王欣欣,亓學(xué)奎,李晉生，孟德發(fā)，史靜，武曉劍，霍茂清

1.北京市理化分析測(cè)試中心，北京 100089 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012 3.北京精誠(chéng)博?？萍加邢薰荆本?100076

近年來(lái)，在我國(guó)京津冀、華東等地區(qū)霧霾天氣頻發(fā)，特別是在2013年一年之中，多地遭遇大范圍持續(xù)霧霾，僅在1月北京市就有26 d為霧霾天氣，為1954年以來(lái)同期最多，由此引發(fā)的大氣污染問(wèn)題已引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注[1]。有研究[2-5]表明，大氣中一些有毒有害物質(zhì)可對(duì)人體呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)造成直接影響，大氣污染與人口死亡率正相關(guān)。嚴(yán)重的大氣污染已經(jīng)對(duì)北京乃至全國(guó)人民的身心健康產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，因此，治理北京大氣污染現(xiàn)狀迫在眉睫。

研究[6-8]表明，類似北京的特大型城市環(huán)境中，機(jī)動(dòng)車及交通污染是大氣污染——尤其是PM2.5污染的主要貢獻(xiàn)因素之一，機(jī)動(dòng)車尾氣排放及路面揚(yáng)塵均可產(chǎn)生大量污染。朱先磊等[6]研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)動(dòng)車尾氣排放對(duì)PM2.5的直接貢獻(xiàn)率為5.6%(PAHs源成分譜擬和法)～15.5%(機(jī)動(dòng)車排放/交通塵源成分譜解析法)，除了直接排放外，二次氣溶膠中，機(jī)動(dòng)車尾氣排放的NOx與燃煤產(chǎn)生的SO2聯(lián)合貢獻(xiàn)了總氣溶膠的9.6%；而機(jī)動(dòng)車尾氣排放的有機(jī)物光化學(xué)反應(yīng)形成的二次氣溶膠也對(duì)PM2.5污染有很大貢獻(xiàn)；此外，在路面揚(yáng)塵的18.1%貢獻(xiàn)中，交通道路揚(yáng)塵也是其中的主要因素。綜上所述，交通來(lái)源污染是城市中大氣污染尤其是細(xì)顆粒物污染的主要因素之一。目前利用道路抑塵劑降低可吸入顆粒物的應(yīng)用研究在我國(guó)還鮮有報(bào)道，而與筆者研制的抑塵劑相似的產(chǎn)品在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)得到了應(yīng)用，但主要集中在高速公路和隧道中[9-10]，對(duì)城市道路的應(yīng)用還很少，倫敦舉辦奧運(yùn)會(huì)時(shí)，曾大規(guī)模使用過(guò)類似產(chǎn)品。研究[11]表明，抑塵劑有效地減少了機(jī)動(dòng)車排放產(chǎn)生的揚(yáng)塵，PM10濃度降低了10%～20%。筆者以北京市豐臺(tái)區(qū)看丹橋附近區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)應(yīng)用研制的新型道路抑塵劑，抑制北京區(qū)域道路揚(yáng)塵污染及減少機(jī)動(dòng)車尾氣在大氣中的擴(kuò)散污染，并通過(guò)交通帶PM2.5、PM10和NOx及相關(guān)參數(shù)分析表征其實(shí)際效率，以期為解決日益嚴(yán)重的大氣污染問(wèn)題提供新途徑。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

采用由首創(chuàng)北京精誠(chéng)博?？萍加邢薰咎峁12]的，以鈣鎂絡(luò)合物為主要組成物質(zhì)，外加助劑復(fù)配而成的一種新型環(huán)保抑塵劑。

