（环境科学专业论文）太原市气溶胶污染特征及来源分析.pdf

摘要 应用富集因子分析法、因予分析法、化学质量平衡法( c m b ) 三种方法对两 个月份气溶胶的来源进行了解析。富集因子法解析表明，、a 1 、f e 、c a 、t i 、 v 等元素在两个月份，富集因子一般都小于1 0 ，表明这些元素主要来自自然源地 壳。而s 、a s 、s e 、n i 、c u 、z n 、b r 、p b 等元素，在两个月份，富集因子值都较 大，表明这些元素主要来自人为污染源。因子分析法对太原市两个月份t s p 主 要来源解析的结果是：土壤风沙尘、燃煤尘、建筑水泥尘、冶炼尘、燃油尘、化 工厂工业尘等。化学质量平衡法( c m b ) 对两个月份气溶胶来源解析结果：9 月 份土壤尘为4 7 ，燃煤尘为4 1 ，建筑尘为5 ，冶金尘为5 ，其它为2 ： 1 2 月份燃煤尘为4 7 o ，土壤尘为3 7 ，建筑尘为5 ，冶金尘为9 ，其它为3 。化学质量平衡法和因子分析法对太原市气溶胶的来源解析结果与太原市的实 际污染源情况对比，基本吻合，表明这两种方法还是比较可靠的。 关键词：气溶胶，污染特征，来源解析 a b 孓r r a c t p o l l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fa e r o s o l si nt a i y u a na n d s o u r c ea p p o r t i o n m e n t m a j o r ：e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e n a m e ：l i ux i a o l i n s u p e r v i s o r ：w a n gx u e m e i ( a s s o c i a t ep r o f e s s o r ) a b s t r a c t b e c a u s eo fh u m a na c t i v i t i e sa n di n d u s t r i a ld e v e l o p m e n t ，a e r o s o lp o l l u t i o nh a s i n c r e a s i n g l yb e c o m eo n em a j o rp o l l u t i o ns o u r c c p r e s e n t l y ，m a j o rp o l l u t a n t si nm o s t c h i n e s ec i t i e sa r ea e r o s o lp a r t i c l e s t a i y u a n ，a sc h i n a sm a j o rc o a l - p r o d u c t i o na n d h e a v y - c h e m i c a l - i n d u s t r yc i t y , h a ss e r i o u sa i rp o l l u t i o np r o b l e m a c c o r d i n gt o t h e c h i n e s ee n v i r o n m e n t a lt e s tr e p o r t ，t h ec o n c e n t r a t i o no fa i ra e r o s o l si nt a i y u a ni se i g h t t i m e sh i g h e rt h a nt h ew o r l dh e a l t ho r g a n i z a t i o ns t a n d a r d t h e r e f o r e ，i no r d e rt o e f f e c t i v e l ym i t i g a t ea i rp o l l u t i o n ，w en e e dt os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n ds o u r c e so f p a r t i c l e so v e rt h et a i y u a nc i t y b a s e do no b s e r v e dp a r t i c l e si na u t u m na n dw i n t e r 2 0 0 4i nt a i y u a n ，t h i ss t u d ya n a l y s e sc h a r a c t e r i s t i c sa n ds o u r c ea p p o r t i o n m e n to f a e r o s o lp a r t i c l e s ，t op r o v i d eg u i d a n c e sf o rr e d u c i n gt h ec i t ya i rp o l l u t i o n t h ea n a l y s i so ft h ec o n c e n t r a t i o n so ft h