PDF《北京市大气小颗粒物的污染源解析》

北京市大气小颗粒物的污染源解析 张晶陈宗良 王玮(中国环境科学研究院大气所 ,北京 100012) 摘要

1992 年11 月至

1993 年2月在北京市

5 个采样点采集了大气小颗粒物( <

210 μm) 样品和总悬浮颗粒物 样品 ,并采用等离子体发射光谱分析小颗粒物的化学成分 ,将其结果应用于化学质量平衡法解析污染源.

主要 结果 ,秋季各污染源的贡献率 :尘土为

1519 %、 燃煤为

2813 %、 燃油(汽车尾气) 为5411 %、 钢铁工业为

115 % :冬 季各污染源的贡献率 :尘土为

1912 %、 燃煤为

3717 %、 燃油(汽车尾气) 为4216 %、 钢铁工业为

013 %. 关键词 源解析 ;

气溶胶 ;

小颗粒物 ;

化学质量平衡 ;

北京. 气溶胶是大气污染物的一种重要形式. 气溶胶粒子的大小、 状态、 组成与人类生活、 健康密 切相关 ,粒径大小不同 ,被人吸入并且沉积在人的呼吸系统的部位也不同 ,对人的危害程度也 不同. 研究表明 ,细粒子在大气中飘浮时间长 ,对太阳光能产生散射和吸收作用 ,使大气能见度 降低 ,影响气候和交通. 大气颗粒物还对生态环境、 历史文物有严重的破坏作用 ,其中尤以细小 粒子破坏作用最大 ,因此治理大气污染最重要的是治理大气小颗粒物的污染. 而首要问题是解 析大气小颗粒物的污染源类型及各种污染源的贡献率. 本研究拟采取经典的化学质量平衡法对北京市的大气气溶胶小颗粒物解析污染源. 北京 作为我国北方一个重要城市 ,近几十年来 ,尤其在八十年代改革开放之后 ,随着工业商业、 交通 的迅速发展 ,其大气污染也日益严重. 王明星[1 ] 对北京市 TSP 观测结果是 ,1984 年平均 TSP 浓度超过

300 μg/ m3 (超过国家二级标准) . 汪安璞[2 ] 认为 ,北京市 TSP 中30 %的细小颗粒物小 于2μm ,因此本文着重解析北京市大气中小于

210 μm 的小颗粒物的污染源.

1 实验部分

111 环境样品的采集 分别在北京市

5 个采样点(燕山石化区、 东单路口、 石景山区北辛安、 东城区环保局、 环科 院 ,分别作为北京市有机化工区、 交通商业区、 钢铁工业区、 居民区和近郊区的代表) 采集了大 气环境样品. 其中燕山石化区采样点位于炼油厂与居民小区之间的一个 3m 高的平房顶上 ,居 民小区内多为

5 层的居民楼 ,附近有学校 ;

东单路口采样点位于距马路 3m 远的人行道上 ,采 样头距地面高 115m ;

石景山区北辛安采样点在首钢附近北辛安小学院内的一个 5m 高平台 上 ,周围是许多居民住的平房 ;

东城区环保局采样点位于东四六条居民区内一个 5m 的平房 顶 ,居民区内大多为旧式平房 ,附近无高层建筑 ;

环科院采样点位于环科院大气楼三层楼顶. 环 科院虽然作为近郊区 ,但附近有两条公路 ,来往车辆很多 ,周围也有建筑公司的构件厂、 煤厂等 单位 ,环科院院内有一冬季供暖锅炉房 ,其中有

3 个4t 卧式锅炉. 采样时间的安排是秋季

1992 年10 月6日至

11 月6日,冬季

1992 年12 月14 日至

1993 年1月13 日. 一般 ,样品采集从上午

10 时至次日上午

10 时. 环境样品的采集分两部分. 一部分是采用日本柴田大流量采样器 ,采集

100 μm 以下的大 第18 卷第

1 期1998 年1月环境科学学报ACTA SCIEN TIAE CIRCUMSTAN TIAE Vol.

18 ,No.

1 Jan. ,1998 气总悬浮颗粒物( TSP) ,流量控制在 1m3 / min ;

滤膜采用国产的

49 号玻璃纤维膜. 利用减重法 求得 TSP 的浓度. 天平采用岛津 L IBROR AEL2160 型电子天平 ,精度为万分之一. 环境样品采 集的另一部分是采用

210 μm 粒径切割采样头 ,在动力泵的带动下 ,将大气中小于

210 μm 的悬 浮颗粒物采集到滤膜上. 流速控制在 2010L/ min ,流量计在实验前已经过严格的校准. 样品采 样前和采样后的 Teflon 膜均在湿度为

60 %的手套箱中恒湿 24h 以上再称重 ,所使用的天平为 Mettler 型电子天平 ,精度为百万分之一. 环境样品共采得

124 个. 其中 TSP 样品秋季、 冬季各

31 个 ,小颗粒物样品秋季、 冬季各

31 个.

