PDF《析研究》

第35 卷第

9 期2015 年9月环境科学学报Acta Scientiae Circumstantiae Vol.

35,No.9 Sep.,

2015 基金项目: 北京市科技计划项目(No.Z121100000312035, Z131100001113029) Supported by the Science and Technology Commission of Beijing Municipality Fund Project(No.Z121100000312035, Z131100001113029) 作者简介: 杨妍妍(1980―),女,高级工程师,E?mail:yanyanstar@ 126.com;

?通讯作者(责任作者),E?mail: zhangdawei@ bjmemc.com.cn Biography: YANG Yanyan ( 1980―), female, senior engineer, E?mail: yanyanstar @ 126. com;

? Corresponding author, E?mail: zhangdawei @ bjmemc.com.cn DOI:10.13671 / j.hjkxxb.2015.0045 杨妍妍,李金香,梁云平,等.2015.应用受体模型(CMB)对北京市大气 PM2.5 来源的解析研究[J].环境科学学报,35(9):2693?2700 Yang Y Y, Li J X,Liang Y P, et al. 2015.Source apportionment of PM2.5 in Beijing by the chemical mass balance[J].Acta Scientiae Circumstantiae,35 (9):2693?2700 应用受体模型( CMB) 对北京市大气 PM2.5 来源的解 析研究 杨妍妍1,2 , 李金香1,2 , 梁云平1,2 , 陈添3 , 刘保献1,2 , 孙峰1,2 , 程刚1,2 , 粟京平1,2 , 张大伟1,2,? 1. 北京市环境保护监测中心,北京

100048 2. 大气颗粒物监测技术北京市重点实验室, 北京

100048 3. 北京市环境保护局,北京

100048 收稿日期:2014?10?10 修回日期:2015?01?19 录用日期:2015?01?31 摘要:为研究影响北京市大气环境 PM2.5 污染水平的主要来源,于2012 年8月―2013 年7月,依托北京市大气地面观测网络在

10 个监测点采 集的

491 d(次)大气 PM2.5 有效样本,对其化学组分进行了测试分析;

从城市大气污染源组成出发,建立和完善了

5 类固定点源、2 类流动源、4 类无组织面源的 PM2.5 排放成分谱.应用受体模型(CMB)开展了来源解析研究.结果显示:①观测期间大气环境 PM2.5 的来源主要包括:一次来 源机动车(16%)、燃煤(15%)、土壤尘(6%) 、二次硫酸铵和硝酸铵(36%),以及有机物(20%) 和其他未识别来源(7%);

与历史解析结果相 比,燃煤源分担率有所下降,二次无机盐与有机物分担率上升,且二次硝酸盐有赶超二次硫酸盐之势;

②从主要组分的来源看,观测期间环境大 气PM2.5 中近 25%的硫酸盐来自于燃煤锅炉和电厂排放,17%的有机物来自机动车排放;

③北京市 PM2.5 来源类型大致相同,但各点位 PM2.5 来 源种类和分担率具有一定差异,对一些排放量较大的局地排放源有比较明确的响应.研究表明,开展区域性 PM2.5 治理、大力削减前体物、严格 控制本地机动车、燃煤等 PM2.5 排放都是改善北京市空气质量的重要途径. 关键词:化学质量平衡;

大气 PM2.5 ;

来源解析;

二次源;

机动车;

区域性 文章编号:0253?2468(2015)09?2693?08 中图分类号:X513 文献标识码:A Source apportionment of PM2.5 in Beijing by the chemical mass balance YANG Yanyan1,2 , LI Jinxiang1,2 ,LIANG Yunping1,2 ,CHEN Tian3 ,LIU Baoxian1,2 ,SUN Feng1,2 ,CHENG Gang1,2 , SU Jingping1,2 , ZHANG Dawei1,2,? 1. Beijing Municipal Environmental Monitoring Center,Beijing

100048 2. Beijing Municipal Key Laboratory of Atmospheric Particulate Monitoring Technology, Beijing

