（环境工程专业论文）武汉理工大学南校区tsp源解析研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本次研究采用电感耦合等离子体原子发射光谱法( i c p - a e s ) 对武汉理工大学南校 区1 4 个t s p 监测点及4 类污染尘源( 交通尘、土壤尘、建筑尘、煤烟尘) 样品中的s 、 s i 、t i 、v 等3 0 余个元素组份进行测定，得到本区域大气环境t s p 和污染尘源的元素 百分含量及特征谱，为大气颗粒物的源解析研究提供了实测数据。本次研究实验监测时 间为2 0 0 5 年3 月2 4 日5 月1 5 日，样品分析时间为4 月6 月。采得t s p 环境样品共 6 8 个( a 区4 4 个，b 区2 4 个) ；尘源类共5 4 个( 交通尘样2 4 个，壤尘样8 个，建 筑尘样6 个，燃煤烟尘样1 6 个) ；s 0 2 样品液4 0 支。 本次实验采用由美国i n 【s t r u m e n t a ll a b o r a t o r y 公司p l a s m a 3 0 0 型i c p - a e s 光谱仪 进行样品元素组份测定。在确定实验样品预处理消解方法前，将微波法和加热法分别对 样品进行消解发现，加热消解中舢、c a 、m g 等元素损失比微波消解严重。经微波消解 后的待侧溶液澄清透亮，而加热消解后的溶液较为混浊，不利于i c p a e s 进液。根据分 析对照结果认为微波消解法是大气颗粒物中元素测定较理想的样品预处理方法。本次研 究实验的样品膜全部选用微波消解法( 高压) 进行消解。 武汉理工大学南校区t s p 中金属元素a s 、c o 、c r 、p b 污染状况较为严重：从空间 分布情况来看，a 3 、b 5 处元素a 占污染较严重，b 5 处浓度值最高0 1 8 5 9 9 m 3 ；a 1 处元 素c o 污染最严重，浓度值高达0 3 6 8 9 9 m 3 ；a 2 、a 6 、a 7 、b 3 处元素q 污染都较严重， 浓度值都在o 2 9 9 m 3 以上；a 2 、，a 8 、b 1 处元素p b 污染较严重，b 1 处浓度值高达 0 9 2 5 9 9 m 3 武汉理工大学南校区a 区t s p 日均浓度值范围为0 0 6 1 0 3 1 5 m g m 3 ，超标率为1 2 5 ，最高浓度值出现在a 6 处0 3 1 5 m g m 3 ，s 0 2 日均浓度值范围为o 0 1 1 0 2 7 4 m g m 3 ， 超标率为1 2 5 ，最高浓度值出现在a 8 处0 3 7 4m g m 3 ；b 区髑p 日均浓度值范围为 0 3 7 9 0 8 3 8 m g m 3 ，超标率为1 0 0 ，最高浓度值出现在b 4 处o 8 3 8 m g m 3 ，s 0 2 日均 浓度值范围为o 0 0 8 1 2 2 6 m g m 3 ，超标率为8 3 3 ，最高浓度值出现在b 3 处1 2 2 6 m g m 3 。武汉理工大学南校区b 区t s p 、s 0 2 污染情况较a 区严重，部分地段或时段出 现t s p 、s 0 2 超标现象。 运用美国环保署e p a c m b 8 2 受体模型软件对武汉理工大学南校区t s p 元素组份 数据进行解析得：校园a 区土壤尘源贡献率为5 4 0 9 ，交通道路尘源贡献率为3 0 4 7 ，煤烟尘源贡献率为9 3 3 ，海盐粒子尘源贡献率为6 1 1 。土壤源、交通道路尘源、 煤烟源为a 区主要t s p 污染来源。校园b 区土壤尘源的总贡献率为4 1 6 5 ，建筑尘源 贡献率为1 9 0 5 ，钢铁尘源贡献率为9 4 3 ，交通道路尘源贡献率为6 3 0 ，煤烟尘 源贡献率为o 1 6 ，海盐粒子尘源贡献率为2 3 4 l 。土壤尘源和建筑尘源为b 区主要 t s p 污染来源。另外海盐粒子尘源的污染也不容忽视。 运用美国s p s s1 2 0f o rw i n d o w s 数据统计分析软件对t s p 元素组份数据进行因子分 析表明武汉理工大学南校区t s p 污染源主要有5 种。估算出建筑尘源贡献率为5 7 5 2 4 、 土壤尘源贡献率为1 9 4 5 8 、煤烟尘源贡献率为1 4 4 9 5 、交通道路尘源贡献率为6 7 4 2 、钢铁尘源贡献率为0 9 5 2 。 结果表明，c m b 法和f a 法是比较可靠的源解析研究方法，解析结果与本研究区域 的实际情况基本吻合。根据源解析的结果及武汉理工大学南校区t s p 的污染特征，有针 对性的提出各污染源污染的控制对策。 