烏魯木齊市夏季大氣ＰＭ_１０、ＰＭ_２．５中重金屬的分布特征

孫龍仁　鄭春霞　王文全　牛　玲

摘要:利用PM_2.5、PM₁₀、TSP便攜式采樣器、TAS-990石墨爐原子吸收光譜儀,采集了烏魯木齊市5個功能區大氣PM₁₀、PM_2.5樣品,并檢測了PM₁₀、PM_2.5樣品中Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Mn 6種元素的含量。結果表明:PM₁₀質量濃度除卡子灣水泥廠區采樣期間全部超標外,其他地點均低于國家二級標準;PM_2.5質量濃度與美國日均值標準相比,卡子灣水泥廠區采樣期間全部超標,安寧渠良種場超標天數為20%,友好路超標天數為60%,其他地點均低于標準。富集因子法分析結果顯示:烏魯木齊市5個采樣區夏季大氣PM₁₀、PM_2.5中Cr、Ni、Cu、Cd、Pb 5種重金屬污染主要來自于人類活動,Mn則來源于地殼物質。

關鍵詞:PM₁₀;PM_2.5;重金屬;烏魯木齊

中圖分類號:X513文獻標識碼:A文章編號:1006-6500(2009)02-0037-05

Characteristic of Heavy Metal Distribution in PM₁₀ and PM_2.5from Atmospheric Samples in Urumqi in Summer

SUN Long-ren1,ZHENG Chun-xia1,WANG Wen-quan1,NIU Ling2

(1.College of Pratacultural and Environmental Science,Xinjiang Agricultural University,Urumqi830052,China;2.Laboratory of Xinjiang General Team,China Construction Materials and Geological Prospecting Centre,Urumqi830002,China)

Abstract:Atmospheric PM₁₀ and PM_2.5 samples from five function areas of Urumqi were collected with portable sampler for PM_2.5/PM₁₀/TSP and TAS-990 Graphite Furnace AAS, and the content of Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, and Mn in PM_2.5 and PM₁₀ were analyzed. The result indicated that during the sampling period, mass concentrations of PM₁₀ were lower than national standard level-II except in Kaziwan Bay Cement Works area; compared with American daily mean value standard, mass concentration of PM_2.5 in Kaziwan Bay Cement Works area exceeded the allowed figure completely during the whole sampling period, Anningqu Breeding Farm exceeded the allowed figure by 20% of sampling days, Youhao Road exceeded the allowed figure by 60% of sampling days, and in the other places were lower than the allowed figure. The analysis result with enrichment factor method showed that the atmospheric pollution of heavy metals Cr, Ni, Cu, Cd and Pb in PM₁₀ and PM_2.5 from those five sampling areas in Urumqi in summer came mainly from anthropic activities and Mn originated from earth crust.

Key words: PM₁₀;PM_2.5;heavy metal;Urumqi

空氣中的懸浮顆粒物通常分為總懸浮顆粒物(TSP)和可吸入顆粒物(PM₁₀和PM_2.5)。可吸入顆粒物(PM₁₀)是大氣中空氣動力學直徑小于或等于10 μm的顆粒物。大氣細顆粒物(空氣動力學當量直徑≤2.5 μm的顆粒物,簡稱PM_2.5)是一種化學成分極為復雜的復合污染物,由來自不同人為污染源或自然污染源的大量不同化學成分組成。工業污染源、機動車尾氣、道路及建筑物施工揚塵、固體廢棄物焚燒等都可向大氣中排放PM_2.5。

可吸入顆粒物(PM₁₀)在環境空氣中持續的時間很長,對人體健康和大氣能見度影響都很大,被人吸入后,會累積在呼吸系統中,引發許多疾病。特別是細粒子(PM_2.5), 它在PM₁₀中所占的質量百分比范圍為50%～75%[1],可以攜帶重金屬、硫酸鹽、有機物、病毒等直接進入呼吸道和肺部[2],由于可直接深入到細支氣管和肺泡,能引發心臟病、肺病、呼吸道疾病,降低肺功能等。因此,對于老人、兒童和已患心肺病者等敏感人群,風險是較大的。研究揭示:由呼吸道疾病、心血管病、肺癌造成的死亡與細顆粒物污染有關。

烏魯木齊市是中國乃至世界上空氣污染最嚴重的城市之一,可吸入顆粒物又是烏魯木齊市最為嚴重的大氣污染物。過去幾年,政府采取了一系列污染治理措施,但是到后期TSP濃度變化不明顯。到目前為止,關于烏魯木齊市大氣顆粒物中可吸入顆粒物(PM₁₀)的污染特征和源解析研究較少,而對于與人體健康和大氣能見度密切相關的細粒子(PM_2.5)的研究則更少。

