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        銅陵市顆粒物污染過程中金屬元素污染分析

        2024-12-21 00:00:00章俊徐學哲張紅秦志勇吳旭東
        中國新技術新產品 2024年16期
        關鍵詞:銅陵市金屬元素顆粒物

        摘 要:為識別銅陵市PM2.5的來源,2023年4月對銅陵市PM2.5中10種金屬元素(Fe、Al、Ca、K、Zn、Mn、Pb、Cu、Cr和Se)小時濃度進行監(jiān)測,分析期間一次顆粒物嚴重污染過程中金屬元素的污染特征,采用正定矩陣因子分解(PMF)模型解析其來源。結果表明,本次污染過程中10種金屬元素濃度之和的均值為6730.3ng/m3±5819.5ng/m3,在PM2.5中平均占比為8.6%±4.9%。Fe、Al和Ca是3種主要的金屬元素,濃度平均值分別為1957.3ng/m3±1677.9ng/m3、1956.2ng/m3±1951.6ng/m3和1457.9ng/m3±1443.8ng/m3。PMF來源解析結果顯示:建筑塵、揚塵源、工業(yè)源、燃煤源和機動車源是PM2.5中金屬元素的主要來源,分別為68.36%、19.52%、6.11%、4.25%和1.76%。研究結果可為本區(qū)域精細化PM2.5管控提供一定的科學依據。

        關鍵詞:顆粒物;金屬元素;銅陵市;來源解析

        中圖分類號:X 513" " " 文獻標志碼:A

        “十四五”以來,我國大氣污染防治日見成效,但區(qū)域性霧霾污染仍然頻發(fā),我國大部分城市的空氣首要污染物仍然是細顆粒物(PM2.5)[1]。PM2.5由于其粒徑小、面積大、活性強,且易附帶有毒、有害物質(例如重金屬、微生物等),因此其濃度越高,說明空氣污染越嚴重。

        在PM2.5的組分中,金屬元素是大氣顆粒物(PM2.5)的重要組成部分,由于其化學穩(wěn)定性和源特異性,因此在顆粒物來源解析中普遍用作污染源的指示物[2],須對PM2.5中的金屬元素進行相關研究,這對進一步厘清PM2.5的來源具有重要意義。

        銅陵市作為長江經濟帶的節(jié)點城市,同時也是承接產業(yè)轉移示范區(qū)的重要城市[3-4]。為持續(xù)改善銅陵市空氣環(huán)境質量,有必要對高時間分辨率PM2.5中金屬元素進行污染特征研究,以獲得更加精細化的源解析結果。本研究以2023年4月銅陵市一次顆粒物嚴重污染過程為例,采用在線多金屬監(jiān)測儀對污染期間PM2.5中的10種金屬元素小時濃度水平進行監(jiān)測,分析其污染特征,使用PMF受體模型解析金屬元素的來源。分析結果可為銅陵市PM2.5的精細化控制提供數據支撐,從而更有效地控制大氣污染,保護公眾健康。

        1 材料與方法

        1.1 采樣地點

        采樣點位于銅陵市銅官區(qū),選擇在銅陵市第四中學樓頂(117.82°E,30.94°N),周邊屬于商業(yè)、交通和居民混合區(qū),臨近街道,周圍無高大建筑物,能夠較好地代表銅陵市典型的城區(qū)環(huán)境,采樣口距地面約25m。周邊5km范圍內分布一些大型有色金屬和鋼鐵企業(yè),具有一定的代表性。

        1.2 采樣設備及質控

        本研究采用江蘇某儀器股份有限公司的大氣重金屬在線分析儀來監(jiān)測小時分辨率的PM2.5中Pb(鉛)、Cd(鎘)、Hg(汞)、As(砷)、Cr(鉻)、Cu(銅)、Zn(鋅)、Ni(鎳)、Ba(鋇)、Fe(鐵)、Ag(銀)和Se(硒)等30種元素。本研究根據采樣點實際情況,選取PM2.5中Fe、Al、Ca、K、Zn、Mn、Pb、Cu、Cr和Se這10種金屬元素用于研究。該設備采用大氣顆粒物自動富集技術,將一定動力學直徑范圍內PM2.5的顆粒物自動富集在卷狀濾膜上,采用高度集成專利探測器和X射線熒光數字多道分析技術檢測重金屬顆粒物在X射線激發(fā)下產生的X熒光,通過定時、定流量的富集后可以直接測量標態(tài)下顆粒物的濃度以及其中重金屬的濃度,對空氣中PM2.5以及重金屬元素進行自動連續(xù)監(jiān)測。

