保定市春季道路扬尘颗粒物中碳组分特征及来源分析*

2020-10-24陈建华吕文丽张月帆

环境污染与防治 2020年10期

李冬陈建华张凯吕文丽张月帆

(中国环境科学研究院，北京 100012)

随着城市机动车保有量和道路面积的不断扩大，道路扬尘对城市环境空气污染的贡献在逐渐增大[1-2]。国内外相关研究表明,道路扬尘是城市环境空气中PM10的主要来源之一，其贡献率高达40%～75%[3-5]。同时，道路扬尘也是城市环境空气中PM2.5的重要来源之一，其贡献率也达到5%～15%[6-8]。碳作为道路扬尘颗粒物中的重要组分之一，对人体健康和环境空气质量均有较大影响[9-12]。因此，研究道路扬尘PM2.5和PM10中的碳组分特征及来源具有重要意义。

保定市作为京津冀地区重要城市之一，毗邻京津，道路扬尘是其大气污染物的主要来源之一[13]。当前有关道路扬尘的研究仍集中在北京市[14]、天津市[15]、石家庄市[16]、济南市[17]等较大城市，而对保定市道路扬尘的相关研究却鲜见报道。

本研究选取了保定市12条不同类型的城市道路，采用AP-42法收集道路积尘，并模拟扬尘分离出PM2.5和PM10，然后进行碳组分特征和来源分析，以期为保定市道路扬尘治理提供科学依据。

1 方法

1.1 样品采集

采用AP-42法真空吸尘方式于2019年3月对保定市城市道路快速路、主干道、次干道、支路4种道路类型共计12条典型道路进行了道路积尘采集。道路名称、起止点经纬度坐标及道路类型见表1。除支路外，同一条道路按机动车道和非机动车道分别采集，而支路可以认为机动车道和非机动车道是合并的。

表1 采样道路信息

1.2 样品前处理

50 ℃下将道路积尘样品烘至恒重，冷却后放入自上而下由20目、200目叠置的筛子内，放入摇床，3 000 r/min条件下持续振荡10 min。使用再悬浮装置将积尘样品再悬浮，利用流量为16.7 L/min的PM2.5和PM10旋风采样器对悬浮颗粒物进行采样并收集到石英膜(直径47 mm)上，分别得到PM2.5和PM10样品。

1.3 样品分析

使用Model 2001A热/光碳分析仪分析PM2.5和PM10中的有机碳(OC)浓度和元素碳(EC)浓度，采用Improve A-glass协议程序升温，第1阶段在纯氦气(纯度为99.999%)环境下进行，分别于140、280、480、580 ℃下分析得到4级OC组分(分别记为OC1、OC2、OC3、OC4)；第2阶段在含2%(体积分数)氧气的氦气环境下进行，分别于580、740、840 ℃下分析得到3级EC组分(分别记为EC1、EC2、EC3)。同时用633 nm的激光识别OC碳化形成的裂解碳(OPC)，一并计入OC组分中。

1.4 质量控制

样品分析中使用的空白石英滤膜使用前在马弗炉中于450 ℃下灼烧4 h，然后在干燥器内平衡24 h，以降低湿度、温度对于滤膜称重的影响。每天对热/光碳分析仪进行检漏，并在样品分析前进行校准。每10个样品做1组平行样，确保平行样测量误差在10%以内。同时实验过程中做2个空白膜样品，以扣除膜上杂质的影响。

2 结果与讨论

2.1 碳组分特征分析

由图1可知，保定市春季不同道路类型的机动车道上道路扬尘PM2.5中OC平均质量浓度为57.4 mg/g，EC为2.9 mg/g；非机动车道上道路扬尘PM2.5中OC平均质量浓度为83.5 mg/g，EC为4.2 mg/g。由此可见，非机动车道上道路扬尘PM2.5中的碳组分含量高于机动车道，但无论是机动车道还是非机动车道，碳组分均以OC为主。机动车道上OC的浓度从大到小排序为：支路>快速路>次干道>主干道；非机动车道上OC的浓度从大到小排序为：主干道>支路>快速路>次干道。

