徐州市大气PM2.5污染特征和来源解析

陈 飞 于洪霞 柴发合

(1.环境保护部南京环境科学研究所，江苏 南京 210042；2.大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210000；3.南京理工大学环境与生物工程学院，江苏 南京 210094；4.中国环境科学研究院，北京 100012)

徐州市大气PM2.5污染特征和来源解析

陈 飞1，2于洪霞3柴发合4

(1.环境保护部南京环境科学研究所，江苏 南京 210042；2.大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210000；3.南京理工大学环境与生物工程学院，江苏 南京 210094；4.中国环境科学研究院，北京 100012)

于2016年4月、7月、10月和2017年1月利用2台中流量分别在徐州市不同功能区，即生活区、工业区和旅游区采样大气中的细颗粒物(PM2.5)样品，测定PM2.5质量浓度及其化学组分(含碳组分、水溶性离子和无机元素)，结合化学质量平衡模型(CMB)，对PM2.5进行来源解析。研究结果表明：徐州市PM2.5污染的年平均浓度维持在65μg/m3左右，超过国家环境空气质量标准(GB3095-2012)二级标准(35μg/m3)的0.95倍。冬季全市的PM2.5平均浓度最高，为103.6μg/m3。根据CMB模型结果，全年PM2.5来源解析，煤烟尘的分担率最高，达23.4%；其次是硫酸盐，达20.5%；硝酸盐的分担率占第三位，为18%，机动车尾气尘和城市扬尘分别为12.3%和11.4%，其他各源类的分担率均小于5%。

PM2.5；来源解析；CMB；徐州市

近年来，随着我国城镇化和工业化的高速发展，全国范围内遭遇了大规模的灰霾天气，大量研究表明，PM2.5浓度超标是灰霾天气的主要特征，同时，PM2.5不仅能够引起人类呼吸系统[1-3]、心肺功能方面的疾病[4-5]，还对动植物和生态系统产生巨大影响。因此了解城市大气中的PM2.5的来源情况对于有效的控制颗粒物有着重要的意义。源解析的技术可以分为三类：污染源排放清单法、源模型(扩散模型)和受体模型。排放源清单法是根据排放因子，估算区域内各种排放源的排放量，根据排放量，识别对受体有贡献的主要排放源。源模型法是从污染源出发，根据各种污染源源强资料和气象资料，估算污染源对受体的贡献。受体模型主要是从受体出发，根据环境空气颗粒物的化学、物理特征等信息估算各类污染源对受体的贡献，其中化学质量平衡模型(Chemical mass balance，CMB)是目前运用最多的方法[6-7]。2014年6月，环境保护部启动了全国范围大气来源解析工作。国内外学者也开展了大量的源解析工作，陈刚等[8]采用PMF模式分析合肥城区PM10和PM2.5来源特征，PM10中二次源、燃煤、机动车尾气尘及地壳尘的贡献百分比分别为32.5%、25.9%、15.7%和25.5%；PM2.5中二次源、燃煤、机动车尾气尘及地壳尘的贡献百分比分别为38.8%、25.9%、9.9%和21.7%。Cesari等[9]利用PMF模型和CMB模型研究了意大利中部的工业区PM10的来源情况。

徐州市地处江苏省西北部、华北平原东南部，长江三角洲北翼，北倚微山湖，西连萧县，东临连云港，南接宿迁，是江苏省重要的经济、商业和对外贸易中心，根据徐州市“十二五”环境状况公报显示[10]，2015年，徐州市城区PM2.5年均浓度为65 ?g/m3，超过国家环境空气质量标准(GB3095-2012)二级标准，考虑到目前徐州市大气污染现状，本实验采用CMB模型解析徐州市大气中的PM2.5主要来源，进一步为大气污染控制提供技术支持。

1 研究方法

1.1CMB模型介绍

假设存在着对受体中的大气颗粒物有贡献的若干源类(j)，并且各源类所排放的颗粒物的化学组成有明显的差别，各源类所排放的颗粒物的化学组成相对稳定，各源类所排放的颗粒物之间没有相互作用，在传输过程中的变化可以被忽略。那么在受体上测量的总物质浓度C就是每一源类贡献浓度值的线性加和。

式中，C为受体大气颗粒物的总质量浓度，μg/m3；Sj为每种源类贡献的质量浓度，μg/m3；P为源类的数目，j= 1，2，3，……，P。设受体颗粒物上元素i的浓度Ci，那么式(1)可以写成：

式中，Ci为受体大气颗粒物中元素i的浓度测量值，μg/m3；Fij为第j类源的颗粒物中元素i的含量，μg/mg3，又称源强；Sj为第j类源贡献浓度的计算值(贡献量)，mg/m3；P为源类的数目，j=1，2，3，……，P；m为元素的数目，i=1，2，3，……，m。