        1.3 數據來源

        基于安徽省生態(tài)環(huán)境廳空氣質量實時數據發(fā)布平臺,選取和采樣點同一樓層的銅陵市第四中學國控站點發(fā)布的污染物濃度數據。污染物濃度數據覆蓋觀測期間,時間分辨率為1h。

        1.4 來源解析方法

        正定矩陣因子分析模型(Positive Matrix Factorization,PMF)是一種是建立在海量監(jiān)測數據基礎上的多元素解析工具,用于解析大氣污染物的來源[5]。基本原理是將受體矩陣分解為源成分譜矩陣,源貢獻矩陣和殘差矩陣。該模型是一種多元因子分析數學方法,將一個物種化樣本數據的矩陣分解為兩個矩陣因子。PMF的計算過程如公式(1)所示。

        (1)

        式中:Eik為k次監(jiān)測的污染物i的濃度;j為因子,Aik和Bik分別為源成分譜和源貢獻;εik為殘差。PMF主要是計算目標函數Q的最小值,目標函數如公式(2)所示。

        (2)

        在分析PMF前,要對原始數據的不確定度EF(Error Fraction)進行計算。由物種的檢出限(Method Detection Limit)和濃度數據共同確定每種組分的不確定度。計算過程如公式(3)、公式(4)所示。

        (3)

        (4)

        式中:U為不確定度;c為元素濃度;EF為誤差率,一般為10%。在本研究中具體金屬元素的觀測誤差、不確定度計算等細節(jié)參見以前的研究[2]。

        2 結果與討論

        2.1 污染過程概況

        2023年4月11—14日,此次污染過程共計4天,其中4月12日為嚴重污染天,空氣質量指數達到500。污染時長共計20h,污染時段主要發(fā)生在11日22:00—12日11:00、12日13:00—12日16:00和12日19:00—20:00。PM2.5的濃度范圍為18.0μg/m3~149.0μg/m3,均值為63.2μg/m3±30.0μg/m3,表明銅陵市PM2.5污染依然較為嚴重。

        2.2 PM2.5中金屬元素污染水平

        圖1、圖2為監(jiān)測期間PM2.5和10種金屬元素的濃度時間序列(4月13日12:00ND,19:00采集數據缺失)和監(jiān)測期間銅陵市金屬元素濃度小時變化。PM2.5中的10種金屬元素濃度之和為864.0ng/m3~21728.0ng/m3,均值為6730.3ng/m3±5819.5ng/m3。金屬元素濃度大小順序為:Fe[(1957.3±1677.9)ng/m3]gt;Al[(1956.2±1951.6)ng/m3]gt;Ca[(1457.9±1443.8)ng/m3]gt;K[(1061.5±728.6)ng/m3]gt;Zn[(142.8±124.5)ng/m3]gt;Mn[(65.5±43.8)ng/m3]gt;Pb[(60.2±42.8)ng/m3]gt;Cu[(19.2±19.2)ng/m3]gt;Cr[(6.4±4.7)ng/m3]gt;Se[(3.3±3.1)ng/m3]。

        在4月11日18:00后,PM2.5陡然升高,Fe、Ca、Mn、Al、Cr和K也呈急劇上升的趨勢,這表明這6種金屬元素和PM2.5具有較強的相關性;PM2.5在4月12日0:00達到峰值,隨后呈現逐漸下降的趨勢,而Zn、Pb和Cu在4月13日凌晨升高,在09:00—11:00達到峰值,這說明以上3種元素對PM2.5影響性較小,可能受到了其他源的污染。在監(jiān)測期間,Fe、Al和Ca是10種金屬元素中濃度較高的3種元素,在10種金屬元素質量之和中的占比分別為29.08%、29.07%和21.66%。10種金屬元素質量之和在PM2.5中的平均占比為8.6%±4.9%。

        監(jiān)測期間銅陵市排名前十的金屬元素為Fe、Al、Ca、K、Zn、Mn、Pb、Cu、Cr、Se分別占元素總量的13.68%、13.67%、10.19%、7.42%、1.00%、0.46%、0.42%、0.13%、0.04%和0.02%。

        PM2.5中包括各種微量元素,據研究知,常將Al和Ca作為建筑源的示蹤物,Pb、Cu和Cr主要來源于機動車排放,機動車排放對Se也有一定的貢獻,Cr和As主要來自煤燃燒,Fe、Mn、Zn主要來自鐵錳煉制排放,K常常作為生物質燃燒的示蹤物。

        對國內一些典型城市春季的研究結果進行對比,見表1,與國內其他城市相比,本研究的金屬元素濃度水平高于北京和上海等地。除了Zn外,本研究的其余金屬元素濃度高于嘉興。與南京、合肥和杭州相比,本研究的Zn、Cu和Cr濃度水平低于南京,其余元素濃度高于南京,所有元素都高于合肥和杭州。可以看出,銅陵市作為資源型城市,PM2.5中金屬元素濃度較高,須加強管控。