e2 0t y p e so fe l e m e n t sm o n i t o r e di n s e p t e m b e ra n dd e c e m b e r2 0 0 4r e v e a l st h a t t h ec o n c e n t r a t i o no ft h em a j o r i t yo f e l e m e n t si sh i i g h e ri nd e c e m b e rt h a nt h a ti ns e p t e m b e r i na d d i t i o n ，t h ec o n c e n t r a t i o n o f 2 0t y p e so fe l e m e n t si sm a i n l yc o n t r i b u t e db ys i ，c a ，a i ，f e ，s ，c i ，a n dk t h er e l a t i o n sb e t w e e nd a i l yv a r i a t i o n si nt h ec o n c e n t r a t i o no fe l e m e n t sa n d r a i n f a l la n dw i n ds p e e dd u r i n gt h es a m p l i n gp e r i o da r ea n a l y z e df o rt h es i t u a t i o n s w h e r et h ep o l l u t a n ts o u r c e sa r er e l a t i v e l ys t a b l e w e a kw i n di st h em a i nf a c t o rf o r h i g hp o l l u t i o nc o n c e n t r a t i o n w h i l ep r e c i p i t a t i o nw a s ho u tp a n i c l e si nt h ea i ra n dh e l p i i t a b 譬n ( 了 r e d u c ea i rp o l l u t i o n 。 f r o mt h ea n a l y s i so fs i z ed i s t r i b u t i o n so ft h e2 0t y p e so fe l e m e n t sm o n i t o r e d d u r i n gt h i st w o m o n t hp e r i o d ，i ti s f o u n dt h a tt h es i z ed i s t r i b u t i o no fs i ，f e ，c a ，a i ， a n dt ii si nc o a r s em o d e 。a n dt h es i z ed i s t r i b u t i o no f s 、k 、c 1 、c u 、p b 、a n dz ni si n f i n em o d e h o w e v e r ，t h es i z ed i s t r i b u t i o no fa s 、s e 、a n db ri sm o r ec o m p l e xa n d s o m e t i m e sd i s p l a y st w oo rt h r e ep e a kv a l u e s d i f f e r e n ts i z ed i s t r i b u t i o n sf o rv a r i o u s e l e m e n t si n d i c a t et h e yh a v ed i f f e r e n to r i g i n s o nt h eo t h e rh a n d ，f o rag i v e ne l e m e n t ， as i m i l a rs i z ed i s t r i b u t i o nd u r i n gt h e s et w om o n t h si n d i c a t e si t ss t e a d yo r i g i n f u r t h e r m o r e ，t h i ss t u d ya n a l y z e ss o u r c ea p p o r t i o n m e n to fa e r o s o l sm o n i t o r e di n t w om o n t h su s i n gt h r e em e t h o d s ；e n r i c h m e n tf a c t o ra n a l y s i s ，f a c t o ra n a l y s i s ，a n d c h e m i c a lm a s sb a l a n c e ( c m b ) a n a l y s i s t h ee n r i c h m e n tf a c t o r so fe l e m e n t