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兰州市秋季PM2.5污染特征及来源解析研究

2020-12-23 05:41:45 绿色科技 2020年14期

王莉娜 杨燕萍 杨丽丽 陶会杰

摘要:为研究兰州市秋季PM2.5污染特征,利用单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪(SPAMS),开展在线PM2.5化学组分观测,结合气象数据,定量评估了不同污染源对PM2.5的贡献,结果表明:研究期间兰州市PM2.5的颗粒类型主要由有机碳颗粒、元素碳颗粒、左旋葡聚糖颗粒组成,其中,有机碳颗粒(34.53%)占比最高,随PM2.5浓度上升,元素碳、重金属、混合碳等有不同幅度上升;PM2.5污染主要贡献源为机动车尾气26.31%、燃煤19.05%、生物质燃烧11.32%,特别在PM2.5污染时段,燃煤和机动车尾气排放贡献较大,燃煤源比例上升最为明显,占比从17.0%上升至25.7%,其次为生物质燃烧、二次无机源,分别增加6.7%、2.2%。因此兰州市秋季PM2.5污染治理应以燃煤机和动车尾气管控为主。

关键词:细颗粒物;秋季;源解析;单颗粒质谱;兰州

中图分类号:X513

文献标识码:A?文章编号:1674-9944(2020)14-0080-04

1?引言

气溶胶是大气重要组成部分,具有粒径小、比表面积大、在空气中悬浮时间较长等特征,是大气重要的污染物之一[1],对环境空气质量、能见度、城市区域气候变化和人体健康产生较大影响[2],已成为国内评价大气污染程度的一项重要指标[3,4]。传统大气气溶胶研究方法主要依赖于滤膜采样和离线分析,通常需要较长时间,难以反映短时污染状况[5]。单颗粒气溶胶质谱(SPAMS)法具有较高时间分辨率[6],且能针对不同类型颗粒物提供丰富的质谱信息,有助于进一步了解大气物理化学及气候变化过程,进行常态化源解析研究[7~9]。

相比于傳统离线方法,SPAMS 法在经济和时效上均有着不可替代的优势。近年来,SPAMS 法已成为研究大气颗粒物在线化学特性及颗粒物组分的有效工具。目前,关于这方面的研究已经有许多相关报道[10~18]。

作为西北典型干旱半干旱区河谷城市,兰州市秋冬季节环境空气质量受PM2.5影响较大。但是目前还未见利用单颗粒在线质谱仪器开展兰州市PM2.5污染研究的报道。本次使用单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS0525)对观测点位周边环境空气进行高时间分辨率连续观测,并对观测所取得的海量数据开展详细分析和研究,结合兰州市地理特征及能源结构发展,分析秋季细颗粒物粒径分布、化学组成和变化规律,并对单颗粒气溶胶进行分类,通过分析秋季各类单颗粒气溶胶的来源和污染特征,以期为进一步开展大气细颗粒物源解析研究提供基础数据,也为大气环境管理提供科学依据。

2?材料与方法

本次研究观测地点设置在兰州市东岗街道雁儿湾路225号甘肃环境科技大厦院内,北纬36°2′50′′,东经103°54′36′′,观测点周围主要是学校和居民区,北侧和西北侧有高大建筑物,无明显工业污染源,东北方向有建筑工地。

本次观测时间为2019年10月1日至2019年10月31日,使用广州禾信(SPAMS0525)对PM2.5数浓度、粒径分布、离子和化学组分占比及变化规律等进行观测,有关 SPAMS 工作原理、性能和质量控制等,Li等[19]已进行了详细阐述,该仪器主要由进样、测径、激光电离系统和飞行时间质量分析器构成,气溶胶颗粒通过空气动力学透镜加速进入真空系统,经激光电离成正负离子,通过飞行时间质量分析器检测化学组成,并用自适应共振神经网络聚类法(ART-2a)开展分类分析等[20,21],用美国赛默飞5014i beta在线监测PM2.5质量浓度,使用芬兰vaisala WXT536型气象仪观测气象参数。