目前CMB模型最常采用的算法是有效方差最小二乘法，因为有效方差最小二乘法提供了计算源贡献值Sj和Sj的误差σSj的实用方法。有效方差最小二乘法实际上是对普通加权最小二乘法的改进，即使加权的化学组分测量值与计算值之差的平方和最小。CMB模型的输入参数是某种源类和受体颗粒物的成分潜，CMB模型的输出参数是某一种源类对受体颗粒物的贡献值，而不是某一个源对受体颗粒物的贡献值。由于城市扬尘是一种混合源类，它由来自于各单一尘源类的部分颗粒物混合组成。很难用CMB模型同时准确地解析出它们对受体的分担率，因此采用“二重源解析”来解析徐州市PM2.5污染来源。

1.2 受体样品采集

考虑到采样点选原则和徐州市的产业结构、能源结构和气象因素，所以分别在城市的北部、中部和南部设立了三个强化观测点，如图1所示，点1为铜山兽医院；点2为黄河新村；点3为淮塔。各采样点距离地面约15m，周围均无明显的污染源。

采样时间设置从2016年4月5日-22日，7月7日-21日，10月11日-25日，2017年1月5日-1月15日，分别代表春季，夏季，秋季和冬季。本次采样周期设置为23h，每个采样点采用2台中流量采样器(TH-150C，武汉天虹)同步采集PM2.5样品，分别采用石英滤膜和特氟龙滤膜，其中石英滤膜用于分析元素碳、有机碳和水溶性离子，特氟龙滤膜用于分析无机元素。石英膜在采样前通过700℃高温灼烧6h以去除有机碳，特氟龙膜在采样前后于恒温恒湿箱(温度25℃，相对湿度41%)平衡24h，再用精度为1μg的电子天平(Sartorius，Germany)进行称量以确定PM2.5的质量浓度。所有样品均放入冷冻柜(-18℃)中保存至实验分析。

图1 采样点的分布图

1.3 源样品的采集

根据徐州市的污染源能源消耗及企业污染物的排放量等信息，结合实地考察，初步确定了徐州市对大气环境有重要影响的土壤风沙尘、机动车尾气尘、烟煤尘、建筑尘、冶金尘、化工行业尘、城市扬尘7等源类。本次源样品采集的都为粉末状源，处理方法首先自然晾干，然后过150目筛然后再悬浮，从而采集PM2.5样品。

1.4 源样品和受体样品分析

2 结果与讨论

2.1 PM2.5浓度的时空分布特征

表1为研究期间徐州市各站点四季的PM2.5质量浓度，由表1可见，2016年徐州市大气PM2.5年平均质量浓度为59.1 μg/m3左右，是国家环境空气质量标准(GB3095-2012)年均PM2.5限值(35μg/m3)的0.95倍，徐州市PM2.5浓度季节变化特征明显，同时空间分布也有差异。冬季全市的PM2.5平均浓度最高，为103.6μg/m3，其次是春季、秋季和夏季，分别为56.1μg/m3，42.2μg/m3和34.6μg/m3。冬季的高污染主要由于徐州市冬季供暖用的燃料高消耗，并且冬季易出现不利的气象条件和辐射逆温现象，不利于污染物的扩散传输，导致冬季PM2.5浓度最高。夏季污染最轻，主要由于大气扩散条件较好，且存在大气湿沉降等现象[12]。

从各个站点的数据可见，整体表现为：铜山兽医院>黄河新村>淮塔，铜山兽医院的PM2.5年均值最高，达到68.1μg/m3，其次是黄河新村，PM2.5全年平均浓度为58.9μg/m3，淮塔的PM2.5年均浓度最低，为50.4μg/m3。主要由于铜山兽医院位于徐州市工业区，附近工业较多，周边的工业企业燃煤排放了大量的废气，加之该区处于徐州市盛行风行的下风向，污染物能够在该区域的富集和进行均相和非均相反应，从而导致PM2.5的浓度较高。淮塔位于旅游区，周围重污染企业较少，因此PM2.5平均浓度较低。

表1 徐州市PM2.5的监测浓度(μg/m3)

2.2 源样品的成分谱

表2 徐州市PM2.5排放源类中化学成分质量分布图(%)

表3 各类源类PM2.5主量成分分布图

2.3 PM2.5来源解析

根据美国EPA的规定，分别以(NH4)2SO4和NH4NO3代表硫酸盐和硝酸盐二次粒子源作为源谱。经过反复的筛选，最终选择土壤尘、机动车尾气尘、城市扬尘、煤烟尘、建筑尘、化工尘、(NH4)2SO4、NH4NO3等8类的化学组份纳入模型进行拟合计算，源贡献值的拟合优度表示源对受体贡献的计算值与监测值之间拟合的优良程度，本研究的源贡献值模拟优度列于表4。由表4可知，徐州市所有拟合计算的残差平方和X2在0.11与0.48之间，均属于拟合好的范围；相关系数R2在0.89与0.98之间，基本属于拟合好的范围。

