石家庄市大气颗粒污染物主要成分及其来源分析

张之琳

(河北工业大学,天津 300132)

石家庄市大气颗粒污染物主要成分及其来源分析

张之琳

(河北工业大学,天津 300132)

总悬浮颗粒物(TSP)是对环境与人体健康造成危害的主要物质。因此，本文对石家庄市大气悬浮颗粒物的时空分布和组成进行分析，探究了导致石家庄市产生雾霾的物质及其来源。结果表明：(1)研究区PM10和PM2.5平均浓度差异性较小，且高于《环境空气质量标准》(GB3095-2012)中所规定的年平均二级浓度限值；(2)西南高教的PM10浓度相对较小；(3)石家庄市冬季TSP 、PM10和降尘的浓度均高于夏季；(4)TSP和PM10二者所含重金属种类和含量高低顺序基本一致，由高到低依次为Ca、Al、Fe、Zn、Pb、Cu、Ni、Cr、Cd；(5)冬季(雾霾期)与夏季(非雾霾期)污染物主要化学组分基本一致，但冬季各元素含量明显高于夏季。

TSP; PM10; PM2.5; 降尘

0 引言

大气颗粒物是大气污染的主要来源。大气颗粒物源解析是对大气颗粒物的来源进行定性或定量研究。因此，大气颗粒物源解析对于防治颗粒物污染是一个非常重要而又复杂的课题，也是近十多年来国内外大气颗粒物研究领域的重要内容之一[1]。大量降尘对大气环境质量、土壤性质和人群健康产生了显著影响[2]。在国家环保总局的推动下，各地加强了颗粒物源解析工作。近年来，已有较多城市相继开展了颗粒物源解析工作，为颗粒物污染防治提供了有价值的科学指导。

石家庄市地处河北省中南部，距北京273km，是河北省的工业大市，也是中国最大的医药工业基地和重要的纺织基地之一。近年来，随着经济的不断发展，人与自然的矛盾日益凸显，尤其表现在大气污染方面。据统计，2016年1-10月，全国74个城市中，石家庄市的空气质量排名倒数第一，首要污染物为可吸入颗粒物PM10。

因此，需要以石家庄地区区域特点和污染物种类、含量及来源等信息为参考，针对多种大气污染控制的可行性、经济合理性、区域适应性和实施可能性等进行最优化选择和评价，得到最优的治理方案。本文主要对大气中悬浮颗粒物的时空分布和组成特征进行监测和分析，并提出相关建议。

1 样品采集与分析方法

1.1 悬浮颗粒物的采集

PM10、TSP采样仪器使用武汉天虹仪器厂智能中流量大气采样器及TH-16A四通道大气颗粒物采样仪；降尘采用集尘缸收集。具体采样方法如下：

(1)TSP采用中流量采样器，采样流量为100L/min，滤膜用超细玻璃滤膜，采样24小时；

(2)PM10采用带PM10切割头的中流量采样器，采样流量为100L/min，滤膜用聚丙烯滤膜，采样20小时；

(3)降尘采用集尘缸(内径15±0.5cm，高30cm)置于定制的置物台上。湿法集尘缸内加入体积比为8:5的乙二醇水溶液130mL(抑制微生物生长，冬季时防止结冰)，采样周期为30天。降尘通量计算公式：

式中，Fd—降尘通量，g/m-2·月； W—降尘干重，g； Sd—降尘装置底面积，m2； M—收集时间，月。

1.2 悬浮颗粒物成分分析方法

金属元素测定采用强酸消解—电感耦合等离子质谱仪方法测定，每批样品均做空白对照以消除试剂或实验过程所造成的系统误差。具体选用的分析仪器如下：

(1)Ca、Al、Fe等常规金属含量采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES，OPTIMA 2000DV，Perkin Elmer，USA)；(2)Cd、Cr、Cu、Ni、Zn、Pb等重金属含量采用电感耦合等离子质谱仪(7500a，ICP-MS，Agilent，USA)。