ss u c ha s m g 、a i 、f e 、c a 、t i 、a n dv a r el o w e rt h a n1 0 ，i n d i c a t i n gt h a tt h e s ee l e m e n t sm a i n l y c o m ef r o mt h en a t u r a ls o u r c ei ne a r t h sc r u s t t h ee n r i c h m e n tf a c t o r so fe l e m e n t ss u c h a ss 、a s 、s e 、n i 、c u 、z n 、b r 、a n dp ba r ev e r yh i g h ，i n d i c a t i n gt h a tt h e s ee l e m e n t s m a i n l yc o m ef r o ma n t h r o p o g e n i cs o u r c e s t h ef a c t o ra n a l y s i so ft h e s et w o - m o n t h d a t af u r t h e ri n d i c a t et h a tt h em a i ns o u r c e so ft a i y u a na t m o s p h e r i cp a r t i c l e sa r es o i l d u s t s ，c o a lc o m b u s t i o nd u s t s ，m e t a l l u r g i c a li n d u s t r yd u s t s ，c o n s t m c t i o nd u s t s ，f u e lo i l d u s t s ，a n di n d u s t r i a ld u s t sf r o mc h e m i c a lp l a n t s a c c o r d i n gt or e s u l t so b t a i n e df r o m c m bm o d e l i n g ，i ns e p t e m b e r ，s o i ld u s t sc o n t r i b u t e4 7 ，c o a lc o m b u s t i o nd u s t s c o n t r i b u t e4 1 ，c o n s t r u c t i o na n dm e t a l l u r g i c a li n d u s t r yd u s t se a c hc o n t r i b u t e5 ，a n d t h er e s to fs o u r c e sc o n t r i b u t e2 i nd e c e m b e r , c o a lc o m b u s t i o nd u s t sc o n t r i b u t e4 7 ， s o i ld u s t sc o n t r i b u t e3 7 ，m e t a l l u r g i c a li n d u s t r yd u s t sc o n t r i b u t e9 ，c o n s t r u c t i o n d u s t sc o n t r i b u t e5 ，a n dt h er e s to fs o u r c e sc o n t r i b u t e3 t h e r e f o r e ，r e s u l t sf r o m c h e m i c a lm a s sb a l a n c ea n df a c t o ra n a l y s i sa r ec o n s i s t e n ta n dr e l i a b l e ，w h i c ha g r e e w i t ht h ea c t u a lp o l l u t i o ns o u r c e si ny a i y u a n k e yw o r d s ：t o t a ls u s p e n d e dp a r t i c l e s 、c h a r a c t e r i s t i c s o f p o l l u t i o n 、s o u r c e a p p o r t i o n m e n t 第l 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 大气颗粒物是悬浮在大气中的固体和液体微粒共同组成的多相体系混合物。 ( 又称气溶胶) 是大气环境的重要组成部分。虽然只是地球大气成分中含量很少 的组分，但它对空气质量、能见度、酸沉降、云和降水、大气的辐射平衡、平流 层和对流层的化学反应等均有重要影响。清洁的大气环境中气溶胶的含量较 低，通常认为气溶胶本底的质量浓度约为1 0 m g m 3 。但由于人类活动，工业化进 程的加速发展，向大气中排放的气溶胶剧增，使大气气溶胶成为城市大气环境中 的主要污染物。在污染严重的城市中气溶胶粒子质量浓度可达2 0 0 叽m ”“。