环境空气中PM10主要来源解析

232 电 子 测 试 PM10 来源解析是一种定性及定量研究环境空气颗粒物来源 的技术方法， 其解析结果可为 PM10 控制措施提供参考依据。 1 实验方法及结果 1.1 样品采集 选择A市夏季某典型日环境空气中PM10中各组分进行测量。 1.2 滤膜处理及质量控制 本次采样使用聚丙烯滤膜， 滤膜的孔隙约 0.2m， 该膜先用 去离子水洗涤后采用超声波振荡约 15min， 然后用去离子水重复 洗涤 3 次， 去除滤膜中离子组分后备用。 在恒温室内快速称量备用膜， 其质量记为 M1， 称量后将其再 次放入干燥器内干燥至质量不再改变 （干燥时间应大于 6h） 。 然 后再次快速称量该备用膜， 其质量记为 M2。 实验中前后两次称量均须至质量恒重， 称量结果应误差范围 应准确至 0.1mg 以内。 1.3 样品处理、 保存 称量后实验前滤膜应采用密封塑料袋密封装， 并将该膜储藏 于干燥器具内 ； 样品采集后应确保滤膜中各组成不在传输环节 丢失， 以免影响测量数据对分析结果的影响。 1.4 受体样品的分析方法 本次实验采用 X 射线荧光 （XRF） 方法对采样膜中各元素进行 分析。 该实验一共采集和分析了 Mg、Na、Ca、Al 等 16 种元素、 样品中的阴阳离子及有机碳和元素碳。 1.5 结果 本次实验监测结果列表如表 1 ： 2 因子分析法基本原理及计算 2.1 因子分析法的基本原理 因子分析法 （FA） 是多元统计分析方法之一。 因子分析法的基 本原理是通过一个模型将具有复杂关系的变量归纳为几个综合 因子的一种统计和分析方法。 因子分析法的数学表达式为 ： 式中 ： xij 为 i 元素在 j 样品中的浓度结果 （g/m3） ； fkj 又称公因子， 为 k 污染源对 j 样品的贡献值 （g/ m3） ， 一般对所有组分均有贡献 ； vi 又称唯一因子， 为仅对 i 组分贡献值的特殊源的污染 物排放 （g/m3） ； aik 又称因子载荷， 为 i 元素在 k 污染源污染物中的含量 （g/g） ； di 为唯一因子的系数 （g/g） ； i 为 i 元素的误差变量。 将上述数学表达式改为矩阵 ： 其中 X ： 样品参数矩阵 ； F ： 公因子矩阵，V ： 唯一因子矩阵 ； 环境空气中 PM10 主要来源解析 宋红光1，鲁 磊2 （1 贵州省煤矿设计研究院， 贵阳 550025 ； 2 广东省湛江市环境科学技术研究所， 湛江 524022） 摘要 ： PM10 是主要环境空气污染物之一， 本文采用因子分析法 （FA） 确定 PM10 的主要来源。 实验证明， 因子分析法结合实际监 测的分析结论， 与 A 市实际情况拟合度非常高， 可作为环境空气中 PM10 来源解析的方法。 关键词 ： 来源解析，PM10， 因子分析法 （FA） Source Apportionment for PM10s main source Song Hongguang1, Lu Lei2 （1.Guizhou Coalmine Design 2. Institute of Zhanjiang Environmental Sciences PM10 ; factor analysis 233 电 子 测 试 ELECTRONIC TEST学术交流 第10期 2013年5月 A ： 因子载荷矩阵，D ： 唯一因子载荷矩阵， ： 误差矩阵。 本实验就是根据样品测量结果 X， 从全部变量的测量数据结 果中分析归纳出少数公因子F， 并同时得出各因子载荷A的结果， 以指导实际工作。 2.2 主要运算步骤 使用因子分析法进行分析的主要操作步骤如下 ： 将数据标准化 数据标准化可将各变量在数量级别或量纲上产生的不同之 处进行统一， 在因子分析前， 需对原始监测数据进行标准化预处 理来统一。 提取因子 该阶段主要用于提取几个贡献值较大的污染物因子， 并确保 被提取的主要污染因子的总贡献值大于 85。 旋转因子 采用方差极大旋转法对上述因子矩阵进行旋转， 使较大因子 载荷主要集中在少数变量上。 