湖北孝感不同类型扬尘中黑碳的污染特征及来源分析*

2022-02-15占长林詹佳伟柯振东张家泉刘红霞

环境污染与防治 2022年1期

占长林詹佳伟柯振东柳山，2 张家泉，2 刘红霞，2

(1.湖北理工学院环境科学与工程学院，湖北黄石 435003；2.矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室，湖北黄石 435003；3.中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室，陕西西安 710061；4.黄石生态环境监测中心，湖北黄石 435003)

黑碳(BC)也称元素碳，是生物质和化石燃料不完全燃烧的产物，其广泛存在于大气、土壤、冰雪、水体和沉积物中[1]，主要包括焦炭和烟炱。焦炭是低温条件下(<600 ℃)燃烧的残留物，而烟炱是高温条件下(>600 ℃)燃烧生产的气体前体物通过气-粒转化过程形成的浓缩态球形颗粒[2]2464-2465。作为含碳物质的连续统一体，BC因其稳定的化学特性能在环境中长期保存[3]，并影响污染物在环境介质中的迁移和转化[4]；BC对光的吸收特性会进一步影响辐射平衡，导致全球气候变暖的加剧[5]，同时还会影响水气循环和季风强弱[6-7]；BC对污染物的良好吸附能力使其携带有毒有害物质进入人体并严重危害人体健康[8]；BC作为地球生态系统中碳的重要组成还会直接参与全球碳的生物地球化学循环[9]，因此引起很多研究者的关注。

近年来，随着城市化和工业化的快速发展，城市大气污染问题也愈发严重。人为活动，特别是交通运输、工业生产过程中化石燃料(煤、石油等)燃烧导致污染物(颗粒物、重金属、多环芳烃、NOx、CO、BC等)的大量排放，不仅影响城市大气环境质量和导致全球气候变化[10]，还会直接危害人体健康[11]。扬尘源是城市大气颗粒物的重要来源，其对PM2.5和PM10的贡献已得到广泛的研究。如芮冬梅等[12]研究发现，南京环境空气中48%(质量分数)的PM10来源于扬尘和土壤尘等开放源类。KARANASIOU等[13]研究指出，西班牙马德里市来源于道路扬尘的PM10占29%(质量分数)。HUANG等[14]对中国2013年冬季严重灰霾期间北京、上海、广州和西安PM2.5的同步研究发现，西安扬尘对大气PM2.5的贡献高达46.3%。目前，国际上对土壤[15-17]、冰雪[18]、沉积物[19]和大气降尘[20]2097-2099中BC已开展了相关研究，但对扬尘中BC的研究尚未深入，特别是对不同类型扬尘中BC的分布及来源的研究较缺乏。

孝感是湖北省区域性中心城市，是武汉城市圈和长江中游城市群重要成员，其扬尘污染也可能通过大气传输过程影响武汉环境空气质量。本研究以孝感为研究对象，对比研究不同类型扬尘(土壤尘、道路尘、堆场尘、建筑尘、大气降尘)中总有机碳(TOC)和碳组分(BC、焦炭和烟炱)的浓度特征及变化，并通过BC和TOC质量比(BC/TOC)、焦炭和烟炱质量比(焦炭/烟炱)对扬尘中BC的来源进行分析和讨论，为明确扬尘中BC分布特征、加深对BC来源的认识和区域大气污染防治工作提供科学依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

2018年10月，在孝感城区用毛刷和塑料铲采集5种不同类型扬尘源样品共计45个，其中道路尘17个、堆场尘7个、大气降尘5个、土壤尘8个、建筑尘8个，采样点分布见图1。主要在城市机动车道两侧铺装或未铺装路面采集道路尘样品；主要在城区及郊区周边的露天生活垃圾堆采集堆场尘样品；主要在一些建筑物表面、商铺卷帘门、路边变电箱和空调外机表面、房屋窗台等距地面1.5～1.8 m处采集大气降尘样品；主要在城区一些裸露的地表土壤或郊区农田表层土壤采集土壤尘样品；主要在城区建筑施工区域采集建筑尘样品。每个采样点均经多方位采集后混合得到约200～300 g扬尘样品，密封保存于塑料自封袋中带回实验室。经风干后，去除样品中的砂粒、石块、动植物残体、塑料碎片等杂物，道路尘、堆场尘、大气降尘和建筑尘直接过200目筛后保存，土壤尘样品经研磨后过200目筛。

