關于大氣降塵中重金屬污染源解析的相關研究

朱忠軍

摘 要：工業革命帶來了生產力的進步，能源資源開采成為社會進步的重要因素。當前，我國空氣污染程度前所未有，特別是PM2.5、PM10等細顆粒物更是對居民健康造成重要危害。大于10 m粒徑的固體顆粒物被稱為大氣降塵，其中重金屬污染尤為突出。重金屬污染具有來源廣、影響因素復雜的特點，比如空氣濕度、風速大小與地被覆蓋率等因素。為降低大氣中重金屬含量，改善大氣環境，防治大氣降塵，有必要分析大氣降塵的來源，尋根究底，從源頭解析。

關鍵詞：大氣降塵 重金屬污染源 相關研究

中圖分類號：X5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（c）-0007-02

大氣降塵污染危害人類生存，其中重金屬污染更是給人類帶來嚴重生存考驗。查明污染源是治理污染的前提。該文介紹了解析大氣降塵中重金屬污染源的幾種辦法及其研究特點，結合其在實踐中的應用說明了其可行性。并就研究中存在的一些不足做了探討，希望研究得到改善。

1 大氣降塵中重金屬污染源解析之受體模型法

擴散模型與受體模型是環境科學污染源分析的兩種主要數學模型，其中受體模型以污染區域為研究對象。20世紀70年代，大氣顆粒物源以受體模型進行解析。受體模型多應用于城區，以在受體與源處檢測的顆粒物物理化學特性，獲取受體源及其貢獻值。化學法與顯微分析法是常用的受體模型研究方法。

1.1 顯微分析法

顯微清單（源數據庫）的建立是利用該方法的前提，若顆粒物具比較明顯的形態特征，則依據單顆粒物形狀、顏色、表面特征、大小等形態特點，結合顆粒物外貌與標志性污染源礦物構成做源的判斷。顆粒物污染源可由獨特的顆粒物粒子外形特征反映。比如顆粒物多呈球形、表面平滑、灰褐色，則為燃煤排放物，其表面含S、Fe、Si、Al元素；顆粒物呈多孔海綿狀、表面高低不整、黑色，則為燃油排放物，表面含S、V、Pb、Si元素。如果知曉污染物的形態特點，那么顆粒物來源可在單個粒子在顯微鏡中的顯像判斷。Gomez曾利用SEM法對大氣顆粒物做了來源鑒別與物相組成分析。陳天虎在結合TEM與X射線衍射法，觀察分析了合肥市大氣降塵，證明XRD（X射線衍射儀）的成效，發現了納米碳球、玻璃微珠、無定形SiO2、磷石灰等XRD未檢測物相，這對大氣顆粒物來源判斷起了基礎性作用。根據檢測結果分析，認為地表楊塵為合肥市頭號污染源，標志是粘土礦物；與污染氣體排放關聯的SO2、NOx、CO2等大氣化學次生氣溶液則排第二，標志是易容鹽業、碳酸鹽、石膏等；另外，以碳球為標志的汽車尾氣煙塵與標志為球形玻璃珠的燃煤煙塵分別占第三、第四。

顯微分析法具有費用昂貴、所需時間長的缺點，難發現無定性有機成分，做體積與密度觀察是存在較大誤差，在源評估中有必要慎重選擇此法。

1.2 化學法

對污染物來源判別以標志性的大氣顆粒物的化學元素與含量比率或有機物成分、元素化合形態作來源判斷依據則為化學法。汽車尾氣污染中Br、Ba與Pb為標志性元素，燃煤燃燒中Cu、Cr、Se、Co、As為標志性元素，精煉廠與農藥污染重V為標志元素，鋼鐵廠污染重Mn為標志元素。化學法并不單用，而是在多元統計分析法、受體模型結合基礎上，對污染源和對受體貢獻量做判別。

化學法在假設質量守恒基礎上擴大了應用范圍，為質量平衡分析的典型應用。該法較為成熟，包括了FA（因子分析法）、EF（富集因子法）、CMB（化學質量平衡法）、主成分法分析法、絕對因子得分法、混合受體模式等。在我國，此法廣泛應用。比如，大同市的大氣顆粒物金屬源富集特點分析中，細顆粒物直徑《2.0 m對人體危害大，人為污染源為Cu、As、Zn、Pb，自然污染源為Ca、Fe、Al；黃輝軍杭州市大氣顆粒物做PM10富集因子、元素質量譜分布研究，以CMB法計量PM10受到的污染源貢獻率，發現建筑塵占第一，其余為煤煙塵、土壤塵、汽車塵、冶煉塵、其他源。對蘭州市的大氣降塵源污染做因子分析法，顯示燃煤、建材、汽車尾氣、風沙揚塵為主要污染源；對成都市大氣飄塵源污染做目標轉換因子分析，得到煤煙是主要飄塵污染源。有人以因子分析法對拉合爾、克英布拉、伯明翰三個城市的大氣污染源作分析，顯示三者有類似的源。