各 种研究表明，气溶胶微粒已成为最严重的城市污染问题之。1 。根据1 9 8 9 年 2 0 0 4 年中国国家环境保护总局发布的环境质量公告，近二十年来我国的城市空气 污染主要污染因子由s 0 。和颗粒物的混合物逐步转变为颗粒物。1 9 8 9 年1 9 9 9 年， 我国城市空气污染主要污染因子为s o 。和颗粒物的混合物；2 0 0 0 年以后，我国大 部分城市的主要污染因子为颗粒物。 我国于1 9 9 6 年颁布的有关颗粒物的环境空气质量标准见表l 一1 。2 0 0 0 2 0 0 4 年颗粒物浓度分级城市比例变化详见表1 2 和图1 一l ，2 0 0 0 年统计的3 3 8 个城市 中，总悬浮颗粒物( t s p ) 或可吸入颗粒物( p m 。) 年均值超过国家二级标准限值 的城市占统计城市的6 3 1 。2 0 0 1 年统计的3 4 1 个城市中，6 4 1 的城市颗粒物年 均浓度超过国家空气质量二级标准；其中1 0 1 个城市颗粒物年均浓度超过三级标 准，占统计城市数的2 9 2 。2 0 0 2 年监测的3 4 3 个城市中，6 3 5 的城市颗粒物浓 度超过国家空气质量二级标准。2 0 0 3 年监测的3 4 0 个城市中，5 4 4 的城市颗粒物 浓度超过二级标准；空气质量劣三级的城市中8 0 的城市颗粒物超过三级标准。 2 0 0 4 年监测的3 4 2 个城市中，4 6 8 的城市颗粒物达到二级标准，超过三级标准 的城市占1 4 3 “1 。一般来说，北方城市颗粒物污染总体上重于南方城市，颗 粒物污染较重的城市主要分布在华北、西北、东北和中原及四川东部、重庆市。 由此可知，虽然近几年城市颗粒物有逐步好转的趋势，但是超过国家二级标准的 第l 章绪论 城市比例仍然较高，同时更细的粒子( p m 伸、p m 。) 污染有日益严重的趋势，因 而对气溶胶污染特征和来源研究是十分重要和具有现实意义的。 表1 1t s p t i p m l o 浓度限值( 摘自g b3 0 9 5 1 9 9 6 ) 表1 - - 22 0 0 0 - - 2 0 0 4 年颗粒物浓度分级城市比例 图1 12 0 0 0 2 0 0 4 年颗粒物浓度分级城市比例 第1 章绪论 1 2 气溶胶的有关研究概述 大气颗粒物不是一种单一成分( 如s o 。) 的空气污染物，而是由许多人为或 自然污染源排放的大量化学物质所组成的一种复杂的大气污染物，其中既有污染 源直接排出的颗粒物( 称为一次颗粒物，p r i m a r yp a r t i c l e s ) ，也有气态污染物在 大气中经过冷凝或复杂的化学反应而生成的颗粒物( 称为二次颗粒物，s e c o n d a r y p a r t i c l e s ) 。在过去的几十年问，美国和一些欧洲国家开展了大规模的大气颗粒物 研究，主要涉及大气颗粒物质量浓度与化学组成的特征、排放特征、源解析以及 大气颗粒物对大气能见度和人体健康影响等方面。而大气颗粒物的粒径分布和化 学组成分析对于颗粒物的来源和形成过程、在大气中的迁移转化、输送和清除过 程，能见度与气候影响以及健康影响等这些方面进行深入研究都是必不可少的。 本节即对气溶胶的粒径分布、化学组成及来源、对健康影响及气候的影响几个方 面的研究现状进行简要介绍。 1 2 1 气溶胶的粒径分布研究 c h o wj c 和w a s t o nj g 的研究表明“1 ，大气颗粒物通常呈三模态分布，如 图l 一2 所示，即粒径小于0 0 趴m 的爱根( a i t k e n ) 核模态、粒径0 0 陬m 劲m 的积聚模态( a c c u m u l a t i o nm o d e ) 和粒径大于缸m 的粗粒子模态( c o a r s ep a r t i c l e m o d e ) 。粗粒子模态的颗粒物主要是由工业源与生活源燃烧排放、机械粉碎过程 和交通运输等产生的一次颗粒物和各种自然界产生的颗粒物组成。这部分颗粒物 是构成大气气溶胶的体积浓度和质量浓度的主体，由于重力沉降作用大而在大气 中存在的时间不长，除特殊的气象条件之外不能长距离输送。爱根核模态颗粒物 也称为超细颗粒物( s u p e r f i n e p a r t i c l e s ) ，主要是由污染气体经过复杂的大气化学 反应转化而成，或者由高温下排放的过饱和气态物质冷凝而成，也有少量来自于 自然界和人为源直接排放。超细颗粒物是大气中最不稳定的颗粒物，在产生后很 快与较大的颗粒物凝并或者成为云或雾滴的凝结核，其寿命通常不超过l 小时。 积聚模态颗粒物主要是由爱根核模态颗粒物通过碰并、凝聚、吸附等物理效应长 大而成，也可由挥发性组分凝结或通过气粒转化而成，此外还有一部分来自于细 小的地面尘。这部分颗粒物在大气中最为稳定，因而存在时间最长，输送距离最 第1 章绪论 远，污染范围最广。积聚模态包含至少两个亚模态，在几个不同城区进行的粒径 分布测量均证实了这些亚模态的存在。j o h n 等”3 认为在0 2 m 附近的峰代表含 有气相反应产物的“凝结模态”；在0 劲m 附近的峰则是由于颗粒物通过成核作 用和在液滴中反应而长大所致，代表“液滴模态”。当这些亚模态中含有水溶性 成分时，其峰值将随着湿度的增加而向右移。 