典型污染源大气颗粒物、BC与VOCs的排放特征.pdf

第 卷第 期 年 月能 源 环 境 保 护 ，移动扫码阅读关天奕，李荣斌，孙潇，等 典型污染源大气颗粒物、与 的排放特征 能源环境保护，（）：，（）：收稿日期：；责任编辑：金丽丽 ：基金项目：山东省自然科学基金（）；深圳市科技计划项目（）作者简介：关天奕（），男，山东济南人，科研助理，研究方向为大气环境。：通讯作者：王新锋（），男，河南洛阳人，副教授，研究方向为大气环境化学。：典型污染源大气颗粒物、与 的排放特征关天奕，李荣斌，孙 潇，王新锋，汤明珍，高 健，刘一平，司书春（山东大学 环境研究院 生态环境大数据创新研究中心，山东 青岛；山东大学 深圳研究院，广东 深圳；济南市生态环境数字化应用中心（济南市生态环境保护网格化监管中心），山东 济南；中国环境科学研究院 大气环境研究所，北京；山东诺方电子科技有限公司，山东 济南）摘要：为理解不同污染源产生的大气颗粒物、黑碳（）和挥发性有机物（）的排放特征，于民用燃煤烟气、餐饮油烟和施工扬尘条件下，对大气颗粒物质量浓度、和 浓度以及颗粒物数浓度与质量浓度的粒径分布进行现场测量。结果表明，不同污染源排放的颗粒物、浓度、颗粒物粒径分布及相关性差异明显。其中，燃煤烟气和施工扬尘排放的颗粒物质量浓度主要分布在粗粒子中，较小和较大粒径颗粒物的数浓度增加显著；而餐饮油烟排放的颗粒物质量浓度主要分布在微米级粒子中，附近的颗粒物的数浓度大幅度增长。另外，燃煤烟气与餐饮烟气中的 和 主要来自燃烧与加热过程，与细颗粒物数浓度呈显著的正相关关系，伴随着细颗粒物产生；而施工扬尘中 主要来自施工机械尾气与扬尘，与粗、细颗粒物均有显著的相关性，随着各种颗粒物的排放而排放。上述三类污染源中颗粒物、与 的排放特征为大气污染来源识别提供了依据。关键词：大气颗粒物；黑碳；挥发性有机物；粒径分布；排放特征中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，；，；，）：（），（），（），关天奕等 典型污染源大气颗粒物、与 的排放特征，：；引 言大气中的可吸入颗粒物根据粒径大小分为（空气动力学直径小于或等于 ）、（小于或等于 ）等，其中 称为细颗粒物，粒径介于 和 之间的颗粒物（即与 之间的差值）称为粗颗粒物。大气颗粒物能在大气环境中停留较长时间，通过散射、吸光等影响大气能见度与太阳辐射平衡，可参与成云过程、直接或间接影响气候变化。高浓度的细颗粒物可与臭氧等其他大气污染物形成复合污染，同时对人体健康尤其是呼吸系统、心脏功能等产生危害，对人类的生产生活带来不利影响。人类活动如燃煤、烹饪、施工等均会产生大量的大气颗粒物，其中含有无机盐、有机物、黑碳（）等多种成分，另外也排放多种有害的气态污染物。黑碳作为大气颗粒物的重要成分之一，以单质碳为主，主要分布在微米级颗粒物（）中。黑碳具有较强的吸光和吸附特性，有显著的气候效应和健康影响。另外，挥发性有机物（）是大气细颗粒物与光化学污染的重要前体物，它们主要包括烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃、卤代烃、醛类、酮类、酯类、含氮有机物、含硫有机物等常温下易挥发的有机化合物，有较强的反应活性，能够影响区域空气质量与大气氧化性。不同污染源排放大气污染物的特征差异显著，明确典型大气污染源的排放特征是准确识别、追溯大气污染来源的前提。以往研究表明，燃煤源产生的颗粒物主要分布在细颗粒物中，其粒径中值为 ，颗粒物的生成量与煤炭的成熟度有关，同时煤炭燃烧也会产生大量的 和，且 浓度、种类等也与煤炭的种类有关。餐饮油烟源会产生大量的细颗粒物，且烹饪方式对颗粒物生成量有显著影响，翻炒、碳烤等高温烹调产生的细颗粒物浓度远高于蒸煮等低温烹饪方式，同时颗粒物浓度与 和 浓度呈现较好的正相关关系，的粒径峰值出现在 ，其排放的 黏性较大，另外不同含水量的食材烹饪产生的烟气中的浓度也有明显差异。各类扬尘以粗颗粒物为主，且大多含有一定量的。