苏南城市一次PM（2.5）污染过程水溶性离子化学特征及来源.pdf

针对2 0 2 2 年1月8 一11日江苏省苏南城市群（南京、镇江、常州、无锡、苏州）一次连续性污染过程，利用PM2s组分特征进行污染来源解析。结果表明：此次污染过程是典型持续静稳天气伴随冷高压南移的区域污染过程，主要是前期本地累积和区域输送所致。污染过程中苏南城市群出现6 0 h持续污染，短时峰值达重度污染，PM2.s浓度增幅为2.3g/（m3h）。PM 2.s 化学组分中二次无机盐SNA（NO 3,NH 4+和SO4-）占比超过90%，相关系数均在0.9以上，0 C/EC的比值超过2.0,均表征本次污染过程中二次粒子污染较为突出。基于PMF模型分析本次污染过程中苏南城市的行业贡献，主要因子为二次源、工业、扬尘，其中，二次源贡献率为58.5%7 9.9%，工业源贡献率为10.1%33.7%，扬尘贡献率为8.5%2 3.6%关键词：PM25;污染过程；组分特征；源解析Abstract:Aiming at one continuous pollution process in the southern Jiangsu Province(Nanjing,Zhenjiang,Changzhou,Wuxi and Suzhou)from January 8 to 11,2022,the PM2s component characteristics were used to analyzethe pollution sources.The results showed that this pollution process was a typical regional pollution process withcontinuous static and stable weather accompanied by the southward movement of the cold high pressure,which wasmainly caused by local accumulation and regional transportation.During the process,the urbans in southern Jiangsucontinued to be polluted for 60 h,and the short-term peak reached severe pollution,the PM2s concentration increasedby 2.3 g/(m3h).The secondary inorganic salts SNA(NO;,NH4t and SO42-)accounted for more than 90%of thePM2.5 chemical components,the correlation coefficients were all above 0.9,and the OC/EC ratio exceeded 2.0,whichwere indicative of secondary particle pollution more prominent.Based on the PMF model,the industry contribution ofsouthern Jiangsu cities in this pollution process is analyzed.The main factors are secondary sources,industry,anddust.The contribution rate of secondary sources was between 58.5%and 79.9%;the contribution rate of industrialsources was between 10.1%and 33.7%;the dust contribution rate was between 8.5%and 23.6%.Key words:PM2s;pollution process;component characteristics;source analysis中图分类号：X513文献标识码：A文章编号：16 7 4-10 2 1(2 0 2 3)0 7-0 0 6 4-0 51引言颗粒物导致的重污染天气严重影响着公共健康与安全,甚至对全球气候变化有着较大影响 1。