关键词：总悬浮颗粒物，源解析，化学质量平衡法，因子分析法，微波消解 茎坚兰三盔堂堡兰兰堡堡塞一一一 a l l s t r a c t t h i sa r t i c l e e m p l o y s t h e i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a a t o m i ce m i s s i o n s p e c t r o m e t r y ( i c p a e s ) m e t h o dt oi n v e s t i g a t et h em o r et h a n3 0s p e c i e se l e m e n to fs ，s i ，t ie t a 1 i n1 4t o t a ls u s p e n d e dp a r t i e l e s ( t s p ) a m b i e n ts i t e sa n d4s p e c i e sp o l l u t i o ns o u r c e s ( i n c l u d i n gt r a f f i cd u s t ，s o i ld u s t ，b u i l d i n gm a t e r i a ld u s ta n dc o a ls m o k ed u s t ) s a m p l e si nt h e s o u t h - s c h o o la r e ao fw u h a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y , a c c o r d i n gt h ei n v e s t i g a t i o n ，r e s u l t s h a v eb e e no b t a i n e dt h a te l e m e n t sc o n t e n tp e r c e n t a g e sa n dc h a r a c t e r i s t i c sg r a p h so ft s pa n d p o l l u t i o ns o u r c e sa n do f f e r e dt h em e a s u r e di n f o r m e dd a t a b a s ef o ra t m o s p h e r i cp a r t i c l e s s o u r c ea p p o r t i o n m e n tr e s e a r c h t h i sr e s e a r c hs a m p l ec o l l e c t i o nd a t ei sf r o mm a r c h2 4 t ht o m a y1 5 “a n da n a l y t i c a ld a t ei sf r o ma p r i lt oj u n e i nt h i se x p e r i m e n t a t i o nt h e r ea r em u c h c o l l e c t e ds a m p l e si n c l u d i n g6 8t s pa m b i e n ts a m p l e s ( 4 4i naa r e aa n d2 4i nb a r e a ) ，5 4 p o l l u t i o ns o u r c e ss a m p l e s ( 2 4o ft r a f f i cd u s t ，8o fs o i ld u s t ，6o fb u i l d i n gm a t e r i a ld u s ta n d1 6 o fc o a ls m o k e d u s t ) 4 0t u b e so fs u l p h u rd i o x i d es a m p l el i q u o r t h i se x p e r i m e n t a t i o na d o p t sp l a s m a 3 0 0t y p ei c p - a e ss p e c t r o m e t r ya p p a r a t u s m a d eb yu s i n s t r u m e n t a ! l a b o r a t o r yc o m p a n yt oc a r r yo u tt h ee l e m e n t sm a k e - u pa n a l y s i s b e f o r ef i n d i n go u tt h eb e t t e rs a m p l ed i g e s t i o nm e t h o d ，b yt h em e a n so fd i g e s t i n gs a m p l e s t h r o u g ht w od i f f e r e n tw a y sw h i c ha r em i c r o w a v ed i g e s t i o na n dh e a td i g e s t i o ni ts h o w st h a t t h em i c r o w a v ed i g e s t i o ni sb e t t e rt h a nh e a tw a yb e c a u s et h a tt h ee l e m e n t ss u c ha sa 1 、c a 、 m ge t c h a v el o s tw o r s eb yt h el