由此可见，不同污染源产生的颗粒物的质量浓度与粒径分布特征、与 的浓度特征存在明显区别。在实际大气环境中，由于多种污染源排放、大气扩散传输的共同影响，大气颗粒物、的污染特征与来源贡献非常复杂，受污染源类别，、气 象 条 件、季 节、昼 夜 变化等诸多因素有关。以往外场观测与来源解析结果表明，在北方内陆地区的冬春季节燃煤源是 的重要贡献源之一，此时伴随着较高浓度的 和，而且燃煤源贡献增大通常会造成 浓度升高；而在城市地区的餐馆附近餐饮源对 贡献较大，且伴随显著的 排放；另外扬尘源对 和 均有重要贡献，且北方春季 浓度受扬尘源的影响有所增加。鉴于大气污染成因复杂，迫切需要进一步测试、对比不同排放源中典型污染物的排放特征与关联关系，从而为大气污染溯源分析提供依据。本研究利用便携式监测设备，通过对民用燃煤烟气、餐饮油烟和施工扬尘产生的大气颗粒物的粒径谱、浓度进行同步测量，探究了不同污染源中污染物浓度与颗粒物粒径分布的典能 源 环 境 保 护第 卷第 期型特征，分析了不同污染物之间的相关关系，并对比了不同排放源排放特征之间的差异。研究方法 采样点位民用燃煤烟气和餐饮油烟排放源的采样测量在济南市历下区姚家小区东区东北方向约 的一家小型餐馆内进行，时间为 年 月 日 至 时，周围环境为小型居民生活区和狭窄巷道，机动车与行人活动较少。施工扬尘排放源采样点位于济南市市中区党杨路腊山御园建筑工地，时间为 年 月 日 至 时。采样点位置如图 所示。图 民用燃煤烟气和餐饮油烟排放源、施工扬尘源采样点位置（框内为局部放大信息，蓝色为燃煤烟气和餐饮油烟排放源采样点，红色为施工扬尘源采样点），（，）仪器设备在本研究中，使用 型光学颗粒物粒径谱仪（美国）、型手持黑碳仪（美国）和诺方 型 测量仪（中国），对不同大气污染源排放的污染物进行在线测量。型光学颗粒物粒径谱仪可测量 内 个粒径范围的颗粒物数浓度、质量浓度等，本研究所选粒径范围为 、和 ，数浓度量程范围为 个，在 处的测量误差不超过，和 质 量 浓 度 分 别 由 直 径 小 于 和 的颗粒物数浓度按照 的密度换算并求和获得。型手持黑碳仪通过波长为 的激光对石英纤维滤条上收集的黑碳颗粒物进行测量，分辨率为 ，黑碳质量浓度的量程范围为 。诺方 型 监测仪可以实时测量空气中 的总浓度（体积分数），分辨率为 ，量程范围为 。上述测量设备中黑碳仪的时间分辨率为 分钟，颗粒物粒径谱仪与 监测仪的时间分辨率为 ，为便于对比，取 平均值进行分析。此外，对于 型光学颗粒物粒径谱仪，在采样前与附近环境空气质量监测站点的、质量数据以及其他颗粒物粒径谱仪（德国、中国诺方）的测量数据进行对比验证，总体上一致性很好，相关系数（），但由于仪器构造、校准方法等差异，型光学颗粒物粒径谱仪在低浓度条件下时出现部分测量值偏低的情况。采样现场燃煤烟气来自家用直筒型煤炉中燃烧的有烟蜂窝煤，排烟通道长约 ，进样口靠近煤炉排烟口。餐饮油烟来自使用燃气灶台的厨房，在关闭抽油烟机的情况下进行采样测量，烹饪方式主要为炒、炸等高温烹调过程，进样口距离锅边约。施工扬尘在封闭施工场地内进行，进样口距离挡板约 。对各种污染源排放的污染物进行测量时，采用相同的进样装置与连接方式，详见图。每台测量仪器通过 长的导电硅注：总进样口；出气口；型颗粒物粒径谱仪；型黑碳仪；诺方 型 监测仪图 测量设备与采样管路连接情况 关天奕等 典型污染源大气颗粒物、与 的排放特征胶管或 管与进样装置的出气口连接，多余的出气口连接了其他测量仪器。在采样测量之前，先检查各仪器设备的运行状态与采样管路的气密性，并测量一段时间的环境空气样品。现场采样测量期间天气晴好，环境温度 ，相对湿度，风速较小。需要说明，在施工扬尘测量实验中，由于仪器设备故障而未对 进行监测。结果与讨论 民用燃煤烟气污染特征民用燃煤烟气中、和 浓度的时间变化及颗粒物粒径谱如图 所示，其中粒径谱图中的红色虚线代表 粒径所在位置。燃煤烟气不完全均匀，所排放的污染物浓度有较大波动，燃煤烟气中、质量浓度分钟值的范围分别为 、，浓度范围为 ，浓度范围为 。