3?结果与讨论

3.1?颗粒物化学组成分析

观测期间,共采集到具有测径信息的颗粒物(SIZE)1880.4万个,同时有正、负谱图的颗粒(MASS)359.8万个。图1表明颗粒物数浓度与质量浓度变化趋势较为一致,测径颗粒的小时变化趋势与PM2.5质量浓度的相关性较好,可有效反映大气污染状况。

观测期间不同离子颗粒物的比例(丰度)数据如表1所示。对所有MASS的质谱信息进行统计,正谱图中以混合碳、NH4+(m/z = 18)、Na+(m/z = 23)、K+(m/z = 39)、Fe+(m/z = 56)等特征信号为主。负谱图中以元素碳、CN-(m/z = -26),NO2-(m/z = -46)、NO3-(m/z = -62)、HSO4-(m/z = -97)等特征信号为主。

采用自适应共振神经网络分类方法(Art-2a)对颗粒物进行成分分类,它是基于人工神经网络设计发展出来的一套理论方法,分类参数设置为:相似度0.75,学习效率0.05。将颗粒物进行分类合并,力图包含大气颗粒物中的主要成分,且能够更好地辅助颗粒物溯源,最终确定10类颗粒物,占比分别为:有机碳颗粒(34.53%)、元素碳颗粒(22.05%)、左旋葡聚糖颗粒(11.19%)、混合碳颗粒(9.09%)、富钾颗粒(7.65%)、矿物质颗粒(5.7%)、重金属颗粒(4.25%)、高分子有机物颗粒(3.94%)、富钠颗粒(1.18%)和其它。

根据不同颗粒物种类,分析其数浓度随粒径变化规律,图2表明不同粒径细颗粒物中,元素碳、有机碳占比相对较大,同时,随颗粒物粒径增大,左旋葡聚糖、重金属、富钠、矿物质颗粒占比随之增加,混合碳颗粒、元素碳颗粒、有机碳颗粒占比则随之减少,左旋葡聚糖与元素碳变化程度最大。在PM2.5浓度低于75 μg/m3时段(2019年10月11~17日),有机碳颗粒数浓度下降明显,而元素碳则明显增加, 29~31日PM2.5浓度超过75 μg/m3时,各类颗粒变化幅度并不明显。

3.2?气象条件分析

监测期间监测点所处位置以东风及东南风为主导方向,相对湿度分布在21.5%~89.7%之间,风速值主要分布在0.3~3 m/s,温度值分布在9.2~30.3 ℃,进行监测时段内不同气象因素与PM2.5浓度的相关性分析发现,气压、气温及风速与颗粒物PM2.5的相关性较好,均为极显著相关,大风、高温及低气压环境下,颗粒物扩散较好,浓度较小,湿度小范围增加时,PM2.5浓度有上升趋势,表明PM2.5在一定范围内呈现湿增长,同时颗粒物粒径增加,随着湿度进一步增加,颗粒物浓度逐渐降低;太阳辐射与颗粒物呈负相关,气温增加、太阳辐射增强空气对流,有利于颗粒物的扩散与稀释(表2)。

3.3?细颗粒物来源分析

3.3.1?PM2.5污染来源解析

基于观测结果,结合兰州市能源产业结构特征,按照环境管理需求对颗粒物排放源分为七大类,分别为机动车尾气、燃煤、生物质燃烧、扬尘、工业工艺源、二次无机源、餐饮和其它。其中机动车尾气源包含了柴油车、汽油车等交通工具排放的颗粒;燃煤源包含了燃煤电厂、锅炉等排放的颗粒;生物质燃烧源主要是秸秆、野草等的焚烧及生物燃料的燃烧产生的颗粒;扬尘源包含建筑扬尘、道路扬尘、地表土壤尘等;工业工艺源包含了化工、金属冶炼等工艺过程排放的颗粒;二次无机源是指质谱图中只含有硫酸盐、硝酸盐、铵盐等二次离子成分的颗粒物,这类型颗粒可以在一定程度上反映大气二次反应的强度;未包含在上述源类以及未被识别的颗粒物归于其它源。

