（制冷及低温工程专业论文）大学教室可吸入颗粒物（pm10）源解析及化学组分特性.pdf

摘要 流行病学研究发现可吸入颗粒物( p m i o ，粒径 1 0 p m 的颗粒物) 浓 度的升高与死亡风险的增加( 包括呼吸系统疾病和心血管疾病) 显著相关。 由于教师和学生的呼吸系统疾病发病率明显高于其它职业人群，因此分析 教室颗粒物化学成分特性和散发来源，对于控制污染源散发量，降低教室 颗粒物浓度和毒性十分重要。 本文通过研究教室内外颗粒物p m ，o 的化学组分特性和来源特性，总 结教室环境颗粒物p m l o 的污染特性。实验采用t e o m l 4 0 0 a 和a c c u 对 中南大学教室内外p m 。o 进行实时浓度记录和采集，采用x 射线荧光光谱 仪( 强) 检测p m l o 化学组分，采用主成分分析( p c a ) 和绝对主成分 分析( a p c a ) 源解析教室内外p m l o o 文章得到以下主要结论： 评价教室颗粒物污染水平，发现教室内p m 。o 浓度高于可吸入颗粒物 国家二级标准( 即p m l o 日均浓度小于1 5 0 p g m 3 ) ，学生上下课活动导致 的颗粒物扬尘及教学粉笔书写带来的粉笔尘是主要原因。 对比教室内外化学组分，发现教室上课时段颗粒物化学组分浓度明显 高于室外，尤其是对人体健康危害更大的过渡金属元素。与国外教室环境 研究比较教室内外有毒元素浓度( 包括过渡金属元素) ，发现本研究的有毒 元素浓度明显较高，并且教室浓度比值小于室外浓度比值；与国内其它类 型室内环境( 医院，家居) 研究比较，本文教室中有毒元素浓度仍较高， 但室内浓度比值大于室外浓度比值。这说明了本研究中教室中有毒元素浓 度高于国外教室，原因之一是中国室外污染非常严重，本研究中教室中有 毒元素浓度较高于国内其它类型室内环境，原因之一是教室环境特殊性。 对比教室内外p m 。o 源解析结果，发现教室内外颗粒物性质明显不同。 教室p m l o 来源于土壤和粉笔尘( 4 9 7 8 ) 、燃煤( 31 5 5 ) 、含c l 清洁 剂和垃圾焚烧( 8 2 ) 、工业污染( 8 0 2 ) 和交通污染( 2 4 5 ) 。然而室外 p m l o 则来源于燃煤( 3 9 5 9 ) 、土壤和建筑扬尘( 3 9 0 5 ) 、交通污染 ( 1 2 3 7 ) 、垃圾焚烧( 5 5 0 ) 和工业污染( 3 4 9 ) 。可见，教室内外 颗粒物的来源和源贡献量有显著差异，导致重点控制的污染源对象不同。 论文最后提出教室颗粒物污染源控制策略，建议应首先控制教室土壤 扬尘和粉笔尘污染源，其次对长沙市的燃煤污染进行控制。 关键词空气质量，颗粒物，化学组分，源解析，主成分分析法 a bs t r a c t e p i d e m i o l o g i c a ls t u d i e sd e m o n s t r a t e das i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o nb e t w e e n i n c r e a s e si nr e s p i r a b l ep a r t i c l e s ( p m i o ，d i a m e t e r lo i t m ) a n dr i s ko fd e a t h f r o ma l lc a u s e si n c l u d i n gc a r d i o v a s c u l a ra n dr e s p i r a t o r yi l l n e s s e s b e c a u s e t e a c h e r sa n ds t u d e n t sw e r es i g n i f i c a n t l ym o r el i k e l yt oo b t a i nr e s p i r a t o r y s y s t e ms y m p t o m st h a n o t h e rw o r k i n gp e o p l e ，s t u d y i n gc l a s s r o o mp m io c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n de m i s s i o ns o u r c e sw e r es i g n i f i c a n t l yi m p o r t a n tt o c o n t r o lp a r t i c l ee m i s s i o nf r o mp o l l u t i o ns o u r c e sa sw e l la sr e d u c ep a r t i c l e m a s sc o n c e n t r a t i o na n dt o x i c i t y t h ep a p e rs t u d i e dc h e m i c a lc o m p o s i t i o na n ds o u r c ea p p o r t i o n m e n to f p m 10i nc