鞍山市冬季大气PM2.5中元素污染特征与来源解析

王士宝 姬亚芹 张 伟 李 金 赵 杰 张 蕾 王 伟

(1.南开大学环境科学与工程学院，天津 300352； 2.国家环境保护城市空气颗粒物污染防治重点实验室，天津 300352； 3.鞍山市环境监测中心站，辽宁 鞍山 114004)

鞍山市冬季大气PM2.5中元素污染特征与来源解析

王士宝1，2姬亚芹1，2张 伟1，2李 金3赵 杰1，2张 蕾1，2王 伟3

(1.南开大学环境科学与工程学院，天津 300352； 2.国家环境保护城市空气颗粒物污染防治重点实验室，天津 300352； 3.鞍山市环境监测中心站，辽宁 鞍山 114004)

本文为探究鞍山市冬季大气细颗粒(PM2.5)中元素的污染特征和来源，于2016年1月在鞍山市6个监测点位采集PM2.5样品，对PM2.5载带的元素进行了浓度特征和富集因子分析，并通过因子分析确定了鞍山市PM2.5中污染元素的主要来源。结果表明，K、Fe、Al、Ca、Na、Mg、Zn、Pb元素浓度含量之和占所有检测的14种元素浓度的97.13%；Cd、Zn、Pb、As、Cu五种元素属于极强富集，Ni属于强烈富集，Cr、Ca、V处于显著富集水平，Mg、K、Na、Fe呈现中度富集。因子分析结果表明，鞍山市冬季大气细颗粒物中污染元素主要来源于钢铁冶炼、机动车尾气、燃煤和建筑扬尘的复合型污染源。

PM2.5；富集因子；污染特征；因子分析；元素

随着城镇化的不断发展，环境问题日益突出。大气细颗粒物(PM2.5)由于其颗粒小、来源广、危害大受到国内外学者的广泛关注。他们针对PM2.5展开广泛研究，包括其组成成分、来源解析、健康风险评价等。研究发现[1-4]，PM2.5不仅会降低大气能见度，还会影响人体健康，如会诱发心血管疾病和呼吸道类疾病等。目前已知PM2.5的组成成分包括元素、含碳组分(有机碳和元素碳)、水溶性离子等。研究表明[5，6]，大气环境中的污染元素相比于其他物质更容易富集在细粒子中，从而使PM2.5成为这些污染元素的主要载体，进而影响人们的生产生活，甚至危及人们的生命安全。因此，加强对大气中污染元素的来源解析，显得至关重要。

鞍山市是我国重要的钢铁工业基地，第二产业高度发达，素有“钢都”盛名。鞍山的产业结构以钢铁冶金、煤化工、煤炭消耗为主，矿山开采和钢铁冶炼带来严重的大气颗粒物污染问题[7]。因此，了解鞍山市大气细颗粒物(PM2.5)中污染元素的组成及含量，从而推断PM2.5的主要来源，对于鞍山市开展大气污染防治工作具有重要意义。本文利用富集因子分析法分析了Cd、Zn、Pb、As等多种元素的富集特征，利用因子分析方法初步解析了大气颗粒物中元素的主要来源，为今后鞍山市大气污染控制乃至区域复合型污染的防治提供依据。

1 样品的采集与分析方法

1.1 样品采集

在鞍山市分别选择明达新区、鞍钢、高新区、铁西三道街、太阳城和太平6个常规监测点位进行采样。2016年1月9日至22日使用聚丙烯滤膜采集大气细颗粒物(PM2.5)样品。采样开始时间为上午9：00～10：00，采集23～24h。采样仪器为青岛恒远HY-1201智能中流量采样器，流量设置为100L/min。采样时，每天在太阳城采集一张空白膜。

1.2 样品分析方法

使用美国Agilent公司的Agilent 7500a型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)分析样品中的Na、K、Cr、Cd、Ni、V、Cu、Zn、Pb共9种元素；用电感耦合等离子光谱法(ICP-OES)测定样品中As、Mg、Ca、Fe、Al共5种元素。

2 结果与讨论

2.1 鞍山市冬季PM2.5中元素的浓度特征

鞍山市6站点冬季PM2.5中各元素的浓度值不全符合正态分布，因此在本文选用中位值作为各元素在采样期间的浓度值，6站点及全市14种元素浓度平均值如表1所示。

表1 六站点PM2.5中14种元素组成特征(μg/m3)

