牛武江,蔣德海,王丹璐,張有賢,4
隨著城市規(guī)模的擴大,人口劇增、交通飛速發(fā)展、工業(yè)化程度加深等因素導(dǎo)致了嚴(yán)重的大氣污染[1-4]。中國是大氣顆粒物污染較嚴(yán)重的國家之一,其中細(xì)顆粒物(PM2.5)可被人直接吸入呼吸道造成危害,由于其在大氣中停留時間長,能被輸送到很遠(yuǎn)的地方,對人體健康和氣候變化都有很大影響[5-7],現(xiàn)階段人們對PM2.5污染尤為關(guān)注。顆粒物的粒徑越小,富集程度越高[8-9],吸附的有害物質(zhì)和重金屬越多,對人體的危害越大[10]。
根據(jù)蘭州市每日空氣質(zhì)量報告數(shù)據(jù)顯示,蘭州市空氣污染的首要污染物質(zhì)是PM10和PM2.5,其中PM2.5污染更為嚴(yán)重,因此其研究和控制工作刻不容緩。前期對蘭州市大氣環(huán)境污染的研究[11-16]發(fā)現(xiàn)蘭州市顆粒物污染季節(jié)性很強,冬季和春季污染程度較高[17]。所以,監(jiān)測蘭州市污染最嚴(yán)重的冬春季節(jié)PM2.5的污染情況,分析部分金屬元素的濃度及分布,為蘭州市大氣污染預(yù)防與治理提供前期的基礎(chǔ)工作,對評價蘭州市大氣環(huán)境質(zhì)量,制定防治對策有重要的現(xiàn)實意義。
于2013年1月3—12日、4月10—19日在蘭州市城區(qū)采集PM2.5樣品,每個點位采集480 個,具體點位由西向東依次為蘭煉賓館、職工醫(yī)院、鐵路設(shè)計院和生物制品所,采樣點距離地面13 ~15 m,附近500 m 范圍內(nèi)均無明顯點源污染,具有代表性,具體見表1。
表1 采樣點特征
采用美國MaiTe One 自動監(jiān)測采樣儀進行采樣,采樣時間為每天連續(xù)24 h,每小時采集1 個樣,采樣流量為16.7 L/min,濾膜為玻璃纖維濾膜,濾膜直徑11.5 cm。
1.2.1 樣品前處理
將剪碎的空白濾膜和樣品濾膜放入100 mL 聚四氟乙烯燒杯,加入10 mL 硝酸-鹽酸混合溶液(500 mL水中分別加入55.5、167.5 mL 硝酸和鹽酸,定容至1 L),加蓋,采用ST 60 全自動消解儀進行濾膜消解,加熱到100 ℃,保持2 h,充分搖勻,冷卻20 min,用去離子水定容至50 mL,靜置2 h。
1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制及元素分析方法
采用X seriesⅡ(美國)電感耦合等離子體質(zhì)譜儀檢測B、V、Mn、Fe、Co、Cu、Cd、Sb、Pb、Be、Ti、Cr、Mo、Ba、Tl、Ni、Sn 等17 種元素的含量。其中Be、Ti、Cr、Mo、Ba、Tl、Ni、Sn 含量由于低于檢出限而未檢測到。用內(nèi)標(biāo)法進行樣品分析,并繪制不同元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線,各元素標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性相關(guān)系數(shù)均優(yōu)于0.999 1,選擇Rh 作為內(nèi)標(biāo)元素克服基體效應(yīng)和信號漂移對元素測定的影響。
1.2.3 儀器工作參數(shù)
X seriesⅡ電感耦合等離子體質(zhì)譜儀的霧化流量為0.86 L/min,冷卻氣流量為13.0 L/min,輔助氣流量為0.80 L/min,矩管位置為水平49、垂直573,提取電壓為-134.0 V,RF 功率為1 216 W,采樣深度為150 steps。