a t t e rt h a nt h ef o r m e r , a n db e c a u s et h eh a n d l e dl i q u o ro f m i c r o w a v ed i g e s t i o ni sc l e a rw h i l et h a to fh e a tw a yi su n c l e a rt h a tw i l ll e a dt ob eu n f a v o r a b l e t of e e di ni c p _ a e sm o d e i nt e r m so fc o m p a r i s o nr e s u l t s ，t h eb e t t e rs a m p l ed i g e s t i o n w a yh a s b e e na s c e r t a i n e dt oh a n d l ee l e m e n t so fa t m o s p h e r i c p a r t i c l e s s ot h es a m p l e so ft h i s e x p e r i m e n tc h o o s et h em i c r o w a v ed i g e s t i o nm e t h o dt od e a lw i t h i nt h es o u t h s c h o o la r e ao fw u h a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y , m a s sc o n c e n t r a t i o no f h e a v ym e t a l si nt s p i sr e m a r k a b l e t h ec o n t a m i n a t i o ne x t e n to fh e a v ym e t a li sg r e a tt h a ta r e e l e m e n t so f a s 、c o 、c r 、p b a ta 3a n db 5s i t et h ec o n t a m i n a t i o no fe l e m e n ta si sg r e a t e ra n d t h eg r e a t e s tv a l u ei s0 1 8 鼬g m 3a tb 5s i t e ；a ta 1s i t et h ec o n t a i n i n a t i o no fe l e m e n tc oi st h e w o r s ta n dt h eg r e a t e s tv a l u ea r r i v e s0 3 6 8 l g m 3 ；a ts i t eo f a 2 、a 6 、a 7 、b 3 ，t h ec o n t a m i n a t i o n o fe l e m e n tc ra r ea l s ow o r s ea n dt h ev a l u e sa r ea b o v eo 劾g m 3 ；a ts i t eo fa 2 、a 8 、b 1t h e c o n t a m i n a t i o no fe l e m e n tp ba r ea sw e l lh e a v i e ra n dt h eh i g h e s tv a l u e0 9 2 豇g m 3s t i c k so u t a t b ls i t e i nt h es o u t h _ s c h o o la r e ao fw u h a n u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y , t h ed a y a v e r a g ev a l u eo f t s pe x c e e dt h ec o u n t r y2 ”l e v e lv a l u ea tt h ea 4 a 8s i t e si na a r e a ，a st h eh i 曲e s tv a l u e i l 武汉理工人学硕士学位论文 e x c e e d s0 9 7t i m ea n dt h eh i 站e s te x c e e dc o e f f i c i e n ti s1 0 0 i nba r e aa tb 4s i t et h et s p d a y a v e r a g ev a l u ee x c e e d s1 7 9t i m e w h i l ea tb 3s i t et s p e x c e e d s0 9 6t i m ea n ds 0 2o v e r 7 1 7t i m e a saw h o l et h et s pa n ds 0 2c o n t a m i n a t i o nc o n d i t i o ni nba r e ai sw o r s et h a