表4 徐州市源贡献值的拟合优度诊断

徐州市PM2.5来源解析结果如表5所示，全年PM2.5来源分析，煤烟尘的分担率最高，达23.4%；其次是硫酸盐，达20.5%；硝酸盐的分担率占第三位，为18%，机动车尾气尘和城市扬尘分别为12.3%和11.4%，其他各源类的分担率均小于5%，可见，徐州市PM2.5的主要污染来源以煤炭燃烧，二次粒子和移动源为主。从不同季节来源解析结果可知，硫酸盐分担率的变化范围为12.4%～30.1%，夏季分担率最高，春季分担率最低。主要由于前体物SO2经大气化学转化形成，SO2来源于化工、电厂、炼油、炼焦等的直接排放。硝酸盐分担率的变化范围为13.7%～20.3%，主要由于机动车和燃煤排放的NOx经转化形成硝酸盐。煤烟尘的变化范围为11.9%～26.6%，冬季分担率最高，夏季分担率较低，主要由于冬季燃煤量较大。此外，城市扬尘的分担率也较大，变化范围从8.5～22.8%。机动车的分担率变化较小。

表5 徐州市PM2.5来源解析结果 (%)

3 结论与建议

(1)徐州市PM2.5的污染比较严重，超过新国家环境空气质量标准年均PM2.5限值(35μg/m3)的0.95倍。

(2)徐州市PM2.5浓度季节变化特征明显，同时空间分布也有差异。冬季全市的PM2.5平均浓度最高，为103.6μg/m3，其次是春季、秋季和夏季，分别为56.1μg/m3，42.2μg/m3和34.6μg/m3。铜山兽医院位于徐州市工业区，PM2.5污染水平比其他站点高。

(3)全年PM2.5来源解析，煤烟尘的分担率最高，达23.4%；其次是硫酸盐，达20.5%；硝酸盐的分担率占第三位，为18%，机动车尾气尘和城市扬尘分别为12.3%和11.4%，其他各源类的分担率均小于5%，徐州市主要污染来源以煤炭燃烧，二次污染和移动源为主。

[ 1]Feng，S.，Gao，D.，Liao，F.，et al.The Health Effects of Ambient PM2.5and Potential Mechanisms[J].Ecotoxicology and Environmental Safety，2016，128：67-74.

[2]Megido，L.，B，. Suárez-Pe?a，et al. Suburban air quality：Human health hazard assessment of potentially toxic elements in PM10[J].Chemosphere，2017，177：284-291.

[3]李红，曾凡刚，邵龙义.可吸入颗粒物对人体健康危害的研究进展.环境与健康杂志，2002，19(1)：85-87.

[4]Yao，L.，Yang，L.，Yuan，Q.，et al.Sources Apportionment of PM2.5in a Background Site in the North China Plain[J].Science of The Total Environment，2016，541：590-598.

CharacteristicandSourceApportionmentofPM2.5inXuzhou

CHEN Fei1，2YU Hongxia3CHAI Fafe4

(1.Nanjing Institute of Environmental Sciences，Ministry of Environmental Protection，Nanjing 210042；2.Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology，Nanjing 210000；3.School of environmental and Biological Engineering，Nanjing University of Science &Technology，Nanjing 210094；4.Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012)

Two mid-volume air sampler were used to collect the r PM2.5samples from three districts-living area，industry area and tourism area in Xuzhou during April，July，October 2016 and January 2017. The inorganic elements，the water-soluble ion and the carbon element were determined and compared.Chemical mass balance (CMB) model was applied to analyze the source apportionment of PM2.5in Xuzhou. The results show that the annual average of PM2.5concentration is 65μg/m3，and 1.95 times than the new Grade Ⅱ national standards for air quality(35μg/m3). The concentration of PM2.5in winter was the highest and the data was 103.6μg/m3. According to the CMB model，The whole year source apportionment result of PM2.5in Xuzhou indicates that the source of PM2.5was coal combustion dust (23.4%)，sulfate (20.5%)，nitrate (18%)，vehicle exhaust (12.3%)，urban resuspended dust (11.4%) . Meanwhile the contribution of other source was less than 5%.

PM2.5；source apportionment；CMB；Xuzhou

X51

A

1673-288X(2017)05-0134-04

项目资助：环境保护部南京环境科学研究所中央级公益性科研院所基本科研业务专项(20160302，20160501)，国家环境保护公益性行业科研专项环保(201509020)

陈飞，博士，助理研究员，主要从事大气污染方面的研究

于洪霞，博士，讲师，主要从事环境功能材料的制备

文献格式：陈 飞 等.徐州市大气PM2.5污染特征和来源解析[J].环境与可持续发展，2017，42(5)：135-138.