        2.3 來源解析

        通過PMF模型解析可知,銅陵市本次污染過程主要有5類PM2.5排放源,分別是建筑塵、揚塵源、機動車源、燃煤源和工業(yè)源。圖3為PMF解析的源成分譜圖,其中橫坐標為各無機元素,主縱坐標為絕對濃度(μg/m3),次縱坐標表示因子解釋率(%)。解析結果如下。

        因子1中貢獻較大的無機元素主要包括Ca、Al、Fe和K等,為與水泥、石灰建筑材料相關的地殼元素,因此確定因子1為建筑塵。因子2中貢獻較大的無機元素主要包括Cr、Mn、K和Al等,該因子譜中含有明顯的Cr元素,Cr主要源于土壤塵,表明該揚塵源中混有土壤塵,同時銅陵地處于安徽省中南部、長江下游,江河湖泊等水資源非常豐富,且周邊區(qū)域無黃塵沙漠,因此確定因子2為揚塵源,主要為本次污染過程中過境沙塵。因子3中貢獻較大的無機元素主要包括Pb和Se等,該因子譜中含有明顯的Pb元素,Pb元素是汽油燃燒排放的主要重金屬元素之一,因此確定因子3為機動車源。因子4中貢獻較大的無機元素主要包括Se、Zn和Mn等,可在燃煤活動中產生,Se常作為燃煤的指示物,因此確定因子3為燃煤源。因子5中貢獻較大的無機元素主要包括Cu和Zn等,Cu和Zn常見于工業(yè)冶煉中,同時它也是機動車潤滑油的主要添加劑。采樣點周邊地區(qū)分布著多家冶煉工廠,結合銅陵市工業(yè)體系特點來看,確定因子5為工業(yè)源。

        經過分析,本次污染過程PM2.5中金屬元素的主要來源包括建筑塵源、揚塵源、工業(yè)源、燃燒源和機動車源,銅陵市建筑塵源和揚塵源貢獻接近90%,是觀測期間PM2.5中金屬元素的主要來源,而工業(yè)源、燃燒源和機動車源貢獻率相對較低,這可能與銅陵市的產業(yè)布局緊密相關。銅陵市機動車保有量保持快速增長,第三產業(yè)迅猛發(fā)展,機動車尾氣排放、建筑揚塵等對大氣污染的貢獻明顯增加。受重工業(yè)外遷、能源結構升級等因素影響,工業(yè)排放、燃煤消耗逐年減少,監(jiān)測期間 PM2.5 中金屬元素 5 個來源的平均貢獻率如圖4所示。

        3 結論

        監(jiān)測期間銅陵市PM2.5濃度均值為38.6μg/m3±7.6μg/m3,Fe、Al和Ca是10種金屬元素中濃度較高的3種元素,在10種金屬元素質量之和中的占比分別為29.08%、29.07%和21.66%。

        基于小時分辨率金屬元素數據,采用PMF模型進行來源解析,結果表明建筑塵、揚塵源、工業(yè)源、燃煤源和機動車源是PM2.5中金屬元素的主要來源,分別為68.36%、19.52%、6.11%、4.25%和1.76%。

        “十四五”期間,銅陵市應進一步加強揚塵污染控制。嚴格執(zhí)行文明施工標準和拆除作業(yè)規(guī)范,加強預濕和噴淋抑塵措施和施工現場封閉作業(yè)管理。積極應對重污染天氣,保障人民的健康,推動經濟和社會綠色高質量發(fā)展,聚焦重點污染物、重點時段、重點區(qū)域,堅持精準治污、科學治污、依法治污。

        參考文獻

        [1] 雷建容,云龍,蘇翠平,等.深圳城市大氣PM2.5中金屬元素的在線測量與來源特征[J].環(huán)境科學學報,2019,39(1):80-85.

        [2] 李麗娟,溫彥平,彭林,等.太原市采暖季PM2.5中元素特征及重金屬健康風險評價[J].環(huán)境科學,2014,35(12):4431-4438.

        [3] 朱森,秦志勇.銅陵市2022年一次中度污染過程污染特征及成因分析[J].低碳世界,2023,13(3):16-18.

        [4] 楊婧,郭曉爽,滕曼,等.我國大氣細顆粒物中金屬污染特征及來源解析研究進展[J].環(huán)境化學,2014,33(9):1514-1521.

        [5] 李圣增,谷艷慧,楊秀娟,等.濟南市大氣PM2.5中重金屬污染特征及健康風險評估[J].四川環(huán)境,2023,42(5):96-103.

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