nt h a t i naa r e a ，a n da tp a r ts i t e sa n do c c a s i o n st h a tt u r n so u tm u c ho v e r - l e v e lt i m e s a p p l y i n gt h ee p a - c m b 8 2r e c e p t o rm o d e ls o f t w a r et oa n a l y z et h et s p - e l e m e n t - c o n s t i t u t ed a t a b a s ei nt h es o u t h s c h o o la r e a o fw u h a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y , t h e c o n t r i b u t i o nr a t e so f4 - 5s o u r c e st ot s pa r ec a l c u l a t e d ：i naa r e as o i ld u s ti s5 4 0 9 、t r a f f i c d u s ti s3 0 4 7 、c o a ls m o k ed u s ti s9 3 3 a n dm a r i n ed u s ti s6 1 1 t h em a i n c o n t a m i n a t i o ns o u r c e st ot s pi naa r e aa r es o i ld u s t 、t r a f f i cd u s ta n dc o a ls m o k ed u s t i nb a r e as o i ld u s t i s 4 1 6 5 、b u i l d i n g m a t e r i a ld u s t i s l 9 0 5 、s t e e ld u s t i s 9 4 3 、t m 艏c d u s t i s6 3 0 、c o a ls m o k ed u s ti s0 1 6 a n dm a r i n ea r e2 3 4 1 t h em a l nc o n t a m i n a t i o n s o u r c e st ot s pi nba r e aa r es o i ld u s ta n d b u i l d i n gm a t e r i a ld u s ta p a r tf r o mt l l em a r i n ed u s t i no r d e rt oa s s a yt h et s p - e l e m e n t c o n s t i t u t ed a t a b a s e b e t t e r , a p p l y i n gt h eu s a s p s s l 2 0f o rw i n d o w ss t a t i s t i c sa n a l y s i ss o f t w a r et oc a r r yo u tf a t o ra n a l y s i s ，t h er e s u l t ss h o w t h a tt h e r ea r e5m a i n 髑pp o l l u t i o f is o u r c e si nt h es o u t h - s c h o o la r e ao fw u h a n u n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y n ec o n t r i b u t i o nr a t e so ft h e5s o u r c e sa r er o u g h l ye s t i m a t e dt h a tb u i l d i n g m a t e r i a ld u s ts o u r c ei s5 7 5 2 4 、s o i ld u s ts o u r c ei s1 9 4 5 8 、c o a ls m o k ed u s ts o u r c ei s 1 4 4 9 5 、t r a 伍cd u s ts o u r c ei s6 7 4 2 、s t e e ld u s ts o u r c ei s0 9 5 2 。 