定量计算 须进一步计算绝对主因子得分矩阵 F*， 同时计算绝对因子 载荷矩阵 C*， 计算公式如下 ： 式中 ： F* 为绝对主因子矩阵 ； C* 为绝对因子矩阵 ； X 为样 品参数矩阵 ； S 为元素标准偏差对角化矩阵 ； B 为主因子的系数 矩阵。 样品中各污染源对 PM10 的浓度贡献情况计算如下 ： 其中 ：为矩阵 C* 的计算结果，为该主因子的得分平 均值。 3 A 市级 PM10 主要来源确定 A 市环境中 PM10 的来源可归纳为 5 个方面， 以 5 个公因子 代表， 样品中各元素的因子载荷矩阵旋转后以及 5 个公因子的组 分贡献值统计情况见表 2 所示。 3.1 PM10 主要来源解析 3.1.1 公因子 1 解析。 由于 A 市静风频率很高， 土壤产生的 风沙尘的贡献值不会太高， 而公因子 1 中 Al、Mg 和 Si 等元素 载荷很高， 因此考虑公因子 1 为地面扬尘， 主要包括施工场地和 运输道路扬尘， 其浓度贡献率为 21.56， 综合 A 市实际情况来 看，A 市运输线路众多、 施工工地数量多且分布广泛， 因此， 该判 断结果可信程度较高。 3.1.2 公因子 2 解析。 由公因子 2 中 NO3-、SO42 离子和 NH4+ 离子的相关程度分析可知， 公因子 2 主要成分应该是 （NH4） 2SO4、NH4HSO4 和 NH4NO3 等污染物， 主要来自于城市机动车尾 气和原煤燃烧产生的 NOx 和 SO2 的二次反应产物 ； 由于矩阵中 S 元素与 NO3-、SO42- 离子的相关性较好， 由此可知燃煤烟尘对实 验中 PM10 中主要成分的贡献值较大。 3.1.3 公因子 3 解析。 在监测结果中 Br 含量极少，Br 是机 动车尾气污染物的代表性元素， 一般情况轮胎磨损残余物中 Zn 的成分较高， 综合考虑， 可认为公因子 3 为交通源产生的粉尘， 该 粉尘浓度贡献率为 10.70%。 3.1.4 公因子 4 解析。 经分析， 公因子 4 中变量 Fe、Co 等元 素的载荷较高， 考虑到 A 市分布了较多的冶炼企业， 而 Fe、Co 元 素的产生一般与冶炼过程有关， 因此， 可判断公因子主要为钢铁 产生的颗粒物， 其颗粒物的浓度贡献率为 11.30%。 3.1.5 公因子 5 解析。 经过分析公因子 5， 发现公因子 5 中变 量 Ca2+、Mg2+ 和 Sr 等元素载荷较高， 上述元素均是建筑材料中 标志元素， 因此可考虑公因子 5 为建筑材料所产生的颗粒物， 其 粉尘浓度贡献率为 16.30%。 3.1.6 各元素共同度分析结果均大于 0.65， 说明本次分析结 果与 A 市具体情况的拟合度较高， 同时也可说明上述 5 个公因子 为 A 市环境空气中 PM10 的几个主要来源。 3.2 污染因子贡献率解析 A 市环境空气 PM10 中因子 1 的比例为 29.30， 因子 2 的比例为 46.60， 因子 3 的比例为 5.18， 因子 4 的比例为 11.43， 因子 5 的比例为 8.03。 由此可知，A 市环境空气中 PM10 中来源于工业燃煤的污染 最为严重， 其次是施工及运输扬尘， 该分析结果与 A 市的现状及 近年统计数据相符。 4 结论 4.1 经研究分析， 因子分析法可用于环境空气中 PM10 的来 源解析。 4.2 A 市中环境空气中 PM10 的主要来源为施工及运输扬尘 （公因子 1） 、 燃煤烟气污染源 （公因子 2） 、 交通源粉 （公因子 3） 、 冶炼尘 （公因子 4） 、 建材尘 （公因子 5） ， 按其浓度贡献率排序为 ： 公因子 2 公因子 1 公因子 4 公因子 5 公因子 3。 参考文献 1 鲁累 . 重庆市主城区大气 PM （10） 来源的混合模型解析研 究 . 重庆大学硕士论文，2008. 2 吴淑岱， 丁枚 . 大气固定源的采样分析 . 中国环境科学出版 社，1993: 60 70. 3 Blifford I. H., Meeker G. O. A factor analysis model of large scale p