。颗粒物粒径的大小与其性质密切相关，粒径越小，对人体健康的危害越大。而重金属是不同粒径颗粒物的主要无机成分之一[2]，大气颗粒物中的重金属可通过干、湿沉降到达植物表面，或者伴随着各种人类活动(如工业排放、垃圾焚烧及采矿冶炼等)排放到大气环境。由于重金属具有不可降解性和生物富集性，可导致大气中严重的重金属污染[3]，大气流动通过呼吸作用进入动物和人体内，对生物体产生不同程度的危害[4-6]。其次，大气颗粒物中重金属的行为机理研究一直是国内外环境科学领域所关注的热点，并已在重金属的来源分析、分布与积累特征、环境活性、迁移规律、生物毒性等方面开展研究[7-9]。乌鲁木齐特殊的地理位置、气象因素及冬季采暖期较长等条件使其大气污染物不易扩散，易造成大气严重污染。研究对乌鲁木齐市不同粒径大气颗粒物(TSP、PM10、PM5、PM2.5)中的5种重金属元素进行污染状况评价，为乌鲁木齐大气污染研究提供参考依据。

1 实验部分

1.1 样品采集

从2014年冬季采暖期前期(2014年12月—2015年1月)和后期(2015年3月)，在新疆农业大学生活区7#楼楼顶(地理坐标为43°81′N、87°57′E)设置1个采样点，分4次用膜吸附法同时采集4种不同粒径大气颗粒物(TSP、PM10、PM5、PM2.5)样品，每次采样时间为20 h，每次采样用四分法处理滤膜，共采集得到64个有效样品进行分析。

1.2 实验仪器及主要试剂

2050型大气自动采样器，TSP、PM10、PM5、PM2.5型大气切割头，纤维石英滤膜，全自动电子天平(FA 2004)，石墨炉原子吸收分光光度计(TAS-990)，双道原子荧光光谱仪(AFS-230E)，消解瓶，电热板等。所用试剂有浓硝酸、高氯酸、去离子水、中性定量滤纸等(实验所需试剂均为优级纯)。

1.3 样品分析方法

1.3.1 质量浓度测定

采用重量法测定大气颗粒物(TSP、PM10、PM5、PM2.5)的质量浓度[8]。样品称量使用CP225D型十万分之一精密微量电子天平(德国)。

先将滤膜放入恒温干燥箱，平衡48 h后称重，再按顺序依次放在干燥洁净的信封中备用。采样时，用镊子夹住滤膜的边缘，吸附膜带回实验室后及时放入恒温干燥箱中再平衡48 h以上至恒重，采样前后用万分之一电子天平准确称重并记录。

1.3.2 TSP、PM10、PM5、PM2.5中重金属测定

将1/4样品滤膜剪碎，放入消解瓶内，加入10 mL HNO3和4 mL HClO4。瓶口置小玻璃漏斗，放置过夜。在电板上加热至近干，取下小玻璃漏斗后电板上再加热至 HClO4耗尽，取下样品冷却。用1% HNO310 mL淋洗瓶壁，继续在电板上加热，保持微沸10 min，取下冷却，用微孔定量滤纸过滤，过滤液用 1% HNO3定容至50 mL 容量瓶中，摇匀待测。取同批号、等面积空白滤膜按样品消解过程消解，测定空白值[10-12]。

1.3.3 各元素分析

Zn、Pb、Ni元素测定采用TAS-990型石墨炉原子吸收分光光度计。Hg、As 元素测定采用AFS-230E型双道原子荧光光度计。

2 结果与讨论

2.1 TSP、PM10、PM5、PM2.5质量浓度分析

将2014年12月—2015年1月作为采暖期前期、2015年3月作为采暖期后期，对研究颗粒物浓度变化更有意义。

图1 采暖期前期与后期不同粒径颗粒物质量浓度分布

由图1可见，采暖期前期大气颗粒物质量浓度高于采暖期后期。其主要原因是进入冬季，锅炉使用量增大，增加煤燃烧等取暖措施使得大气风速小、对流弱、大气污染物不易扩散稀释。根据《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)规定的TSP平均浓度限值为120 μg/m3的一级标准，采暖期前期TSP的日平均质量浓度超过国家一级日平均质量浓度标准；采暖期前期与后期PM10与PM2.5的日平均质量浓度均低于国家一级日平均质量浓度标准。

2.2 TSP、PM10、PM5、PM2.5中重金属浓度分布特征

大气颗粒物中重金属浓度在不同粒径颗粒物上的浓度分布各不相同。乌鲁木齐市采暖期前期与后期TSP、PM10、PM5、PM2.5中重金属元素平均质量浓度分布特征如图2所示。

由图2(a)、(e)可以看出，Hg、Ni元素在不同粒径颗粒物中采暖期后期的平均含量均大于采暖期前期，其采暖期前期与后期的浓度值相差依次为 PM10>PM2.5>PM5>TSP。由图2(b)可以看出，As 元素在不同粒径颗粒物中采暖期后期的平均含量大于采暖期前期，其浓度值相差依次为 PM2.5>PM5>PM10；而TSP中恰好相反。由图2(c)可以看出，Zn元素在不同粒径颗粒物中采暖期后期的平均含量大于采暖期前期，其采暖期前期与后期的总平均浓度值依次为PM5>PM10>TSP；而PM2.5中恰好相反。由图2(d)可以看出，Pb元素在不同粒径颗粒物中采暖期后期的平均含量大于采暖期前期，其浓度值相差依次为TSP>PM2.5>PM5；而PM10中恰好相反。总体来看，在采暖期后期各颗粒物中重金属含量高于采暖期前期，这与采暖期后期温度的升高和人为活动量的增大有关。