l a s s r o o ma n do u t d o o r , a n dc o n c l u d e dt h ec h a r a c t e r i s t i e so fp mt0 p o l l u t i o ni nc l a s s r o o m t a p e r e de l e m e n to s c i l l a t i n gm i c r o b a l a n c e 14 0 0 a t e o m14 0 0 a ) a n da u t o m a t e dc a r t r i d g ec o l l e c t i o nu n i t ( a c c u ) w e r e a p p l i e di nt h ee x p e r i m e n t s t om o n i t o ra n dc o l l e c tc l a s s r o o ma n do u t d o o rp m lo i nc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y , h u n a n ，c h i n a a l lt h e s es a m p l e sw e r ea n a l y z e d b yx r a yf l u o r e s c e n c e ( x r f ) f o re l e m e n t a lc o m p o s i t i o n c o n c e n t r a t i o n p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ( p c a ) a n da b s o l u t ep r i n c i p a lc o m p o n e n t s a n a l y s i s ( a p c a ) w e r ea p p l i e df o rs o u r c ea p p o r t i o n m e n t i nt h i ss t u d y , m a i n c o n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e da sf o l l o w s ： t ot h ep m l 0p o l l u t i o nl e v e li nc l a s s r o o m ，t h em a s sc o n c e n t r a t i o nw e r e l a r g e rt h a nn a t i o n a la m b i e n ta i rq u a l i t ys t a n d a r d s ( 2 4 hp m 1 0a v e r a g em a s s c o n c e n t r a t i o n 15 0r t g m j ) r e s u s p e n s i o no f p a r t i c l e sb ys t u d e n t s a c t i v i t ya n d c h a l kd u s tb yc h a l ka p p l i e di nt e a c h i n gc o n t r i b u t e dg r e a t l yt ot h es e r i o u s p a r t i c l ep o l l u t i o ni nc l a s s r o o m c o m p a r i n gc l a s s r o o ma n do u t d o o rc h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，i tw a sf o u n d t h a tt h ec o n c e n t r a t i o n si nc l a s s r o o ma ts c h o o l t i m ew o r es i g n i f i c a n t l yl a r g e r t h a nt h a to fo u t d o o r s ，e s p e c i a l l yt ot r a n s i t i o nm e t a l sw h i c hh a dl a r g et o x i c e f f e c to nh u m a n c o m p a r i n gc o n c e n t r a t i o n so ft o x i ce l e m e n t s ( i n c l u d e d t r a n s i t i o nm e t a l s ) i nc l a s s r o o m sa n do u t d o o r so ft h i ss t u d yw i t hc l a s s r o o m e n v i r o n m e n ta i rq u a l i t ys t u d i e si no t h e rc o u n t r i e s ，i tw a