1.2 道路抑塵劑施工及監(jiān)測(cè)布點(diǎn)方法

選定試驗(yàn)區(qū)域?yàn)楸本┦胸S臺(tái)區(qū)看丹橋附近交通帶，具體位置及抑塵劑噴灑范圍如圖1所示。施工方法：配置100 g/L抑塵劑溶液，利用環(huán)衛(wèi)灑水車對(duì)路面進(jìn)行噴灑作業(yè)。噴灑總面積約40萬(wàn)m2，折合抑塵劑用量為10 g/m2。噴灑只在2013年10月15日凌晨進(jìn)行一次，并同時(shí)用相同水量噴灑對(duì)照點(diǎn)周圍路面，隨后不對(duì)區(qū)域路面做任何處理，直至監(jiān)測(cè)結(jié)束，以便對(duì)比空氣治理效果。噴灑抑塵劑前2 d即2013年10月13日開(kāi)始監(jiān)測(cè)，總共監(jiān)測(cè)14 d，于2014年10月26日結(jié)束。圖1中采樣點(diǎn)A(39°50′59″N，116°17′2″E)為未噴灑抑塵劑路段對(duì)照點(diǎn)，采樣點(diǎn)B(39°51′44″N，116°17′2″E)為噴灑抑塵劑路段監(jiān)測(cè)點(diǎn)，均收集PM2.5、PM10、NOx樣品以作對(duì)照，布點(diǎn)高度為1.5 m，緊鄰馬路呼吸帶，顆粒物采樣時(shí)間22 h，NOx采樣時(shí)間10 h(每間隔2 h采樣2 h)。顆粒物采樣流速100 L/min，NOx采樣流速0.2 L/min，監(jiān)測(cè)過(guò)程中每天采集樣品1次。氣象資料顯示，監(jiān)測(cè)過(guò)程中氣象條件變化較小。測(cè)試氣象條件：大氣壓約101.0 kPa，濕度平均為44.0%，風(fēng)向西南，風(fēng)力微風(fēng)或無(wú)持續(xù)風(fēng)向。監(jiān)測(cè)期間氣溫、氣象條件及大氣污染指數(shù)如表1所示。

注：A為對(duì)照點(diǎn)；B為噴灑點(diǎn)。圖1 抑塵劑噴灑路線及采樣點(diǎn)布設(shè)Fig.1 Sprayed area sketch & sample point sketch map

采用重量法[13]對(duì)PM2.5、PM10進(jìn)行收集和測(cè)定；采用鹽酸萘乙二胺分光光度法[14]對(duì)NOx進(jìn)行測(cè)定；樣品采集所用設(shè)備為青島嶗山應(yīng)用技術(shù)研究所生產(chǎn)的2050型多功能采樣器，現(xiàn)場(chǎng)工作流量為100 L/min，所用采樣濾膜為石英纖維濾膜(Whatman，90 mm)，采樣前在馬弗爐中500 ℃下灼燒4 h，采樣前后用1/105的電子天平準(zhǔn)確稱量。

表1 監(jiān)測(cè)期間氣象條件Table 1 The weather conditions during experiment

2 結(jié)果與討論

采用道路抑塵的方式控制交通帶產(chǎn)生的大氣污染物，進(jìn)行連續(xù)14 d的監(jiān)測(cè)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，控制效果統(tǒng)一表征方法為同一天噴灑點(diǎn)與未噴灑點(diǎn)濃度之比即為抑塵劑的作用效果。

2.1 對(duì)PM10的控制效果分析

圖2為噴灑點(diǎn)及對(duì)照點(diǎn)PM10濃度變化對(duì)照。從圖2可以看出，該方法對(duì)PM10的控制效果明顯。與對(duì)照點(diǎn)相比，PM10濃度在14 d內(nèi)平均減少了25.0%(14 d濃度比值之平均值)，并且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，控制效率逐漸降低，從最初的40.0%(開(kāi)始噴灑后3天濃度比值之平均值)左右降低至19.6%(最后3天濃度比值之平均值)。另外，在監(jiān)測(cè)的14 d中，空氣污染指數(shù)不盡相同，由表1可以看出，在第3天，第7天，第12天大氣污染情況較好，相應(yīng)地，噴灑點(diǎn)與對(duì)照點(diǎn)的PM10濃度也比較接近。這也從側(cè)面反映出抑塵劑抑塵的主要原理為在大氣與抑塵劑的接觸面上滯留及吸收大氣污染物。所以，隨著大氣中污染物濃度增加，抑塵劑的效果愈加顯著。

注：第3天噴灑抑塵劑。圖2 對(duì)照點(diǎn)(A)與噴灑點(diǎn)(B)PM10濃度對(duì)照Fig.2 PM10 concentration variation comparing between control point(A) and sprayed point (B)

2.2 PM10成分變化分析

以PM10、PM2.5為代表的大氣顆粒物被證明含有復(fù)雜的化學(xué)成分，是包含了諸多有機(jī)物、無(wú)機(jī)物及各種元素的復(fù)雜整體。不同區(qū)域顆粒物的化學(xué)組成、比例也并不相同。而顆粒物的成分組成及變化與它可能造成的人體健康影響有著直接的關(guān)系[16]。所以，在試驗(yàn)中除了掌握顆粒物整體濃度變化之外，也據(jù)此對(duì)顆粒物的成分變化進(jìn)行了分析，以便更加詳實(shí)地掌握抑塵劑對(duì)污染控制的效果。