2 大氣降塵中重金屬污染源解析之元素同位素示蹤技術

2.1 鉛同位素示蹤

204-208Pb為穩定的四種鉛同位素，同位素組成因來源差異而不同，對同位素比率做測定，可判別鉛的源污染。含鉛汽油尾氣、工業排放、燃煤飛灰是主要鉛污染源，各污染源在206Pb與207Pb同位素中的豐度比是1.06-1.08、1.14-1.21、1.14-1.17。各污染源混合構成豐度比，則可將聚類、線型混合模型等法與鉛同位素示蹤判別污染源與貢獻。在測定北美煤與石油鉛同位素后顯示，兩種同位素差異較大，可以此判別與示蹤鉛污染源。王琬在對冬季天津大氣顆粒物中鉛同位素來源于組成分析后發現，鉛污染源多樣，包括含鉛汽油、工業排放、燃煤飛灰。因受氣象與季節變化影響，如溫濕度、風速、風向，采集鉛樣品同位素組成比存在變化。如果206Pb/207Pb組成比降低，說明加鉛汽油貢獻更多；相反，說明土壤揚塵、燃煤飛灰貢獻更多。高志友在對成都市大氣降塵的地球化學特征研究顯示，燃油鉛是組成大氣降塵鉛同位素的主要，其他為燃煤鉛與燃油鉛之間，說明汽車尾氣排放、燃煤揚塵為大氣鉛污染源；常向陽在對珠三角城市的氣溶膠、大氣塵埃、土壤、汽車尾氣鉛同位素組成分析顯示，汽車尾氣鉛污染嚴重，工業用鉈、銅、鉛、鋅則更嚴重；再如長春市公路兩旁綠化帶土壤鉛同位素平均組成與汽油鉛基本相同，說明汽車尾氣為該市鉛污染源。

2.2 鍶同位素示蹤

Sr是重要的環境污染指示劑，土壤中煤飛灰的轉移、分布可由其中的Sr同位素質量分數比值表示。在實踐中應用廣泛，比如James在對美國阿斯林森林生態系統研究中以87Sr/86Sr比值給予確定，發現該鍶來源于大氣降塵，而非巖石風化；Antonio在對大氣顆粒物Sr（87Sr/86Sr）與Pb（206Pb/207Pb）含量研究中分析北美東北部重金屬的污染源。endprint

2.3 放射性核示蹤技術

該技術應用也較為廣泛，Rosamilia對波斯尼亞黑-塞哥維那的樹皮與地衣做234U、238U比值和含量關聯研究，234U/238U顯示，234U來源于懸浮粒子降塵與戰爭中釋放的塵粒，證明了導彈銷毀增加了重金屬含量。

3 不足與展望

環境地球化學中的PMF模型、EF法、CMB法、UNMIX模型對大氣中金屬污染源做研究，通過分析土壤與大氣降塵里的富集因子，明確了土壤重金屬的累積受大氣降塵影響。但富集因子法與CMB法在大氣降塵源解析時存有不足，比如不能明顯區分土壤塵、冶金塵、采礦塵，選擇標識元素困難；多元統計分析要求有較多的樣品數量，參與計量元素變量數小于樣品數量，元素濃度變動值與污染數量有關，污染源想被識別則需要樣品數量多且降塵元素源只能由富集因子法定性判別，主觀因素影響分析結果。UNMIX模型與PMF模型可不對源成分譜事先了解，但需以樣品數據足夠多方可得到源解析平均值。

因為大氣污染源具復雜性與多樣性，以多參數、多方法、多手段的研究很必要，綜合性研究可全方面對物質來源作解釋，研究結果更準確。如Pb、Sr同位素示蹤和重金屬形態研究，重金屬元素地球化學行為和多元統計分析，化學統計學法與顯微法間的結合，互相對比。以高靈敏度、高分辨率的PM分析大氣污染源顆粒與氣溶膠單顆粒物，獲得Micro PIXE能譜，以模式識別法比較、統計能譜，可明確大氣污染源與其貢獻率。

街道灰塵參雜的重金屬源繁雜，目前僅以統計學、定性描述法分析其污染源，若以Sr、Pb同位素定量分析法研究其來源，可提升我們對其的認識與控制力度。

4 結語

當前，人類生存面臨諸環境污染的挑戰。隨著工業革命對礦產資源的大肆利用，地球環境破壞殆盡。大氣降塵污染中的重金屬污染給人們帶來了呼吸道疾病，加大了致癌風險。當前國內多數城市籠罩在霧霾之中，空氣環境惡化嚴重。針對此種情況，有必要做好污染源的分析，結合多種研究方法從源頭治理，還天空以明凈，給人類呼吸舒適。

參考文獻

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