（环境科学专业论文）扬尘特征分析及二重源解析技术研究.pdf

a b s t a c t f u g i t i v ed u s ti s m i x e dd u s t ，a n di th a s n tae x p l i c i td e f i n eu pt on o w p e o p l ek n o wt h ef u g i t i v e d u s tal i t t l e b u tt h e f u g i t i v e d u s tp l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei nt h ep r e v e n i o na n d c u r eo fa i rp o l l u t i o n a n dt h i sp a p e r m a i n l yd i s c u s s e st h ec h a r a c t e r so ff u g i t i v e d u s ti n c l u d i n gt h ed e f i n eo f f u g i t i v e ，t h es o u r c eo ff u g i i v ed u s t a n dt h ei n g r e d i e n to f f u g i i v ed u s ta n d s oo n a n dt h i s p a p e rp u t s f o r w o r dt h e t h e o r y o f i m p r o v e d - s o u r c e - a p p o r t i o n m e n t a n d i nt h ee n dw e e x p o u n d t h e c h a r a c t e ro f f u g i t i v e d u s ta n dt h e t h e o r y o f i m p r o v e d s o u r c e - a p p o r i o n m e n tb yi l l u s r a t i n gt h ec i t yo fa n y a n g a tt h e s a m et i m e ，w ee x p o u n dt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h ec h a r a c t e ro ff u g i t i v e d u s ta n dm e t h e o r y o f i m p r o v e d - s o u r c e - a p p o r t i o n m e n t k e yw o r d s ：f u g i t i v e d u s t i m p r o v e d - s o u r c e - a p p o r t i o n m e n t 扬尘特征分析及二重源解析技术研究 第一章：研究概述 1 1 大气污染 大气污染与经济发展，能源利用及城市规模扩大是分不开的，因此，在各个 国家都有一个发生，发展和演变的过程。自1 2 世纪人们开始利用煤作燃料之后， 排出的煤烟使大气污染日益严重。1 8 世纪伴着蒸汽机的发明和钻探石油的成功， 生产力迅速发展，大气污染状况也随之迅速恶化。到2 0 世纪，局部性的大气污 染日益严重，大气污染公害事件时有发生，全球性的大气污染问题日益突出，大 气污染和环境问题受到了世界各国政府和人民前所未有的关注。国际标准化组织 认为，“大气污染，通常是指由于人类活动和自然过程引起某些物质进入大气中， 呈现出足够的浓度，达到了足够的时间，并因此而危害了人体的舒适，健康和福 利或危害了环境。” 目前对环境和人类产生的大气污染物约有1 0 0 种“，其中影响范围广的污染 物有颗粒物，二氧化硫，氮氧化物，碳氧化物及挥发性有机化合物等。 1 2 我国大气污染现状 我国是世界上大气污染状况比较严重的国家之n ，城市大气污染更为突 出。从全国范围看，我国大气污染仍以煤烟型污染为主；而由于城市机动车数量 的剧增，我国一些大城市的大气污染已呈现出以机动车尾气污染为主的趋势。 1 9 9 0 年中国环境公报表明，我国大中城市大气污染较重，小城镇大气污染 有加重趋势。全国废气排放量为8 。5 1 0 1 2 m 3 ，比1 9 8 9 年增长2 。8 。其中二 氧化硫排放量为1 4 9 5 1 0 4 m 3 ，与1 9 8 9 年基本持平；烟尘，粉尘排放量分别是 1 3 2 4 1 0 4 t 、7 8 1 1 0 4 t ，较1 9 8 9 年有所下降。1 9 9 0 年，城市总悬浮微粒年日均值 的平均值为3 8 7 微克，立方米，北方城市为4 7 5 微克立方米，南方城市为2 6 8 微 克立方米。总悬浮微粒污染严重的城市为石家庄，南充、吉林、乌鲁木齐、洛 阳和唐山。城市大气二氧化硫污染南方重于北方，污染严重的城市为重庆、贵阳、 宜宾、南充、石家庄、青岛和乌鲁木齐。 