近年来，随着公众对颗粒物污染关注度的持续提升，颗粒物污染治理取得了一定的成效，目前国内外对颗粒物的管控仍在加强。2 0 2 1年世界卫生组织更新空气质量指南文件，调整了空气污染“第一杀手”PM2.5的收稿日期：2 0 2 2-12-2 0；修订日期：2 0 2 3-0 6-0 9。作者简介：王爱平，女，198 8 年生，高级工程师，硕士，主要研究方向为环境监测与管理、大气污染特征综合分析及预测预警。“推荐安全限,年均安全阈值从10 gm降低至5gm。我国“十四五”期间，在控制碳排放的背景下，关注颗粒物与臭氧协同管控，长三角地区制定了长期规划，结合重污染天气的预警预报工作，持续朝2 0 30 年PM2s年均浓度低于35g/m的目标迈进 2 。2021年，中国气候公报表明，受到“双峰拉尼娜”不利气象条件影响，冷空气活动频繁，我国中东部降水“北多南少”,整体扩散条件不利。2 0 2 2 年1一65环境监测Environmental Monitoring3月，受冷空气南下影响，苏南城市群（南京、常州、无锡、苏州和镇江)共经历了7 次区域性颗粒物污染事件，体现出明显大气复合污染特征。有研究表明，当污染源相对稳定时，气象条件影响更大 3。在目前的研究中 4,大多采取的研究方法是通过手工采样分析单一采样点的离子组分，或是对多采样点进行对比，而对于区域性颗粒物组分及其成因的整体分析比较少见。本文选取了2 0 2 2 年1月苏南城市群一次颗粒物污染过程作为分析对象，对5市的PM2.5颗粒物组分进行分析，了解苏南城市群区域大气颗粒物污染特征，对制定重污染天气污染源减排削峰措施非常必要。2数据与方法本文所用PM2.5数据来源于江苏省苏南5市（南京、常州、无锡、苏州和镇江)环境空气自动监测站点，选取2 0 2 2 年1月8 一11日PM2.5浓度逐小时、逐日监测数据；PM2s质量浓度和水溶性离子组分数据来源于苏南城市大气环境超级观测站的气溶胶及气体组分在线离子色谱监测仪,其中，苏州所用设备为赛默飞离子色谱URG9000,其他4个市所用设备为瑞士万通MARGA在线气溶胶气体监测系统。PM25离子组分监测的工作原理为大气颗粒物经过PM2.5切割头后收集于特氟龙(Teflon)滤带,采集后的样品斑点用X射线荧光法分析样品中的元素含量，再经过采样体积换算为实际大气浓度，数据的时间分辨率为1h。除了水溶性离子，大气颗粒物的其他重要化学组分为有机碳（Organiccarbon，O C）、元素碳（El e m e n t a l c a r b o n,EC）。O C包括污染源直接排放的一次有机碳和碳氢化合物通过光化学反应等途径生成的二次有机碳；EC是由木材等生物质或化石燃料的不完全燃烧产生的，并由污染源直接排放，所以只2001501005002022-01-0800:003.2PM2.5化学组分特征分析大气中的颗粒物来源分为一次粒子和二次粒子。从化学组分角度分析，二次粒子是更复杂的污染存在于一次气溶胶中 5。本文中OC,EC的监测使用了美国MageeAE-33黑碳仪（常州）、聚光科技OC/EC-100大气碳质组分分析仪（镇江）Sunset公司的在线OC/EC仪（南京、苏州、无锡）。3结果与讨论3.1PM2.5重污染过程分析南京和苏州分别是苏南城市群最西与最东侧的2个城市，选取南京和苏州作为本次污染过程的代表城市，结合近地面气象场分析本次污染期间PM25的污染过程。本次污染过程苏南城市群的PM25质量浓度变化见图1。从图1中可知，2 0 2 2 年1月8 一11日，南京和苏州的PM2.5浓度在日变化基础上波动上升，自9日0 0:0 0 常州和镇江2 个市的PM2.5浓度率先达轻度污染（PM2.s75g/m3）,污染持续期间近地面长期受均压场控制，持续静稳天气有利于本地污染累积。至10 日下午，受冷空气南下影响，南京和苏州近地面风速增大至3m/s以上，风向转为东北风，在冷空气推进过程中，PM2.5浓度出现先上升后下降的小幅波动。在北方污染输送叠加及本地累积共同影响下，10 日16:0 0 镇江出现PM2.s短时重度污染(PM2.s150g/m）,污染峰值为16 6 g/m。本次污染过程中苏南城市群空气质量持续污染达6 0 h，污染期间苏南城市群PM2s浓度平均增幅为2.3g/（mh）。经过12 h较大东北风清除作用，苏南城市群PM2.5浓度均下降至优良水平（PM2s75g/m）。结合污染期间天气形势和污染物的小时变化趋势，可以推测此次是典型持续静稳天气伴随冷高压南移的区域污染过程，主要是前期本地累积和区域输送所致。下一步结合苏南城市群的PM2.5水溶性离子化学组分特征，可定性分析本次污染来源。