a saw h o l e ，t h er e s u l t si n d i c a t et h a tc m ba n df am o d e la r er e l i a b l em o d e l sf o rs o u r c e s a p p o r t i o n m e n ta n do u t c o m e sa r ei na c c o r dw i t hw h a ti ti s a c c o r d i n gt ot h ea p p o r t i o n m e n t r e s u l t sa n dp o l l u t a n tc h a r a c t e r i s t i c so ft s pi nm es o u t h s c h o o la r e ao fw u h a n u n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y ，c o u n t e r - t s p - p o l l u t i o nc o n t r o lm e a s u r e m e n t sa n dm a n a g e m e n tf o rk i n d so f s o u r c e sh a v eb e e np r o v i d e dr e s p e c t i v e l yf o c u s i n go nv a r i e dd u s tc o n t a m i n a t i o nf e a t u r e k e yw o r d s ：t o t a ls u s p e n d e d ( t s p ) ，s o u r c ea p p o r t i o n m e n t ，c h e m i c a lm a s sb a l a n c e m e t h o d ( c m b ) ，f a c t o ra n a l y s i sm e t h o d ( f a ) ，m i c r o w a v ed i g e s t i o n 1 1 t 独创性声明 本人声明，所呈交的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，也不包含为获得武汉 理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名：e t 期：树1 1 占 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学 校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：芝翌尘坌j 导师签名：日期： 籼，j j 矽 武汉理工大学颁十学位论文 第1 章绪论 大气颗粒物( a k b o m ep a r t i c u l a t em a t t e r ，a p m ) 即t s p ( t o t a ls u s p e n d e dp a r t i c l e s ) ， 是由粒径为0 0 5 至1 0 0 弘m 不等的颗粒物组成，依据粒径大小又细分为p m l o 、p m z 5 、p m l o 及p m o 1 dt s p 不仅会沉积在人的呼吸系统危害人体健康，还是光化学反应的催化剂， 且对云核的形成、对太阳光及红外线的吸收、散射及气候变化等都产生影响【1 1 。因此， t s p 不仅直接影响人们的生活质量，而且还是地球气候变暖、酸雨形成等重大环境问题 产生的根源。 研究t s p 来源的实态，掌握其迁移、转化、反应行为，解析t s p 的结构，分析t s p 的浓度及监测化学组成以及对生活环境、气候变化带来的影响，能更好地控制城市t s p 污染状况，达到城市大气颗粒物污染控制和管理的目的，具有十分重要的理论与现实意 义。 1 1 大气颗粒物研究概述 大气中污染物可分为气态污染物和颗粒态污染物。大气中颗粒态污染物又称气溶 胶，是指液体或固体微粒均匀地分散在气体中形成的相对稳定的悬浮体系。目前我国大 气污染中存在的颗粒物主要包括：固态颗粒物( 主要包括燃烧产生的烟尘、工业生产过 程中产生的粉尘和扬尘，扬尘又可以分为一次扬尘和二次扬尘，强风吹起的砂尘等) ； 液态颗粒物( 主要是酸雨和酸雾) ：生物颗粒物( 主要是微生物、植物种子和花粉) 。 大气颗粒物从粒子直径上划分为总悬浮微粒和飘尘，其中空气动力学直径小于 1 0 0 z m 的粒子称为总悬浮微粒( t o t a ls u s p e n d e dp a r t i c l e s ) ，记为t s p ：空气动力学直 径小于1 嘞m 的粒子称为飘尘，也叫可吸入颗粒物，过去习惯记为i p ，目前记为p m l 0 ， 对人体健康影响较大。近年来直径小于1 0 # m 的细微粒子p m l o 及直径小于2 跏m 的细 微粒子p m 2 5 引起了人们很大关注，因为这些细小微粒可以进入人体的肺胞中永久沉积， 对人体健康影响最大，它们是大气颗粒物中对环境和人体健康危害最大的一类。美国国 家环保局e p a 于1 9 8 5 年将原始颗粒物指示物质由t s p 项目修改为p m l o 【2 】，我国也在 1 9 9 6 年颁布的环境空气质量标准( g b 3 0 9 5 1 9 9 6 ) 中规定了p m i o 的标准，并统一 在空气质量日报中采用p m i o 【3 】o 1 a 1 大气颗粒物的粒径分布及迁移特征 大气颗粒物的来源和形成过程、在大气中的迁移转化、输送和清除过程及其物理化 学性质均与粒径有着直接的关系。