图1 鞍山市冬季元素浓度特征

表1表明，K、Fe、Al、Ca、Na、Mg、Zn、Pb元素的质量浓度比较高，这8种元素浓度之和占鞍山市PM2.5中所分析元素总浓度的97.13%。各元素平均浓度由高到低为K·Fe·Al·Ca·Na·Mg·Zn·Pb，其中，K、Fe、Al元素含量相对较高，在这14种元素中分别占到23.8%、17.2%、14.3%，是鞍山市冬季细颗粒物主要载带的元素。K、Al、Na、Mg四种元素最大值都出现在太平，这几种元素浓度在站点之间的差异比较小，其中Al、Na、Mg三种元素的最低浓度都出现在明达新区，最大值与最低值的倍数分别是1.5、2、2.1。太平的K、Fe、Al的浓度在六个站点中最高，分别是最低值的1.5、2.3、1.5倍。从图1中也可以看出，太平大部分污染元素的浓度高于其他站点，这与鞍山市大面积分布的露天矿山有关，在鞍山城区东北部、东南部和南部分别有齐大山、眼前山、调军台、大孤山、东鞍山等5大矿山，皆为露天矿山，其采矿过程中及堆放的尾矿在一定气象条件下都会产生扬尘。

鞍山市冬季Pb元素的浓度为0.16430μg/m3，Cd的浓度为0.00186μg/m3，均未超出GB3095-2012和WHO规定的限值0.5005μg/m3；Ni的浓度为0.00966μg/m3，低于WHO的浓度限值0.025μg/m3。As元素在各点位之间的差异较大，铁西三道街点位As元素浓度0.05917μg/m3是鞍钢点位0.02255μg/m3的2.6倍，且所有点位浓度值均超过环境空气质量标准GB3095-2012中关于环境空气中As的浓度限值(0.006μg/m3)。其中，铁西三道街、明达新区、高新区、鞍钢点位As元素浓度分别是该标准限值的9.8、6.8、5.5、3.7倍，可见鞍山市大气细颗粒物中As污染严重。这可能与鞍山市工业生产煤炭消耗量大有关[8]，表明As元素是鞍山市冬季PM2.5中主要污染元素，主要来源于燃煤。

2.2 富集因子法分析鞍山市冬季PM2.5中污染元素的来源

富集因子(Enrichment Factors，EF)是用于分析大气细颗粒物中元素富集程度的一种常用方法。通过计算大气颗粒物中不同元素的富集程度，可以判别大气颗粒物中污染元素的自然和人为来源[9]。富集因子的计算公式为：

(1)

式中：Ci是所研究的第i种元素的浓度；Cr为选定的参比元素的浓度；下标“颗粒物”表示在大气细颗粒物中的含量，下标“土壤”表示在土壤背景参考系统中元素的含量。根据富集因子的大小，可将元素的富集(污染)程度分为5个级别。其中，污染级别越高表明受到人类活动的影响越大，详见表2。

表2 富集因子分级表[10]

参比元素的选取会直接影响评价结果，究竟选择土壤中哪一种元素作为参比元素目前尚无统一的认识[11]。参比元素一般选择地壳中含量丰富、各种颗粒物样品中均含有的元素，经常采用的有元素Al、Fe、Ti，而我国土壤元素表生带迁移系列为：Ti>Fe>Al。Al元素的迁移率低于Fe和Ti元素，化学性质较稳定，分析精度最高，并且是使用最为广泛的参比元素，故本研究中选择Al元素作为参比元素[12-13]。

利用公式(1)计算各站点的元素的富集因子如表3所示。其中各元素在土壤中的含量选用辽宁省A层土壤元素背景值(中位值)[14]。

表3 鞍山市不同站点PM2.5中元素富集因子

由表3可知，元素Mg、K、Na、Fe(除部分站点外)，富集因子值均小于5，说明人为源对其影响较小，主要受自然源的影响。V元素(除鞍钢和太阳城外)富集因子值均在5～20之间，属于显著富集，V元素是燃油的标识元素[5]，说明燃油对颗粒物PM2.5的产生有影响。Ca元素富集因子值均在5～20，呈现显著富集，各站点之间差异较小，Ca是建筑水泥尘的标识元素[15]，说明建筑尘对颗粒物PM2.5的产生也存在一定影响。Cr元素富集因子值在5～20之间，各站点之间差异不大，其中太平富集因子值最大，说明鞍山市PM2.5中Cr元素的主要污染源是人为源，太平附近受到人为污染的影响较大。Cr主要来源于燃煤[16]和机动车尾气，说明燃煤和机动车尾气等人为源对鞍山市大气中PM2.5的产生具有一定影响。Ni(除高新区外)为强烈富集，Ni主要来源于汽车尾气[17]，同时还是燃油的标识元素[5]，说明人为源对其影响较大。