1 3 颗粒物污染现状 1 9 9 6 年，国务院通过了关于环境保护若干问题的决定，自1 9 9 6 年8 月3 扬尘特征分析及二重源解析技术研究 日实施。该决定指出：到2 0 0 0 年，全国所有工业污染源排放污染物要达到国家 或地方规定的标准；各省，自治区，直辖市要使本辖区主要污染物排放总量控制 在国家规定的排放总量指标内，环境污染和生态破坏加剧的趋势得到基本控制； 直辖市及省会城市，经济特区城市，沿海开放城市和重点旅游城市的环境空气， 地面水环境质量，按功能分区分别达到国家规定的有关标准。 几年来，各级政府及所属环保部门不断加大治理空气污染的力度，采取了一 系列有效措施，取得了一定的成绩，城市空气质量恶化的趋势有所减缓，部分城 市空气质量有所改善，但整体污染水平仍然较严重。总悬浮颗粒物( t s p ) 或可 吸入颗粒物( p m l 0 ) 是影响城市空气质量的主要污染物。统计的3 3 8 个城市中， 3 6 5 的城市达到国家空气质量二级标准，其中超过三级标准的有1 1 2 个城市， 占监测城市的3 3 。1 。2 0 0 0 年度城市空气质量总体上比1 9 9 9 年度有所好转。 图1 1 城市空气质量级别年度对比 1 4 环境大气中颗粒物的危害 环境空气中的颗粒物按其空气动力学直径可分为t s p 、可吸入颗粒物 ( p m l 0 ) 、p m 2 5 ( 空气动力学直径小于2 。5 微米) 。目前我们国家的环境空气质 量标准中只对t s p 和p m l 0 规定了最低浓度限值。 由于环境空气中的颗粒物除了含有一些主量的地壳元素如硅，铝外，还会有 富集了化石燃料和工业污染的重金属，酸性氧化物，多环芳烃类致癌物和农药等， 还载带着细菌，真菌，病毒等。是对人体健康危害最大的首要污染物( 2 1 ) o 不同粒径的颗粒物在空气中停留的时间有很大差异，国外的研究结果表明， 3 0 微米的颗粒物在空气中停留的时间为1 小时左右，l o 微米的颗粒物在空气中 停留的时间为1 0 0 小时左右，2 5 微米的颗粒物在空气中停留的时间为1 0 0 0 小 扬尘特征分析及二重源解析技术研究 时左右，1 微米的颗粒物在空气中停留的时间为i 0 0 0 0 小时左右a 不同粒径的颗粒物在空气中的传输距离有很大差异，一般来说，在一定的气 象条件下，1 0 0 微米的颗粒物在空气中传输的距离为i 公里左右，1 0 微米的颗粒 物在空气中传输的距离为i 0 0 公里左右，2 5 微米的颗粒物在空气中传输的距离 善 丑 蛊 蹙 ，： 鼻腔 | f口腔 万、i| | 、j 气管 一； 涟竺签 图l 一2 正常呼吸状态下不同粒径的颗粒物在人体呼吸系统的沉积状况 可以达到上千公里。 颗粒物对人体的危害与粒径大小密切相关，有关研究结果表明，1 0 0 微米以 下大约3 0 微米左右的颗粒物沉积在人的口腔中的比例最高，1 0 微米左右的颗粒 物沉积在人的鼻腔中的比例最高，1 0 微米以下的颗粒物一般停留在人的气管或 支气管中，0 。l 微米以下的颗粒物沉积在人的气管、支气管和肺部的比例最高。 另外，细颗粒物载带的致癌物大于粗颗粒物，因此危害性更大“7 1 ”。( 见图1 2 ) 污染源排放的细颗粒物在环境空气中停留的时间长，传输的距离远，对人体 的危害大，两污染控制的难度也大，对细颗粒物的污染防治应引起足够重视。 1 5 大气颗粒物源解析技术的产生与发展 所谓源解析技术，顾名思义，就是对大气颗粒物的来源进行定性或定量研究 的技术。通俗地讲，就是利用一定的原理找出污染的来源，并进行定量的分析。 实际上这就是找病因的过程。 源解析技术的发展始于以排放量为基础的扩散模型( 源模型) 。扩散模型可 以很好地建立起有组织排放的烟尘源和工业粉尘源与大气环境质量之间的定量 扬尘特征分析及二重源解析技术研究 关系，从而为治理有组织排放源提供了科学依据。但是扩散模型无法应用于源强 难于确定的开放源。为了很好地解决这一问题，b l i f f o r d 门”和m e e k e r 首先把着 眼点由排放源转移到了受体，通过分析在受体采集的颗粒物样品推断颗粒物的来 源，随后逐步形成了通过对大气颗粒物环境和源样品的化学或显微分析确定各类 污染源对受体贡献值的一系列的源解析技术。 由于受体模型不需要知道源强，不依赖与气象资料，解决了扩散模型难于解 决的问题，因此，受体模型自7 0 年代问世以后，得到了迅速的发展，已形成了 大气颗粒物源解析研究体系。 1 6 c m b 受体模型的基本理论 受体模型“是应用在源和受体上所测量的大气颗粒物的物理化学特性来确 定对受体有贡献的源类和其贡献值。受体模型的种类很多，主要有：( 1 ) 化学质 量平衡( c m b ) ；( 2 ) 主因子分析( e r a ) ：( 3 ) 多元线性回归分析( m l r ) ；( 4 ) 目标转因子分析( t t f a ) 等。化学质量平衡受体模型( c m b ) 是由一组线性方程 构成的，表示每种化学组分的受体浓度等于源成分谱的化学组分含量值和源贡献 浓度乘积的线性和。由于该模型物理意义明确，算法日趋成熟而成为目前最重要 最实用的受体模型。 