燃煤烟气中的 质量浓度明显高于 浓度，约为 的 倍，说明民用燃煤烟气排放了更多质量的粗颗粒物。在 质量浓度峰值（高强度排放）条件下，燃煤烟气排放的颗粒物的数浓度随粒径增长呈指数衰减，颗粒物数量主要集中在 以下的亚微米粒径范围。然而，与城市背景大气的颗粒物数浓度相比，粒径较小（）与较大（）的颗粒物的数浓度增加的倍数最多，其中 与 的涨幅分别为 倍和 倍。此时，颗粒物质量浓度则主要分布在粗颗粒物（），质量浓度峰值出现在 图 民用燃煤烟气中（）、（）、（）浓度随时间变化（左）与 峰值条件下颗粒物各粒径段（）数浓度、（）数浓度变化倍数及（）质量浓度分布（右）（），（）（）（）（），（），（）（）能 源 环 境 保 护第 卷第 期粒径段，这进一步说明燃煤烟气直接排放了大量的粗颗粒物。本研究中观察到的民用燃煤烟气排放大量粗颗粒物的现象与传统关于工业燃煤源的认识有一定区别，主要是因为工业燃煤安装了高效的除尘设备，去除了绝大部分粗颗粒物和粒径较大的细颗粒物，而民用燃煤无任何除尘措施，煤块以及黏土中的矿物质等成分随着烟气排放到空气中，因此排放了大量的粗颗粒物。另外，对比了燃煤烟气中、浓度与不同粒径范围颗粒物数浓度之间的线性相关性（皮尔森相关系数），发现 与 的颗粒物数浓度有显著相关性，相关系数 为 （），其中与 的颗粒物数浓度的相关性最好。此外，尽管 浓度与 浓度相关性较强（，），但 浓度仅与 的颗粒物数浓度有较强的相关性（，）。上述结果说明在燃煤烟气中的 主要分布在亚微米颗粒物中，与 主要来自煤炭的燃烧过程，伴随小粒径颗粒物产生。餐饮油烟特征餐饮油烟中、和 浓度的时间变化与颗粒物粒径谱如图 所示。图 餐饮油烟中（）、（）、（）浓度随时间变化（左）与 峰值条件下颗粒物各粒径段（）数浓度、（）数浓度变化倍数及（）质量浓度分布（右）（），（）（）（）（），（），（）（）烹饪期间餐饮油烟浓度不均匀，且厨房内空气扩散条件受限，所排放的污染物浓度维持在较高水平且出现了明显波动。餐饮油烟中、质量浓度范围分别为 、关天奕等 典型污染源大气颗粒物、与 的排放特征 ，浓度范围为 ，浓度范围为 。值得注意的是，餐饮烟气中 与 的质量浓度较为接近，约为 的 倍，说明餐饮油烟中细颗粒物与粗颗粒物质量浓度相当。在 质量浓度峰值条件下，餐饮油烟排放的颗粒物数浓度均主要集中在 以下的细粒子区域。与城市背景大气的颗粒物数浓度相比，粒径范围的颗粒物数浓度大幅度升高，约是常规状态下的数百倍，说明烹饪过程中产生了非常大量的微米级细颗粒物。此时，颗粒物质量浓度主要分布在微米级粒径范围（），进一步证实餐饮油烟排放了大量的微米级细颗粒物与粗颗粒物，该特征与燃煤排放源有明显区别。对比餐饮油烟中、浓度与不同粒径范围的颗粒物数浓度之间的相关性，发现 浓度与 的颗粒物数浓度相关性显著，相关系数 为（），与 、粒径范围的数浓度也有一定的相关性（，）。以上结果说明餐饮油烟产生的 主要分布在亚微米和微米级颗粒物中，这与燃煤烟气中 的粒径分布特征有一定区别。此外，浓度与 的颗粒物数浓度的相关性也较强（，），这与燃气燃烧、食物高温加热过程中产生大量半挥发性芳香类化合物等有关。施工扬尘特征施工场地、浓度的时间变化和颗粒物粒径谱如图 所示。图 施工扬尘中（）、（）浓度随时间变化（左）与 峰值条件下颗粒物各粒径段（）数浓度、（）数浓度变化倍数及（）质量浓度分布（右）（），（）（）（），（），（）（）能 源 环 境 保 护第 卷第 期 施工扬尘的产生受施工作业与环境条件如风速、湿度等影响较大，因此大部分时段施工场地的污染物浓度与环境空气较为接近，但偶尔也会出现高值。在受到施工扬尘影响的条件下，、浓度均有显著升高，最高分别达到 、和 。施工扬尘中的 浓度显著大于 浓度，约为 浓度的 倍，说明施工扬尘排放了更多质量的粗颗粒物。受施工扬尘显著影响条件下，颗粒物数浓度主要分布在亚微米粒径范围。