图1 采样点分布

1.2 分析方法

按照《土壤有机碳的测定重铬酸钾氧化-分光光度法》(HJ 615—2011)测定TOC。

采用热光反射法[2]2465-2466，并根据IMPROVE_A程序升温协议，分别测定BC、焦炭和烟炱浓度。随机挑选部分样品进行重复测量，以保证测量的精度。BC、焦炭和烟炱重复测量的相对标准偏差分别为3.8%～16.5%、5.6%～34.7%、4.2%～41.5%。

1.3 数据处理与分析

用Excel 2010和SPSS 19.0软件进行数据处理与分析，利用Origin 8.5和ArcGIS 10.2进行制图。

2 结果与讨论

2.1 扬尘中TOC和碳组分浓度

孝感扬尘中TOC、BC、焦炭和烟炱平均值分别为4.32、1.45、0.79、0.65 g/kg(见表1)。扬尘类型不同，TOC和各碳组分浓度差异也较大。扬尘中TOC平均值表现为道路尘>建筑尘>土壤尘>大气降尘>堆场尘；BC表现为道路尘>土壤尘>建筑尘>大气降尘>堆场尘；焦炭表现为道路尘>建筑尘>土壤尘>大气降尘>堆场尘；烟炱表现为道路尘>土壤尘>大气降尘>建筑尘>堆场尘(见表2)。由此可见，道路尘TOC和各碳组分浓度最高，而堆场尘最低。由于受到交通运输、城市建设、工业生产等人为活动的多重影响，导致各种污染物在道路尘中大量累积，因此TOC和各碳组分浓度最高。而堆场尘主要采集于城郊区一些相对偏远的地点，受局地人为活动污染源的影响较小，可能更多受到分散源大气沉降的影响，因此TOC和各碳组分浓度最低。霍婷婷等[30]研究发现，山西运城市3种粒径段降尘颗粒中TOC为14.3～21.31 μg/g；粗粒级降尘中TOC高，而小粒级降尘中TOC低。也有研究发现，粗粒级土壤颗粒比小粒级更容易累积BC[31]。本研究中大气降尘TOC和BC浓度低于土壤尘、建筑尘，可能与实验分析的是过200目筛的小粒级降尘样品有关，因此导致大气降尘TOC和BC测定结果偏低。

与其他地区的研究结果相比，孝感扬尘TOC浓度明显较低；道路尘BC浓度明显低于西安和芜湖，但略高于加纳库玛西市和淮南；大气降尘BC浓度明显低于黄石；土壤尘BC浓度高于黄土高原，但低于兰州、聊城、北京和上海；道路尘焦炭浓度高于淮南，与加纳库玛西市接近，但低于西安；道路尘烟炱浓度明显高于加纳库玛西市和淮南，但明显低于西安。不同城市BC测量结果之间的差异较大，可能有两个原因：(1)分析方法不同。方法比较实验表明，不同的测量方法可得到截然不同的BC结果[32]。如WANG等[29]采用重铬酸钾氧化法测得的上海土壤BC质量浓度约是热化学氧化法的2倍。(2)由于燃料结构、机动车数量、道路交通密度、人口数量、工业污染源分布等存在差异，导致不同城市扬尘中BC的富集量有较大的空间变异。

2.2 扬尘中BC/TOC和焦炭/烟炱

已有研究表明，BC/TOC可在一定程度上反映燃烧排放BC的来源和人为活动强度[33]。一般认为，BC/TOC在0.11±0.03附近时，BC的主要来源为生物质燃烧；BC/TOC约为0.5时，则BC的主要来源为化石燃料燃烧[34]。本研究扬尘中BC/TOC为0.01～0.74(见表3)，平均值为0.34，说明不同地点扬尘中BC来源的差异性较大。5种类型扬尘中BC/TOC平均值都小于0.5，且表现为土壤尘>大气降尘>道路尘>建筑尘和堆场尘。由表3可见，孝感道路尘BC/TOC平均值为0.32，明显高于加纳库玛西市和淮南，但低于西安；土壤尘BC/TOC平均值为0.45，比兰州、北京、聊城和上海稍高，明显高于黄土高原。由于城市人为扰动增多会导致化石燃料和生物质燃烧排放输入土壤的BC增多，因此孝感土壤尘BC/TOC较高。总体来看，孝感扬尘中BC的来源是化石燃料和生物质燃烧，其中化石燃料燃烧可能占主导，当然不同类型扬尘中BC来源的贡献可能有所差异。研究表明，局地BC排放源的影响同样能直接通过环境样品BC/TOC反映出来。如LIU等[23]研究发现，淮南火力发电厂周边道路尘与潜在源样品的BC/TOC反映了BC主要受到化石燃料燃烧的影响，特别是燃煤电厂排放的飞灰可能是BC的重要来源。