1 6 1 c m b 模型 假设存在着对受体中的大气颗粒物有贡献的若干源类( i ) ，并且( 1 ) 各源类 排放的颗粒物的化学组成有明显的差别；( 2 ) 各源类所排放的颗粒物的化学组成 相对稳定；( 3 ) 各源类所排放的颗粒物之间没有相互作用，在传输过程中的变化 可以被忽略。那么在受体上测量的总物质浓度c 就是每一源类贡献浓度值的线 性加和。 j j c = s ， j2 l j = l 式中：c 受体大气颗粒物的总质量浓度，微克立方米 s j 每种源类贡献的质量浓度，微克，立方米； 4 塑尘堑堡坌塑丝三重塑堡堑苎查堕墨一 j 源类的数目j = l ，2 ，j 。 如果受体颗粒物上的化学组分i 的浓度为c 。，那么公式( 1 1 ) 可以写成： c ，= 局s ，i 2 l ，2 i ，j 5 l ，2 j 。 ( 1 2 ) j = l 式中：c 、一受体大气颗粒物中化学组分i 的浓度测量值，1 2 g m 3 ； f 。一第j 类源的颗粒物中化学组分i 的含量测量值，； s 。一第j 类源贡献的浓度计算值，p g m 3 ； j 一源类的数目，j = 1 ，2 j ； i 一化学组分的数目，i = l ，2 i 。 只有当i j 时，方程组( 1 2 ) 的解为正。源类j 的分担率为： q = s i c 1 0 0 ( 1 3 ) 1 6 2 c m b 模型的算法 c m b 方程组的算法主要有以下几种： ( 1 ) 示踪化学组分法( t h e t r a c a rs o l u t i o n ) ( 2 ) 线性程序法( t h e l i n e a rp r o g r a m m i n gs o l u t i o n ) ( 3 )普通加权最小二乘法( t h eo r d i n a r yw e i g h t e dl e a s ts q u a r e ss o l u t i o n w i t ho rw i t h o u ta ni n t e r c e p t ) ( 4 )岭回归加权最小二乘法( t h er i d g er e g r e s s i o nw e i g h t e d l e a s ts q u a r e s s o l u t i o nw i t ho rw i t h o u ta ni n t e r c e p t ) ( 5 )有效方差最小二乘法( t h ee f f e c t i v ev a r i a n c el e a s ts q u a r e ss o l u t i a n w i t ho rw i t h o u ta ni n t e r c e p t l 目前c m b 模型最常采用的算法市有效方差最小二乘法，因为有效方差最 d , - - 乘法提供了计算源贡献值s j 和s j 的误差的实用方法。 1 6 3c m b 模型模拟优度的诊断技术 c m b 模型是线性回归模型。在线性回归模型的实际应用中一般需要考虑： 回归推断的估算值与实测值的偏离，偏离程度一般用“残差”来检验：另外对回 归推断有大影响的参数是那些，影响程度如何衡量。解决上述问题的数学方法 扬尘特征分析及二重源解析技术研究 般称之为回归诊断技术。在本研究中为了验证源贡献估算值的有效性c m b 模型 拟合的优良程度，选择了下列回归诊断技术对回归结果进行检验。 ( 一)源贡献值拟合优度的诊断技术； ( 二)源的不定性和相似性组的诊断技术： ( 三) 化学组分浓度计算值拟合优度的诊断技术： ( 四)其他诊断技术。 当用c m b 模型求解源贡献值时，源贡献值可能是负值。导致源贡献值是负 值的原因有二：( 1 ) 当某种源类的贡献值小于它的检出限的时候，即该源类贡献 值的标准偏差很大，这种源类被称之为不定性源类。( 2 ) 当多种源类的成分谱数 值相近或成比例时，这几种源类被称之为相似性源类。不定性和相似性源类通称 为共线性源类。关于共线性的分析和诊断在后面将论述。 i 7 本论文的主要内容 本论文首先系统地研究了扬尘的各项特征，主要包括扬尘的成分谱、扬尘的 来源、扬尘的粒径特征等等。然后阐述了二重源解析技术的原理、应用及最新进 展，最后以此方法成功地得出了安阳市二重解析结果。 本论文的意义在于第一次单独提出对扬尘进行分析，积极响应大气污染防治 法对城市扬尘治理的规定，并进而将扬尘分析与二重源解析技术紧密结合起来， 使两者真真能够发挥其应有的作用。为城市大气源解析技术的发展及城市大气污 染防治有重要意义。 6 扬尘特征分析及二重源解析技术研究 第二章扬尘特征分析 2 1 概述 2 0 0 0 年4 月2 9 日第九届全国人民代表大会常务委员会通过了修订后( ( 中 华人民共和国大气污染防治法) ) ，标志着我国大气污染防治立法的重大突破。该 法第四十三条规定：城市人民政府应当采取绿化责任制，加强建设施工管理，扩 大地面铺装面积，控制渣土堆放和清洁运输等措施，提高人均占有绿地面积，减 少市区裸露地面和地面尘土，防治城市扬尘污染。 我国的城市扬尘污染十分严重。