采暖期大氣顆粒物PM1.0和PM2.5中水溶性離子污染特征

洪理靖，王 琨，黃麗坤，王 薇，賈琳琳，王 醒，金伊文

1.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090 2.哈爾濱商業大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150076 3.黑龍江省環境保護科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150056

采暖期大氣顆粒物PM1.0和PM2.5中水溶性離子污染特征

洪理靖1，王 琨1，黃麗坤2，王 薇2，賈琳琳3，王 醒1，金伊文1

1.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090 2.哈爾濱商業大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150076 3.黑龍江省環境保護科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150056

PM1.0；PM2.5；質量濃度；水溶性離子；氣象條件；采暖期

北方城市緯度較高，冬季天氣寒冷，在寒冷時期會進行采暖以便人們能夠正常地生產生活。采暖期的能源來源一般都為煤燃燒，大量的煤在燃燒過程中所產生的顆粒物會對大氣造成污染。大氣顆粒物由水溶性離子、無機元素和碳成分組成。

本研究著重考察寒冷城市采暖期大氣PM1.0和PM2.5水溶性離子特征及變化規律，從而了解采暖期大氣污染特征，為采暖期大氣污染防治提供依據。

1 實驗部分

1.1 大氣PM1.0和PM2.5采集方法

本研究對象為黑龍江省哈爾濱市。哈爾濱市位于東經125°42′～130°10′、北緯44°04′～46°40′，地處中國東北平原東北部地區、黑龍江省南部。哈爾濱位于最北端，是中國緯度最高、氣溫最低的大城市。四季分明，11月至次年3月為冬季，漫長而寒冷干燥，有時也會出現暴雪天氣。

為了準確評估哈爾濱市采暖期大氣顆粒物污染的變化趨勢，本研究于2014年11月至2015年3月逐月不間斷采集大氣顆粒物PM1.0和PM2.5，雨雪天間斷采樣，每月采樣7～10 d。本研究根據哈爾濱市氣候條件、地理地形、城市發展和能源等特點，選擇哈爾濱典型區域作為樣品采集點，故將采樣點設置于居民、商業和教育比較集中的哈爾濱工業大學(第二學區)校園內，采樣點距離地面14 m。該采樣點周圍沒有較大的工業污染源，僅有小型的鍋爐污染源、道路交通源和建筑揚塵等。采樣方式為晝夜各12 h對其進行采集，白天采樣時間為6:00—18:00，夜間采樣時間為18:00至次日6:00。PM1.0采樣器為武漢TH-150CⅢ型中流量顆粒物采樣器，PM2.5采樣器為武漢TH-150A型中流量顆粒物采樣器，美國的石英纖維濾膜。

1.2 檢測分析方法

2 結果及討論

2.1 顆粒物質量濃度變化特征

對哈爾濱市PM1.0和PM2.5的質量濃度檢測結果如圖1。從圖1可以看出，PM1.0和PM2.5具有相同的變化趨勢。2014年11月至2015年2月的大氣顆粒物質量濃度比2015年3月高。其中PM2.5各月的平均質量濃度為107.7 μg/m3，PM1.0各月的平均質量濃度為87.0 μg/m3。PM1.0質量濃度2015年3月最低(68.1 μg/m3)，PM2.5質量濃度最低也為3月(84.2 μg/m3)，它們在2015年2月達最高，分別為106.3 μg/m3和136.2 μg/m3。PM1.0與PM2.5的各月質量濃度比值為0.78～0.82，可以認為采暖期間大部分大氣細顆粒物粒徑在1.0 μm以下。從圖1可以看出，采暖期間PM1.0夜間質量濃度在1月和3月大于白天質量濃度，其他月份結果相反。其中PM1.0夜間月平均質量濃度為85.0 μg/m3，白天月平均質量濃度為89.0 μg/m3，各個月份兩者之間的比值為0.79～1.19。PM2.5具有相似的規律，同是在1月和3月夜間質量濃度大于白天質量濃度，其他月份結果相反，各個月兩者之間的比值為0.86～1.02。