sf o u n dt h e c o n c e n t r a t i o ni nt h i ss t u d yw e r el a r g e r , a n dt h ec o n c e n t r a t i o nr a t i o sw e r el a g e r f o ro u t d o o r st h a nt l l a tf o rc l a s s r o o m s c o m p a r i n gc o n c e n t r a t i o n so ft o x i c e l e m e n t si ni n d o o r sa n do u t d o o r so ft h i ss t u d yw i t ho t h e ri n d o o re n v i r o n m e n t s ( h o s p i t a l a n dh o m e s ) a i rq u a l i t ys t u d i e si nc h i n a ，i tw a sf o u n dt h a t c o n c e n t r a t i o no ft o x i ce l e m e n t si nt h i ss t u d yw e r ea l s o l a r g e r , b u tt h e c o n c e n t r a t i o nr a t i o sw e r e l a g e r f o rc l a s s r o o m st h a nt h a tf o ro u t d o o m t h e r e f o r e ，i tw a sc o n c l u d e dt h a tt h i s s t u d yh a dh i g h e rt o x i ce l e m e n t s c o n c e n t r a t i o nt h a nt h a ti no t h e rc l a s s r o o m so f d e v e l o p e dc o u n t r i e s ；o n er e a s o n w a ss e r i o u so u t d o o rp a r t i c l ep o l l u t i o ni nc h i n a h o w e v e r , c l a s s r o o mt o x i c e l e m e n t sc o n c e n t r a t i o n sw e r eh i g h e ri nt h i ss t u d yt h a ni no t h e ri n d o o r e n v i r o n m e n t si nc h i n a ，a n do n er e a s o nw a st h ec h a r a c t e r i s t i co fc l a s s r o o m e n v i r o n m e n t c o m p a r i n g t h er e s u l t so fs o u r c ea p p o r t i o n m e n ts t u d i e si nc l a s s r o o m sa n d o u t d o o r s ，i tw a sc o n c l u d e dt h a tt h ep a r t i c l ep o l l u t i o n si nc l a s s r o o m sa n di n o u t d o o r sw e r ed i f f e r e n ti nq u a l i t y i nc l a s s r o o m , p a r t i c l e sw e r e m a i n l y c o n t r i b u t e db ys o i la n dc h a l kd u s tw i t h4 9 7 8 ，i n d u s t r yw i t h8 0 2 ，c o a l b u r n i n gw i t h31 5 5 ，i n c i n e r a t i o na n dc 1b a s e dc l e a n i n gw i t h8 2 a n d t r a f f i cw i t h2 4 5 h o w e v e r , o u t d o o rp m i ow e r em a i n l yc o n t r i b u t e db yc o a l b u r n i n gw i t h3 9 5 9 ，s o i l w i t h 3 9 0 5 ，t r a m c w i t h12 3 7 ，w a s t e i n c i n e r a t i o nw i t h5 5 a n di n d u s t r yw i t h3 4 9 t h e r e f o r e t h ed i f f e r e n c eo f p a r t i c l es o u r c ea n ds o u r