上海市典型道路扬尘源解析

陈峥嵘,李 飞,程伶俐,焦 正

(上海大学 环境与化学工程学院,上海200444)

0 引言

随着我国城市社会经济的不断建设发展、能源需求大幅度增长,大城市的大气污染类型已经由传统单一的煤烟型污染转变为多种污染源共同作用、多种污染物共存、污染物互为源汇的复合型大气污染,特别是长三角等经济发达的地区。复合型污染的主要特征为高细颗粒物浓度和高浓度臭氧等,呈现出来的典型污染现象是灰霾污染,在过去十年中,这已经成为影响大城市环境空气质量的主要因素。前期研究已经形成共识,灰霾天气产生的直接原因之一是大气颗粒物浓度增加导致的[1-2]。大气中颗粒物的成分非常复杂,来源众多。通过推进“大气十条”等措施,一次工业源的颗粒物排放贡献越来越低,二次贡献变大,但扬尘对城市大气颗粒物的贡献始终得到关注。特别是随着城市建设的推进和工业源控制的深化,大气颗粒物的来源结构发生了变化,因此人们对扬尘这种随处可见却又不普通的颗粒物的来源越来越重视。扬尘的组成、来源、污染特点的相关研究已有不少,但随着颗粒物源的变化以及治理措施的变化,扬尘对城市中大气颗粒物污染的贡献仍值得跟踪研究[3-4]。因此控制城市道路扬尘污染是从源头提高环境空气质量的一种重要途径,是改善城市环境空气质量的紧迫任务。

本文的研究对象为上海市典型道路,通过实地采集道路扬尘样品和各污染源样品,结合使用化学质量平衡(CMB)模型计算各类污染源对道路扬尘的分担率,为治理道路扬尘提供指导方向;同时,对大气环境保护与管理、道路扬尘污染防治具有一定的科学指导意义。

1 研究方法

1.1 采集道路扬尘样本

参照《防治城市扬尘污染技术规范》(HJ/T393—2007)[5]关于采样要求的表述:在每条道路上每间隔3 km采集1个样本,每个样本使用不少于3个子样品进行混合(即每间隔0.5～1 km用真空吸尘方式采样1次,每个样本的采样面积约1 m2,而后将3 km内采集到的多个样品混合为1个样品)。

研究选择上海市中心城区一条南北走向的主干道作为研究对象,沿线及周边范围内有工业企业、居民区、渣土中转码头、砂石料中转码头和混凝土搅拌站等。选择其作为研究对象的依据是该道路沿线污染源种类较多,道路车流量较大,对区域大气环境质量有一定影响。典型道路长度约9 km,参考每隔3 km设置1个扬尘样品采集点的原则,本研究将典型道路分为A、B、C3个路段(见图1)。每一段每隔0.5～1.0 km在东、西两侧道路上各采集1个道路扬尘子样品,然后将该段东侧道路采集的所有子样品等质量混合成1个样品、西侧道路采集的所有子样品等质量混合成1个样品,该段全部子样品等质量混合得到1个样品,即A、B、C每段共有3个道路扬尘样品(道路扬尘子样品具体采集信息详见表1)。本研究于2019年7—8月在典型道路上共采集了9个道路扬尘样品。

图1 道路扬尘采样点示意图Fig.1 Schematic diagram of road dust sampling points

表1 道路扬尘子样品具体采集信息表Tab.1 Specific collection information of road dust sub samples

1.2 污染源样本采集

根据现场调查、踏勘和典型道路的实际情况,选取大型车辆运输尘、机动车尾气尘、建筑工地尘、土壤风沙尘、渣土码头尘、搅拌站粉尘A～F共6类[6-7]。

A大型车辆运输尘:采集洒落在典型道路上的2个样本。采样区域面积约为1 m2,单个样本质量约50 g。

B机动车尾气尘:对机动车(汽油车、柴油车等)尾气管末端进行改造,安装带滤膜的采样器,并于车辆行驶1 h后收集尾气尘。选取汽油车、柴油车各1辆;在每辆机动车排气筒末端分别收集1份无机和有机滤膜样本。再根据典型道路的车流量统计数据,按比例混合2种车型的尾气尘样本,将有机和无机滤膜分开混样,得到2份机动车尾气尘样本。

C建筑工地尘:收集散落在典型道路沿线建筑工地施工作业面上的混凝土尘混合样,在2个点位各采样100 g,混合成为1个样本。单个采样区域面积约为1 m2。采样时在未完全覆盖的裸土和工地内部道路上较容易采集到样本。

D土壤风沙尘:在A、B、C3段道路的东西两侧的绿化土壤与裸露土壤处分别布设1个采样点,共获得6个土壤风沙尘样本。进行采样时,先用笤帚将地表土收集于采样袋中,用塑料铲获取地表以下约20 cm处的土壤,混合均匀后制成每份重200 g的样本。采样过程中,6个土壤风沙尘样本的采样面积和采样深度保持一致。