圖1 PM1.0和PM2.5質量濃度變化

2.2 水溶性離子污染變化特征

2.2.1 顆粒物中水溶性離子質量濃度變化

圖2 PM1.0和PM2.5中水溶性離子質量濃度變化

PM1.0和PM2.5中9種水溶性離子質量濃度均為夜間大于白天，在采暖期PM1.0白天與夜間質量濃度比值為0.65～0.98，PM2.5白天與夜間質量濃度比值為0.62～0.96。其中9種水溶性離子在PM1.0和PM2.5中的占比最高的均為2015年3月，分別為0.68和0.66。5個月中水溶性離子在PM1.0和PM2.5的占比分別為32.6%～68.4%、38%～66%，故可認為水溶性離子是導致采暖期大氣顆粒物污染的主要原因之一。

2.2.2 顆粒物中水溶性離子相關性分析

表1 采暖期間9種水溶性離子在PM1.0和PM2.5中的占比 %

表2 PM1.0中水溶性離子的相關性

注：“*”表示P<0.05。

表3 PM2.5中水溶性離子的相關性

注：“*”表示P<0.05。

2.2.3 氣象條件的影響

鄧利群等[13]研究表明，氣溫對顆粒物在大氣中分布沒有顯著影響，但在采暖期，氣溫降低會影響供暖情況，從而使燃料的使用量上升，進而使大氣空氣質量下降。屠月青等[14]研究表明：在相對濕度較小時，容易造成顆粒物污染，但在一定濕度范圍內，濕度增加會促使霧的形成，加劇大氣污染。孫韌等[15]發現風速較小時，顆粒物濃度和風速呈現負相關，但達到一定程度后，又變為正相關。國內關于氣壓的研究大致相同，均認為氣壓對顆粒物污染為正作用，但氣壓為次要因素。結合圖2和表4可知，1月的污染最嚴重，該月氣溫低，相對濕度較小，風速小，且氣壓較高，與上述研究結論相一致。而12月情況與1月相似，但顆粒物污染卻較小，這是由于12月的降雪頻繁，降低了顆粒物的濃度。所以，從溫度、相對濕度、風級和氣壓可以判斷出大致趨勢，但考慮實際情況時還要結合濕沉降狀況。

表4 各月份的氣象條件情況

2.2.4 PM1.0和PM2.5的酸性

式中：AE、CE分別表示陰、陽離子當量濃度；[X]表示元素X的質量濃度，μg/m3。

用AE/CE比值表示顆粒物的酸堿性，若比值大于1，表示偏酸性；若比值小于1，表示偏堿性。

表5 各月PM1.0和PM2.5的AE/CE

3 結論

1)采暖期間哈爾濱市PM1.0和PM2.5的質量濃度具有相同的變化趨勢，它們都在3月呈現最低濃度，而在2月時為最高濃度。PM1.0與PM2.5的各月份質量濃度的比值為0.78～0.82，可以認為在采暖期間大部分大氣細顆粒物粒徑在1.0 μm以下。在1月和3月時，PM1.0和PM2.5的白天平均濃度小于夜間平均濃度，其他月份則相反。

2)PM1.0和PM2.5中的水溶性離子具有相同的變化趨勢。采暖期間PM1.0和PM2.5中9種水溶性離子質量濃度總和分別為25.4～60.7 μg/m3和38.8～78.0 μg/m3。PM1.0和PM2.5中9種水溶性離子質量濃度均為夜間大于白天。

4)由溫度、相對濕度、風級和氣壓等氣象條件可以判斷出顆粒物污染大致趨勢，但考慮實際情況時還要結合當時的濕沉降狀況。

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Pollution Characteristics of Water-soluble Ions in PM1.0and PM2.5in Heating Period

HONG Lijing1, WANG Kun1, HUANG Likun2, WANG Wei2, JIA Linlin3, WANG Xing1, JIN Yiwen1

1.School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China 2.School of Food Engineering, Harbin University of Commerce, Harbin 150076, China 3.Heilongjiang Scientific Research Institute of Environmental Protection, Harbin 150056, China

PM1.0; PM2.5; mass concentration; water-soluble ions; meteorological factors; heating period

2015-10-27;

2016-02-13

國家自然科學基金資助項目(51408168)；哈爾濱市科技攻關項目(2013AA4AS045)

洪理靖(1992-)，男，安徽黃山人，在讀碩士研究生。

王 琨

X823

A

1002-6002(2016)04- 0098- 06

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.04.18