l o 8 羹 e 簧 毛 4 2 o ： it s p 咖n l厂 蹦“ p i ；l 。； 烩爪 。v ? f 冒j 酸盐 、 煳删j l # i 较r 模盎k妥推拔楼惑： 0 c 和f , c 煎盎“等 积；f f 援盎j l 1 0 1 0 0 卒6 e 动力学直径( u m ) i 划1 - - 2 大气颗粒物的三模态分稚 一般将爱根核模态和积聚模态的颗粒物称为细颗粒物( 也称为细粒子) ，大 气颗粒物中大部分硫酸、硫酸氢铵、硫酸铵、硝酸铵、元素碳( f c ) 和有机碳( 0 c ) 等存在于这一粒径范围之内。不过，不同的文献对细粒子和粗粒子的粒径分界的 各种规定稍有差别，一般认为分界线在2 0 3 轨m 之间。u se p a 提出的p m 。 主要是基于粗、细粒子的界线，而不是基于颗粒物进入呼1 驶系统某些部位的能力。 不过，i s o 提出的易引起儿童和成人发生肺部疾病的“高危险性”颗粒物为小于 2 似m 的颗粒物，与p m 。；很接近”1 。与粗颗粒物相比，细颗粒物比表面积要大得 多，更易成为其它污染物的运载体和反应体：许多有毒、有害化学成分在细颗粒 物中的富集度更高。图1 - - 3 是不同粒径的大气颗粒物与气态污染物在大气巾的 传输距离与滞留时问示意图”1 ，可见c 缸m 的细颗粒物与其前体物s o ，、n o 。以及 o ，在大气中具有相似的历程，比粗颗粒物在大气中的滞留时间更长、传输距离更 远，因而其影响范围与持续时间更长。不同粒径的颗粒物在大气中的滞留时川主 第1 章绪论 要取决于其沉降速度与去除方式的综合作用，如表1 3 所示。表中列出的不同 粒径的颗粒物其沉降速度相差均在2 个数量级以上，等于0 1 u r e 的颗粒物虽然 沉降速度极低，但通过凝并与成核作用而很快长大；大于l # m 的颗粒物由于重 力作用而很快沉降下来。粒径为o 1 1 吮m 的颗粒物可以输送到高度2 0k m 、 距离8 0 0 0k m 以外；小于0 m m 的颗粒物通过碰并而长大，如粒径为0 o l , u m 、 原始浓度为1 0 6 个m 3 的颗粒物经过3 0 分钟即可减少一半。1 。因此，p m 。被认为 是局地或城市尺度的污染物，而p m 。传输的距离要远得多，被认为是地区性甚 至是跨边界输送的污染物。 省 u 髓 酱 舞 芝 1 0 1 0 2 图1 3 不同粒径的大气颗粒物与气态污染物在大气中的滞留时间与传输距离 第l 章绪沦 表1 3 不同粒径的人气颗粒物在大气中的沉降速度、滞留时间与去除过程 张仁健等使用单孔分级式撞击采样仪于1 9 9 9 年1 1 月( 采暖期前) 和1 9 9 9 年1 2 月( 采暖期间) 在北京中国科学院大气物理研究所进行大气颗粒物采样，粒子 采集直径分为 1 印m 8 级，并进一步将其划分为细粒子( 驰m ) 进行研究，发现北京 冬季颗粒物的粗粒子比重达7 9 ，f e 、n i 、a 1 、s i 、c a 、t i 这些元素粗粒模态明 显占优势，s 、k 、m n 这些元素细粒模态占优势”。桑建人等利用美$ ! l a p s 2 3 3 1 0 a 型 激光粒谱仪，在中国西北城市银川对大气气溶胶粒子进行现场观测，研究中根据 粒予的不同特性，将气溶胶粒子划分为3 档，粒径小于2 5 大于0 1 , u m 、2 5 1 毗m 之1 9 j 、大于1 0 “m 并分别定义为可呼吸性粒子、飘尘和降尘，再结合气象条件， 给出了这3 种不同粒径粒子的分布特点：3 种不同粒径的粒子谱，无论足瞬时、还 是日平均状况，可呼吸性粒子排放较均匀稳定，降尘波动很大、排放极不稳定；飘 尘瞬时排放波动较大，总体排放比较稳定、有规律“。陈义珍等对2 0 0 0 年1 2 月和 8 0 年代中期北京市近地面气溶胶尺度谱的观测数据，进行了分析和比较研究。结 果表明，在粒子尺度谱上，粒子分布向更细粒子位移：o 1 2 m 的积聚模态粒 子，其峰中心在o 1 2um 处。在粒子体积( 质量) 尺度潜上，粒径小于和m 的细粒 子约占2 6 9 ，粗粒子约占7 3 1 ，表现出细粒予浓度增加的趋势“。连悦等是利 用半导体激光器对大气悬浮颗粒物粒谱分析，研究表明空气中的粒谱呈正态高斯 分布，与理论分析结果相一致“。 1 2 2 气溶胶的化学组成与来源研究 大气颗粒物的化学组成分析是二十世纪六十年代以来进行得最多的研究之 一。从化学的角度而言，颗粒物都是成分复杂的混合物，但其来源与形成机制除 第1 章绪论 t , b 部分重叠之外截然不同，从而造成其化学组成有着很大的区别。表1 4 列 出了颗粒物在形成方式、化学组成、来源以及其它性质上的差别。粗颗粒物的主 要成分为无机物，与产生它的矿物、土壤、材料等的成分相近：细颗粒物则可由 硫酸盐、硝酸盐、铵盐、氢离子、e c 、重金属、有机物及微生物组成，其中酸或 盐类的负离子包括s o l 一、所和c f _ 等，重金属元素包括c r 、c u 、n i 、p b 、z n 、 m n 等，有机物包括正构烷烃、多环芳烃、杂环化合物等。在这些污染物中含有 为数可观的致癌、致突变、致畸型化合物和一些有毒有害化学成分“。 