2022-01-0822022-01-09 2022-01-092022-01-10 2022-01-1012:0000:00图12 0 2 2 年1月8 11日苏南城市群的PM2s质量浓度变化南京C一一苏州镇江常州一无锡2022-01-11 2022-01-1112:0000:00日期物，其主要组分水溶性无机盐SNA(NO;,NH4+和SO2-）和碳组分是大气颗粒物中表征二次污染的关键。南京市PM2.5中化学组分和碳组分时序变化见图2。12:0000:0012:00环境保护与循环经济66200NO;微SO2NH4+戴CIWK*Na*Mg*Ca2150(eu.aml)/41005002022-01-0800:00从图2 a中可以看出，本次污染过程中，南京市PM2.5浓度变化趋势与各项水溶性离子一致，其中主要二次离子SNA平均占比超过90%，占比排序为NO;NH4SO2。一般认为，当OC/EC的比值超过2.0 时，即表明二次有机污染的存在 6-。由图2 b可知，本次污染过程中，0 C/EC小时比值在1.7 4 3.7 8 之间，平均值为2.9。OC/EC比值绝大部分时段高于二次污染的判断标准，说明本次污染过程二次有机碳污染较为显著。表1列出了苏南城市群离子组分的浓度。南京、镇江、常州、无锡、苏州的总水溶性离子浓度分别为64.64,58.14,59.54,49.57,36.39g/m，苏州水溶性离子浓度较其他城市偏低，原因可能是苏州所用设备为赛默飞离子色谱仪器，与其他4市使用的瑞士万通MARGA在线气溶胶气体监测仪器存在系统差异。从相关性看,SNA与PM2.s相关系数均在0.9以上,其他离子中,K+与PM2.5的相关性也相对较高，范南京项口浓度相关性NO;35.70SO.11.37NH415.09CI-1.43K0.60Nat0.20Mg0.04Ca20.21注：通过0.0 1水平上的显著检验。6PM254202022-01-092022-01-1000:0000:00口期a化学组分图2 2 0 2 2 年1月8 11日南京市PM2s中化学组分和碳组分时序变化表1苏南5市水溶性离子浓度以及与PM2s的相关性镇江浓度相关性浓度相关性浓度相关性浓度相关性0.9730.120.9010.840.9813.850.612.640.780.310.620.100.140.060.230.222022-01-1100:000.950.940.940.280.750.560.190.332022-01-0800:00围在0.7 5（镇江）0.90（苏州）之间，SNA浓度约占总水溶性离子的范围为93.4%（苏州）96.2%（南京），其他离子浓度相对较低。不同离子的来源不同,研究表明L7.,K+主要来自生物质燃烧；SO?-主要来自燃煤、化石燃料的燃烧及工业排放；NH4+和NO，主要来自农业、畜牧业、生物质燃烧及化工行业生产和机动车排放；Ca+和Mg*主要来自土壤风沙尘与道路扬尘；Cl-的来源除了海洋源之外，一部分来自生物质燃烧，另一部分来源于混凝土产业的排放和含氯废弃物的燃烧等工业活动。综合来看，本次污染过程中，苏南城市群的PM25化学组分中的水溶性无机盐SNA占比超过90%，相关系数均在0.9以上，0 C/EC的比值超过2.0，均表征本次污染过程以二次粒子污染较为突出，SNA污染来源主要以机动车尾气、二次气溶胶、燃煤源等为主。常州无锡31.040.9811.060.9413.950.982.430.770.450.890.170.680.090.210.350.072022-01-0900:00t/R期b碳组分27.360.978.280.9111.530.961.600.640.390.820.230.170.02-0.180.160.192022-01-1000:0017.507.888.611.420.240.420.040.282022-01-1100:00苏州0.980.960.990.600.900.00-0.280.0767为了解苏南城市群的污染状况，将本研究的结果与国内其他城市站点研究结果对比。济南市8 1SNA浓度在总水溶性离子的占比约为8 7%，上海浦东新区91SNA占比94%，北京市10.SNA在春、夏、秋和冬季分别可达8 6.0%，8 9.5%，7 4.6%和7 3.0%。说明在本次污染过程中，苏南城市群的PM25组分特征与国内大部分城市结果相似,PM2.5组分中有严重的二次无机气溶胶污染。