112 污染源样品的采集 本研究所采用的污染源分为工业锅炉、 民用锅炉、 汽油汽车、 柴油汽车、 土壤、 建筑尘、 城市 尘、 植物尘、 燃煤电站、 钢铁工业等. 其中工业锅炉、 民用锅炉、 汽油汽车等污染源样品为本次实 验所采得 ,其余污染源的特征谱为参考文献的数据. 本次实验所采工业锅炉为 10t 的卧式锅炉 ,所用煤为北京市的统配煤 ,主要是碎煤和小块 煤. 除尘器为旋风式. 采样孔设在除尘器之后的竖直管道中部. 民用锅炉为 4t 的卧式快装锅炉 ,所用煤为北京市统配煤 ,主要是小块煤. 除尘器也是旋风 式. 采样孔也设在除尘器后的竖直管道中间. 工业锅炉和民用锅炉的样品都是在正常运转条件下采集的 ,负荷一般为

70 % ―

80 %. 汽油汽车为中型载重汽车 ,所用燃料油为混合型汽油(

70、

75 号混合) ,为北京市各加油站 所供主要油型. 实验进行时 ,汽车为怠速 ,约800r/ min. 采样时在汽车排气管内

8 ― 10cm 处 ,并 且在排气管中间取样.

3 葛苏( Ge Su) ,Ph. D. thesis ,Oregon Graduate Institute ,Beaverton ,97006(1992) 其他污染源的成分谱数据选自葛苏3 ,其中土壤源为北京样品 ,在美国分析得到数据.

113 样品的分析 对大气中小于

210 μm 的悬浮颗粒物的样品和污染源小于

210 μm 的样品均在称重后消 解 ,再采用 ICP(等离子体发射光谱) 分析各元素含量. 样品的消解处理是采用浓 HNO3 、 HF、 HClO4 在聚四氟乙烯容器中反复消化 ,直至样品完 全溶解. 本实验元素分析采用美国的 Jarrell2Ash1155 Ⅴ 型等离子体发射光谱仪 (具有

44 个通道) 和PDP11T23 计算机. 经过用 GSD

211、 GSD

212、 GSR

24、 GSR

25、 煤飞灰 1633a5 种标准样品对 仪器的性能鉴定 ,绝大多数的元素分析值对标准值的偏差在

10 %以内. 在扣除空膜的元素含 量后 ,换成大气环境中的元素含量. 表1秋季与冬季各采样点的 TSP 浓度(μg/ m3 ) Table

1 The concentrations ( μg/ m3 ) of TSP at the sites in autumn and winter 地点 燕山 北辛安 东单 东四 环科院 秋季

315 882

455 496

313 冬季

321 1177

598 560

362 2 结果与讨论

211 TSP 的浓度在各采样点间的分布特点 通过对北京有机化工区、 钢铁工业区、 交通 商业区、 居民区、 近郊区分别在秋季和冬季的大 气悬浮物的测定 ,结果列于表

1 中. 由表

1 中数据可以看出 ,各采样点冬季的

3 6

1 期张晶等 :北京市大气小颗粒物的污染源解析 TSP 浓度都大于秋季的 ,这是因为大多数工业、 民用锅炉都采用煤作用燃料 ,并且在冬季增加 燃料用量以保证供水、 供暖. 在各采样点间 ,TSP 的浓度也差别很大 ,其中北辛安的浓度最高 ,超过了国家三级标准 (500 μg/ m3 ) ,这同样因为受首钢的燃煤、 生产影响 ;

东四与东单其次 ,均在冬季超过国家三级 标准 ,在秋季超过国家二级标准 (300 μg/ m3 ) ,分别受居民生活用煤、 汽车尾气排放和尘土的影 响 ;

燕山与环科院的浓度最低 ,也超过国家二级标准 ,这是因为燕山很少能源用煤 ,环科院附近 也无大的生产企业 ,而且这两个采样点都处于近郊 ,所以两者的 TSP 污染较轻.

212 小颗粒物浓度分布特点 大气中小于

210 μm 的颗粒物浓度及在 TSP 中的比例见表

2 (小颗粒物 ( <

210 μm) 在各采 样点间的分布规律同 TSP) . 表2冬季与秋季各采样点大气小颗粒物( <

210 μm) 浓度(μg/ m3 ) Table

2 The concentrations ( μg/ m3 ) of fine particles ( <

21 μm) in the atmosphere at the sites in autumn and winter 地点 燕山 北辛安 东单 东四 环科院 秋季 101(0132) 214(0124) 173(0138) 143(0129)

82 (0126) 冬季 108(0134) 285(0124) 189(0132) 173(0131) 104(0129) 注 :括号内数据为小颗粒物与 TSP 浓度之比