試驗(yàn)表明，PM10中水溶性陰離子的變化規(guī)律與PM10的濃度變化并不一致。圖3為PM10中水溶性陰離子濃度變化。從圖3可以看出，陰離子總體濃度降低程度與PM10濃度的降低相比并不顯著，14 d內(nèi)平均降低了9.0%。

注：A為對(duì)照點(diǎn)；B為噴灑點(diǎn)。第3天噴灑抑塵劑。圖3 PM10水溶性陰離子濃度變化對(duì)照Fig.3 PM10 water-soluble anionic concentration variation comparing

圖5為PM10中10種元素濃度變化。從圖5看出，通過(guò)噴灑道路抑塵劑，所測(cè)元素濃度總和有明顯降低，表明道路抑塵劑對(duì)交通污染有較好的抑制效果，14 d內(nèi)抑塵率平均減低19.2%。另外，值得注意的是，一些金屬元素濃度變化可以直接反映出道路抑塵劑對(duì)汽車尾氣元素排放的吸收效果。圖6為PM10中各元素噴灑點(diǎn)與對(duì)照點(diǎn)的濃度比。圖6表明，Ca等地殼元素濃度的大量降低可以說(shuō)明抑塵劑對(duì)交通揚(yáng)塵具有很好的抑制作用，另外，Pb、Mn等機(jī)動(dòng)車尾氣排放的元素濃度[17-18]的降低也說(shuō)明抑塵劑對(duì)機(jī)動(dòng)車尾氣具有一定的吸收作用，避免了其再向大氣中擴(kuò)散。在被測(cè)元素中，Cl元素濃度降低最為明顯，這和水溶性陰離子分析結(jié)果相符。

注：A為對(duì)照點(diǎn)；B為噴灑點(diǎn)。第3天噴灑抑塵劑。圖5 PM10中10種元素濃度變化Fig.5 PM10 elements concentration variation comparing

注：第3天噴灑抑塵劑。圖6 PM10中各元素在噴灑點(diǎn)(B)和對(duì)照點(diǎn)(A)的濃度比Fig.6 PM10 elements concentration percentage between sprayed point (B) and control point (A)

2.3 對(duì)PM2.5的控制效果分析

抑塵劑對(duì)大氣中PM2.5具有一定的控制作用，但效果沒(méi)有PM10明顯。PM2.5粒徑較小，不容易在近地面抑塵劑層凝滯，且PM2.5的主要來(lái)源與PM10有很大差異。以北京市為例，PM2.5中約有30%～40%來(lái)自原始排放，20%～30%來(lái)自大氣中的光化學(xué)轉(zhuǎn)化[19]，可以看出，機(jī)動(dòng)車直接排放和路面揚(yáng)塵只是其中一部分，而較大部分來(lái)源于光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的二次氣溶膠，所以該方法對(duì)PM2.5的抑制作用沒(méi)有PM10明顯。對(duì)PM2.5抑制效果的表征方法與PM10相同。

圖7為噴灑點(diǎn)及對(duì)照點(diǎn)PM2.5的濃度變化對(duì)比。從圖7可以看出，該方法對(duì)PM2.5的控制效果沒(méi)有PM10明顯，可能的原因是PM2.5顆粒粒徑較小，在大氣中不易沉降與抑塵劑噴灑面接觸。盡管效果沒(méi)有PM10明顯，但其濃度變化規(guī)律與PM10是相同的。同樣在第3天、第7天、第12天污染較輕的天氣噴灑點(diǎn)與對(duì)照點(diǎn)的濃度也比較接近，而在第4天和第9天等污染較重的天氣2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)差值較大。PM2.5在14 d內(nèi)平均減少了12.0%，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，抑塵率逐漸降低，從最初的24.2%(開(kāi)始噴灑后3 d濃度比值之平均值)降至9.4%(最后3 d濃度比值之平均值)。

注：第3天噴灑抑塵劑。圖7 對(duì)照點(diǎn)(A)與噴灑點(diǎn)(B)PM2.5濃度變化Fig.7 PM2.5 concentration variation comparing between control point (A) and sprayed point (B)

2.4 PM2.5成分變化分析

圖8為PM2.5中總水溶性陰離子的濃度變化對(duì)比，圖9為PM2.5中各水溶性陰離子在噴灑點(diǎn)與對(duì)照點(diǎn)的濃度比。從圖8和圖9看出，受制于試驗(yàn)精度影響，與第1天和第2天的對(duì)照點(diǎn)相比，噴灑抑塵劑后，水溶性陰離子未發(fā)現(xiàn)明顯變化，陰離子合計(jì)濃度降低約3%～5%。但與PM10試驗(yàn)結(jié)果一樣的是，Cl-濃度下降最為明顯，12 d平均降低19.5%。