100048 3. Beijing Environmental Protection Bureau,Beijing

100048 Received

10 October 2014;

received in revised form

19 January 2015;

accepted

31 January

2015 Abstract: In the study,

491 PM2.5 samples from

10 sites in Beijing were collected in the campaign from August

2012 to July

2013 and used to analyze the major sources of PM2.5 . Five types of point source emissions, two types of mobile emissions and four types of fugitive emissions were defined and the chemical mass balance (CMB) model was used to conduct source apportionment analysis. Results indicated that the major sources of PM2.5 were organic matter (20%), secondary nitrate (20%), secondary sulfate (16%), motor vehicle (16%), coal burning (15%),soil dust (6%) and unidentified (7%). Compared with the previous results, the contribution from coal burning declined, while that of secondary inorganic matter and organic matter increased. Source apportionment of the key components showed that 25% of sulfates came from coal?burning boiler emission and 17% of OM emitted by motor vehicle. The source of each site was quite different, showing the characteristics of local pollutant source emission. To improve the air quality in Beijing City, it is important to take action regionally to reduce PM2.5 and precursor gases emissions. In the meanwhile, the local traffic and coal?burning emission should be more strictly controlled. Keywords: chemical mass balance;

fine particle;

source apportionment;

secondary source;

motor vehicle;

regionality 环境科学学报35 卷1引言(Introduction) 北京作为我国的首都,其大气环境问题历来受 到国内外的高度关注.自1998 年以来,北京持续不 断地采取有力措施开展大气污染防治工作,实现了 空气质量连续

13 年改善.2011 年,SO2 、NO2 、PM10 年 均浓度分别较

1998 年下降了 76.7%、25.7%、39.4%. PM2.5 浓度随 PM10 浓度的逐年降低呈下降趋势,但下 降幅度不明显.在新空气质量标准下,PM2.5 成为环 境大气主要污染物,年均浓度超标约

1 倍,特别是在 区域性连续雾霾天等极端不利气象条件下,PM2.5 超 标可达数倍.PM2.5 粒径小,含大量有毒、有害物质, 且在大气中停留时间长、输送距离远,对空气质量、 大气能见度和人体健康等都有重要影响(胡敏等, 2009);

有研究表明,哮喘病及其他流行性疾病的发 病率、死亡率与环境 PM2.5 污染水平具有密切相关性 (Norris et al.,1999;

Ostro et al.,2006).PM2.5 具有复 杂多变的化学组成和物理特征,与颗粒物的来源密 切相关.而源解析技术是对环境空气颗粒物的来源 进行定性或定量研究的主要技术手段,可以建立起 污染源与环境空气质量之间的关系,确定大气污染 治理主要对象和优先顺序,从而提高大气污染防治 工作的针对性、科学性和合理性(朱坦等,2012). 源解析方法主要包括源清单法、源模型法和受 体模型法(环境保护部,2013).CMB 模型是已知源 受体模型的代表,已被美国环境保护局推荐作为大 气颗粒物来源解析的重要方法之一( Office of Air and Radiation,1987).由于其物理意义明确,算法日 趋成熟,在目前大气颗粒物源解析研究工作中已成 为最重要、最实用的模型,在北京( He et al.,2002;

朱先磊等,2005,Wang et al.,2009)、南京( 黄辉军 等,2006)、杭州( 包贞等,2010)、厦门( 张学敏等, 2007)、香港(冯小琼等,2013)等我国多个城市大气 PM2.5 的来源解析研究中都有应用,并分别获取了影 响各城市大气 PM2.5 或VOCs 的主要污染源类型及 分担率,但各城市间源解析结论存在差异,体现了 当地的污染特征.这些应用主要依据无机元素来识 别污染源.20 世纪

90 年代,Schauer 等(1996)提出了 有机示踪技术(Organic Tracer Technique),以有机物 作为污染源示踪物解析颗粒物及其有机碳(OC) 的 来源,并成功应用于洛杉矶( Schauer et al.,1996)、 美国 东南部(Zheng et al., 2002) 及北京(Zheng et al.,2005)等地.由于有机物测试及污染源成分谱 测定技术的复杂性,有机示踪技术的应用受到限制. 北京大气 PM2.5 来源解析研究主要集中在

2000 年前 后, 具有一定的研究基础. He 等(2002) 于1999―2000 年,在清华园和车公庄

2 个采样点进行 样品采集, 并应 用富集因子法及CMB 模型进行PM2.5 来源特征研究,认为影响两个采样点 PM2.5 的 主要来源十分近似,主要包括工业锅炉(13.1% ~ 14.4%)、 居民锅炉(12. 6% ~ 16. 2%)、 水泥尘(6.3% ~9.2%)、道路扬尘(13.5% ~ 15.2%)、机动车 (8.5% ~ 8.9%)、二次铵盐(21.6% ~ 22.7%) 及其他 (17.0% ~ 20.8%);

朱先磊等(2005) 在2000―2001 年,选择北京联合大学、中国预防科学研究院和中 国环境科学研究院

3 个点位进行 PM2.5 样品采集,并 应用有机示踪技术,使用 CMB 模型对 PM2.5 的主要 来源、地域特征和季节特征进行了研究;