c ec o n t r i b u t i o n sb e t w e e ni n d o o ra n do u t d o o rr e s u l t e d i nt h ed i f f e r e n tp r i n c i p a lc o n t r o l l e dp a r t i c l es o u r c e s b a s e do nt h er e s u l t so fs o u r c ea p p o r t i o n m e n t ，t h i sp a p e rs u g g e s t e dt h e p a r t i c l es o u r c e sc o n t r o ls t r a t e g yf o rr e s p i r a b l ep a r t i c l ep o l l u t i o ni nc l a s s r o o m s r e s u s p e n s i o no fs o i lp a r t i c l e sa n dc h a l kd u s ti nc l a s s r o o mi st h ep r i n c i p a l c o n t r o lo b j e c t ，w h i c hi sf o l l o w e db yc o a lc o m b u s t i o ni nc h a n g s h ac i t y k e y w o r d s a i rq u a l i t y , p a r t i c u l a t em a t t e r , c h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，p r i n c i p a l c o m p o n e n ta n a l y s i s i l l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名：堕坐查日期：兰! 望年复月望日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根 据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：燃导师签名盈吐日期：址年工月出 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 颗粒物严重威胁人类健康 颗粒物( p a r t i c u l a t em a t t e r ) 是指液体和固体微粒均匀的分布在气体中形成的相对 稳定的悬浮体系，颗粒物就是这个体系中分散的各种粒子，其粒径范围在o 1 2 0 0 9 m 。 根据粒径的大小不同，将其中粒径小于1 0 0 p r o 的所有悬浮颗粒物称为总悬浮颗粒物 ( t o t a ls u s p e n d e dp a r t i c u l a t e ，t s p ) ；粒径小于1 0 p r o 的颗粒物称为可吸入颗粒物 ( r e s p i r a b l ep a r t i c u l a t em a t t e r ，p m l 0 ) ；粒径小于2 5 1 x m 的颗粒物称为细颗粒物( f i n e p a r t i c u l a t em a t t e r ，p m 2 5 ) 。 根据世界卫生组织( w h o ) 对空气污染造成的疾病负担的评价，每年有超过2 百万 的过早死亡归因于城市室外和室内空气污染( 由固体燃料燃烧引起) ，而其中一半以上 的疾病发生在发展中国家i l l 。流行病学和毒理学研究证明，空气污染己经在全球范围 内对人体健康构成严重威胁1 2 - 6 | 。 目前，颗粒物被认为是对人体健康危害最大、代表性最强的空气污染物之一， w h o 、美国环境保护署( e p a ) 、欧盟等诸多国际机构在评价大气污染的健康危害时均 选择颗粒物作为代表性空气污染物。目前，可吸入颗粒物在我国三分之二的城市达不 到国家二级控制标准，是中国城市大气环境的首要污染物。2 0 0 0 年6 月1 日，我国正 式将可吸入颗粒物污染指标作为大气环境质量日报的主要评价指标。流行病学研究表 明在各种大气污染物中，颗粒物( 包括t s p ，p m i o 和p m 2 5 等) 与人群各终点的健康 效应关系最密切。在中国广州、武汉、兰州和重庆历时5 年对8 0 0 0 余名学生的的流 行病调查中，室外空气中p m l o 和p m 2 5 与儿童感冒咳痰、感冒咳嗽、哮喘和支气管炎 的发生率显著正相关，而s 0 2 和n o 。的影响相对较小1 7 l 。在室内环境中，对北京市居 室空气污染状况调查时发现，可吸入颗粒物己成为居室环境头号杀手，与甲醛、氨及 各种细菌一起，严重威胁着人们的健康降1 因此，近年来颗粒物污染与人体健康的关 系己成为国际环境卫生学研究的热点之一 可吸入颗粒物p m i o 由于能够可以进入人体呼吸系统，甚至穿透肺泡进入人体血 液循环，严重威胁人们的身体健康。