100101(au.8)/104101(u.8m)/10010-110-210-10-L1011010.5010-10-4101因子3710010110101043.3污染源解析为定量分析PM2.5的污染源占比，利用正交矩阵因子分析法（PMF)进一步进行污染物的来源解析。基于PMF模型，苏南城市群的PM2.s的潜在来源可以用3个主要因子来判断和定量，分别为二次源、工业工艺、扬尘。在不同城市，这些排放源对PM2.5的贡献率存在差异。南京和苏州源解析组分因子占比见图3。浓度贡献率因子1因子2浓度10贡献率100%(u.81l)/5010-010-710010-L%牌500100%5090%率弹真6030因子11011001010-10010-110-210310-49060%/率輝真30因子29060因子4a南京南京市来源解析结果表明，南京PM2.5的源贡献可以解析为4个因子，其中，因子1代表工业工艺源，以Cl-,Fe,Zn,Mn贡献占比较高,Zn和Fe与工业工艺源息息相关，而CI-和Mn可用来指征燃煤源；因子2 和因子3均可考虑为扬尘源，浓度较高的元素是Al和Si,主要来源于地面扬尘、土壤飞灰等地壳源；在因子4中,NO3SO2-,NH4等二次离子贡献最大，此外，OC和EC的浓度也相对较高，属于二次因子3b苏州图3南京和苏州源解析组分因子占比无机盐源。4个因子对PM2.5的贡献率分别为11.6%，4.6%,3.9%,79.9%。苏州市来源解析结果表明,苏州市PM2.5的源贡献可以解析为3个因子，其中，因子1代表扬尘源，以Mg+,Ca2,Na贡献占比较高，可用来指征土壤扬尘；因子2 为二次源，浓度较高的元素是NO3,SO2-，NH4t；因子3为工业源,表现为CI-有着突出贡献。3个因子分别贡献PM2.s的18.8%,6 0.1%，2 1.1%。环境保护与循环经济68同样，以PMF方法分析镇江、常州、无锡PM2.5贡献，结果显示，主要因子为二次源、工业源、扬尘源，在本次污染中，这3个主要因子对镇江的贡献率分别是58.5%，33.7%，7.8%，对常州的贡献率分别是63.0%，18.9%，18.1%，对无锡的贡献率分别是6 6.3%，10.1%，2 3.6%。可见苏南城市群本次污染过程以二次源为主要贡献，贡献率为58.5%7 9.9%，工业源贡献率为10.1%33.7%，扬尘贡献率为8.5%2 3.6%。4结论(1)2022年1月8 一11日苏南城市群发生区域性PM2.5污染过程，此次污染过程是典型持续静稳天气伴随冷高压南移的区域污染过程，主要是前期本地累积和区域输送所致，污染过程中苏南城市群出现6 0 h持续污染，短时峰值达重度污染，PM2.5浓度增幅为 2.3 g/(mh)。(2)此次污染过程中，苏南城市群PM2.5化学组分中的SNA占比超过90%，相关系数均在0.9以上，OC/EC的比值超过2.0,均表明本次污染过程以二次粒子污染较为突出。（3)基于PMF模型分析本次污染过程中的行业贡献主要因子为二次源、工业、扬尘,其中二次源贡献率为58.5%7 9.9%，工业源贡献率为10.1%33.7%，扬尘贡献率为8.5%2 3.6%。南京市二次源占比最高,为7 9.9%。参考文献1 JLi W J,Zhang D Z,Shao L Y,et al.Individual particle analysisof aerosols collected under haze and non-haze conditions ata high-elevation mountain site in the North China plainJ.Atmospheric Chemistry And Physics,2011,11(22):22385-22415.2刘杰.长三角地区冬季细颗粒物重污染事件二次有机气溶胶的来源解析和区域传输 D.上海：上海交通大学，2 0 19.3JThurston G D,Ito K,Hayes C G,et alRespiratory hospitaladmissions and summertime haze air pollution in Toronto,Ontario:consideration of the role of acid aerosolsJ.Environ Res,1994,65(2):271-290.4张小玲，赵秀娟，蒲维维，等.北京城区和远郊区大气细颗粒PM2.5元素特征对比分析 J.中国粉体技术，2 0 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