，从1 9 9 7 年6 月至1 9 9 8 年5 月期间的空气 污染指数的分析中可以看出，我国大部分城市空气中的总悬浮颗粒物依然是空气 中最为突出的问题。据4 1 个城市的统计：其中3 2 个城市的首要污染物是总悬浮 颗粒物，又以兰州，太原，乌鲁木齐，银川，呼和浩特等较为严重。造成这种状 况虽然与当地自然条件有一定关系，但主要还是人为因素造成的。除了与我国以 煤炭为主的能源消费结构和以燃煤烟尘排放的控制水平有关外，与近几年城市大 规模市政和建筑施工建设有着直接的关系，成为城市空气中总悬浮颗粒物污染水 平居高不下的重要原因。以北京为例，1 9 9 8 年全市施工工地约有5 0 0 0 个，加上 房屋维修，拆迁，工地总数超过8 0 0 0 个。建筑，拆迁，道路施工以及堆料，运 输遗洒，大量路面和地面裸露是造成北京市全年扬尘污染的主要原因。 2 2 扬尘的界定 扬尘是一类非常复杂的混合尘源类，很难给其下一个确切的定义。目前在环 境管理和应用上，对扬尘的称呼可谓多种多样，有称建筑扬尘的，有称道路扬尘 的，有称风沙扬尘的等等。研究工作者因采集扬尘的手段和位置的不同，对扬尘 的理解也有一定的差异。 最早提出扬尘概念是在1 9 8 5 年，当时朱坦等人在天津市大气污染控制 研究中第一次提出了扬尘的概念。朱坦等人“把从排放源排出，沉降以后在气 象、人类活动等因素的作用下再次进入大气的颗粒物称为扬尘。陈洁“等人把 不通过烟囱、排气管等集中排放的所有颗粒物排放源称为逸散性颗粒物排放源， 并将其分为开放性和工业加工过程排放源两类。开放源是指由于风力或机械力作 扬尘特征分析及二重源解析技术研究 用于裸露的物质表面而引起的颗粒物排放，包括与工业生产有关的原材料、半成 品、废弃物的运输、堆积和传送等作业过程而产生的排放及非工业性活动，如未 铺或已铺道路、停车场、建筑工地和农业耕作等活动以及裸露地面的风蚀等而产 生的颗粒物排放。工业加工过程排放源是指与改变了原材料化学和物理特性的工 业生产过程有关的排放，如冶炼炉、炼焦炉出料进料口、矿石粉碎场等。杭维琦 0 5 把各种排放源排放的颗粒物沉降到地面所形成的尘叫地面尘，认为地面尘经 人活动可成为二次扬尘。郭光涣3 ”等认为道路扬尘是来自不同污染源的混合物， 它不仅含有煤烟尘、燃油飞灰、建筑材料等工业尘，同时还含有一定数量的土壤 风沙尘、植物花粉、火山灰、海盐粒子等等自然尘。j c c h o w 旧和j g w a t s o n ( 2 9 - 2 9 ) 等把来源于铺装和未铺装的道路、建筑工地和荒地、垃圾堆、风蚀以及农田耕作 等方面的颗粒物称为扬尘或地质材料尘。冯银厂( 3 在他的博士论文中给扬尘下了 这样一个定义：我们认为，若将土壤风沙尘、建筑尘、煤烟尘、机动车尘、钢铁 尘、海盐粒子等称为单一尘源的话，那么扬尘可以定义为：各单一尘源类所排放 的颗粒物进入环境空气后，部分颗粒物由于重力等作用沉降到地面、道路、建筑 物顶部、窗台等各类可以容纳颗粒物的地方，这部分沉降下来的颗粒物在自然力 或人类活动的影响下再次或多次进入环境空气中，这部分颗粒物就叫扬尘。显然， 冯银厂在其博士论文当中阐述的观点更接近于实际情况。但更应该看到，扬尘是 随着空间而变化很大的一类源类。所以任何统一的、一成不变的定义似乎都太过 于保守。其实正因为此，扬尘受相近源类的影响最大，比如钢铁厂附近的扬尘大 部分组分是钢铁尘，而农田附近的扬尘大部分组分是土壤尘。所以扬尘的最大特 征就是它的二次或多次性。 2 3 关于扬尘的争议 本部分主要讨论关于扬尘的争议。所谓关于扬尘的争议，主要集中于以下这 几个方面： ( 1 ) 扬尘是否存在：从扬尘的定义可知，扬尘明显不同于其他尘类。冯银厂 p 锵其称为二次源类比较贴切。实际上，从扬尘的定义可知，只要存在土壤风沙 尘、煤烟尘等单一尘源类，就会有扬尘，也就是说，扬尘是客观存在的。 ( 2 ) 扬尘是否需要单独治理。有人扬尘说是环境的背景值，所以非常难于 治理，但事实并非如此，其实扬尘是一单独开放源已是不争的事实，治理扬尘有 扬尘特征分析及二重源解析技术研究 特殊的方法，而不是不可治理，或者是不需要单独治理。 2 4 研究扬尘的意义 2 4 1 治理扬尘污染是空气质量达标的关键 大气中颗粒物的成分非常复杂，来源众多。可以利用源解析技术解析出不同 类型的排放源的分担率。部分研究结果表明，扬尘是造成城市颗粒物污染严重的 重要因素。扬尘在部分城市总悬浮颗粒物中所占的比例为：北京6 0 l o ) 天津 4 2 1 0 ) 济南5 4 ( 5 1 、石家庄6 0 、成都4 6 娜、南京5 9 m 、西安6 2 1 1 2 ) 常州5 5 “舢、安阳4 0 。 根据以上源解析结果，多数北方城市环境空气颗粒物中扬尘的分担率达到或 超过5 0 。也就是说在3 0 0 - - 4 0 0 微克立方米的颗粒物中扬尘的分担率达到1 5 0 2 0 0 微克立方米以上，由此可以看出，只有其他源不向空气中排放颗粒物( 实 际上是不可能的) ，环境空气的质量才有可能达标。那么，可以说，对于北方多 数城市来说，若不加大力度治理扬尘污染，有效地降低扬尘污染，要想实现空气 质量达标是非常困难的。