流行病学研究发现，颗粒物中可吸入颗粒物p m l 0 的浓度上升与人类疾病( 特别是呼吸系统疾病和心血管疾病) 的发病率，致残率和死 亡率的增加显著相关i 例。研究表明p m l o 平均上升1 0 p g m 3 ，死亡率上升1 ，呼吸道 疾病上升3 4 ，心血管疾病上升1 4 ，哮喘病上升3 ，肺功能下降1 f g - n l 。同时， p m i o 中的细颗粒物( p m 2 5 ) 与心血管疾病死亡率和肺癌死亡率关系更为明显i 1 7 - 1 4 i 。 颗粒物的致病机理一直是国际社会共同关注的焦点，尽管目前尚未形成统一认 识，但越来越多的毒理学研究表明，颗粒物表面的化学组分与其毒性密切相关。一方 面，颗粒物粒径小于1 0 9 m 的可吸入颗粒物( 又称为飘尘) ，能在空气中悬浮较长时 问，易随呼吸侵入人体的肺部组织，对人体健康危害较大。p m l o 的沉积率随颗粒物 粒径减小而增加，其中l p m 左右的微粒8 0 沉积在肺泡上，并且沉积时间也最长， 可达数年之久。大量飘尘在肺泡上沉积下来，可引起肺组织的慢性纤维化，使肿泡的 切换机能下降，导致肺心病、心血管疾病等一系列病变。另一方面，颗粒物含有有毒 物质或载有有害微生物，在人体内直接导致或问接催化某些化学反应，破坏人体细胞 和d n a 。例如颗粒物中的过渡金属元素能诱导与催化多种化学反应，产生活性很强 的自由基，进而通过氧损伤破坏人体细胞和遗传物质，导致器官疾病和癌症i l 孓2 叭，并 且研究表明过渡金属元素的过氧损伤机理对p m i o 的毒性起着重要作用1 2 。此外，颗 粒物含有的3 0 0 多种有机物，有不少具有强烈的致癌、致畸、致突变作用，如苯并 a 】 芘( b a p ) 等。 鉴于颗粒物对环境以及人类健康产生的影响，各个国家制定的颗粒物的标准也更 为严格。美国e p a 于1 9 8 7 年将国家环境空气质量标准( n a a q s ) 中关于t s p 的标准改 为关于p m i o 的标准；基于近年来对细颗粒物污染与控制开展的大规模研究得到的结 果，又于1 9 9 7 年提出了更严格的关于p m l o 的标准，并在该年的七月份提出关于细颗 粒物p m 2 5 年的空气质量标准i 2 z - z a l 。为了减少欧盟国家因空气污染而早年过世的人数， 欧盟委员会也于2 0 0 5 年批准了制定更为严格的空气质量标准以及颗粒物控制措施的 提案。但我国对颗粒物空气污染的研究起步较晚，目前国家仅有t s p 和p m l o 的质量 浓度控制标准，尚未出台p m 2 5 控制标准。表1 1 为世界各国p m l o 质量浓度控制标准。 表i - i 各国环保机构p m l o 标准比较( 1 a g 1 1 1 。3 ) 2 根据我国环境质量报告书和世界资源报告，可吸入颗粒物是目前我国城市大气环 境的首要污染物。2 0 0 2 年中国环境状况公报显示，有6 3 2 的城市颗粒物浓度达不到 国家二级标准，有2 9 8 的城市颗粒物浓度达不到国家三级标准l 。由表1 1 可知， 中国p m i o 控制标准与其它国家标准相比是较宽松的，但目酊国内相当部分城市仍无 法达标( 包括举办2 0 0 8 年奥运会的北京) ，因此颗粒物污染治理已成为中国空气污染 治理的关键。 1 1 2 教室颗粒物研究的意义 近年来室内颗粒物污染受到人们的高度重视。一方面，由于人们一天中有 7 0 - - 9 0 的时间在室内度过，因此室内空气品质的优劣对人体健康构成直接威胁。另 一方面，室内污染程度远比室外严重。大量调查资料显示，室内空气污染程度高出室 外2 5 倍，甚至1 0 0 倍。因此，室内环境中颗粒物对人体健康的影响更直接更严重。 目前，各国对室内颗粒物污染丌展了大量研究。欧美国家较早的开展了此方面大 量的有意义的研究。发展中国家对本领域研究开展的较晚，但研究结果表明室内污染 状况比发达国家更为严重。在中国，传统的生活习惯，不环保的室内设施，落后的通 风方式以及室外环境污染严重是中国室内空气品质恶劣的主要原因。 表1 2 为各种室内环境p m l o 平均浓度统计表。从中可知，对于不同类型室内环 境，中国室内和室外环境中颗粒物质量浓度都比欧美国家同类环境高出很多。中国室 外空气严重的颗粒物污染是导致中国室内环境颗粒物浓度较高的重要原因之一。对不 同类型的室内环境进行比较，公共建筑室内环境与家居环境浓度相似，甚至更高。在 各类公共建筑室内环境中，办公室的室内浓度较低：教室和医院的室内浓度接近国家 二级空气质量控制标准；而商场和宾馆因为常靠近繁华的市中心、室外交通量和室内 人流量大，所以室内浓度较高。但由于宾馆和商场的人员流动性较强，人体颗粒物暴 露量并不是很大然而对于教室、医院和家居环境，由于教师、学生、病人和老人长 时间待在在室内，使得这几类人群的人体颗粒物暴露量反而较大，因此研究这三类室 内环境十分有意义。 教室内大量的教学板书和剧烈的学生活动( 如上下课人员走动、嬉戏打闹等) 导 致空气中颗粒物浓度迅速上升，使得教师和学生的发病率明显高于其它人群，呼吸系 统疾病尤为突出。在美国女教师的呼吸系统疾病的调查中，教师患有气喘、喉部疾病、 流行性感冒的发病率( 分别为2 8 4 、5 7 和8 2 ) 远高出其他职业女性( 分别为 1 6 铴、1 3 和2 3 ) 1 4 s l 。