图2 TSP、PM10、PM5、PM2.5中各重金属的浓度分布

2.3 TSP、PM10、PM5、PM2.5重金属污染评价

为了进一步了解乌鲁木齐市冬季采暖期前期与后期不同粒径大气颗粒物中重金属污染水平，采用评价沉积物重金属污染的地积累指数法(Igeo)[13-15]，对重金属污染程度进行评价。Igeo计算公式为

(1)

式中：Cn为元素n在样品中的质量浓度，mg/kg；Bn为元素n的背景浓度；1.5为修正指数，通常用来表征沉积特征、岩石地质及其他影响。具体见表1。

表1 TSP、PM10、PM5、PM2.5中重金属污染评价

由表1可以看出，在乌鲁木齐市不同时期、不同粒径颗粒物中，采暖期后期的Igeo值均高于采暖期前期，Hg元素的Igeo均值最大，已达到严重污染；Ni在2个时期的Igeo值均小于0，为无污染；As和 Zn元素在采暖期前期与后期的变化不大，而在采暖期后期TSP与PM2.5中Pb元素的Igeo值明显高于采暖期前期，这进一步验证了采暖期后期的燃煤、燃油飞灰中大气颗粒物Pb元素含量较大这一结论。

2.4 TSP、PM10、PM5、PM2.5重金属污染源分析

富集因子法(EFi) 是研究大气颗粒物中各元素的富集程度进而分析及判断人为源与自然源对大气不同粒径颗粒物中各元素浓度的贡献水平， 表征颗粒物的来源[14-15]。EFi的计算公式为

(2)

式中：Ci为重金属元素i的浓度；Cn为被选定的参比元素n的浓度，国际上通常选取Al、Fe、Si作为参比元素(研究选取Fe作为参比元素)；各元素浓度的背景值取乌鲁木齐市土壤背景平均值，CFe=3.60(百分数)为中国土壤背景平均值[14]。

EFi值越大，富集程度就越高[16]。如果某重金属元素的EFi>10，表明该元素主要来源于人为污染；如果某重金属元素的EFi<10，表明该元素主要来源于地壳或土壤。

表2显示了采暖期前期与后期TSP、PM10、PM5、PM2.5中各重金属元素的富集因子。

表2 采暖期前期与后期TSP、PM10、PM5、PM2.5中各重金属元素的富集因子

由表2可以看出，在乌鲁木齐市采暖期前期与后期TSP、PM10、PM5、PM2.5中Hg、Zn元素的EFi值基本上大于10，表示富集明显，这说明它们与人类活动更亲切，主要是燃煤电厂、冬季供热取暖措施、机械制造等排放的颗粒物所造成的，是典型的污染元素；而As、Pb、Ni元素的EFi值为0～10，说明它们主要来自于地壳物质。

3 结论

通过分析乌鲁木齐市冬季采暖期前期与后期的TSP、PM10、PM5、PM2.5中重金属污染情况，可以得出如下结论：

1)乌鲁木齐市冬季采暖期前期与后期不同粒径大气颗粒物中，采暖期前期TSP的日平均质量浓度超过国家一级日平均质量浓度标准；而采暖期前期与后期PM10与PM2.5的日平均质量浓度均低于国家一级日平均质量浓度标准。

2)采暖期前期与后期TSP、PM10、PM5、PM2.5中重金属元素平均含量依次为Zn>As>Ni>Hg>Pb，在采暖期后期各颗粒物中重金属含量高于采暖期前期，这可能与采暖期后期温度升高和人为活动量增大有关。

3)Igeo计算结果表明，乌鲁木齐市大气颗粒物中Hg元素已达到严重污染；As元素为中度污染到重污染；Zn元素为重污染。

4)富集因子分析结果表明， TSP、PM10、PM5、PM2.5中Hg、Zn元素的EFi值基本大于10，主要是人为源贡献；As、Pb、Ni元素的EFi值为0～10，主要来自地壳物质。

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Evaluation on Heavy Metal Pollution Levels in TSP,PM10,PM5,PM2.5during Heating Period of Urumqi

PALIDA Yahefu，NUERBIYA Huojiawumaier，MAIMAITI Simayi

College of Grassland and Environmental Sciences，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China

In this study, the concentration levels of five heavy metals (Hg, As, Zn, Pb and Ni) in different particles (TSP，PM10，PM5，PM2.5) were measured and evaluated by using graphite furnace atomic absorption spectrometry and double channels-atomic fluorescence spectrometry, in early and late heating period of Urumqi. The results showed that the concentration of Hg, As, Zn, Pb and Ni was 0.3-5.7 ng/m3, 15.3-122.5 ng/m3, 298.0-1686.5 ng/m3, 0.5-88.8 ng/m3and 10.4-25.5 ng/m3, respectively. The results of pollution index(Igeo)showed that the Igeo values of heavy metals in TSP，PM10，PM5，PM2.5in late heating period were higher than early heating period. And the pollution of Hg was very serious. Enrichment factor analysis showed that theEFivalues of Hg,Zn were higher than 10, which stated that main sources of this elements were human activity. Through the study of different kinds of heavy metals pollution in different atmospheric particulate matter and in different period, scientific support for Urumqi air pollution control was proposed.

Urumqi;heavy metals;pollution evaluation

2015-10-05;

2015-12-16

国家自然科学基金(21167017)

帕丽达·牙合甫(1968-)，女，维吾尔族，新疆乌鲁木齐人，博士，副教授。

X823

A

1002-6002(2016)05- 0056- 04

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.05.11