213 元素浓度的分布特点 样品消解处理后 ,由电感耦合等离子体发射光谱分析元素含量 ,结果列于表

3、 表4中. 表3秋季各采样点大气小颗粒物( <

210 μm) 的元素含量(μg/ m3 ) Table

3 The elements contents ( μg/ m3 ) of fine particles ( <

210 μm) in the atmosphere at the sites in autumn Al S K Ca Ti Cr Mn 燕山

018129 313358

413843 117378

010375 010029

010413 东单

112769 318369

010580 310393

011029 010103

012045 北辛安

219957 313696

219760 516479

011800 010139

013604 东四

116205 213339

014203 312837

011040 010050

010903 环科院

110777 119241

014779 113221

010556 010072

010677 Fe Ni Cu Zn Sr Ba Pb 燕山

017318 010128

010072 011374

010061 010144

010867 东单

114225 010099

010259 013045

010127 010427

011511 北辛安

511549 010173

010260 012720

010232 010543

011422 东四

114633 010067

010250 013029

010168 010423

011989 环科院

017095 010047

010111 011647

010071 010186

010775 由表

3 可以看出 ,秋季北辛安的大多数元素浓度都高于其他采样点 ,如作为尘土标识的 Al 、 Ca(同时也是建筑材料的标识) 、 Fe(同时也是钢铁工业的标识之一) 、 Ti (同时也是燃煤飞灰 的标识之一) ,作为钢铁工业标识的 Mn、 Fe、 Cr ,作为燃油、 燃煤飞灰标识的 Ni ,均比其他采样 点的浓度高几倍 ,由此可见首钢这个大型钢铁工业基地对周围的大气污染是相当严重的 ,使非

4 6 环境科学学报18 卷 标识元素的 Sr 、 Ba 在这个采样点也达到了最高浓度. 东四采样点的 Pb 含量很高(表

3、 表4) . 这是因为民用燃煤的飞灰中 Pb 含量相当高 ,为6364 μg/ g ,高于工业锅炉燃煤飞灰中的 Pb 含量

2311 μg/ g 和汽车尾气中的 Pb 含量

3125 μg/ g (指汽油车 ;

柴油车含 Pb 很低) . 东单路口和东四采样点的 Zn 含量较高 (表

3、 表4) . 这是因为 Zn 在汽车尾气排放和民用 燃煤飞灰中的含量较高 ,分别为

1480 μg/ g 和8559 μg/ g ,因此在污染源以汽车尾气排放和民用 燃煤为特点的东单和东四 ,出现较高的 Zn 是可能的. 表4冬季各采样点大气小颗粒物( <

210 μm) 的元素含量(μg/ m3 ) Table

4 Elements contents ( μg/ m3 ) of fine particles ( <

210 μm) in the atmosphere at the sites in winter Al S K Ca Ti Cr Mn 燕山

218501 414934

510040 414207

011691 010235

011012 东单

312370 717785

115404 319200

012259 010245

011482 北辛安

121073 418031

317356 131007

016625 010339

013250 东四

318051 716897

214181 314608

012527 010207

011245 环科院

110398 417830

019284 111658

010913 010116

010765 Fe Ni Cu Zn Sr Ba Pb 燕山

211738 010433

010207 012813

010202 010444

012188 东单

211306 010238

010401 014383

010300 010620

012330 北辛安

141896 010338

010546 013772

010799 011592

011855 东四

215509 010257

010564 014731

010475 011115

013818 环科院

018441 010104

010193 012373

010115 010254

011334 K在尘土、 钢铁工业中占有明显地位 ,尤其在植物尘中由于草木灰 ( K2CO3) 的大量存在 , 使 K的含量很高(1670 μg/ g) ,因此处于近郊的燕山石化区的 K 也出现较高浓度. 北辛安的大 气小颗粒物中的 K也明显高于其他

3 个采样点. 小型民用锅炉的燃煤飞灰中 S 的含量很高 (89950 μg/ g) ,尤其是各机关部门、 商业中心供 水的茶炉很多 ,并且无除尘装置 ,排入大气的 S 较多. 东单的 S 很高可能是这个原因 ,而东四居 民区内冬季取暖多用煤球和蜂窝煤 ,这些型煤燃烧后的灰中也含有较多 S(煤球关炉门燃烧后 飞灰中含硫

37810 μg/ g ,蜂窝煤关炉门燃烧后飞灰中含硫

17650 μg/ g ;

开炉门燃烧后的飞灰中 硫的含量更高) ,因此冬季东四的硫含量也很高. 工业锅炉燃煤飞灰中含硫

73116 μg/ g ,受首钢 工业燃煤影响的北辛安的大气颗粒物中的硫也出现了较高浓度. 周围居民、 工厂较少的环科 院 ,大气小颗粒物中的硫浓度却很低. 燕山虽为有机化工区 ,并且自成一体 ,但附近有房山区政 府所在地 ,也有许多居民、 工厂 ,因此其大气小颗粒物中也有一定量的硫.

214 化学质量平衡法解析结果

21411 化学质量平衡法原理 化学质量平衡法 ,根据质量平衡原理 ,在给定的气溶胶样品 k........