同样我国的一项调查表明，教师的急慢性咽炎、急性气管 支气管炎和慢性气管炎的患病率分别为2 3 3 、7 3 9 、4 0 和1 7 4 4 而行政人员 患病率仅为4 、2 8 、3 2 和7 1 i 删类似的，颗粒物的日变化与学生急慢性健 康效应有较强的相关性1 4 1 删在中国广州、武汉、兰州和重庆对8 0 0 0 余名学生的流 行病调查中，空气中p m l o 与儿童感冒咳痰、感冒咳嗽、哮喘和支气管炎的发生率显 3 表1 - 2 各种室内环境p m l o 室内平均浓度( g g m 3 ) 羹茹 国家 室内 室外出处 大刍已 英国2 5 5 21 6 1 4b e r u b ee ta 1 ( 2 0 0 4 ) j 2 s j 日本，人阪 美国，斯波坎 美国，新泽西 家居中国，香港 中国，香港 中国，北京 中国，北京 3 4 2 3 8 2 7 6 6 7 1 8 8 8 6 3 3 1 5 0 1 6 7 1 ( 采暖期) 7 7 2 ( 砟采暖期) 5 1 1 ( 室内吸烟) 2 9 3 ( 室内无烟1 ) 9 1 2 ( 室内无烟2 ) 4 3 6 9 5 1 5 5 2 3 4 6 ( 采暖期) 1 1 1 9 ( 非采暖期) 3 8 8 f u n a s a k ae ta 1 ( 2 0 0 0 ) j m h a i l e re ta 1 ( 19 9 9 ) t 2 7 1 h e a v n e re ta 1 ( 19 9 6 ) j 捌 c h a oe ta 1 ( 2 0 0 2 ) t 2 i l e e e t a l ( 2 0 0 2 ) o 蚓 刘刚生等( 2 0 0 3 ) 1 3 t ! s h a oe ta 1 ( 2 0 0 7 ) 1 3 2 i 医院中国，广州1 2 8 2 1 4 4 4 w a n ge ta 1 ( 2 0 0 6 ) 1 3 3 i 美国，新泽西 3 0 3 ( 室内无烟) 一h c a v n e r c t a l ( 1 9 9 6 ) i 捌 办公室 法国，巴黎 5 3 ( 室内无烟) 7 1 ( 室内吸烟) 中国，香港5 07 5 p h i l l i p se ta 1 ( 19 9 8 ) 嗍 l e ee ta 1 ( 2 0 0 2 ) 1 3 0 l 中国，北京6 31 1 8 l i ue ta 1 ( 2 0 0 2 ) 1 3 s l 中国，香港 2 0 0 1 2 5l e e e ta 1 ( 2 0 0 2 ) i 刈 商场 。 中国，北京8 8 8 1 1 7 2l i ue t a l ( 2 0 0 2 1l a s l 中国，香港 3 5 0 1 0 0 l e e e t a l ( 2 0 0 2 ) m l 兵馆 、。 中国，北京3 7 3 85 1 6 3l i ue ta 1 ( 2 0 0 2 ) 嘲 教室 美国 捷克，布拉格 德国，慕尼黑 中国，北京 香港 荷兰，阿姆斯特丹 4 61 9 z l 4 2 6 ( 上课时间) 1 0 5 ( t - 课时间) 1 3 3 4 ( 上课时间) 2 5 5 8 8 1 2 1 ( 上课时间) l i g m a n le ta 1 w o r l db a n k l 3 i 呲，l 誓时叭b r a n i s 既a 1 ( 2 0 0 5 ) a a 3 8 6 ( 上课时间) b既a l 一 f r o m m e e t a l ( 2 0 0 7 ) 删 2 4 2 5 ( 上课时间) l i u e ta 1 ( 2 0 0 4 ) 阁 3 3 l o e e t a l ( 2 0 0 2 ) 删 2 8 一 j - a n s s e nda - 1 ( 19 9 9 ) i 圳d ty 纠i i - 1 希腊，塞萨洛尼基 1 1 8 ( 上课时间)一 g e m e n e t z i se ta 1 ( 2 0 0 晤) m 著相关1 7 i 。由于，上课时段室内颗粒物暴露是教师、学生与其它职业人群颗粒物暴露 的重要差异之一，控制上课时段教室内颗粒物污染对降低教师和学生颗粒物人体暴露 和职业病发病率具有重要意义。近年来，教师和学生呼吸系统疾病明显增多，教室内 颗粒物污染受到人们高度重视，但目前十分缺乏该方面的系统研究。 1 1 - 3 源解析研究的意义和主要思想 颗粒物研究的最终目的是有效防治颗粒物的污染，降低污染对人体健康的影响。 目前，先进的颗粒物源解析方法和监测分析方法为深入研究颗粒物污染的特性和来源 提供了有利条件。 颗粒物来自多种类型的污染源，如土壤扬尘，交通尾气及扬尘，工业污染，煤燃 烧油燃烧，垃圾焚烧等。不同类型污染源散发不同种类的化学组分，如土壤扬尘主要 散发s i ，a 1 ，m g ，f e 等地壳元素。交通尾气及扬尘主要散发p b ，b r ，z n 等元素， 垃圾焚烧散发c i ，z n 等元素。这些元素对人体有不同的健康效应，例如，p m l o 中s i ， a i 、m g 等元素对人体健康危害较小，而p m l o 表面的过渡金属元素f e 、p b 、z n 能诱 导与催化多种化学反应，产生活性很强的活性氧自由基r o s ，对人体细胞组织与遗传 物质d n a 造成氧化性损伤，最终导致器官疾病和癌症1 2 。