元素Cu、As、Pb、Zn和Cd富集因子值均大于40，属于极强富集，说明主要受到人为源的影响。Pb元素在不同站点之间的差异较大，最大值出现在太平，是太阳城(最小值)的3.73倍，说明太平附近受人为影响较大。其他元素在不同站点之间的差异较小，其中元素Zn、Pb、Cu的富集因子最高值均出现在太平，Cd和As的最高值在铁西三道街，Cd和Zn的最低值都出现在高新区，说明高新区相比太平受到人为源污染的程度较小。Cd元素在各站点的富集因子值相比其他元素最高，平均值为1603.82，是极强富集因子值的40倍，主要来源于钢铁冶炼等金属冶炼活动[5，18]。Pb富集因子平均值达到551.33，是极强富集因子限值40的13倍。Pb元素在PM2.5中来源广泛，其中机动车尾气排放与燃煤锅炉的排放是其主要的两种来源方式[19-20]。Zn元素富集因子平均值为557.69，极强富集。Zn元素主要来自于燃煤，也来源于汽车尾气的排放和轮胎磨损，还是垃圾废弃物燃烧的标识组分[13]。As元素富集因子全市平均值为303.30，属于极强富集程度。As元素主要来源于燃煤，是煤烟尘的标识组分[14]。通过对以上几种元素富集因子的分析，可以得出鞍山市冬季大气中PM2.5中污染元素主要受人为源的影响，自然源的影响程度较小，钢铁冶炼、道路交通尘(汽车尾气、轮胎磨损等)、燃煤和建筑扬尘是鞍山冬季大气PM2.5中污染元素的主要来源。

2.3 鞍山市冬季污染元素因子分析

因子分析(Factor Analysis，FA)是常用的多元统计分析方法[21]，也是识别环境污染物主要来源的重要方法之一[22]。为进一步了解鞍山市不同污染源对PM2.5中各种元素的贡献率，本研究应用统计软件SPSS19.0对鞍山市6个采样站点PM2.5中的元素浓度数据进行整理，并进行最大方差旋转因子分析，计算结果如表4所示。

表4表明，在PM2.5中，因子1中元素Zn(0.848)、Ni(0.825)、Cr(0.752)的载荷比较大，由于Zn的主要来源是钢铁冶炼和轮胎磨损，Ni主要来源是钢铁冶炼窖炉等燃煤和石油燃烧，Cr与煤和石油的燃烧有关，因此可以判断因子1是钢铁冶炼尘，这一因子对大气颗粒物PM2.5的方差贡献率为27.235%。因子2中载荷比较高的元素有Ca(0.886)、Al(0.880)、Mg(0.754)，其中Ca是建筑扬尘的标识元素，且因子值最高，因此因子2是建筑扬尘，这一因子对大气颗粒物PM2.5的方差贡献率为24.3483%。因子3中载荷比较高的元素有Cu(0.863)、Na(0.807)，其中Cu是机动车刹车磨损和尾气排放的重要产物之一，Na主要来自土壤扬尘，因此因子3应该是道路交通尘(尾气、轮胎磨损、刹车磨损、二次扬尘等)，这一因子对大气颗粒物PM2.5的方差贡献率为15.649%。因子4中元素As的载荷最高，达到0.892，Pb为0.682，根据富集因子分析结果可知Pb和As均为极强富集，而As元素主要来源于燃煤，是煤烟尘的标识组分，Pb也与燃煤有关，因此因子4应该为燃煤尘，这一因子对大气颗粒物PM2.5的方差贡献率为11.669%。