与城市背景大气的颗粒物数浓度相比，受施工扬尘影响时不同粒径范围的颗粒物浓度均有升高，其中较小粒径（）与较大粒径（）的颗粒物数浓度增加幅度最大，约为城市背景大气的 倍。此时，颗粒物质量浓度主要分布在粗粒子粒径范围（），进一步说明施工扬尘排放了大量的粗颗粒物。对比施工扬尘中 浓度与不同粒径颗粒物数浓度之间的相关性，发现 浓度与 的颗粒物均有显著的相关性（，），特别是与 的颗粒物的相关系数 高达，说明施工过程排放的 更多分布在细颗粒物中，但仍有一部分存在于粗颗粒物中，这与燃煤源、餐饮油烟以及环境空气中 主要分布在细颗粒物中的特征有明显区别，这是由于施工扬尘中的 主要来自施工机械尾气与扬尘。需要说明，扬尘中的金属氧化物对可见光也有一定的吸收作用，可能在一定程度上造成黑碳仪测量结果的高估。对比讨论综合上述测量结果，民用燃煤烟气、餐饮油烟、施工扬尘中颗粒物、浓度以及颗粒物粒径分布特征有明显区别。由表 可知，有烟蜂窝煤燃烧稳定，、浓度持续保持在较高水平，与 的比值较大，浓度与 的颗粒物数浓度的相关性较好，浓度仅与 的颗粒物数浓度有显著相关性。餐饮油烟受烹饪方式、烹饪材料、人为操作影响很大，、浓度极高，、浓度较高，频繁出现极高值，与 的比值小，浓度与 的颗粒物数浓度的相关性最好，与 的颗粒物数浓度均有显著相关性。而在施工扬尘中，受施工操作与环境条件影响，、浓度相对较低，偶尔出现高值，与 的比值很大，与 的颗粒物数浓度的相关性均较强，且与 的颗粒物数浓度的相关性极好。因此，可根据 比值、颗粒物数浓度增加情况、颗粒物质量浓度分布，以及 与 同不同粒径范围的颗粒物数浓度之间的相关性，来区分、追踪不同类型的大气污染源。表 不同污染源排放的颗粒物、浓度与颗粒物粒径分布特征对比 ，污染源类型浓度范围（）浓度范围（）浓度范围（）浓度范围（）比值平均值数浓度显著增加的粒径段 质量浓度主要分布的粒径段 与 显著相关的粒径段 与 显著相关的粒径段 民用燃煤餐饮油烟 施工扬尘 需要说明，本研究中由于实验条件等限制，相关测量结果存在一定误差，且不同污染源的排放特征的代表性有限。例如，由于扩散等原因导致民用燃煤烟气、餐饮油烟、施工扬尘中的污染浓度不均匀，餐饮油烟个别极端数值超出仪器量程而影响测量结果的准确性，未来需要更多的条件模拟实验与外场观测结果相结合来进一步确认。结 论本研究利用便携式监测设备，对民用燃煤烟气、餐饮油烟和施工扬尘三类污染源排放的颗粒物、与 进行同步测量，并对比分析不同污染源排放特征之间的差异，得到以下主要结论：（）民用燃煤烟气、餐饮油烟和施工扬尘会排关天奕等 典型污染源大气颗粒物、与 的排放特征放大量的颗粒物、与，但它们的排放特征差异明显，可通过测量、和 浓度，结合颗粒物数浓度与质量浓度粒径分布特征、各粒径段颗粒物与 及 浓度的相关性，识别此三类大气污染源。（）燃煤烟气和施工扬尘排放的颗粒物数浓度在较小（）和较大（）粒径段显著增加，其质量浓度主要分布在粗颗粒物中；而餐饮油烟排放的颗粒物数浓度则在 粒径段急剧增多，其质量浓度在粗、细颗粒物中相当。民用燃煤烟气排放大量的粗颗粒物，与型煤制作中添加黏土、无除尘设施有关。（）燃煤烟气与餐饮烟气中，、与细颗粒物的数浓度有显著相关性，它们主要来自燃烧加热过程，与细颗粒物同步产生；而在施工扬尘中，与粗、细颗粒物的数浓度均有显著相关性，主要来自施工机械尾气与扬尘，随颗粒物的排放而排放。参考文献（）：，（），（）：，：，（）：史政都，田晋平，李秉正 年太原市臭氧污染特征分析 能源环境保护，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，：，：，：陈程，花艳，王瑜，等 连云港黑碳气溶胶污染特征研究环境监控与预警，（）：，（）：，（）？，：陆钇江，吴睿敏，吴宗坤，等 臭氧对厨余垃圾产生的 去除效率研究 能源环境保护，（）：，（）：刘晋宏，孔少飞，冯韵恺，等 超低排放燃煤电厂一次颗粒物和黑碳实时排放特征 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