因此，如果控制颗粒物中 化学物质的散发不仅可以降低颗粒物的质量浓度，而且控制毒性大的化学物质的散发 还可以控制颗粒物的化学毒性。但若单独研究几十种化学组分的变化规律进而控制， 不仅复杂，而且难以操作。如果能找到影响这几十中化学组分背后的几种主导因素， 则通过控制这几种主导因素可以很轻松的控制所有的化学组分。这些主导因素就是这 些化学组分的散发源。找出这些散发源就是颗粒物源解析研究的出发点。 源解析方法主要是受体模型，即通过分析采集的颗粒物样本的化学组分特性，追 踪颗粒物的来源情况。通俗的说，源解析就是研究颗粒物来自哪些类型的污染源，这 些污染源的贡献了多少质量浓度的颗粒物( i t g m 3 ) ，污染源的散发物中含有什么化学 组分，其百分含量有多少( ) 。颗粒物源解析的主要思想就是污染源散发的颗粒物 与样本( 受体) 收集的颗粒物化学组分质量守恒，即颗粒物样本中各元素的质量浓度 是不同类型的污染源贡献该元素质量浓度的累加。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 教室颗粒物污染研究 目前，国际上对公共建筑室内颗粒物污染研究较少，而教室颗粒物污染研究更少。 但在现有的文献中仍可发现教室内颗粒物污染的基本规律。现有研究中大部分的文献 通过分析教室颗粒物质量浓度的室内外相关性及与潜在影响因素的关系，总结颗粒物 5 的部分来源情况和哪些环境因素对颗粒物浓度有怎样的影响1 3 ”引。另有部分文献研究 p m l o 中化学组分的室内外相关性，分析化学组分的大致来源1 3 9 - 4 0 1 。 一般认为，教室内的颗粒物通常同时来自室内和室外散发源，并受以下因素的影 响i 流入室内的未过滤的室外污染物，维护不当造成的室内坏境恶化( 如地面清扫再 扬尘等) ，学校独特环境下的室内源( 如粉笔尘和烟尘) 等等。b r a n i sme ta 1 研究证 明，p m t o - 2 5 与室内人数统计显著相关，同时p m i o 的f o 与p m i 5 的增加有0 9 3 的 j 下相关性，说明上课室内粗颗粒物的增加是p m i o 变化的主要原因，并且教室中很大 一部分p m l o 来自室内散发：而p m i ( 粒径小于l 肛m 的颗粒物) 和p m 2 5 与室外p m l o 有较强的相关性，表明室外空气污染是室内细颗粒物的重要来源1 3 7 1 。j a n s s e ne ta 1 对 p m i o 化学组分进行研究，证明教室颗粒物p m i o 中主要富集于粗颗粒物的地壳元素 ( s i 、a i 和m g 等) 有最高的f o 比，但室内外相关性弱；而聚集于细颗粒物的人为 活动元素( s 、p b 和b r 等) 的f o 比最低，且室内外相关性显著，得出室内粗颗粒物 的再扬尘对教室高浓度的p m l o 有很大贡献1 3 9 l 。 目前，教室颗粒物污染研究都是通过颗粒物和其化学成分的质量浓度的相关性分 析得到室内颗粒物质量浓度特性受某种污染源或因素的影响，只能定性的解释部分颗 粒物来源。由于颗粒物的化学成分和毒性都与散发源密切相关，有必要清晰地、定量 地、准确地确定教室中颗粒物的来源和源贡献量。因此，从化学成分追踪颗粒物散发 源的源解析研究，无论是对有效控制教室内颗粒物及其化学成分的浓度，还是对分析 颗粒物化学毒性都十分重要和必要。 1 2 2 源解析方法的发展现状及应用成果 源解析的数学模型从总体上来说分为两大类：扩散模型和受体模型。对大气颗粒 物来源的研究始于以排放量为基础的扩散模型( 也叫源模型) ，此类模型是以污染物为 对象的扩散模型；受体模型是通过对大气颗粒物环境和源的样品的物理化学性质的分 析来确定各类污染源对受体的贡献值的一类模型。与传统的扩散模型相比，受体模型 不依赖于排放源的排放条件、气象、地形等数据，不用追踪颗粒物的迁移过程，避开 了扩散模型计算遇到的困难，因此现在的源解析研究主要集中于受体模型。 自2 0 世纪7 0 年代进行源解析受体模型的研究以来，各国研究者不断应用各种方 法进行源解析研究，现已开发出十余种受体模型。包括化学质量平衡( c m b ) 模型， 主成分分析( p c a ) ，特征向量分析，富集因子法，正矩阵因子分析法( p m f ) 等。 但其中只有化学质量平衡法( c m b ) 和主成分分析法( p c a ) 两种受体模型受到美国 环保局的认可和推荐。这两种方法都是以化学组分质量守恒为基本思想。c m b 在源 解析前需要掌握大量详细的污染源资料，如受体的所有污染源类型，污染源散发化学 组分的种类和含量等，其事先获取源信息的准确性决定c m b 结果的准确性因此， 对于源信息难以事先获取的复杂环境，c m b 难以应用。与之相反，p c a 不需事前详 5 细掌握污染源情况，因此对于难以获取源信息的复杂的环境较为合适。其缺点是，需 要获取大量的样本，样本质量的好坏和数量的多少决定源解析结果的准确性和稳定 性。 受体模型源解析研究最早应用于大气污染防治中，经过几十年的研究已经取得了 大量有意义的研究成果。