圖10為PM2.5顆粒中10種元素的濃度變化，圖11為PM2.5顆粒中10種元素在噴灑點(diǎn)與對(duì)照點(diǎn)的濃度比。從圖10和圖11可以看出，相比于PM2.5濃度，PM2.5元素成分變化比較明顯，所測(cè)10種元素濃度平均降低了16.8%。Cl元素降低最為明顯，為27.8%。抑塵劑對(duì)地面揚(yáng)塵產(chǎn)生的Ca元素及汽車尾氣可能排放的Pb、Mn元素均有很好的控制效果，它們的濃度分別降低了18.4%、16.8%和14.3%。這些指示性元素濃度的明顯降低說(shuō)明了通過(guò)在地面噴灑抑塵劑，可以有效地阻止汽車尾氣中有害元素及路面揚(yáng)塵物質(zhì)向大氣中遷移擴(kuò)散，從而防治交通源產(chǎn)生的大氣污染。

注：A為對(duì)照點(diǎn)；B為噴灑點(diǎn)。第3天噴灑抑塵劑。圖8 PM2.5中水溶性陰離子濃度變化對(duì)照Fig.8 PM2.5 water-soluble anionic concentration variation comparing

注：第3天噴灑抑塵劑。圖9 PM2.5中水溶性陰離子在噴灑點(diǎn)(B)與對(duì)照點(diǎn)(A)的濃度比Fig.9 PM2.5 water-soluble anionic concentration percentage between sprayed point (B) and control point (A)

PM2.5監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果說(shuō)明PM2.5相對(duì)于PM10較難抑制，但可通過(guò)這種噴灑抑塵劑的方式最大限度限制地面揚(yáng)塵及吸收一定的汽車尾氣排放，減少細(xì)顆粒凝結(jié)核及二次氣溶膠前體物，從而間接減少PM2.5在大氣中的濃度。

注：A為對(duì)照點(diǎn)；B為噴灑點(diǎn)。第3天噴灑抑塵劑。圖10 PM2.5中各元素濃度變化對(duì)照Fig.10 PM2.5 elements concentration variation comparing

注：第3天噴灑抑塵劑。圖11 PM2.5中各元素在噴灑點(diǎn)(B)與對(duì)照點(diǎn)(A)的濃度比Fig.11 PM2.5 elements concentration percentage between sprayed point (B) and control point (A)

2.5 NOx控制效果分析

對(duì)照點(diǎn)與噴灑點(diǎn)NOx濃度變化如圖12所示。由圖12可見(jiàn)，抑塵處理對(duì)NOx在短時(shí)間內(nèi)具有一定的效果，前6 d NOx濃度平均降低20.1%，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，在隨后的監(jiān)測(cè)過(guò)程中并未發(fā)現(xiàn)明顯效果。

根據(jù)以上分析結(jié)果，12 d內(nèi)抑塵劑噴灑對(duì)大氣污染物的控制效果如表2所示。

注：第3天噴灑抑塵劑。圖12 對(duì)照點(diǎn)(A)與噴灑點(diǎn)(B)NOx濃度變化Fig.12 NOx concentration variation comparing between control point (A) and sprayed point (B)

表2 抑塵劑對(duì)3種污染物的綜合處理效果Table 2 The results of dust-suppressant agent effection for atmospheric pollution in the research %

3 結(jié)論

通過(guò)噴灑道路抑塵劑可以在一定范圍內(nèi)改善大氣污染狀況，其對(duì)PM10的控制作用最為明顯，PM2.5次之，對(duì)NOx在短期內(nèi)較為有效。

道路抑塵劑的使用根據(jù)目前監(jiān)測(cè)的指標(biāo)來(lái)看，未給大氣帶來(lái)新的污染物，隨后可在大氣污染較嚴(yán)重的交通區(qū)域進(jìn)行更大規(guī)模的試驗(yàn)，獲得更為豐富的數(shù)據(jù)進(jìn)行環(huán)境生態(tài)及效果評(píng)估，以彌補(bǔ)該項(xiàng)研究的不足。

考慮到空氣的流動(dòng)性，大氣污染具有較強(qiáng)的區(qū)域作用，單純的控制一小段公路并不能在很大程度上影響空氣質(zhì)量。推斷隨著噴灑面積的擴(kuò)大或與其他控制手段聯(lián)合作用，可使其效果增倍，最終實(shí)際效果好于該次評(píng)估結(jié)果。

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