大气颗粒物的粒径一般为0 0 0 2 5 0 q “m ，1 q “m 以上 的粒子在发生源附近发生沉降，只有很小的粒子沉降速度较慢，长期在大气中滞留。大 茎坚里三生兰堡：! 兰垡堡苎一一一 气颗粒物通常呈三模态分布，即粒径小于0 0 8 肛m 的爱根( a i t k e n ) 核模态、粒径 0 0 8 # m 细m 的积聚模态( a c c u m u l a t i o nm o d e ) 和粒径大于犁m 的粗粒子模态 ( c o a t s e p 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 rf i n ep 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赢接排 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1 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【4 】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 7 z 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动。 粒径反映了颗粒的发生机制，被人体吸入后在呼吸器官内的行为也因颗粒不同而 异。元素组成也因粒径不同差异较大，粗大的颗粒物与土壤组成相近，以s i 、砧、f e 、 c a 、m g 等为主要成分。 图1 - 1 为大气颗粒物的平均组成成份。 图1 - 1 大气颗粒物的平均组成 f i g 1 _ 1a v e r a g ec o m p o n e n t so fa t m o s p h e d cp a r t i c l e s 武汉理工大学硕士学位论文 图1 2 为s 、f e 、m n 三种元素在不同粒径颗粒物中的分布情况。 看 曹 翟 薹 要 梅r 凡小( 昨f i i i i 辙l 太，i , ( d r y m m粗予太小矗l 栩m f d s f f c i c m n 图1 - 2 元素在不同大小颗粒物中的分布( s 、f e 、m n ) f i g 1 - 2 d i s t r i b u t i o no fe l e m e n t si nv a r y i n g p a r t i c l e s 图1 - 3 为大气粒子的粒度分布与大气颗粒物的形成、变化及迁移之间的关系。 图1 3 颗粒物组成粒子大小与颗粒物形成、变化、迁移的关系 f i g 1 - 3r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns i z ea n df o r m a t i o n 、t r a n s f o r m a t i o na n dm i g r a t i o no f p a r t i c l e s 表1 - 1 是环境中微小粒子和粗大粒子的比较。微小粒子一般具有吸湿性和水溶性强 的特点。由于粗大粒子质量较大容易沉降，在大气中滞留时问较短，一般是几分钟至几 天，而微小粒子在大气中一般可滞留几天至几周，因此可长距离输送，一般影响范围可 达几百至几千千米n 一，|1)p。一譬p_i一】p。氅寸曩l每)碍 茎翌型三查兰堡主兰竺堡塞 一一一 表1 - 1 环境中微小粒子和粗大粒子的比较 t a b l e l - 1c o m p a r i s o nb e t w e e nf i n ea n dc o a r s ep a r t i c l e si na t m o p h e r e _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ - - - - - _ - _ _ _ - _ _ - h - _ _ - _ _ _ _ - - _ - _ _ - - 。1 。1 ”。1 一 _ _ _ 1 1 2 大气颗粒物的来源与性状 大气颗粒物的来源多、地区特性强，有的本身就含有许多有毒有害物质，可能成为 其它污染物的载体，是大气环境中化学组成复杂、危害较大的污染物之一。它既来自固 定排放源又来自无组织排放，既受人群活动的影响又受到风速大、空气湿度及地面植被 程度等诸多因素的制约。大气颗粒物的发生源大致可分为人为源和自然源，而从生长和 发生的过程来看，又分为直接以粒子状态排出的一次粒子和气态排放物在大气中经过物 4 武汉理工大学硕士学位论文 理化学变化形成的二次粒子p j 。 大气颗粒物排放源主要可分为四类： ( 1 ) 天然源，只受到自然力而非人力作用排 放颗粒物的源类，主要包括海盐粒子、风沙土壤、火山灰和植物花粉。 ( 2 ) 人为源， 只受到人力作用而非自然力作用排放颗粒物的源类，主要包括燃煤飞灰、燃油飞灰、工 业粉尘和生物尘。( 3 ) 混合源，既受到人力作用又受到自然力作用排放颗粒物的源类， 主要是扬尘。( 4 ) 其他源。 大气的粒子都经历气体、粒子的转化过程，即气体粒子反应( 凝缩、蒸发) 、粒 子粒子反应( 凝集) ，且由于物理扩散、输送等，粒子的物理化学性状时刻都发生着 变化。