焦炭和烟炱是化石燃料或生物质在不同燃烧温度条件下的燃烧产物[35]，燃料来源不同排放颗粒物中焦炭/烟炱也存在差异。通常高温燃烧(如机动车尾气、工业过程)会产生较低的焦炭/烟炱，而低温燃烧(如家庭烹饪过程、生物质燃烧)会产生较高的焦炭/烟炱[36]596-597。煤燃烧产生的焦炭/烟炱取决于煤的类型，如烟煤比无烟煤燃烧产生更大的焦炭/烟炱[36]602-603。CAO等[37]对西安大气气溶胶的研究发现，生物质燃烧排放颗粒物的焦炭/烟炱为11.6，而煤燃烧则为1.9。CHOW等[38]研究美国德克萨斯州西南典型排放源PM2.5和PM10样品的化学成分谱特征时发现，焦炭/烟炱为22.6时指示生物质燃烧，为0.6时指示机动车排放。本研究中扬尘焦炭/烟炱为0.03～10.67，平均值为1.92，说明孝感扬尘中BC受到化石燃料和生物质燃烧的共同影响。由表3可见，孝感道路尘焦炭/烟炱平均值为2.02，低于淮南，这与淮南道路尘更多受到燃煤电厂排放影响有关；大气降尘焦炭/烟炱平均值为1.79，高于黄石；土壤尘和堆场尘焦炭/烟炱平均值较接近，为1.0左右；建筑尘焦炭/烟炱平均值(3.47)最高，这与建筑施工活动有关。建筑施工过程中水泥和混凝土是常用原料，而粉煤灰是水泥、混凝土的重要掺合料[39]，其中未燃尽碳主要是煤不完全燃烧的产物，主要是焦炭，因此导致建筑尘中焦炭/烟炱明显高于其他类型扬尘。

表3 孝感与其他城市扬尘中BC/TOC、焦炭/烟炱对比

总体来看，BC/TOC和焦炭/烟炱均反映孝感扬尘中BC的来源为化石燃料和生物质燃烧的混合源，其中化石燃料燃烧，特别是机动车排放和燃煤可能是BC的主要来源，这也与研究城市的道路交通环境和能源消费结构特征相一致。

2.3 扬尘中TOC与BC及各碳组分之间的相关性分析

孝感扬尘中TOC与BC及各碳组分之间的相关性见图2。孝感扬尘中BC与TOC之间有显著的正相关性(r2=0.88)，说明扬尘中BC与TOC的积累是协同的，BC与扬尘TOC有相似的来源。大气降尘[20]2100-2102、城市地表灰尘[24]和土壤[28]中也发现了相似的结论。焦炭与烟炱之间相关性不显著(r2=0.36)，这可能与它们具有不同的来源有关。焦炭一般来源于生物质和煤的燃烧，而烟炱主要来源于机动车尾气[36]596-597。BC与焦炭、烟炱均有显著的正相关性(r2分别为0.87、0.72)。从线性拟合方程的斜率可以看出，孝感扬尘中BC组分的主要贡献来源是焦炭，也说明燃煤和生物质燃烧是BC的主要来源。ZHAN等[25]发现，偏远的黄土高原地区表层土壤中BC的主要贡献来源是焦炭，可能更多受到燃煤和生物质燃烧的影响。因为秸秆焚烧回田利用在农村地区十分常见，而且黄土高原地区农村家庭做饭、冬季取暖主要使用的燃料也是煤或秸秆，这与长江中游城市地区的能源消费特征存在一定差异。