采用Excel 與SPSS 進行統(tǒng)計分析。
觀測期間天氣晴朗,均無明顯的沙塵天氣和降水過程,因此監(jiān)測結(jié)果可代表蘭州市冬季和春季大氣顆粒物污染的一般性特征。各監(jiān)測點PM2.5日均監(jiān)測濃度見圖1,各監(jiān)測點具體監(jiān)測結(jié)果見表2。
圖1 蘭州冬季和春季PM2.5日均質(zhì)量濃度
表2 各監(jiān)測點PM2.5日均質(zhì)量濃度均值 μg/m3
圖1顯示監(jiān)測期間,PM2.5日均質(zhì)量濃度部分達到環(huán)境空氣質(zhì)量日均值二級標(biāo)準(zhǔn)(75 μg/m3),達標(biāo)天數(shù)為6 d,達標(biāo)率為30%,其中冬季達標(biāo)天數(shù)為1 d,春季達標(biāo)天數(shù)為5 d。冬季PM2.5污染較春季嚴(yán)重是由于冬季蘭州市靜風(fēng)天氣較多,大氣層結(jié)穩(wěn)定,顆粒物不易擴散[18]。由表2可知,生物制品所監(jiān)測點PM2.5日均質(zhì)量濃度為春季高于冬季,主要原因是蘭州市冬季主導(dǎo)風(fēng)向為東風(fēng),生物制品所監(jiān)測點位于最東邊,同時其上風(fēng)向區(qū)域內(nèi)存在部分工廠,春季工廠的生產(chǎn)活動較冬季活躍,因此該監(jiān)測點春季PM2.5濃度較冬季高。
富集因子通常用以表示大氣顆粒物中的元素富集程度,是判斷元素自然來源和人為來源的方法[19]。通常選擇一種相對穩(wěn)定的元素(R)作參比元素,將大氣顆粒物中待考查元素(i)與R 的相對濃度和地殼中相對元素(i)和R 的平均豐度比求得相對濃度,按式(1)求得富集因子:
式中:EF 為富集因子,Xi為待考察元素的濃度,XR為參比元素濃度。
參比元素一般選擇穩(wěn)定性好、土壤中含量較多的元素,國際上多用Fe、Al、Si、Ti、Sc 等,研究選擇Fe 作為參比元素。Pb、B、V、Fe、Cu、Mn、Cd、Co、Sb 元素的土壤背景值[20]分別為18.8、49.9、81.9、21 650、24.1、653.0、0.12、12.6、1.26 mg/kg。計算結(jié)果見表3。
表3 各監(jiān)測點冬季和春季金屬元素富集因子
表3表明,除Mn、Fe 元素之外的金屬元素富集因子均大于10,這些金屬元素的主要來源為人為源。其中,Pb 的富集因子最高,人為排放源對Pb 的影響最大。
蘭州市冬季PM2.5中金屬元素的總質(zhì)量濃度為 976.66 ng/m3,春季總質(zhì)量濃度為867.73 ng/m3,冬季高于春季。蘭州市各監(jiān)測點冬季和春季金屬元素平均質(zhì)量濃度見表4。
表4 蘭州冬季和春季4 個采樣點PM2.5中金屬元素的平均質(zhì)量濃度
表4顯示,蘭州市冬季和春季4 個監(jiān)測點PM2.5中金屬元素平均質(zhì)量濃度超過200 ng/m3的元素為Pb、B,濃度為100 ~200 ng/m3的元素為V、Fe,其余元素濃度低于100 ng/m3,其中Pb是含量最高的金屬元素,其平均質(zhì)量濃度達到373.8 ng/m3。
各監(jiān)測點金屬元素總質(zhì)量濃度中Pb、B、Fe、V 所占比例之和均為最高,均達到90%以上,蘭煉賓館監(jiān)測點為94.34%,生物制品所監(jiān)測點94.15%,職工醫(yī)院監(jiān)測點為95.76%,鐵路設(shè)計院監(jiān)測點為96.05%(圖2)。