E渣土码头尘:进入典型道路沿线的3个渣土运输码头内部,每个码头选取2个点位分别采样100 g并进行混合,共得到3个样本。单个采样区域面积约为2 m2。在渣土车途经的道路附近较容易采集到样本。

F搅拌站粉尘:进入典型道路沿线的4个搅拌站内部,每个搅拌站选取2个点位分别采样100 g并进行混合,共得到4个样本。在混凝土搅拌车途经的道路附近较容易采集到样本。

在典型道路各路段的总计18个污染源样品的分布情况如表2所示。

表2 典型道路扬尘源样品数量和分布Tab.2 Quantity and distribution of typical road dust source samples

1.3 样本前处理和组分分析

将现场采集获取的原始样本存放在自封袋中,于35℃下干燥,通过20目(<1 mm)的尼龙网筛,把树叶、干草、石块、烟蒂、头发等杂质剔除后,将所有样本通过150目尼龙筛,以获取粒径小于100µm的部分用于化学成分分析[1,8-10]。通过以上步骤实现对样品的质量控制,提高实验的准确度。

采用电感耦合等离子体原子发射光谱(ICPAES)分析Na、Mg、Al、Si、P、K、Ca、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ba和Pb元素含量。采用有机碳/元素碳(OC/EC)分析仪分析EC和OC含量[11];采用瑞士万通离子色谱法测定水溶性离子、、的含量[12]。

1.4 CMB模型基本原理

CMB模型是根据质量平衡原理建立起来的,假设存在着对受体中的大气颗粒物有贡献的多种排放源类(j),并满足以下假设条件:① 各种排放源类在环境空气中的颗粒物化学组分有显著差别;② 各种排放源类排放的颗粒物化学组分相对稳定;③ 各种排放源类所排放的颗粒物之间不发生相互作用。如是则受体上的每种化学组分浓度就是每一源类的化学组分的含量值和源贡献浓度值乘积的线性之和,即

式中:C i为环境受体中的颗粒物化学组分i的浓度测量值,µg/m3;F ij为第j类源化学组分i的含量测量值,g/g;S j为第j类源贡献的浓度计算值,µg/m3;j为源类的数目,j=1,2,···,J;i为化学组分的数目,i=1,2,···,I。

选择所测定的共i个元素,则可以建立由i个方程所组成的线性方程组。原则上当i>j,可计算得到各种排放源的贡献值Sj和相应的分担率:

CMB模型的算法主要有示踪化学组分法、线性程序法、普通加权最小二乘法、岭回归加权最小二乘法以及有效方差最小二乘法。当前CMB模型最常用的算法是有效方差最小二乘法,因为该算法提供了一种用于计算源贡献值S j和S j的方差σS j的实用方法。有效方差最小二乘法能够让加权的元素测量值与计算值之差的平方和最小:

式中:Veff,i为有效方差,权重值;σC j为受体大气颗粒物的化学组分测量值的标准偏差;σF ij为污染源的化学组分测量值的标准偏差;σS j为源的化学组分贡献值的标准偏差。

应用有效方差最小二乘法对CMB模型进行求解时,模型的输入参数为受体化学元素谱浓度的测量值C i和C i的标准偏差σC i;源成分谱的含量测量值F ij和F ij的标准偏差σF ij。模型的输出参数为源贡献计算值S j和S j的标准偏差σS j。

根据源和受体颗粒物化学组成的监测值来建立CMB模型,从而定量计算各类污染源对环境空气中颗粒物浓度的源贡献值和源分担率。CMB模型历经数十年发展已较为成熟,获得了美国环境保护署(EPA)的推荐,并在多个城市和地区进行了实际应用,当前的系统软件版本为EPA-CMB8.2。我国从20世纪80年代开始应用源解析技术开展城市空气污染防治研究工作,北京、天津、南京等多个城市利用CMB模型进行了大气颗粒物源解析工作,均取得了较好结果。

杨妍妍等[13]的研究结果显示:① 在观测期间,大气环境中PM2.5的来源主要包括二次硫酸铵和硝酸铵(分担率36%)、有机物(分担率20%)、机动车(分担率16%)、燃煤(分担率15%)、土壤尘(分担率6%)以及其他未识别来源(分担率7%);与历史解析结果相比,燃煤源分担率有所下降,二次无机盐与有机物分担率上升,且二次硝酸盐有赶超二次硫酸盐之势;② 从主要组分的来源看,观测期间环境大气PM2.5中近25%分担率的硫酸盐来自于燃煤锅炉和电厂排放,17%的有机物来自机动车排放;③ 北京市PM2.5来源类型大致相同,但各点位PM2.5来源种类和分担率具有一定差异,对一些排放量较大的局地排放源有比较明确的响应。研究表明,开展区域性PM2.5治理、大力削减前体物、严格控制本地机动车、燃煤等PM2.5排放都是改善北京市空气质量的重要途径。