2 实验结果及分析

2.1 悬浮颗粒物的空间分布特征及分析

研究区内选取22中、高新区、世纪公园、西北水源、西南高教5个站点，于2015年11月至2016年10月对可吸入颗粒物PM10和可入肺颗粒物PM2.5的浓度值进行连续监测，结果见表1。经对比与分析，得出以下结论：5个监测点PM10和PM2.5平均浓度差异性较小，且高于《环境空气质量标准》(GB3095-2012)中所规定的年平均二级浓度限值(PM10的浓度限值为0.07 mg/m3，PM2.5的浓度限值为0.035 mg/m3)，可能有以下原因：一是机动车数量大，增长速度连续几年保持在20%以上，机动车尾气中的挥发性有机化合物(VOC)、SO2、NOx等有害物质，为悬浮颗粒物的主要来源；二是石家庄市位于太行山和华北平原两大地貌的交接位置，地势西高东低，冬季在西部山脉屏障的影响下，西来冷空气难以进入市区，市区风速较小，静风期较长，气象条件不利于污染物扩散；三是高层建筑的阻挡使风速进一步降低，阻碍了污染物的扩散；四是石家庄市能源消费结构中，化石能源比重高出全国平均水平[3]。2014年8月公布的石家庄市大气污染源解析表明，煤炭对PM2.5的分担率为28.5%，对PM10的分担率为25%。西南高教的PM10浓度相对较小，可能有以下原因：一是离市区中心较远，机动车、建筑工地等污染源数量较少；二是石家庄市全年盛行偏北风和东南风，西南风的出现频率最低，减少了外部扬尘侵入市区西南部。

表1 大气质量监测站点PM10和PM2.5浓度

2.2 悬浮颗粒物的时间分布特征及分析

综合主导风向、环境功能分区、地面污染源分布、植被覆盖程度及类型和环保部门常规监测点等因素，共设置5个采样位点：植物园(南水北调干渠，城市上风向)、红旗大街(文教区)、东苑小区(居民区)、怀特(商住混合区)、高新区(工业区、下风向)。将采样时间定为2016年1月和7月，分别代表雾霾多发期和非雾霾期。

不同大气污染条件下所对应的PM10、TSP、降尘浓度如图1、图2、图3所示。从不同采样期看，冬季石家庄市TSP、PM10和降尘的浓度均高于夏季，原因有二：一是气候因素，石家庄市地处半湿润半干旱区，属暖温带大陆性半湿润季风性气候，年内降水集中于夏季，冬季降水相对较少，不利于污染物的稀释、扩散与沉降；二是与冬季供暖相关，部分区域仍采用传统的燃煤供暖，由于煤炭不完全燃烧，生成了黑烟、飞灰等颗粒物，排入大气后对空气造成污染。

图1 不同天气下TSP浓度

图2 不同天气下PM10浓度

图3 不同天气下降尘通量

值得指出的是，石家庄市的TSP和PM10浓度与《环境空气质量标准》(GB3095-2012)中的浓度限值对比，可知除植物园监测点外，其余监测点的污染物浓度均高于二级标准中的浓度限值，颗粒物污染严重。尤其是在冬季(雾霾多发期)，PM10浓度严重超标。

2.3 悬浮颗粒物的组成特征及分析

由表2,3可得出的结论如下：TSP和PM10中，所含重金属种类和含量高低顺序基本一致，由高到低依次为Ca、Al、Fe、Zn、Pb、Cu、Ni、Cr、Cd；冬季(雾霾期)与夏季(非雾霾期)污染物主要化学组分基本一致，但冬季各元素含量明显高于夏季，因为冬季煤炭燃烧量增加，颗粒物的生成量增加，且降水较少，静风期较长，颗粒物悬浮在空气中难以沉降。

目前，石家庄市的产业结构以工业为主，高排放行业比重较大，在市区周边形成了正定新区、循环化工园区、良村经济技术开发区、空港工业园、高新技术产业开发区等工业园区，产生的工业废气会影响大气环境。