我国2 0 0 0 年9 月1 日开始实施的经过修改的中华人民 共和国大气污染防治法专门增加了防治城市扬尘污染的条款( 第4 3 条) 。因此， 控制扬尘污染已成为改善城市环境空气质量的紧迫任务。 2 4 2 提高对扬尘的认识，为制定全面的颗粒物污染防治措施提供依据 我国几十年的大气污染防治工作主要集中在对工业污染源的消烟除尘方面， 己在消烟除尘技术方面取得了显著的进步，并且收到了良好的效果。而对于对环 境空气质量影响较大的扬尘则不够重视，一方面是因为对扬尘的认识存在误区， 有人认为扬尘是一个地区的背景，无法治理；有人认为扬尘是由其他源类来的， 本身不是源，所以，只要治理其他源类就可以了，等等。另一方面，对扬尘的组 成、来源、污染特点研究较少，没有形成有效的治理措施和方法。 因此，对扬尘这一特殊的颗粒物源类进行深入细致的分析与研究，必将对充 分认识扬尘的污染特点、对制定科学的颗粒物污染防治措施，乃至对转变颗粒物 污染防治观念起到积极的作用。 2 4 3 为二重源解析的进行提供必要的保证 在二重源解析当中，扬尘既是源，又同时是受体，所以研究扬尘，特别是扬 尘的组成、采集、特征、变化等等对后面的二重源解析有重要的意义。可以毫不 9 扬尘特征分析及二重源解析技术研究 夸张地说，扬尘是整个二重源解析的关键，如果对扬尘认识错误，整个二重源解 析就会显得毫无意义。反过来，如果深入地研究扬尘的特征，必将推动二重源解 析技术的发展。 在目前情况下，由于对扬尘的认识还很不够，所以这一方面就显得极为重要。 2 5 扬尘成份谱分析 2 5 1 扬尘样品的采集 在安阳市区共布设1 0 个扬尘采样点。扬尘采集点位一般设在建筑物较长时 间未打扫的窗台或平台上，用洁净的毛刷将扬尘扫入样品袋中，在采样过程中注 意代表性并避免其它物质的污染，采样高度为5 一1 5 米，具体采样点位名称见表 2 1 。 表2 1 安阳市扬尘采样点位名称 而济南市巧在1 9 9 9 年1 1 月在2 5 个采样点采集了扬尘样品，采样高度是5 一1 5 米，在市区每一个行政区均匀布设5 个采样点。采样方法是收集长期没有 打扫的窗台及橱窗等处的集灰，在选择采样点时尽量避免了局部污染源的直接影 响。 2 5 2 成分谱特征分析( 安阳市和济南市) 在颗粒物的粒径分界线问题上，不同的文献之间有一定的差异。本论文将粒 径小于1 0 0 微米的粒子称为粗粒子( t s p ) ，将粒径小于l o 微米的粒子称为细粒子 f p m l o ) 。安阳市和济南市的粗细粒子扬尘的化学成分谱见表2 1 至2 5 。 o 扬尘特征分析及二熏源解析技术研究 表2 1 安阳市扬尘化学成分百分含量( ) 细粗细粗 化学化学 组分含量偏差含量偏差 组分 含量偏差含量偏差 n ao 3 6 50 2 0 30 4 5 40 1 7 0n i0 0 0 50 0 0 10 0 0 3o 0 0 l m g 1 5 6 5 00 8 8 1 3 4 10 3 6 2c uo 0 1 1o 0 0 10 ，0 0 80 0 0 2 a j69 】o0 5 9 67l l l03 2 3z no 】2 00 0 8 90 0 9 00 0 5 3 s i2 1 2 4 4 l3 6 9 2 3 1 6 31 6 1 0b ro 1 1 00 0 6 20 0 0 00 0 0 0 口 01 1 90 0 1 7o 1 0 1o 0 1 6b a0 0 0 l0 0 0 00 0 7 600 2 4 k1 7 3 20 1 8 71 4 5 0o 1 2 2p b00 6 90 0 0 80 0 2 600 1 l c a 9 3 3 4 1 8 0 86 8 5 70 7 8 5 t c 1 1 4 2 71 0 3 5 92 5 9 1 2 8 8 t 10 4 5 50 0 4 70 3 “00 4 2o c9 0 8 91 0 6 08 0 3 21 2 0 4 vo0 1 00 o o lo 0 1 00 0 0 2n h 4 + 0 0 1 5 00 1 00 0 2 8 0 0 0 5 c r0 0 0 90 0 0 00 ，0 0 7o 0 0 lc 1 0 0 1 30 0 0 00 0 1 l0 0 0 4 m n0 ，0 7 30 ，0 1 5 0 0 7 5 0 0 2 8n 0 3 0 0 5 60 ，0 0 0 0 0 0 0 0 。0 0 0 f e6 1 6 22 7 4 76 ，7 5 25 5 3 9s 0 4 2 0 2 5 30 0 4 0o 1 4 40 0 4 2 c o00 0 20 0 0 10 0 0 20 0 0 1 表2 2 安阳扬尘二次采样( 6 月) 粗颗粒化学成分百分含量( ) 粗粗 化学化学 组分含景偏差组分含量偏差 n a 0 5 2 30 2 3 7n i0 0 0 3 0 0 0 1 m g l3 1 8o 1 5 3c u0 0 0 6o 0 0 1 a i5 8 1 0o 1 3 3z n0 0 6 50 0 4 3 s i 2 4 1 8 0 1 7 9 6b r0 0 0 10 0 0 0 p0 1 0 0o 0 2 lb a0 0 6 20 0 0 9 k1 5 2 1o 1 7 4 p b 0 0 3 6 o 0 0 6 c a7 7 2 00 9 6 6t c7 9 1 92 8 9 2 t i0 3 9 9 0 0 2 0o c6 0 7 22 8 3 5 v0 0 0 9o 0 0 ln h 4 +o 0 1 00 0 0 0 c r0 0 0 70o o oc 1 0 0 1 20 0 0 8 塑尘堑堑坌堑墨三重塑塑堑垫查型窒 m n0 0 6 3o 0 1 9 n 0 3 0 0 0 00 0 0 0 f e55 1 83 2 5 6s 0 4 2 0 0 8 30 0 1 6 c 。