韩斌等[14]的研究结果显示:天津近海海域TSP来源主要有人为源、地壳源和海盐粒子源。CMB结果显示燃煤飞灰所代表的人为源对TSP贡献最大(36.14%),其次是地壳源类(33.26%)、海盐粒子(1.58%)以及其他未识别的源(30.58%)。由此推断陆地污染源对近海海域大气颗粒物的贡献远远高于海盐粒子,因此对渤海周围陆地污染源的控制应得到足够重视。

2 结果与讨论

2.1 典型道路扬尘的化学组分

本研究关于典型道路扬尘排放源建立了A～F共6类成分谱,成分谱包括17种化学元素、3种阴阳离子、EC和OC。道路扬尘排放源成分谱如表3所示,4个道路扬尘采样点各自的化学组分成分谱如表4所示。图2～7较为直观地描述了6种源的质量百分含量及标准差。

表3 道路扬尘排放源成分谱(%)Tab.3 The chemical compositions characteristics of road dust emission source %

表4 道路扬尘成分谱(%)Tab.4 The chemical compositions characteristics of road dust %

图2 大型车辆运输尘成分谱Fig.2 The chemical compositions characteristics in dust of heavy vehicle transportation

2.2 模型计算与结果解析

(1)选择标识元素。本研究使用EPA-CMB8.2模型,将排放源的成分谱和道路扬尘成分谱输入程序后,选择标识元素代入模型进行计算。

所谓标识元素,代表的是能够表现排放源固有特征且不会在迁移过程中发生较大变化的元素。作为标识元素的条件是其在污染源排放总量的占比通常大于1%,且该元素在其他污染源排放物中的所占比例很小。同时,为了保证计算结果的可靠性,需要选取一定数量的标识元素。实践表明,选取10个以上的元素可确保相关系数大于0.9。由于研究开展的所在地不同,地理条件、气象条件与社会经济特点不尽相同,因此各地选择的污染源和标识元素也不相同。

图3 机动车尾气尘成分谱Fig.3 The chemical compositions characteristics in dust of motor vehicle exhaust dust

图4 建筑工地尘成分谱Fig.4 The chemical compositions characteristics in construction site dust

图5 土壤风沙尘成分谱Fig.5 The che mical compositions characteristics in soil dust

图6 渣土码头尘成分谱Fig.6 The chemical compositions characteristics in muck wharf dust

图7 搅拌站粉尘成分谱Fig.7 The chemical compositions characteristics in mixing station dust

参考国内外研究报道[15-30]的各种发生源的指标元素可知,目前土壤尘的主要标识元素有Al、Si等,建筑尘中的Ca和Mg,汽车尘中的V、Pb等。这些特征元素可以作为参考。另外,根据CMB原理,重点在于选择对某些排放源有较强表征能力,且不会在迁移过程中发生较大变化的元素作为标识元素。与此同时,EPA-CMB8.2模型中的灵敏度矩阵功能提供了一种定量方法来判定源成份谱的特征元素,即在灵敏度矩阵中,取绝对值为1或约等于1的元素为该类源的特征元素。EPA-CMB8.2模型可以计算每种元素的贡献浓度值。C/M为元素浓度值C与元素浓度测量值M的比值,C/M越接近1,说明元素浓度计算值和测量值拟合得越好,可以将C/M接近1的元素作为标识元素纳入模型中进行计算。

经过反复比对和筛选,本研究剔除了22种化学成分中对计算结果影响不大的元素,仅保留Mg、Al、Si、P等13种较敏感的标识元素参与模型计算。

(2)典型道路的扬尘源解析结果。本研究首先对参与拟合的源类进行选择。由于大型车辆运输尘属于混合尘,主要为行驶在典型道路上的各种工地车辆、渣土运输车、混凝土搅拌车洒落的物料和车轮带起的积尘,其化学组成成分与渣土码头尘、搅拌站粉尘和建筑工地尘组分相似,共线性较严重,解析结果分担率会出现负值,故大型车辆运输尘源不参与拟合。将其余5种源类和受体(道路扬尘)的成分谱输入CMB模型进行计算,得出各源类对受体的分担率(见表5)。

表5 典型道路的扬尘源解析结果Tab.5 The results of the source analysis in road dust of typical roads

2.3 源分担率特征分析

源分担率反映了各个排放源类在颗粒物污染中的主次地位,针对本研究的采样情况和实验获得的解析结果,典型道路扬尘的污染源按分担率排序依次为土壤风沙尘、搅拌站粉尘、渣土码头尘、建筑工地尘、机动车尾气尘。