表2 TSP主要化学组分浓度(μg/m3 )

表3 PM10主要化学组分浓度(μg/m3 )

进一步对悬浮颗粒物的重金属组分来源进行分析表明：在铁矿冶炼、加工和废料运输等过程中，会不同程度的排放含铁粉尘，因此推测Fe、Al来自钢铁工业废气；在建材工业中，会大量使用到砂石、石灰、玻璃等，Ca为其中较主要的成分，因此推测Ca来自建材工业废气；石家庄市周边土壤中Zn污染严重，因此推测Zn来自扬尘；汽油组分中存在含铅化合物，燃烧后会使Pb成为挥发性物质从气缸中排出，因此推测Pb来自机动车尾气；Cu、Ni、Cr、Cd为机械加工、表面处理的主要原辅材料，因此推测Cu、Ni、Cr、Cd来自工业废气。

3 结论与建议

通过分析研究，获得以下结论：(1)造成石家庄市雾霾现象的首要污染物为PM10；(2)由于冬季降水少、静风期较长、燃煤需求量增大，使得污染物排放量增加但扩散条件变差，成为雾霾高发的季节；(3)在空间分布上，市区内各区域颗粒污染物浓度基本无差别，植被覆盖率高的地方因植物对颗粒物的阻滞作用，污染物浓度较低；(4)对TSP和PM10进行化学组分分析后，推测钢铁工业、金属加工、建材工业、扬尘、机动车为污染物的主要来源。

建议进行以下大气污染治理：(1)相关政府部门加大查处力度，对排放超标的单位进行处罚；(2)加强对大气污染源的分析监测，明确污染物的种类、组成及时间与空间分布特征等特点，进而采取合理高效的措施进行处理净化；(3)进行创新与技术改革，在工业方面使用新技术，减少工业生产中废气的产生和加工处理后废气的排放；在机动车尾气处理方面使用新技术，减少尾气中污染物的排放；(4)调整能源结构，推广使用天然气、优质煤和新能源；(5)增加城市及工业园区绿化，利用植物对颗粒物的阻滞作用，使污染物浓度降低。

[1] 姬亚芹.城市空气颗粒物源解析土壤风沙尘成分谱研究[D].天津：南开大学环境科学与工程学院，2006.

[2] 蔺昕，李晓军，胡涛，等.北方典型城市降尘时空分布特征及影响因素分析[J].生态环境，2008，17(1)：143-146.

[3] 黄玥，张思乾.优化能源消费结构构建大气污染综合防治体系[J].商品与质量：消费研究，2015,(9).

[4] 张晶，胡春玲，任庆.城市扬尘污染现状及防治对策[J].环境保护科学，2008,(02).

Analysis of main components and sources of atmospheric particulate pollutants in Shijiazhuang city

ZHANG Zhi-lin

(HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300132,China)

Total suspended particulate (TSP) is the main substance,which is harmful to environment and human health.Therefore, the temporal and spatial distribution and composition of atmospheric suspended particulates in Shijiazhuang were analyzed, and the sources of haze in Shijiazhuang were investigated in the paper.The results showed as follows: (1)The average concentration of PM10and PM2.5in the study area is similar, and is higher than the annual average concentration limitation specified in "Ambient Air Quality Standard" (GB3095-2012).(2) The concentration of PM10in the Southwest Higher Education district is relatively lower.(3) The concentrations of TSP, PM10and dustfall in winter are higher than that in summer.(4) The order of heavy metal contents which are contained in TSP and PM10is the same, from high to low order Ca, Al, Fe, Zn, Pb, Cu, Ni, Cr, Cd.(5) The main pollutants of chemical components are basically the samein winter and summer, but the content of each element in winter is higher in winter than in summer.

TSP; PM10; PM2.5; Dustfall

2017-01-25

张之琳(1996-)，女，河北省唐山市人，研究方向为大气污染与治理.

1001-9383(2017)01-0084-05

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