因此，大气颗粒物对环境的影响研究和评价中，不仅是以人体健康为中心的公害 型污染的区域环境问题，还与全球变暖、酸雨、平流层臭氧破坏等重大全球环境问题相 关。 当研究其污染现状及其对人体健康、大气环境影响时，把握大气颗粒的性状是十分 必要的，大气颗粒物具有以下特征f l j ，6 】： ( 1 ) 大气颗粒物特征包括粒径、浓度、化学组成、形状、反应性、溶解性及光学 特性等诸多因素，所以表述其性状十分复杂： ( 2 ) 当研究颗粒态粒子的性状时，例如粒径在l n m l m m 范围、浓度在p g , - - - , g 范 围的分布十分广泛，且含大量的组成成分，即研究对象实在太多，必须从极小粒子到极 微小量成分进行研究； ( 3 ) 大气中的粒子态物质一般存在寿命较短，约为1 周，时刻都在发生变化，且 不同时间、不同区域的变化十分明显，因此在研究中必须把握大气粒子的时间和空间变 化； ( 4 ) 大气颗粒物的发生源分为自然源和人为源，又有直接从源排入大气的一次粒 子和在大气中经历化学反应及物理变化由气态物质生成的二次粒子，其发生源极为复 杂； ( 5 ) 关于大气颗粒物对人体及大气环境的影响与粒子的物理化学性状密切相关， 还与发生源种类、发生过程及在大气中的输送、变化过程密切相关。 1 1 3 大气颗粒物对人体的健康危害 大气颗粒对人体、动植物及自然环境、生活环境的影响程度不仅与颗粒物的物理化 学性状有关，且与环境条件密切相关。大气颗粒物与其他污染物混合存在时在大气中的 相互作用、相互反应等，比其单独存在时的影响更为严重。道路及路边的环境日趋恶化， 汽车及柴油车排放的废气及黑烟、大气污染物中的有机污染物、吸附于颗粒物中的多环 芳烃及二嚼英类等对人体健康的影响备受人们关注1 7 1 。 武汉理t 大学硕士学位论文 大气颗粒物对人体的危害程度不仅取决于人体吸尘量的多少，还取决于空气中含颗 粒物浓度的大小，人员接触颗粒物的时间、颗粒物的种类、颗粒物的分散度以及游离二 氧化硅的含量等：其中游离二氧化硅含量越高，致病危险就越大。尘肺病患者能使组织失 去部分弹性，硬化降低呼吸功能，出现咳嗽、气短、胸痛、乏力、丧失劳动能力等症状， 甚至死亡。在道路上的作业人员、来往行人和汽车司机长时间吸入过量的颗粒物，轻者 出现各种皮肤、呼吸系统疾病，较重者可引起尘肺病和肺部组织病变，甚至引起肺癌。 不同粒度的颗粒物进入呼吸器官对人体危害有所不同。表1 2 列出了不同粒径的颗 粒物进入呼吸器官的程度”】。 表1 2 颗粒物粒度进入器官深度 1 a b l e l - - 2 d e p t hi n t oo r g a n so fp a r t i c l e s 粒度( 口m )进入器官深度 ( 2 2 5 5 1 0 1 0 深入肺部，但可随着呼出，肺中有残留 容易吸入肺部并储集 很少吸入肺内，吸入则储集 滞留在上呼吸道中 从表1 - 2 中可以看出，小于1 毗m 颗粒物对人体的危害较大，尤其是粒径在2 跏m 的颗粒物危害最大。根据前苏联实测统计，在大气飘尘中粒径小于1 0 “m 的颗粒物可达 9 6 9 9 8 7 。 图1 4 是大气颗粒物在人体呼吸系统内的沉着比例。大气颗粒物在呼吸系统的沉着 比例及沉着部位与粒子的粒径、化学性状、吸湿性等粒子性状有关，且与一次吸入体内 的空气量及呼吸次数等呼吸条件有密切的关系。由图可知，微小粒子是大部分o 1 知m 左右的粒子，容易发生沉着，且能到达呼吸系统的深部，0 1 私m 的粒子在肺部的沉 着率最高；而其他粒径范围的粒子相对沉着量较少。 鹾 蠡0 - 摧 靳耗翰“f i lo 图1 ：4 大气颗粒物在人体呼吸系统内的沉着比例分布 f i g 1 - 4p r o p o n i o nd i s t r i b u t i o no fp a r t i c l e si nh u m anb r e a t h es y s t e m 大气颗粒物对人体健康的影响除其在呼吸系统内的沉着特性外，还与沉着粒子的可 茎竖墨王查兰堡主兰垡丝塞 除去特性以及粒子的物理化学性状有关，没有更进一步的病理研究难以得出更为明确的 结论。但一般认为微小粒子要比粗大粒子对人体健康危害严重。 大气颗粒物对人体健康的影响主要表现为喘息性支气管炎、慢性气管炎、肺功能下 降等。美国哈佛大学长期对p m l o 浓度、p m 2 5 尝试、总悬浮颗粒物( t s p ) 及硫酸盐浓 度对人体健康进行了病理学研究，且对人体、动物毒性研究方面，在吸入试验等调查、 评价做了许多工作，结论是p m 2 5 对人体健康影响比较严重l b ，9 j 。研究表明，p m 2 5 浓度 较高时，哮喘病与支气管炎发病率明显偏高，p m 25 达到约3 0 ”g m 3 ，其扣除其他因子后 的调整死亡率可达到1 2 8 1 ”j 。 1 2 大气颗粒物来源解析的研究现状 1 2 1 大气颗粒物化学成分的分析检测技术 颗粒物化学成分的分析，无论是对于研究颗粒物的毒害性还是对颗粒物进行源解 析，都具有重要的指导意义。早期的化学分析主要是无机多元素的分析。