表1 - - 4 环境空气中细颗粒物与粗颗粒物的比较 大气颗粒物的产生方式有三种，即直接以固态形式排出的一次颗粒物；在高 温状态下以气态形式排出、在烟羽的稀释和冷却过程中凝结成固态的一次可凝结 颗粒物：由气态的s o ：、n o ；等前体物通过大气反应而生成的二次颗粒物。一次 颗粒物主要是o c 、e c 和土壤尘等；它们在源与受体之间经历的变化很小，其环 筇1 章绪论 境浓度在总体上与其排放量成正比；其来源包括铺砌路面和未铺砌路面的无组织 排放以及矿物质的加工和精炼过程等，其它的一些源如建筑、农f = f | 耕作、风蚀等 的地表尘的贡献则相对较小。一次可凝结颗粒物主要由可在环境温度条件下通过 凝结而形成气溶胶的半挥发性有机物组成，是某些源排放颗粒物的主要组成部 分。二次颗粒物主要有硫酸盐、硝酸盐、铵盐和半挥发性有机物等。二次硫酸盐 颗粒物很稳定，而硝酸铵和由半挥发性有机物生成的二次颗粒物因具有挥发性而 在气粒之间转化以维持化学平衡。袁1 5 进一步列出了颗粒物各化学组分的主 要来源，包括一次颗粒物与二次颗粒物的来源以及自然源与人为源。在城市大气 颗粒物中“，一次颗粒物主要来自于逸散性尘埃( 产生于风蚀、农业活动、建筑、 物料堆积、铺砌路面和未铺砌路面等) 、燃烧( 居民的炉灶、农业上的生物质燃 烧) 、机动车尾气和工业过程等；二次颗粒物主要来自于煤的燃烧和机动车尾气。 弗1 章绪论 表l 一5 大气颗粒物化学组分的主要米源 谢骅等对北京市大气细粒态气溶胶的化学成分研究发现，北京城市边缘多数 元素的浓度值比城市中心低，尤其是主要来自燃油、燃煤等各种人为排放源的p b 、 s e 、b r 、z n 等元素，城区中心元素浓度值是城市边缘的两倍甚至更多。同时由于 北京冬季采暖期燃煤量的显著增加，导致燃烧排放产生的细粒子及二次污染物大 幅度增加，冬季细粒态气溶胶元素浓度值普遍比夏季高“。王玮等对谭裕沟隧道 和梧桐山隧道t s p ，p m 。和p m 。的质量浓度和主要无机成分进行了分析，结果表明， 交通来源颗粒物中细粒子主要来源于机动车尾气排放，粒径较大的颗粒物则主要 来源于机动车行驶载带的地面扬尘“。冯银厂等研究了两城市粗粒子( 粒径 1 0 毗i n ) 和细粒子( 粒径1 n “m ) 扬尘源的化学组成特点，并对不同城市、不同粒 径的扬尘源成分谱进行了比较。结果表明扬尘主要由地壳元素组成，一些微量元 第1 章绪论 素在扬尘中富集说明一个地区的扬尘与该地区人类的生产、消费等活动密切相 关。同一地区两种粒径的扬尘成分谱无明显差异：不同地区、同样粒径的扬尘的 成分谱存在着显著差异”。贾陈忠，秦巧燕，李克分析了荆州市大气颗粒物粒径及 化学元素组成特征发现，风沙期与地壳材料有关元素s i 、a l 、c a 浓度比采暖期和 非采暖期均高，采暖期f 、s 讲一量较高，主要由于环境空气中f 、s o 。的主要来源 是煤的燃烧，n o ；因来源于汽车尾气氮氧化物的排放，在风沙期污染物更易扩 散，其浓度在风沙期小“。 z h e n gm e i 等。“研究了香港气溶胶p m 。；中可溶解提取的有机物( s e o c ) 的特 征。把s e o c 分为四大类：正烷烃( n - - a l k a n e s ) 、脂肪酸( f a t t ya c i d ) 、烷醇 ( a l k o n a l ) 、多环芳烃( p a h s p o l y c y c l i ca r o m a t i ch y d r o c a r b o n s ) 。与t s p 中对应 部分相比较，p a h s 含量比较高( t s p 中为0 f i 2 5 ) 。黄业茹等“”研究了北京、 东京、筑波3 个城市的大气中有机污染物的组成，结果表明，三个城市的共同特点 是大气气相物质中含有很高浓度的苯环数为2 4 的多环芳烃及碳数小于2 0 的正 构烷烃，大气颗粒物中以5 6 个苯环多环芳烃为主。北京气相及颗粒物中p a l l s 的 总浓度分别是东京和筑波的8 7 、2 8 倍和6 7 、1 0 倍，而且北京、筑波和东京大气 气相中p a l l s 的总浓度分别是大气颗粒物中的2 2 、3 3 和7 倍。同时研究结果表明， 采样方式对研究大气中有机污染物有很大影响。祁士华等”研究了澳门大气降 尘巾优控多环芳烃，得出如下3 点结论：降尘中的优控多环芳烃含量受空问位置影 响，地面降尘由于受到土壤的稀释而使其中的多环芳烃含量较低，交通商业居民 集中区降尘中多环芳烃的含量较高：降尘中的p a l l s 含量较气溶胶中的低，与夜晚 气溶胶中的含量比值为0 0 2 o 0 8 ，白天的为o ( ) 3 o 1 2 ：降尘中的优控多环芳 烃的分布与气溶胶中的不同，气溶胶显示贫2 个苯环和3 个苯环p a h s 的特征，降尘 显示富4 个苯环p a h s 的特征。曾凡刚等”3 1 研究y i l 京石景山地区大气飘尘中有机 物的浓度及有机物的族组成，饱和烃的组成、分布与来源，多环芳烃的分布特征及 成因。结果表明，浚地大气受烟尘污染比受汽车尾气污染更为严重，煤燃烧的污染 重于石油燃烧的污染。 杨建军等( 1 9 9 7 ) 对太原市大4e 颗粒物中金属元素的富集特征研究表明，对 人体危害较大的金属元素丰要富集在2 蛳m 的细颗粒上，p b 、c u 、z n 、s e 、a s 等 主要来自人为污弛a l 、f e 、c a 等主要来自自然源。