為此,我們于2007年夏季對新疆烏魯木齊市的安寧渠良種場、卡子灣水泥廠區、九家灣外環路、新疆農業大學生活區、友好路等5個功能區進行了大氣PM₁₀、PM_2.5的采樣,分析PM₁₀、PM_2.5的質量濃度和其中的Pb、Cu、Cr、Ni、Mn、Cd 6種重金屬的含量,以期為制定科學的大氣污染控制政策提供依據。

1材料和方法

1.1試驗儀器及主要試劑

儀器:MiniVol PM_2.5、PM₁₀、TSP便攜式采樣器(北京桑翌科技發展有限公司),Teflon濾膜(直徑47 mm,孔徑0.45 μm)(天津津騰實驗設備有限公司),CP225D十萬分之一精密微量電子天平(德國賽多利斯公司),TAS-990石墨爐原子吸收裝置(北京普析通用儀器有限責任公司),聚四氟乙烯消化罐,電熱板等。

試劑:硝酸、高氯酸、氫氟酸(均為優級純)、無離子水等。

1.2采樣地點

根據現場調查,各功能區的采樣點的地理位置和特點見表1。

1.3采樣方法

2007年7月24日—8月17日在上述5個地點用MiniVol PM_2.5、PM₁₀、TSP便攜式采樣器采集樣品,PM_2.5、PM₁₀的采樣流量均為5 L/min,Teflon濾膜。每個地點獲得PM₁₀和PM_2.5樣品各10個。每天采樣12 h,時間段為10:00—22:00(下雨天氣除外)。

采樣期間烏魯木齊市空氣質量較好,空氣質量狀況為8 d優(即污染指數為1級)和17 d良好(即污染指數為2級),無輕度(即污染指數為3級)及其以上污染。

1.4PM₁₀、PM_2.5質量濃度及重金屬含量測定

采用重量法測定PM_2.5、PM₁₀的質量濃度[3]。樣品的稱量使用CP225D十萬分之一精密微量電子天平(德國賽多利斯公司)。

用TAS-990石墨爐原子吸收光譜儀分析Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Mn 6種重金屬元素的含量。將稱量后的Teflon濾膜剪碎,置于聚四氟乙烯消化罐內,加入10 mL的硝酸和5 mL的高氯酸,加蓋,在可控溫加熱板上加熱消化4～5 h,冷卻至室溫;再加3 mL的氫氟酸,打開蓋繼續加熱消化,直到蒸至近干,冷卻到室溫后,加入無離子水定容至50 mL,待上機分析。各元素的分析參數見表2。

2結果與分析

2.1大氣PM₁₀、PM_2.5質量濃度分析

PM₁₀、PM_2.5的質量濃度見表3、圖1和圖2。從圖1可以看出,PM₁₀質量濃度平均值最高是卡子灣水泥廠區,最低是新疆農業大學生活區。根據我國GB 3095-1996環境空氣質量標準規定,日平均濃度限值二級標準為150 μg/m3,除卡子灣水泥廠區采樣期間全部超標外,其他地點均低于國家二級標準。

從圖2可以看出,PM_2.5質量濃度平均值最高是卡子灣水泥廠區,最低是新疆農大生活區。與美國日均值標準(65 μg/m3)相比,卡子灣水泥廠區采樣期間全部超標,安寧渠良種場超標天數為20%,友好路超標天數為60%,其他地點均低于標準。

2.2PM₁₀、PM_2.5中重金屬含量分析

為了解烏魯木齊市大氣PM₁₀、PM_2.5中重金屬含量的總體水平,對上述5個功能區的PM₁₀、PM_2.5樣品進行了Pb、Cu、Cd、Cr、Ni、Mn等重金屬含量分析,結果見表4。

從表4可以看出,PM₁₀中重金屬的含量狀況為:安寧渠良種廠是Pb、Cr質量濃度平均值最大的地區,新疆農大生活區是Cu、Ni質量濃度平均值最大的地區,友好路是Cd質量濃度平均值最大的地區,卡子灣水泥廠是Mn質量濃度平均值最大的地區;PM_2.5中的重金屬含量為:安寧渠良種廠是Pb、Cu質量濃度最大的地區,卡子灣水泥廠是Cd質量濃度最大的地區,九家灣外環路是Cr的質量濃度最大的地區,友好路是Ni、Mn質量濃度最大的地區。