2000 年的

1、

4、

7、10 月,在东

四、北京市环保局、北京大学、永 乐店、首都机场

5 个采样点进行样品采集,Zheng 等(2005)使用 CMB 模型对 PM2.5 及OC 来源的季节特 征进行了研究,Song 等(2006) 利用相同测试数据, 应用 PMF 方法进行了 PM2.5 来源解析研究,并对 CMB 及PMF 两种受体模型解析结果进行了对比.这 些研究中部分源谱来源于国内外文献报道.基于此, 本研究应用 CMB 模型对北京市大气 PM2.5 主要来源 进行解析,输入文件基于

10 个环境点连续

12 个月 (每月 5~7 d) 的样品数据,11 类PM2.5 污染源成分 谱全部实现本地化,其数据的时间和空间极具代表 性;

同时,遵从拟合优度的诊断体系,对PM2.5 年均水 平、空间差异、交通环境下来源特征等进行多层次、 多角度的研究分析,以期为北京市大气污染防治提 供依据.

2 PM2.5 样品采集和组分分析(Sampling and analysis) 2.1 环境样品的采集与分析 充分考虑采样点代表性及空间分布,在全市地 面监测网络选取代表性环境点,覆盖城市背景点、 城市环境评价点、郊区环境评价点、边界污染传输 监测点,包括

1 个城市背景点(定陵(DL)),位于常 年主导风向上风向;

3 个城市环境点(东四(DS)、石 景山(SJS)、车公庄(CGZ)),分别位于北京市中心 城区的 东部、 西部、 中部区域;

4 个郊区点(通州(TZ)、亦庄( YZ)、房山( FS)、怀柔( HR)),分别位 于北京市城市发展区的东、南、西南、北4个方向;

1 个边界污染传输监测点(榆垡(YF)),位于北京与

4 9

6 2

9 期 杨妍妍等:应用受体模型(CMB)对北京市大气 PM2.5 来源的解析研究 河北的交界点.补充选取

1 个交通环境点( 五棵松 (WKS)),位于五棵松桥东北方向,紧邻四环路和复 兴路,车流量密集,属典型城市交通环境监测点.采 样点点位分布如图

1 所示. 使用武汉天虹 TH?16A 型四通道采样器进行样 品采集,使用石英膜及特氟隆膜(直径

47 mm),采 样流量为 16.7 L ・ min-1 ,每天采样时间为

23 h.采样 时间从

2012 年8月至

2013 年7月,周期为

1 年,每 月连续采样

5 ~

7 d,每月采样时间均包含工作日及 休息日,遇到重污染时追加采样.交通环境采样点采 样时间为

2012 年9月17 日―23 日,为期

5 d. 图1受体样品采样点位分布图 Fig.1 Locations of the sampling sites 对源与受体样品化学组分的测试均采用统一 的分析技术,分别使用 ICP 等离子发射光谱法测试 无机元素、原子荧光法测试砷和硒、离子色谱法测 定水溶性离子、光热法测试 OC / EC.每批样品均采 取空白样品、质控样品、加标样品、平行测试等质量 控制和质量保证措施. 通过四通道平行性判断、质量闭合检验、阴阳 离子平衡等数据有效性判断与筛选后,本次研究共 获取有效受体样本

491 个,根据解析层次需求,分别 求取颗粒物及组分的平均质量浓度及标准偏差,编 制受体输入文件. 2.2 污染源成分谱 根据北京市大气 PM2.5 主要一次来源统计结果, 确定了燃煤电厂、燃煤锅炉、机动车、扬尘等为主要 污染源.分别采用稀释通道方法采集固定源样品、等 速稀释采样法采集流动源样品、再悬浮方法获取无 组织 PM2.5 样品,利用经典实验室分析方法检测其主 要化学组分.应用分歧系数( Wongphatarakul et al., 1998;

姬亚芹,2006) 对源谱差异性做了比较分析, 并规定分歧系数在

0 ~ 0.2 为两个成分谱必定相似、 0.2 ~ 0.5 可能相似、0.5 ~

1 必定不相似作为判断依 据.结果表明,工业燃煤锅炉和供热燃煤锅炉排放 PM2.5 成分谱分歧系数小于 0.50,认为源可能相似, 可以合并为一类源,称工业/ 供热锅炉;

其他任何两 类PM2.5 成分谱的分歧系数均大于 0.50,认为源不相 似.最终建立了燃煤电厂、工业/ 供热锅炉、水泥窑 炉、垃圾焚烧、餐饮油烟、生物质燃烧、土壤风沙尘、 道路扬尘、建筑水泥尘、汽油机动车、柴油机动车

11 类主要........