圖2 各金屬元素在各監(jiān)測點占金屬元素總量比例
4 個監(jiān)測點冬季和春季各金屬元素含量與蘭州市整體水平對比見圖3。
圖3 冬季和春季PM2.5中各金屬元素含量對比
圖3(e)顯示蘭州市PM2.5中大多數(shù)金屬元素含量水平為冬季高于春季,個別元素(Cd、Pb)為春季高于冬季,這2 種金屬元素的富集因子高于1 000,人為排放對其影響較大,可能是因為春季工廠生產(chǎn)能力較冬季有所增加,使污染物排放增加所致。蘭煉賓館監(jiān)測點春季B、V、Mn、Fe、Pb等元素濃度高于冬季,其余元素為冬季高于春季。蘭煉賓館位于蘭州市西固區(qū),處于石油化工工業(yè)區(qū),工業(yè)排放對PM2.5中金屬元素有很大影響,Pb、V 元素主要來源于燃煤、燃油以及工業(yè)排放[19,21],春季工業(yè)區(qū)人為活動的頻繁發(fā)生是Pb、V 元素濃度略高的原因,F(xiàn)e、Mn 等來源于自然源的元素春季濃度較高與春季氣象因素有關(guān)。生物制品所監(jiān)測點除Cd 元素以外,其余元素均為冬季濃度高于春季。Cd 元素的主要來源是工業(yè)排放、燃煤、燃油等[22],其上風(fēng)向區(qū)域有工廠,同時其周圍交通干道春季車流量較高,造成了Cd 元素在春季濃度較冬季高。職工醫(yī)院監(jiān)測點大多數(shù)金屬元素含量為冬季高于春季,但Cu 元素春季高于冬季,主要原因是職工醫(yī)院位于蘭州市七里河區(qū),屬于輕工業(yè)和機械加工區(qū)以及鐵路樞紐區(qū),由于Cu 主要來源于燃煤、燃油、金屬加工[19]等,所以導(dǎo)致春季Cu 元素濃度高于冬季。鐵路設(shè)計院Pb、Cd 元素含量春季高于冬季,其余元素含量均為冬季高于春季。鐵路設(shè)計院位于城關(guān)區(qū),蘭州市第二熱電廠處于其上風(fēng)向,該廠采用粉煤灰制造空心砼等產(chǎn)品,在春季尤甚,有資料表明Pb等元素很容易富集在燃煤飛灰中[23],因此鐵路設(shè)計院監(jiān)測點Pb、Cd 元素的含量春季高于冬季。
表5列出了國內(nèi)部分城市PM2.5中金屬元素含量的平均值,其中香港相較于其他城市而言,PM2.5中金屬元素含量較低。其他城市中,Pb、Fe、Mn 等元素含量普遍偏高,除蘭州市以外,其他城市中Fe 元素含量高于Pb 元素。Fe 元素屬于地殼中含量較高的元素,自然源對其含量影響較大。蘭州市Fe 元素在PM2.5中富集較低的原因可能與蘭州市特殊的河谷地形有關(guān)。蘭州市PM2.5中Pb、V 元素含量是所列城市中含量最高的,蘭州地處西北,主要能源結(jié)構(gòu)是燃煤,Pb 元素的主要來源為鋼鐵工業(yè)排放和燃煤,V 元素的主要來源為燃煤和燃油,所以蘭州市Pb、V 元素高與工業(yè)和能源結(jié)構(gòu)有關(guān),同時Pb 元素濃度高也說明蘭州市工業(yè)污染比重較大。其他金屬元素含量與國內(nèi)其他城市持平或略低。
表5 蘭州與國內(nèi)部分城市PM2.5中金屬元素濃度列表 ng/m3
總體而言,蘭州市PM2.5中金屬元素含量較高,主要來源于人為排放(如燃煤排放、燃油排放、金屬加工等),分析原因主要有二:一是蘭州市的工業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)、地形和氣候等因素影響,二是蘭州市管理和政策落實的力度還不夠。