p r i e d i t i se ta l ( 2 0 0 2 ) 的研究 笫1 章绪论 表明，大气颗粒物的潜在毒性归因于它的可溶组分，特别是z n 组分，在相同浓度 下，z n 和c u 比, n i 、f e 、p b 、v 更容易引起肺部损伤和发炎。谢华林等。”研究了大 气颗粒物中重金属元素在不同粒径上的形态分布。把颗粒物的形态分析分为两组 2 毗m 和 2 吮m ，采用逐级提取方法，研究了金属在交换态、碳酸盐结合态、 氧化态、有机态、不溶态分布情况。 1 2 3 气溶胶的健康影响研究 气溶胶是大气环境中危害较大的污染物之一，气溶胶对健康的影响，主要来 自进行的大量流行病学和毒理学的研究。流行病学的主要内容是统计大气气溶胶 对人体健康的影响；毒理学则是在实验室中控制一定条件下进行的大气气溶胶毒 理研究”1 。 对气溶胶的致病机理研究经历了不同的阶段。2 0 世纪3 0 6 0 年代的研究着 重于矿物粉尘暴露接触与职业病理的关系；2 0 世纪6 0 8 0 年代，众多研究集中 在矿物颗粒引发人体疾病的机制方面；2 0 世纪8 0 9 0 年代，研究工作集中在矿 物致病的病理学上。现在对气溶胶的研究越来越多，其中细颗粒物p m ，。和p m ：。， 由于可以被吸入人体，尤其是p m 。能够进入人体肺泡，二者目前已被国内外研 究者列为主要的研究对象。 颗粒物对健康造成的影响包括从呼吸道发病率增加、病症i i l l ! l l 未成年死亡 的危险性增加( 寿命预期大为缩短) 等。国外大量的流行病学研究提示，可吸入 颗粒物( p m 。) 浓度的上升与疾病的发病率死亡率关系密切，尤其是呼吸系统及 心肺疾病乜6 ”。”。研究认为，p m 。每上升l o , u g m 3 ，每日死亡率上升1 ，呼吸系 统疾病上升3 4 ，心血管病上升1 4 ，哮喘病上升3 ，肺功能下降o 1 “”“3 “。 o s t r o 等人。2 1 在智利圣地亚歌调查了3 5 岁以及2 岁以下儿童的上下呼吸道 症状与颗粒物和0 3 关系。3 1 5 岁儿童上呼吸道门诊率与p m 。也有显著的关系。 对于2 岁以下儿童，p m 。每升高5 0 , u g m 3 , 其下呼吸道症状率上升3 9 。 d o c k e r y 等研究发现慢性咳嗽、支气管炎和胸部疾病与t s p 、p m 。、p m 2 ；及 p 。中的硫酸盐有正相关关系。 魏复盛，胡伟等。”采用两步回归法研究了中国4 城市空气污染与儿童肺功能 指标的相关关系。结果表明，、p m ：。、p m mt s p 等与f e v l 、f e v l f v c 的调整均 第l 章绪睑 值、f e v l f v c 一 8 0 的异常率有显著的统计相关关系。说明空气中颗粒物是导 致儿童小气道通气功能障碍的重要因素之一。此结果与p e t e r s 等人。”在南加州的 研究结果一致( 肺功能指标：f e v l 一1 秒末用力呼气量、f v e 用力肺活量) 。 原福胜、马亚萍等。“1 运用d f j 一1 型五段分级采样器采集太原市居民区大气 颗粒物，用原予吸收分光光度法测定不同粒径颗粒物上4 种金属元素n i 、p b 、 c d 和c r 的含量，以双核淋巴核实验监测不同粒径颗粒物的诱变性。结果显示： 太原市居民区大气颗粒物污染严重；颗粒物越小，所含金属元素量越多，小于 1 , l t m 的颗粒物含金属元素量最多；不同粒径颗粒物提取液均可诱发双核细胞微 核增加，尤以1 1 z m 下颗粒物诱发微核率较强，表明颗粒物有致突变作用。 近年来，生物性颗粒物( 生物气溶胶) 成为大气颗粒物研究中的个迅速发 展的领域。生物气溶胶是指含有微生物核生物性物质的气溶胶，它们包括病毒、 立克次体、衣原体、细菌核放线菌、真菌核苔藓等，这些粒子几乎都和某些人体 疾病有关。研究生物气溶胶影响人类侄8 康重点在于确定生物气溶胶的来源、在空 气中的传播过程和人体的吸入及其在呼吸道中的沉降”“州。 尽管流行病学发现颗粒物尤其是细颗粒物浓度的增加与诸多健康影响之间 密切相关，但迄今尚未能揭示这些健康影响是由颗粒物的何种成分或特性( 粒径、 化学组成、质量、数量或表面积) 或何种病理生理学机理所致，即颗粒物的毒理 学机理迄今尚未确立。1 。有研究就超细颗粒物、表面附着过渡金属( 如f e ) 的 颗粒物以及酸性颗粒物提出了导致炎症效应机理的假设，认为颗粒物使呼吸系统 受损而导致炎症。这一假设表明颗粒物的粒数浓度可能比质量浓度对决定其毒 性更为重要。采用超细模态的t i o 。颗粒物对动物进行的实验已证实了这一点。 毒理学研究表明，颗粒物中特定的组分与特定的健康危害有关。 云南省宣威县是我国农村肺癌的高发区，在1 9 7 3 1 9 7 5 年间该县高发区的 肺癌死亡率高达1 5 1 7 8 人t o 万人。研究发现该县肺癌高发区室内空气中的 f s p 、b a p 、s o 。的浓度均高于低发区几倍到儿十倍：颗粒物粒径大小是决定其毒 性的主要因素，这是因为被吸附在细颗粒上的有害物质可以被人体有效吸收而进 入血液中“。实验结果表明，该地区的颗粒物随粒径减小其致突变活性和致癌性 均逐渐增强；6 0 7 0 的多环芳烃富集在p m 。