图1 不同道路类型的PM2.5中的碳组分特征Fig.1 Characteristics of carbon components in PM2.5 of different road types

非机动车道上道路扬尘PM2.5中的碳组分平均浓度高于机动车道，主要是因为非机动车道相较机动车道往往积尘较多。机动车道上，快速路的碳组分含量很高，与马妍等[18]2542在天津市的研究结果一致，主要是由于快速路机动车道上车流量较大，机动车尾气排放的碳组分较多；支路的碳组分含量也高，是因为调研的这些支路周边存在较多餐饮行业，餐饮油烟排放的OC较多。非机动车道上，主干道的碳组分含量最高，并且明显高于其他机动车道，属特殊情况，初步认为与主干道非机动车道的日常清理有关。

由图2可知，保定市春季不同道路类型的机动车道上道路扬尘PM10中OC平均质量浓度为39.6 mg/g，EC为1.7 mg/g；非机动车道上道路扬尘PM10中OC平均质量浓度为45.1 mg/g，EC为2.1 mg/g。同样地，非机动车道上道路扬尘PM10中的碳组分含量高于机动车道，碳组分仍均以OC为主。不同的是，机动车道和非机动车道上OC的浓度从大到小排序均为：支路>次干道>主干道>快速路。

图2 不同道路类型的PM10中的碳组分特征Fig.2 Characteristics of carbon components in PM10 of different road types

PM2.5中碳组分浓度相对于PM10更高，说明PM2.5更容易聚集碳组分，这与周盼等[19]125在石家庄市的研究结果一致。道路扬尘PM2.5和PM10中OC浓度远远高于EC，可能是因为保定市春季的二次污染较为严重。

2.2 OC/EC(质量比)分析

OC的主要来源有两部分，一是由污染源直接排放的一次有机碳(POC)，二是通过光化学氧化生成的二次有机碳(SOC)；EC一般都是由污染源直接排放，多为生物质或化石燃料的不完全燃烧所导致[20-21]。通常利用OC/EC来表征大气二次污染程度。一般认为，OC/EC超过2即可认为存在二次污染[22]。从表2和表3来看，保定市春季各道路类型扬尘颗粒物中OC/EC均远高于2，证明各道路类型上均存在明显的二次污染。

表2 PM2.5中的OC/EC

表3 PM10中的OC/EC

道路扬尘PM2.5中快速路非机动车道的OC/EC远高于机动车道，这主要是因为快速路机动车速度较快，二次转化的积尘粒子极易聚集在非机动车道，次干道情况与其类似。虽然主干道车速同样较快，但实验发现主干道非机动车道OC/EC低于机动车道，实地调研发现，主干道非机动车道上来自土壤和一次排放的污染源较多，且日常清理不及时。道路扬尘PM10中各道路类型的机动车道和非机动车道OC/EC都较为接近，进一步说明PM2.5更容易富集OC，特别是SOC。

根据保定市春季各道路类型机动车道和非机动车道上的OC/EC范围总体判断，颗粒物中的碳主要来源于机动车尾气、燃煤和生物质燃烧，但支路颗粒物中的碳与支路存在的大量饭店、餐厅有很大关系。郭育红等[23]曾对保定市冬季大气中碳组分进行研究，发现采暖过程冬季大气颗粒物中OC和EC浓度均会增加。本研究采样时间为春季，恰逢冬季采暖刚结束，冬季采暖产生的OC易累积在道路积尘中，加之冬季逆温、灰霾天气频发，扩散条件差，更容易在积尘中累积OC，如果清扫不彻底就更会导致积尘和扬尘中的OC/EC偏高[24]。

目前，已开展的道路积尘颗粒物中碳组分特征分析的工作不多。已有文献报道的城市主要有天津市[18]2540、石家庄市[19]123、盘锦市[25]412、鞍山市[25]412、上海市[26]和晋城市[27]等，这些文献主要关注的是PM2.5。因此，表4列出了国内其他城市道路扬尘PM2.5中的OC/EC。由表4可见，保定市OC/EC明显高于其他城市。一方面可能是因为采样时间、采样方式不同，以及不同环境的影响造成结果差异；但另一方面也说明了保定市二次污染的严重性。