现在则进一步 包括水溶性离子( 如硝酸盐、铵离子等) 、有机成分( 如多环芳烃等) 以及碳元素等的 分析，并且要求对颗粒物的质量要能“闭合及一重组”。也就是说分析了的颗粒物各级分 质量相加要基本达到重量法测得的颗粒物质量，而不能留下明显的缺口。 由于分析测试技术的不断改进和提高，对颗粒物的检测手段也日渐丰富。带能谱的 扫描电镜和透射电镜被用来观测颗粒物结构并分析颗粒物的元素组成。等离子体原予发 射光谱( i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m aa t o m i ce m i s s i o ns p e c t r o m e t r y ，i c p - a e s ) 、x - 射线 荧光光谱( x r f ) 、仪器中子活化分析( i n a a ) 、原于吸收光谱( a a s ) 、等离子体 质谱( i c p m s ) 等仪器分析技术高速、可靠、自动化程度高，可以用于测定颗粒物中 的微量和痕量元素，离子色谱( i c ) 等技术用来分析水溶性离子有很好的效果。颗粒物 中吸附的多环芳烃等有机物质的测定通常运用液相色谱( i _ c ) 或色质联用( g c m s ) 等分析手段来实现。碳元素往往是可吸入颗粒物中含量最高的元素，它的危害性最大， 成分也最复杂。可吸入碳颗粒物可分为有机碳和元素碳，美国环保局推荐使用热，光反射 法( t o r ) 进行测定i l l j 。 1 2 2 源解析研究发展现状 为了控制和削减大气中总悬浮颗粒物的含量，提高空气质量，对t s p 进行防治就必 须了解大气中颗粒物的来源。不仅要定性地识别大气颗粒物的来源，还要定量地计算出 各个源对环境污染的贡献值( 分担率) ，这就是源解析( s o u r c ea p p o r t i o n m e n t ) 技术。 它现已作为一种重要的手段，应用于城区、区域至全球的大气环境。因此，弄清大气颗 粒物的来源及各来源所占比例，对于防治颗粒物污染是一个非常重要而又复杂的课题， 也是近十多年来国内外大气颗粒物的研究领域的重要内容之。从6 0 年代中期美国科 学家的开创性工作算起来，源解析研究和应用已经有超过3 0 年的历史。早期的来源解 析工作都集中在美国，现在这一技术方法已在世界范围得到了广泛的认可和应用；源解 析的手段也变得多种多样。我国在这方面只是刚起步，仅有一些个别点位、短期的单项 研究工作。作为环境综合整治规划的一项基础工作，我们要对颗粒物来源进行解析。源 解析的结果是制定大气污染防治规划的依据，对于确定污染治理重点，对环境管理和科 学决策都有着十分重要的指导意义。 判别大气颗粒物来源及其贡献的方法很多，根据分析中所依据的粒子特性和相应采 用的分析方法可以分为两大类：以显微技术分析单个粒子的微结构判别气溶胶来源的显 微法和利用气溶胶的化学组成通过数学计算判别源的贡献的化学统计学方法。具体的 源解析方法有多种，包括从简单的污染玫瑰图到复杂的气象轨迹模型、多元受体模型和 质量平衡受体模型、光学显微镜方法等。显微法需要基于庞大的源数据库( 即显微清单) ， 近年来一些研究者采用光学显微镜或偏振光显微镜( p l m ) 、扫描电镜( s e m ) 、透射 电镜( t e m ) 、场发射扫描电镜( f e s e m ) 、图象分析( i a ) 等手段对颗粒物进行形 态分析、表面分析和透镜分析，直观地观测单个颗粒物的大小、几何形状、颜色和光学 性质等，从而定性地鉴别其来源，例如利用p l m 可从土壤铺砌路面、生物质、原煤、 焦碳与不完全热解煤等物质中分辨出飞灰；s e m 可用于观测亚微米粒子，当与减振x 射线荧光联合使用时，除能确定单个颗粒物的尺寸和形状外，还可确定其元素组成i ”】。 这些分析方法受技术条件和操作熟练程度的影响较大，但对单个颗粒物的分析颇有前 途。 源解析技术研究方法的数学模型主要可分为两类，一种是以污染源为对象的扩散模 型( d i f f u s i o nm o d e l ) ，另一种是以污染区域为对象的受体模型( r e c e p t o rm o d e l ) 。以 前者的研究及其应用已比较多，而对后者的研究及应用主要集中在大气污染物的研究 中。受体模型被认为是现阶段所有源解析工具中最有价值的模型。它利用在源和受体点 测量的气态物质和颗粒物的物理、化学特征来鉴别受体浓度的来源并定量源的贡献。与 源排放扩散模型相比，受体模型无需考虑传输、扩散、干腽沉降以及边界条件等等气象 过程和复杂的气，粒转化的化学过程，一般通过源排放和受体浓度的化学指纹分析来推 断各种源的浓度贡献率。常用的受体模型包括因子分折法和化学质量平衡法等等。受体 模型作为p m l o 、p m 2 5 源解析的一种重要手段，现在已经形成了一个成熟的方法体系， 已用于城市、区域乃至全球的大气环境研究之中。受体模型也有其局限性：些排放源 具有相似的源剖面：源剖面在排放源和受体之间发生变化；不能预测排放削减的效果。 美国、日本等国家从2 0 世纪7 0 年代起，m i l l e r 和f r i e dl a n d e r 等人开始由排放源转移 到受体，进行大气颗粒物的源解析，近年来取得了较