0 0 0 2o 0 0 1 表2 3 安阳扬尘三次( 1 2 月) 采样粗颗粒化学成分百分含量( ) 粗粗 化学化学 组分平均值偏差 组分 平均值 偏差 n a0 5 4 20 2 4 3n i0 0 0 4o ，0 0 1 m g 1 5 3 7o 1 6 5c u00 0 60 0 0 1 a l5 6 4 60 3 0 6z n0 0 6 90 0 5 7 s i 2 3 7 1 71 5 7 4b r0 0 0 00 0 0 0 p 0 0 8 70 0 0 8b a0 0 6 7o ，0 1 7 k1 4 1 30 1 4 5p b0 0 4 0o 0 1 7 c a8 4 1 11 7 2 0t c8 7 0 70 5 0 8 t i0 3 8 000 6 6o c6 9 9 01 1 2 5 v0 0 0 80 0 0 2n h 4 十0 0 1 00 0 0 0 c r0 0 0 700 0 lc 1 0 0 0 80 0 0 6 m n0 0 6 8 0 0 3 6n 0 3 o o o o0 0 0 0 f e6 4 8 73 1 6 4s 0 4 2 0 1 6 50 0 5 0 c o0 0 0 2o o o l 表2 4 安阳三次粗粒子扬尘采样平均值成分谱 扬尘平均值化学组分扬尘平均值 平均值偏差平均值偏差 化学组分 n a 0 5 0 6 3 7 lo 2 1 6 7 6 7 c o 0 0 0 2 0 8 l0 0 0 1 1 8 3 m 9 1 3 9 8 6 6 70 2 2 6 4 3 9 n i 0 0 0 3 3 0 90 0 0 0 6 0 8 a i 6 1 8 9 2 6 50 2 5 3 6 5 7 c u 0 0 0 6 2 5 70 0 0 1 3 3 7 s i 2 3 6 8 6 4 41 6 5 9 7 9 4 7 n 0 0 7 4 6 1 90 0 5 0 7 1 7 p 0 0 9 5 7 2 90 0 1 4 8 4 3 b r 0 0 0 0 4 7 57 1 6 e 0 5 k 1 4 6 1 5 7 80 1 4 6 9 3 2 b a 0 0 6 8 3 2 10 0 1 6 6 6 2 c a 7 6 6 2 6 9 8l 1 5 7 0 1 1 p b 0 0 3 4 2 4 9o 0 1 1 5 2 l 1 2 扬尘特征分析及二重源解析技术研究 t j 0 3 8 1 0 7 70 0 4 2 5 2 5t c8 6 2 8 3 8 71 5 6 2 7 1 6 v 0 0 0 8 7 7 9 o0 0 1 5 6 5 o c 7 0 3 1 4 2 71 7 2 1 5 1 7 c r 0 0 0 6 8 2 40 0 0 0 5 6 3n h 4 +o 0 1 5 8 3 3o 0 0 1 6 6 7 m n 0 0 6 8 6 8 30 0 2 7 7 4 3c 1 一o 0 1 0 1 0 30 0 0 6 1 4 8 f o 6 2 5 2 1 6 73 9 8 6 3 5 9 s 0 4 2 一 o 1 3 0 7 5 60 0 3 6 0 2 9 表2 5 济南市扬尘化学成分百分含量( ) 粗细粗细 化学 化学 组分含量偏差含量偏差 组分 含量偏差含量偏差 n a 1 0 80 8 0 21 2 4 80 4 2 8 f o 6 0 3 72 9 0 64 1 91 5 5 9 m g 3 6 21 3 52 3 1 20 4 0 3 n i 0 0 0 3 0 0 0 20 0 1 6 0 0 0 4 a i 6 6 9 43 7 0 76 9 6 92 4 9 4 c u0 0 2 3 o 0 1 l 0 0 2 20 0 1 7 s i1 5 8 2 22 7 5 51 5 7 1 l3 3 5 3z no 1 3 30 1 8 70 1 4 20 1 6 4 k1 7 1 80 8 0 71 4 5 40 4 2 4a s0 0 0 l0o 0 0 30 0 0 2 c a 2 0 3 4 23 5 0 31 8 0 2 92 2 8 p bo 0 0 60 0 0 20 0 0 90 0 0 2 s c0 0 0 20 0 0 10 0 0 3o代7 0 4 62 3 4 l9 5 0 21 4 2 4 t i0 4 8 30 1 6 1o 5 5 10 0 7 6 o c 5 2 4 41 0 4 56 3 “1 2 2 2 v o 0 1 6 0 0 0 30 0 1 20 0 0 3c 1 o 1 9 7o 1 60 3 0 30 1 3 6 c r0 0 3 20 0 2 8o 1 0 20 0 5 6n 0 3 0 1 5 40 0 7 9o 1 9 20 0 7 7 m no 1 10 0 2 20 0 8 90 0 1 3s 0 4 2 1 8 2 4o 5 1 73 3 9 81 0 8 3 表2 1 结果表明，安阳市粗细粒子中硅s i 的含量分别是2 1 2 4 4 1 3 6 9 和 2 3 1 6 3 1 6 1 0 ，比其他城市如石家庄( 1 9 8 1 5 2 3 2 1 和1 6 9 6 9 1 4 0 0 ) 明显要高。