表4 鞍山市冬季PM2.5中元素浓度的最大方差旋转因子分析结果

综合因子分析与富集因子分析的结果，鞍山市冬季PM2.5的主要污染源包括钢铁冶炼尘、道路交通尘(尾气、轮胎磨损等)、燃煤尘和建筑扬尘。

3 结 论

大气细颗粒物(PM2.5)由于其颗粒小、来源广、危害大受到国内外学者的广泛关注。针对PM2.5展开广泛研究，包括其组成成分、来源解析、健康风险评价等。研究发现PM2.5不仅会降低大气能见度，还会影响人体健康，如会诱发心血管疾病和呼吸道类疾病等。目前已知PM2.5的组成成分包括元素、含碳组分(有机碳和元素碳)、水溶性离子等。研究表明，大气环境中的污染元素相比于其他物质更容易富集在细粒子中，从而使PM2.5成为这些污染元素的主要载体，进而影响人们的生产生活，甚至危及人们的生命安全。因此，加强对大气中污染元素的来源解析，显得至关重要。

鞍山市是我国重要的钢铁工业基地，第二产业高度发达，产业结构以钢铁冶金、煤化工、煤炭消耗为主，矿山开采和钢铁冶炼带来严重的大气颗粒物污染问题。因此，了解鞍山市大气细颗粒物(PM2.5)中污染元素的组成及含量，从而推断PM2.5的主要来源，对于鞍山市开展大气污染防治工作具有重要意义。本文利用富集因子分析法分析了Cd、Zn、Pb、As等多种元素的富集特征，利用因子分析方法初步解析了大气颗粒物中元素的主要来源，为今后鞍山市大气污染控制乃至区域复合型污染的防治提供依据。研究得出以下结论：

(1)鞍山市冬季大气细颗粒物监测期间，PM2.5中K、Fe、Al、Ca、Na、Mg、Zn、Pb元素全市平均值分别为1.3578、0.98449、0.81902、0.71290、0.62521、0.48923、0.46484和0.16430μg/m3，占所有研究元素的97.13%，表明这些元素是大气PM2.5的主要携带元素。

(2)富集因子分析表明：鞍山市冬季PM2.5中，元素Cd、Zn、Pb、As、Cu富集因子的中位值分别为1603.82、557.69、551.33、303.30、114.08，属于极强富集，其污染来源主要是人为源；元素Ni属于强烈富集；Cr、Ca、V属于显著富集，主要来自人为源；Mg、K、Na、Fe(除明达新区、高新区和太阳城)属于中度富集，人为源对其富集程度有较大影响，但也不可忽视自然源对其来源的贡献。

(3)综合因子分析和富集因子分析结果，可得鞍山市冬季PM2.5污染元素主要人为源为钢铁冶炼尘、道路交通尘(尾气、轮胎磨损等)、燃煤尘和建筑扬尘。

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Pollution Characteristics and Sources of Elements in PM2.5during Winter in Anshan City

WANG Shibao1，2JIYaqin1，2ZHANG Wei1，2LI Jin3ZHAO Jie1，2ZHANG Lei1，2WANG Wei3

(1.College of Environmental Science and Engineering，Nankai University，Tianjin 300352，China； 2.State Environmental Protection Key Laboratory of Urban Ambient Air Particulate Matter Pollution Prevention and Control，Tianjin 300352，China； 3.An-Shan Environmental Monitoring Center，Liaoning Anshan 114004)

In order to explore the sources and characteristic of the elements in PM2.5during winter of Anshan，PM2.5samples were collected in January 2016 and the pollution characteristics and enrichment factors of elements were analyzed. Then the Factor Analysis (FA) was conducted to determine the main sources of PM2.5. The results showed that K，Fe，Al，Ca，Na，Mg，Zn and Pb were the main elements and accounted for 97.13% of the 14 elements detected. The pollution levels of Cd、Zn、Pb、As、Cu were extremely high enrichment and Ni was very high enrichment. Cr、Ca、V were significant enrichment and Mg、K、Na、Fe were moderate enrichment. The results indicated that the main sources of the pollution elements in PM2.5during winter in Anshan were the compound pollution sources of the steel smelting，vehicle exhaust，coal combustion and construction dust by factor analysis.

PM2.5；Enrichment Factors；pollution characteristics；Factor Analysis (FA)；elements

王士宝，硕士研究生，主要从事大气污染研究

姬亚芹，副教授，研究方向为大气污染源排放清单、大气颗粒物来源解析、大气污染防治技术和环境暴露研究等领域

X21

A

1673-288X(2017)02-0160-05

引用文献格式：王士宝 等.鞍山市冬季大气PM2.5中元素污染特征与来源解析[J].环境与可持续发展，2017，42(2)：160-164.