蘭州市各監(jiān)測點冬季金屬元素含量見圖4。
圖4 蘭州市冬季各監(jiān)測點PM2.5中金屬元素濃度
圖4顯示,生物制品所金屬元素含量較高,但在不同監(jiān)測點位又有其特殊性。B、V、Fe、Co 元素的含量高低次序為生物制品所>鐵路設(shè)計院>職工醫(yī)院>蘭煉賓館,Pb 元素含量高低次序為生物制品所>職工醫(yī)院>鐵路設(shè)計院>蘭煉賓館,Cu 元素含量高低次序為生物制品所>蘭煉賓館>鐵路設(shè)計院>職工醫(yī)院,Cd、Sb、Mn 元素含量在4 個監(jiān)測點上基本持平。由此可見,蘭州市冬季PM2.5中金屬元素的含量大小基本和監(jiān)測點由東向西的分布一致,同時也和蘭州市冬季的風(fēng)向(東風(fēng))基本一致。風(fēng)向?qū)μm州市冬季PM2.5重金屬元素濃度的區(qū)域分布起到了重要作用。
蘭州市各監(jiān)測點春季金屬元素含量見圖5。
圖5 蘭州市春季各監(jiān)測點PM2.5中金屬元素濃度
圖5顯示,PM2.5中各金屬元素的分布沒有明確特點,監(jiān)測點周圍有工業(yè)生產(chǎn)存在時金屬元素含量較高。來自土壤的Fe、Mn 元素含量在各監(jiān)測點有所不同,但差別不大。其余元素的來源各有不同,因此在不同的監(jiān)測點上表現(xiàn)出不同的濃度分布??傊?,金屬元素含量較高的監(jiān)測點周圍或多或少都有工業(yè)生產(chǎn)存在,所以春季PM2.5中金屬元素的分布特征與工業(yè)排放相關(guān)程度較高。
圖6顯示蘭州市冬季和春季PM2.5中金屬元素的平均含量在各監(jiān)測點的分布,平均值在各監(jiān)測點的濃度分布基本和春季相同。
圖6 蘭州市冬季和春季各監(jiān)測點PM2.5中金屬元素平均含量
以上分析表明蘭州市冬季和春季PM2.5中金屬元素的分布與氣象因素有關(guān),具體而言,冬季與風(fēng)向有關(guān),春季受工業(yè)排放影響較大。但整體上是與工業(yè)排放和工業(yè)的分布有關(guān),氣象因素只起部分作用。
1)蘭州市冬季和春季PM2.5污染嚴(yán)重,監(jiān)測期間達標(biāo)天數(shù)為6 d,達標(biāo)率為30%,其中冬季達標(biāo)天數(shù)為1 d,春季達標(biāo)天數(shù)為5 d。
2)蘭州市冬季PM2.5中金屬元素的總含量為976.66 ng/m3,春季總含量為867.73 ng/m3,冬季高于春季,Pb 是含量最高的金屬元素,平均含量達到373.8 ng/m3,各監(jiān)測點金屬元素總含量中Pb、B、Fe、V 4 種元素所占比例之和最高。
3)蘭州市PM2.5中金屬元素的來源主要為人為排放(如燃煤燃油排放、金屬加工等),且金屬元素含量的高低與人為排放活動強度密不可分。
4)與國內(nèi)其他城市相比,蘭州市PM2.5中污染濃度較高的是Pb、V 元素,其余元素基本處于同一水平,其原因主要有二:一是與蘭州市的工業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)、地形和氣候等因素有關(guān),二是蘭州市管理和政策落實的力度還不夠。
5)蘭州市冬季和春季PM2.5中金屬元素的空間分布主要受工業(yè)排放影響,氣象因素起輔助作用,PM2.5中金屬元素含量高低基本與蘭州市工業(yè)排放點相關(guān)。
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