由于s i 是土壤风沙尘的标识元素，所以可以认为此次所采集的安阳 扬尘受土壤风沙尘影响较大。 安阳此次采集扬尘分三次进行，分别在三月( 风沙季) 、六月( 非采暖季) 和十二月( 采暖季) 。表2 2 和2 3 列出了安阳另两次采样粗颗粒的成分谱。 由此三表可以看出，安阳市扬尘在三个不同季节( 春季、夏季和冬季) 差别不大， 也就是说，安阳扬尘受季节影响不大。 扬尘特征分析及二重源解析技术研究 从上列表可以看出，安阳市三次采集扬尘成分谱中钙的含量不是很高，比如 第一次采样为9 3 3 4 - t - 1 8 0 8 ( 粗粒子) 和6 8 5 7 + 0 7 8 5 ( 细粒子) 。这说明安 阳扬尘采样受建筑尘影响较小，或者安阳市近期城市建设较少。 济南市扬尘中地壳元素钙、硅、铝、铁、镁、钾具有较大的百分含量，同时 他们的偏差较小。其中钙的百分含量达到了2 0 3 4 2 3 5 0 3 ( 粗粒子) 和1 8 0 2 9 2 2 8 0 ( 细粒子) ，超过了硅的1 5 8 2 2 2 7 5 5 ( 粗粒子) 和1 5 7 1 1 3 5 3 5 ( 细粒子) 。地壳元素的百分含量说明，济南市的扬尘受地壳材料比如土壤风 沙尘的影响较大。同时，由于钙是建筑尘的标识元素，而济南市扬尘成分谱中钙 的百分含量为2 0 3 4 2 3 5 0 3 ( 粗粒子) 和1 8 0 2 9 2 2 8 ( 细粒子) 。因此可 以说，此次所采集的济南市扬尘受建筑尘的影响很大，与大规模的城市建设有关。 2 5 3 扬尘成分谱比较 目前，定量地比较源成分谱之间的差别还没有比较成熟的方法，对成分谱的比 较大多是定性描述。c h o w “”通过比较对数坐标中成分谱的轮廓图，得出直径为 2 5 微米和1 0 微米的道路扬尘成分谱相似，并且可以用粒径为1 0 微米的土壤风 沙扬尘成分谱代替同一采样点的2 5 微米的土壤风沙扬尘成分谱的结论。h o u c k ( 3 9 ) 用同样的方法，在对加利福尼亚地区的多个不同粒径的土壤风沙扬尘源成分谱进 行比较后，得出了相同的结论。朱先磊( n 在研究多环芳烃源成分谱时，同时用多 环芳烃源归一化成分谱的轮廓图和两成分谱之间的相关系数对不同粒径的多环 芳烃源成分谱进行比较。本论文用以上三种方法安阳市与济南市的扬尘成分谱进 行比较。 安阳市和济南市粗细粒子扬尘成分谱见图2 1 至2 1 1 。 图2 1 安阳市粗粒子扬尘成分谱 1 4 塑尘堑堡坌塑墨三里堡堡堑垫查堕塞 图2 2 安阳市细粒子扬尘成分谱 图2 3 安阳市粗粒子扬尘二次采样成分谱 图2 - - 4 安阳市粗粒子扬尘三次采样成分谱 扬尘特征分析月；5 乏二重源解析技术研究 图2 5 济南市粗粒子扬尘成分谱 图2 6 济南市细粒子扬尘成分谱 图2 7 安阳市粗细粒子扬尘归一化成分谱轮廓比较 6 扬尘特征分析及_ = ：二重源解析技术研究 图2 8 济南市粗细粒子扬尘归一化成分谱轮廓比较 图2 9 安阳济南粗粒子扬尘归一化成分谱轮廓比较 图2 1 0 安阳市和济南市细粒子扬尘归一化成分谱轮廓比较 扬尘特征分析及二重源解析技术研究 图2 1 1 安阳市粗粒子扬尘三次采样归一化成分谱轮廓比较 2 5 扬尘来源分析 2 5 1 扬尘的来源及影响因素分析 根据本章第一节对扬尘的讨论，我们知道扬尘污染应该有两个条件，一是各 类扬尘源的存在，二是有使扬尘进入环境空气中形成扬尘污染的动力。因此，扬 尘污染程度的大小取决于扬尘源的多少和影响其进入环境空气中的各类因素，本 节将对这两方面的问题进行详细的阐述。 ( 1 ) 土壤风沙 扬尘的天然来源主要是裸露地表，土壤，岩石侵蚀，风化，分解成的矿物碎 片等。1 9 9 5 年i p c c 的一份研究报告表明，在全球的颗粒物排放源清单中，土壤 风沙尘是最大的源类，其贡献的颗粒物约占颗粒物总量地5 0 。我们国家的西北 和北方地区，大多属于干旱或半干旱地区，气候干燥少雨，是扬尘的丰富来源。 影响此类尘源能否进入到环境空气中的主要因素是气象因素，如风速和降雨量 等。风速的影响随颗粒物的粒径、裸露表面的凝结和沉积情况等的不同而不同， 但一般风速越大，进入环境空气中的颗粒物越多。土壤的湿度是影响土壤尘能否 进入空气中的重要因素，b i s a l 和s v a s e k ( 2 7 等人的研究结果表明，土壤表面的湿 度从干燥状态增加1 ，使其起尘的风力就需有比较显著的增加，土壤表面的湿 度又与降水的频率和强度、灌溉或水冲洗、空气的相对湿度和温度等密切相关。 