上；粒径愈小的颗粒物致突变活性 愈高，可能和多环芳烃富集在细颗粒物上有关。 第1 章绪论 1 2 4 气溶胶的气候影响研究 ( 1 ) 对能见度的影响 自2 0 世纪7 0 年代以来，大气颗粒物对能见度的影响就一直是环保部门关注 的问题之一。能见度降低的原因主要为大气颗粒物和气体污染物对光的吸收和散 射减弱了光信号。国内外的学者针对颗粒物对光的吸收和散射效应从而导致能见 度降低作了大量的工作。 光的散射是能见度降低的最主要因素，颗粒物的散射能造成6 0 9 5 的能见 度减弱“。据研究认为“”3 1 散射效应主要同p m 。有关。不少学者都认为细颗粒 物的质量浓度是导致能见度下降的主要原因。宋宇，唐孝炎“”曾对北京市不同粒 径大小的颗粒物的质量浓度进行了观测，发现颗粒物的散射消光系数占总体消光 散射系数的7 0 8 0 ，其中细粒子的关系更为密切，发现能见度水平与细粒子 污染水平呈较好的负相关。另外研究者还发现，能见度的好坏还与细粒子的组分 不同有关。有不少学者认为细颗粒中的硫酸盐是最重要的散射物质，其次为有机 碳，在某些地区硝酸盐也很重要。女h s i s l e r 等在c o l o r a d op l a t e a n 的研究认为， 细颗粒的硫酸盐、有机物对总消光系数b e x t 的贡献率相当，范围在2 0 3 0 ， 粗粒子贡献率为1 0 2 0 ，硝酸盐的贡献率最低。l e ey u e tl a i 等研究发现香 港地区细颗粒物中主要的散射物质为硫酸盐“。而p r y o r 等认为，硫酸盐和硝酸 盐对散光系数的总贡献率为5 5 6 7 ，并随相对湿度的增加而增加。但也有学 者不认为硫酸盐是最主要的散射物质，_ 虫f l h p p e 等的研究认为，细粒硝酸盐颗粒 的散光效应比硫酸盐更强。 颗粒物对光的吸收效应也是能见度降低的重要因素。极细颗粒对光的吸收比 散射更有效“。元素碳的吸光系数大约为5 2 0 m 2 g ，远远大于其它光吸收物质。 因此，p m 。和p m ：。对光的吸收几乎全部都是由元素碳和含有元素碳的颗粒物引起 的。每年，世界上排放的元素碳的量占人为颗粒物排放量的1 1 2 5 ，占 全部颗粒排放量的0 2 l 。元素碳主要由燃料的不完全燃烧产生，主要来 自以柴油车为主的流动源，其主要分布在粒径小于l 啪的颗粒中，浓度范围在 n g ，m 3 m 3 。虽然浓度很小，但是元素碳的消光效应却是不可忽视，其减弱能 见度的效率，大约三倍于硫酸盐、硝酸盐或其他有机物质。据s i s l e r 的研究， 细颗粒物质对光的吸收系数占总消光系数的2 0 3 0 “”“5 们。 第1 章绪论 2 0 0 3 年1 2 月2 日广州地区日平均能见度低于2 千米，吴兑等对此进行了研 究分析，发现主要是由于“m e l o r 0 3 1 9 ”飓风的影响，下沉气流使空气中颗粒物 集聚在对流层底部，难以扩散，从而导致能见度急剧的降低”“。 ( 2 ) 对温度的影响 颗粒物对温度的影响仍是值得继续研究的问题，过去的研究认为颗粒物具 有“阳伞效应”，它能反射和吸收太阳辐射能，特别是减少紫外光的透过，使地 面获得的太阳辐射能减少，引起气温降低。以后的模式实验表明，颗粒物增加不 多时，地面有增温现象。个别科学家甚至认为，颗粒物越多，增热效果越大。美 国宇航局戈达德空间研究所的科学家利用气象模型，研究沉积在雪和冰上的煤烟 颗粒对火气的影响。他们发现，纯净的雪和冰通常可反射9 0 的太阳光，而因 煤烟污染而变暗的雪和冰却能吸收更多的太阳光。地球上各个地域煤烟沉积的比 例各不年h 同，根据模型判断，煤烟颗粒使北极地区的光反射率降低了1 5 ，使 北半球陆地的光反射率降低了： 。煤烟颗粒是黑色的碳和有机化合物的结合 体，两者对地球表面温度的影响不同：碳导致气温上升，有机化合物导致温度下 降。煤烟对大气的影响复杂，且未被科学家完全理解。 目前有研究报道总悬浮颗粒物既有促进城市热岛形成，也有促进城市冷岛形 成。j o n s s o np ，y o s h i k a d oh 等认为，总悬浮颗粒物加剧城市热岛强度，降低昼 夜间温度波动幅度，使城市大气增温、改变大气的稳定性及垂直运动，影响大范 围内的大气环流和水文循环8 2 ”。j o n s s o n 等人首次对坦桑尼亚首都达累斯萨 拉姆( d a r e ss a l a a m ) 城市热岛与总悬浮颗粒物的相互关系进行了研究，认为夜 u 的热岛强度与总悬浮颗粒物浓度呈正相关关系。我国张云海等人“”对沈阳城市 热岛变化趋势及其与总悬浮颗粒物相关关系进行了初步研究，认为总悬浮颗粒物 浓度与热岛强度之间存在正相关关系( 相关系数为0 5 8 ) ，与j o n s s o n 等人的研 究结果类似。但是也有不同结论的研究报道。城市上空悬浮颗粒物形成的“尘盖” ( d u s td o m e ) 首先影响太阳光的辐射过程，随后导致城市边界层( u r b a n b o u n d a r y l a y e r ，u b l ) 系统的能量平衡失衡，总悬浮颗粒物浓度与“城市冷岛” ( u r b a nc o l di s l a n d ) 之间存在一个j f