目前，源解析已广泛应用于城市颗粒物污染研究中，并对制 定卓有成效的城市颗粒物控制策略提供了重要科学依据。 美国1 9 9 7 年国家和区域控制策略的政府报告中显示美国东部和西部的p m 2 化学5 成分有明显差异，如华盛顿和东北部等地硫酸盐是主要成分( 约5 0 ) ，而西部的s i e r r a n e v a d a 等地的o c ，e c 含量较多( 5 0 左右) ，反映不同地区颗粒物来源的差异，这 一结果被作为美国区域颗粒物污染控制的重要依据1 4 刀。与此类似，欧洲国家为对颗粒 物污染进行控制也进行了大量的颗粒物源解析研究。 国内有关学者从8 0 年代起使用受体模型开展颗粒物来源解析研究。目前，北京 奥运期间空气质量尤为受人关注。在近年北京空气污染治理后，s 0 2 ，n 0 2 和c o 均 达到国家环境空气质量二级标准，但唯有可吸入颗粒物p m l o 年均值仍超过国家二级 标准。北京环保局在2 0 0 0 - 2 0 0 4 年政府报告中指出颗粒物污染为北京主要环境问题。 为使北京城市颗粒物浓度尽快达到国家二级控制标准，保证2 0 0 8 年北京奥运会空气 质量，s u nc ta 1 ( 2 0 0 4 ) l 诣i ，c h e n ge ta 1 ( 2 0 0 7 ) i l ，z h e n ge ta 1 ( 2 0 0 5 ) i 删，s o n ge ta 1 ( 2 0 0 6 ) 悔m 2 l 等对城市p m l o 和p m 2 5 进行了大量颗粒物源解析研究，得出不同季节的颗粒物 p m l o 和p m 2 5 的来源贡献，以及得出有效的控制方法，对建立有效的北京城市颗粒物 污染控制政策的出台提供了有力和可靠的科学依据。s u nda 1 ( 2 0 0 4 ) 1 4 8 1 对p m i o 和 p m z 5 进行源解析得出燃煤，交通污染、周边地区尘土的远距离传输和二次氧化物是 北京颗粒物的主要来源。s o n ge ta 1 对北京城市p m 2 5 进行源解析研究，发现冬季颗粒 物来源主要是燃煤和周边地区生物质燃烧，夏季来源主要是二次氧化物。因此推荐进 行改造燃煤锅炉，禁止使用含硫量高的燃煤，区域控制私家车的使用，并建议北京政 府与河北省政府合作控制室外生物质燃烧污染。为保证2 0 0 8 北京绿色奥运会的空气 质量，c h e n g e ta 1 ( 2 0 0 7 ) i 例引用了h a oe ta 1 提出的对北京颗粒物污染控制策略。 主要包括：煤烟污染控制( 包括锅炉改造和搬迁，清洁能源替代) ，机动车尾气控制， 扬尘控制( 道路扬尘，农田裸露地表扬尘和建筑扬尘) ，工业污染控制，其中建议对 首钢和其它几个高污染大型工厂进行停产。c h c n g 烈a 1 ( 2 0 0 7 ) 嗍对h a oc ta 1 的建 议进行模拟预测，得出按照第一套控制策略，到2 0 0 8 年北京空气质量满意率为7 4 0 ， 按照改进后的第二套控制策略，到2 0 0 8 年北京空气质量满意率为8 2 9 。目前，上 述控制建议已被北京市政府和环保局颁布的北京市人民政府关于发布2 0 0 8 年北京 奥运会和残奥会期间本市空气质量保障通告 中采用 鉴于源解析对颗粒物污染控制的重要意义，目前源解析在室内颗粒物中的应用越 7 来越受到人们的重视，但目i j i 室内源解析还主要停留在家居环境研究。 与室外对比，室内环境的污染源更为隐蔽、复杂，难以事先预测，因此若不能对 污染源进行正确而完整的预测，采用室内外传输模型或c m b 进行源解析很可能会遗 漏某些重要源。k o u t r a k l so ta 1 i s 3 l 于1 9 8 6 年对3 9 4 个家庭进行颗粒物p m 2s 采样，但 是通过颗粒物室内外传输模型进行四类散发源( 吸烟、煤油加热器、柴炉和煤气炉) 源解析，发现吸烟是贡献最多的散发源，其次是煤油加热器，而煤气炉则对样本没有 贡献，同时有未考虑的其它室内散发源有较明显的颗粒物贡献( 如人员活动和微生 物) 。颗粒物传输模型需事先详细了解所有可能散发源的散发情况，由于文章对此之 前没有做充分调查，进而没有对所有散发源解析，致使文章结果不能完整解释颗粒物 来源。此后，n i t t ae ta 1 1 5 4 1 和l e w i se ta 1 1 5 s l 对室内颗粒物进行了受体模型源解析探讨。 多年后，c h a oe ta 1 1 5 6 1 对香港家居p m l o 和p m 2 5 进行c m b 源解析，得到室内五类污 染源：吸烟、烧香、做饭、人员活动和室外贡献。对于p m i o ，五类源源贡献量分别 为1 1 0 、17 2 、1 4 1 、2 9 9 、4 9 3 。对于p m 2 ，五类源源贡献量分别为6 7 、 6 8 1 、5 8 、1 3 2 、3 1 9 。两者比较，做饭是家居p m 2 5 的主要来源，人员活动 和室外贡献是家居p m l o 的主要贡献。文中对室内颗粒物散发源进行了全面探讨，但 对颗粒物的室外渗透只作为一个中间源进行讨论，若要控制室外颗粒物浓度仍需进行 房间外源解析。因此，若用c m b 对室内污染物室内外原始散发源进行源解析，需对 室内外所有散发源都要有详细的