除了近距离及周边地区的风沙尘外，长距离传输的沙尘暴的影响也不容忽 视。近几年，我国沙尘暴发生的频率和强度在不断增加，不但严重影响北方大部 分城市，有时甚至会波及华南的部分城市。沙尘暴已成为春季的重要源类。 扬尘特征分析及二重源解析技术研究 ( 2 ) 道路 交通运输过程中洒落于道路上的各种颗粒物材料、机动车尾气中的颗粒物及 机动车行驶过程中因摩擦等而产生的颗粒物，从其它排放源排出后沉积到道路上 的颗粒物，道路自身的损坏等相称的颗粒物，等等，这些颗粒物“富集”在道路 表面，经往来车辆的碾压后成为粒径更小的颗粒物反复进入到环境空气中，成为 大面积的扬尘源。 道路上的扬尘对受体中颗粒物的贡献除了与自然的风力有关以外，更重要的 是与道路的等级、清洁方式、车流量及车速等人为因素有关。 ( 3 ) 建筑施工工地 近年来，我国正处于城市基础设旌建设的高峰时期，每年竣工的建筑面积不 断增长，建筑、拆迁、道路施工及堆料、运输、遗洒等施工过程产生的建筑尘不 断增加，已成为颗粒物污染的重要原因之一。不如上海建筑尘在总悬浮颗粒物中 的分担率达到3 2 ( 2 孙，唐山市为3 0 ( 2 们。 建筑施工及建筑材料运输过程中所造成的扬尘污染，主要与施工过程中的管 理有关。 ( 4 ) 其它各类堆放物 城市中各类易起尘的诸如：钢渣、粉煤灰、垃圾、原煤等等堆放物是扬尘的 又一重要来源。虽然这一类扬尘源类对受体的贡献很难量化，但它们会造成明显 的扬尘污染已是不争的事实。 2 6 扬尘粒径分布特征研究( 以安阳为例) 2 6 1 尘粒直径的表示方法 空气中粗细颗粒物的组成比与排放源样品的粒度分布密切相关，源样品大多 为粉末状，其粒度分布是指源样品中各种粒径颗粒物的组成比。颗粒物粒径的表 示方法与粒径的测试方法一致。主要有以下几种： l 、显微镜法 用显微镜测定尘粒的粒径表示法有三：( 1 ) 垂直于样品走向的定向直径d ， ( f e r e t sd i a m e t e r ) ；( 2 ) 投影面积直径d d ( p r o j e c t e dd i a m e t e r ) ；( 3 ) 定向等面 积直径d m ( m a r t i n sd i a m e t e r ) 。 1 9 扬尘特征分析及二重源解析技术研究 2 、沉降法 用沉降法测定尘粒的粒径表示法主要是斯托克直径d s ( s t o k e s d i a m e t e r ) a 3 、库尔特计数器法 用库尔特计数器法测定尘粒的粒径表示法主要是等体积直径d v ( v o l u m e d i a m e t e r ) 。 不同测定方法得到的粒径数值不一样，显微镜法主要是观察尘粒的几何形 状、颜色、粒子的凝聚、空洞等情况，沉降法主要是观察尘粒在介质中的沉降和 扩敷情况，库尔特计数器法主要是观察尘粒在介质中的粒数分布情况。本研究主 要是观察各排放源类所排放的不同粒径的颗粒物重量百分比，因此采用斯托克直 径d s ( s t o k e sd i a m e t e r ) 表示法。 2 6 。2 巴柯离心机测定颗粒物粒径分布的方法 1 原理 巴柯离心机的原理是，粉末样品加入进样槽，经给料漏斗送( 吸) 至转盘中 心处，由于离心力的作用，尘粒被甩向转盘边缘并继续向外周运动，这时它与从 离心机下部进口抽入的空气相遇，再环缝处向外周运动的尘粒受到反向气流的摩 擦力。当某一尘粒的离心力大于气流对它的阻力时，尘粒即被甩向外周，最后被 收集在下部的储尘容器中，当气流对它的阻力大于尘粒的离心力时，尘粒则被抽 向轴心，随气流向外周运动。此后由于气流速度逐渐降低，大部分尘粒被收集在 离心机上部的转盘护圈上，极小的尘粒被风带走。根据力的平衡原理可以推导出： 在环缝处分离出的尘粒，其直径和该处气流速度的平方根成正比。在环缝处的气 流速度越大，在该处分离出的尘粒的粒径也越大。在巴柯离心机装上不同的隔距 片来控制进气口面积，即可控制进入离心机的风量，从而可以分离出不同粒径的 尘粒。 2 颗粒物不同粒径的重量百分比的测量 本实验用承德仪表厂生产的y f j 型巴柯粒度分析仪，其隔距片对应的空气动 力直径如下表所示。 表隔距片对应的空气动力直径 扬尘特征分析及二蘑源解析技术研究 隔距片号n 0 1 81 71 61 4 l 1 2 l 84o 【空气动力直径d a 6 21 3 32 2 83 4 - 7 i 4 6 l 6 1 _ 98 1 49 6 6 _ 称出一定量的粉末样品g ，一般称量g = 1 0 克，插入1 号隔距片( 相当于最 小颗粒的最大隔距片号) ，开动电机，样品按粒径分离。收集分离后的样品，称 重，得出g 。这部分样品加上筛网预先筛剩的粗粒子g t ，构成一次残留物，它 相当于颗粒物空气动力直径d a + 大于最小颗粒级的重量百分数r l ( ) ，即： r 1 ( ) = ( g i + g t ) g 1 0 0 则小于等于最小颗粒级尘粒的重量百分比应为： s t ( ) = l r 1 ( ) 换用2 号隔距片，将收集起来的