近年來,盡管含鉛汽油被禁止使用,但汽車尾氣仍然是大氣中Pb含量的來源之一,而煤燃燒產生的工業廢氣也已成為大氣Pb污染的重要來源[7],這是導致烏魯木齊市部分地區Pb含量較高的原因。安寧渠良種場雖然是農業區,但周邊也有一些小工廠、小作坊,這造成了該地區夏季Pb較其他地區高。另外,燃煤是大氣中Cd的重要來源,某些汽車輪胎和潤滑油中的Cd也是大氣中Cd的重要來源,這是卡子灣水泥廠和友好路Cd含量較高的原因。

烏魯木齊市區三面環山,不利于空氣流通,污染物不易擴散,加之工業企業以煤作為主要能源,這些自然和人為的因素,是造成大氣中重金屬污染的主要原因。

2.3重金屬富集程度分析

富集因子法是一種雙重歸一化的方法。選擇一種相對穩定的元素R作參比元素,將大氣顆粒物中待考查元素i與參比元素R的相對濃度(X_i/X_R)氣溶膠和地殼中相對元素i和R的平均豐度比的相對濃度(Xi/XR)地殼求得富集因子(EF),如下式:

EF=(X_i/X_R)氣溶膠/(X_i/X_R)地殼

其中,本文取Fe作為參比元素,這幾種重金屬取烏魯木齊市土壤背景平均值,它們分別為Pb 19.40、Cu 26.70、Cd 0.10、Cr 47.40、Ni 28.95、Mn 688.00 mg/kg,Fe3.60(百分數)[4-6]為中國土壤背景平均值。

某元素的富集因子值小于10,則可以認為相對于地殼(或表土)來源沒有富集,它們主要是土壤或巖石風化的塵土刮入大氣中造成的;如果(EF)值大于10很多,如幾十到幾萬,則可認為該元素被富集了,它不僅是地殼物質的貢獻,也可能與人類各種活動的不同貢獻有關[7]。

由表5可知,烏魯木齊市夏季大氣PM₁₀、PM_2.5中除Mn外,其余Cr、Ni、Cu、Cd、Pb等5種重金屬富集因子較高,其中Pb最大富集系數為20.8(安寧渠良種場PM_2.5)、Cu為59.7(安寧渠良種場PM_2.5)、Cd為265.9(卡子灣水泥廠區PM_2.5)、Cr為158.0(友好路PM_2.5)、Ni為368.1(友好路PM_2.5)、Mn為1.4(友好路PM_2.5)。PM_2.5比PM₁₀更易于重金屬元素的富集。結果表明,Cr、Ni這2種重金屬主要與人類活動有關,Cu、Cd、Pb等3種重金屬的污染來源主要是人類活動,但亦有來自地殼物質(如土壤揚塵),Mn則來自于地殼物質。

3結 論

(1)除卡子灣水泥廠區采樣期間PM₁₀質量濃度的平均值全部超標外,其他地點均低于國家二級標準。與美國日均值標準相比,卡子灣水泥廠區采樣期間PM_2.5質量濃度平均值全部超標,安寧渠良種場超標天數為20%,友好路超標天數為60%,其他地點均低于標準。

(2)PM₁₀中重金屬的含量為:安寧渠良種廠是Pb、Cr質量濃度平均值最大的地區,新疆農大生活區是Cu、Ni質量濃度平均值最大的地區,友好路是Cd質量濃度平均值最大的地區,卡子灣水泥廠是Mn質量濃度平均值最大的地區。PM_2.5中重金屬的含量為:安寧渠良種廠是Pb、Cu質量濃度最大的地區,卡子灣水泥廠是Cd質量濃度最大的地區,九家灣外環路是Cr的質量濃度最大的地區,友好路是Ni、Mn質量濃度最大的地區。

(3)烏魯木齊5個采樣區大氣PM₁₀、PM_2.5中重金屬Cr、Ni的富集系數全部大于10;Cu、Cd、Pb等3種重金屬的富集系數絕大多數大于10;Mn的富集系數全部低于10。證明烏魯木齊市的重金屬污染主要來自于人類活動。

參考文獻:

[1] 吳國平,胡偉,藤恩江,等.我國四城市空氣中PM_2.5和PM₁₀的污染水平[J].中國環境科學,1999,19(2):133-137.

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[6] 國家環保局.中華人民共和國土壤環境背景值圖集[M].北京:中國環境科學出版社,1994:129-132.

[7] 陶俊,陳剛才.重慶市大氣TSP中重金屬分布特征[J].重慶環境科學,2003,25(12):16.