PM2.5污染物来源解析结果如图3所示,由于EC主要来源于机动车尾气、燃煤、生物质燃烧等污染源, OC主要来自燃煤、生物质燃烧、工业工艺等,K主要来自生物质燃烧、二次无机及其它[22]。秋季10月份主要污染源为机动车尾气26.31%、燃煤19.05%、生物质燃烧11.32%,后面依次是工业工艺10.40%、扬尘7.33%、二次无机源8.73%、餐饮2.05%、其它14.81%。

3.3.2?不同污染等级颗粒物组分变化

基于SPAMS高时间分辨率的特性,结合PM2.5质量浓度,分析不同污染天气下细颗粒物组分组成变化情况,如表3所示,从优良等级到轻度污染等级,随着PM2.5浓度上升,混合碳、元素碳、重金属、富钠、礦物质颗粒均有不同幅度上升,其中重金属颗粒上升幅度最高,高分子有机物、富钾、左旋葡聚糖、有机碳颗粒均有不同程度降低。

3.3.3?不同等级污染来源变化

监测期间不同污染等级下颗粒物来源分析表明,随着污染程度加剧,餐饮、扬尘、燃煤污染来源占比分别从1.8%、8.0%、17.6%逐步上升至2.3%、9.3%、19.8%,分别上升0.5%、1.3%和2.2%,工业工艺、二次无机源分别上升0.6%和0.7%;而生物质燃烧和机动车尾气污染源随着污染程度的加剧,比例均有不同程度的降低,但是机动车尾气污染源在各个污染级别占比仍最大,观测点位在监测期间,主要以机动车尾气和燃煤污染为主(表4)。

3.4?污染过程分析

2019年10月27~31日,观测点附近经历了一次轻度污染过程,其中29~31日PM2.5浓度超过75 μg/m3。分析发现PM2.5质量浓度上升过程中,风速基本维持在1 m/s以下的低风速天气,气象扩散条件较差,颗粒物容易累积引起空气质量的恶化,同时考虑兰州地理位置和地形条件,污染期间,外界传输影响较小,污染过程发生主要以本地细颗粒物排放累积为主,PM2.5上升期间,主要受到燃煤、工业工艺以及机动车尾气源的影响。

由此推测,本次污染过程前期(时段1)由于气象扩散条件较差,引起颗粒物老化程度加剧,使得二次无机源、燃煤源、扬尘以及工业工艺源颗粒同步上升,引起空气质量的进一步恶化(图4)。

4?结论

(1)观测期间,观测点周边PM2.5的主要成分为有机碳颗粒(34.53%)、元素碳颗粒(22.05%)、左旋葡聚糖颗粒(11.19%)、混合碳颗粒(9.09%)、富钾颗粒(7.65%)、矿物质颗粒(5.7%)、重金属颗粒(4.25%)、高分子有机物颗粒(3.94%)、富钠颗粒(1.18%)。不同粒径细颗粒物中,元素碳、有机碳占比相对较大,随颗粒物粒径增大,左旋葡聚糖、重金属、富钠、矿物质颗粒占比随之增加,混合碳颗粒、元素碳颗粒、有机碳颗粒占比则随之减少。

(2)观测期间气压、气温及风速与颗粒物PM2.5的相关性较好,均为极显著相关,大风、高温及低气压环境下,颗粒物扩散较好,浓度较小,而太阳辐射与颗粒物呈负相关。

(3)兰州市秋季主要污染源为机动车尾气26.31%、燃煤19.05%、生物质燃烧11.32%,观测期间内各污染源变化较为稳定。随着PM2.5浓度上升,混合碳颗粒、元素碳颗粒、重金属、富钠、矿物质颗粒均有不同幅度的上升,高分子有机物、富钾、左旋葡聚糖、有机碳颗粒均有不同程度的降低;燃煤、工业工艺、二次无机源、扬尘占比逐步上升,而生物质燃烧和机动车尾气污染源占比有所降低。

(4)观测期间2019年10月27~31日发生污染过程,主要由于前期(时段1)气象扩散条件较差,引起污染累积和颗粒物老化程度加剧,使得二次无机源、燃煤源、以及生物质燃烧源颗粒同步上升,引起空气质量进一步恶化。

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