在已识别了的各源类中,建筑工地尘、土壤风沙尘、搅拌站粉尘和渣土码头尘是道路扬尘主要的来源。其中,最主要的贡献者是土壤风沙尘,这是由于典型道路两旁存在大量裸露的土壤,没有植被的覆盖,裸土在风蚀等的作用下,极易形成扬尘。渣土码头尘、搅拌站粉尘的分担率也很高,这是因为行驶在典型道路上的渣土运输车和混凝土搅拌车流量很大,还存在物料超载和未按规定进行密闭的情况,未按规定对运输车辆进行封闭导致行驶过程中洒落的尘土对道路扬尘贡献量很大。建筑工地尘的分担率同样很高,主要因为典型道路的建设施工活动较多。施工工地内土壤风沙尘的扬起,其中大部分沉降到路面上,当再次扬起时会形成二次道路扬尘,因此施工工地扬尘对道路扬尘有很大贡献,且建筑施工运输车辆难免会带起道路扬尘,成为流动污染源沿途排放。

除此之外,模型解析结果中机动车尾气的分担率很小。值得注意的是,本次来源解析针对的是粒径小于100µm的颗粒物,机动车尾气尘在该粒径范围内的含量相对较小。关于PM2.5和PM10的来源解析,机动车尾气尘的分担率达到了10%～20%,PM2.5和PM10对人体的健康危害更大,所以不能忽视对机动车尾气尘的控制。

3 扬尘污染防治建议

3.1 大型车辆运输尘污染防治建议

(1)在道路两侧,应当实施一种将草本、灌木与乔木相结合的立体绿化模式,或者实施绿化与硬化相结合的模式。尽可能减少裸土的出现,对开挖路面和树坑采取覆盖措施,减少扬尘的产生。

(2)坚决查处超载行为,防止因大型货运车辆超载引起的道路表面损伤。

(3)运输容易产生扬尘物质的大型车辆应当进行密闭化运输,杜绝运输时发生跑冒滴漏等现象。对于进出施工现场的大型运输车辆,在其驶离施工工地前应当使用高压水枪对车轮及车身表面进行清洗。

(4)积极倡导高效清洁的清扫作业方式,提高机械化作业面积。根据季节和气象变化定期进行道路洒水及冲洗作业,并适时调整作业频率。

(5)制定道路积尘量限值标准,城市道路进行达标管理。

3.2 建设工程施工扬尘污染防治建议

(1)施工工地内堆放水泥、灰土、砂石等易产生扬尘污染物料的,应当在其周围设置不低于堆放物高度的封闭性围栏;工程脚手架外侧必须使用密目式安全网进行封闭。

(2)工程项目竣工后30 d内,施工单位应当平整施工工地,并清除积土、堆物。

(3)不得使用空气压缩机来清理车辆、设备和物料的尘埃。

(4)施工工地的地面应当进行硬化处理。

(5)在进行产生大量泥浆的施工作业时,应当配备相应的泥浆池、泥浆沟,做到泥浆不外流,废浆应当采用密封式罐车外运。

(6)在中心城范围内,混凝土搅拌量在30 m3/d以上的,禁止现场露天搅拌;混凝土搅拌量在30 m3/d以下,需要在现场露天搅拌的,应当采取相应的扬尘防治措施。

(7)施工单位应当使用预拌砂浆。

3.3 堆场扬尘污染防治建议

(1)地面进行硬化处理。

(2)采用混凝土围墙或者天棚储库,库内配备喷淋或者其他抑尘措施。

(3)采用密闭输送设备作业的,应当在落料、卸料处配备吸尘、喷淋等防尘设施,并保持防尘设施的正常使用。

(4)在出口处设置车辆清洗的专用场地,配备运输车辆冲洗保洁设施。

(5)划分料区和道路界限,及时清除散落的物料,保持道路整洁,并及时清洗。

4 结 语

(1)对本研究中的典型道路化学组分分析,结果表明典型道路扬尘中主要元素为Si、Ca、Al、Fe、Mg,分别占比17.74%、5.60%、2.39%、2.28%、0.86%。

(2)典型道路扬尘的首要污染源是土壤风沙尘(分担率36.7%),其次是搅拌站粉尘(分担率25.0%)、渣土码头尘(分担率14.7%)、建筑工地尘(分担率11.0%)、机动车尾气尘(分担率0.9%)。土壤风沙尘、搅拌站粉尘、渣土码头尘和建筑工地尘是典型道路扬尘的主要来源,分担率合计大于85%。

(3)由于道路扬尘具有局地特征,不同区域不同道路的扬尘源可能存在很大差别,本文提供一种针对上海典型道路的扬尘分析方法,研究过程中受制于客观条件,采样点位的选取和采样时间的跨度选择比较有限,可以更多地将季节、气候因素对样品的影响考虑在内,使得样品更具有代表性。