烏魯木齊采暖期TSP、PM10、PM5、PM2.5中重金屬污染水平評價

帕麗達·牙合甫，努爾比亞·藿加吾買爾,麥麥提·斯馬義

新疆農業大學草業與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 830052

烏魯木齊采暖期TSP、PM10、PM5、PM2.5中重金屬污染水平評價

帕麗達·牙合甫，努爾比亞·藿加吾買爾,麥麥提·斯馬義

新疆農業大學草業與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 830052

采用石墨爐原子吸收分光光度法、雙道原子熒光光譜法研究烏魯木齊市采暖期前期與后期不同粒徑大氣顆粒物(TSP、PM10、PM5、PM2.5)中Hg、As、Zn、Pb、Ni 等5種重金屬元素的質量濃度，并對重金屬污染水平進行評價。Hg質量濃度為0.3～5.7 ng/m3；As質量濃度為15.3～122.5 ng/m3；Zn質量濃度為298.0～1 686.5 ng/m3；Pb質量濃度為0.5～88.8 ng/m3；Ni質量濃度為10.4～25.5 ng/m3。Igeo計算得出采暖期后期的TSP、PM10、PM5、PM2.5中各重金屬Igeo值均高于采暖期前期，其中Hg元素為嚴重污染；富集因子分析得出Hg、Zn元素的EFi值大于10，說明這些元素是人為源貢獻。通過研究烏魯木齊市不同時期、不同粒徑大氣顆粒物中各種重金屬污染狀況，為烏魯木齊大氣污染治理提供科學支持。

烏魯木齊；重金屬；污染評價

大氣顆粒物是影響人類健康的主要危害因素之一[1]。顆粒物粒徑的大小與其性質密切相關，粒徑越小，對人體健康的危害越大。而重金屬是不同粒徑顆粒物的主要無機成分之一[2]，大氣顆粒物中的重金屬可通過干、濕沉降到達植物表面，或者伴隨著各種人類活動(如工業排放、垃圾焚燒及采礦冶煉等)排放到大氣環境。由于重金屬具有不可降解性和生物富集性，可導致大氣中嚴重的重金屬污染[3]，大氣流動通過呼吸作用進入動物和人體內，對生物體產生不同程度的危害[4-6]。其次，大氣顆粒物中重金屬的行為機理研究一直是國內外環境科學領域所關注的熱點，并已在重金屬的來源分析、分布與積累特征、環境活性、遷移規律、生物毒性等方面開展研究[7-9]。烏魯木齊特殊的地理位置、氣象因素及冬季采暖期較長等條件使其大氣污染物不易擴散，易造成大氣嚴重污染。研究對烏魯木齊市不同粒徑大氣顆粒物(TSP、PM10、PM5、PM2.5)中的5種重金屬元素進行污染狀況評價，為烏魯木齊大氣污染研究提供參考依據。

1 實驗部分

1.1 樣品采集

從2014年冬季采暖期前期(2014年12月—2015年1月)和后期(2015年3月)，在新疆農業大學生活區7#樓樓頂(地理坐標為43°81′N、87°57′E)設置1個采樣點，分4次用膜吸附法同時采集4種不同粒徑大氣顆粒物(TSP、PM10、PM5、PM2.5)樣品，每次采樣時間為20 h，每次采樣用四分法處理濾膜，共采集得到64個有效樣品進行分析。

1.2 實驗儀器及主要試劑

2050型大氣自動采樣器，TSP、PM10、PM5、PM2.5型大氣切割頭，纖維石英濾膜，全自動電子天平(FA 2004)，石墨爐原子吸收分光光度計(TAS-990)，雙道原子熒光光譜儀(AFS-230E)，消解瓶，電熱板等。所用試劑有濃硝酸、高氯酸、去離子水、中性定量濾紙等(實驗所需試劑均為優級純)。

1.3 樣品分析方法

1.3.1 質量濃度測定

采用重量法測定大氣顆粒物(TSP、PM10、PM5、PM2.5)的質量濃度[8]。樣品稱量使用CP225D型十萬分之一精密微量電子天平(德國)。

先將濾膜放入恒溫干燥箱，平衡48 h后稱重，再按順序依次放在干燥潔凈的信封中備用。采樣時，用鑷子夾住濾膜的邊緣，吸附膜帶回實驗室后及時放入恒溫干燥箱中再平衡48 h以上至恒重，采樣前后用萬分之一電子天平準確稱重并記錄。

1.3.2 TSP、PM10、PM5、PM2.5中重金屬測定

將1/4樣品濾膜剪碎，放入消解瓶內，加入10 mL HNO3和4 mL HClO4。瓶口置小玻璃漏斗，放置過夜。在電板上加熱至近干，取下小玻璃漏斗后電板上再加熱至 HClO4耗盡，取下樣品冷卻。用1% HNO310 mL淋洗瓶壁，繼續在電板上加熱，保持微沸10 min，取下冷卻，用微孔定量濾紙過濾，過濾液用 1% HNO3定容至50 mL 容量瓶中，搖勻待測。取同批號、等面積空白濾膜按樣品消解過程消解，測定空白值[10-12]。

1.3.3 各元素分析

Zn、Pb、Ni元素測定采用TAS-990型石墨爐原子吸收分光光度計。Hg、As 元素測定采用AFS-230E型雙道原子熒光光度計。

2 結果與討論

2.1 TSP、PM10、PM5、PM2.5質量濃度分析

將2014年12月—2015年1月作為采暖期前期、2015年3月作為采暖期后期，對研究顆粒物濃度變化更有意義。

圖1 采暖期前期與后期不同粒徑顆粒物質量濃度分布

由圖1可見，采暖期前期大氣顆粒物質量濃度高于采暖期后期。其主要原因是進入冬季，鍋爐使用量增大，增加煤燃燒等取暖措施使得大氣風速小、對流弱、大氣污染物不易擴散稀釋。根據《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)規定的TSP平均濃度限值為120 μg/m3的一級標準，采暖期前期TSP的日平均質量濃度超過國家一級日平均質量濃度標準；采暖期前期與后期PM10與PM2.5的日平均質量濃度均低于國家一級日平均質量濃度標準。

2.2 TSP、PM10、PM5、PM2.5中重金屬濃度分布特征

大氣顆粒物中重金屬濃度在不同粒徑顆粒物上的濃度分布各不相同。烏魯木齊市采暖期前期與后期TSP、PM10、PM5、PM2.5中重金屬元素平均質量濃度分布特征如圖2所示。

由圖2(a)、(e)可以看出，Hg、Ni元素在不同粒徑顆粒物中采暖期后期的平均含量均大于采暖期前期，其采暖期前期與后期的濃度值相差依次為 PM10>PM2.5>PM5>TSP。由圖2(b)可以看出，As 元素在不同粒徑顆粒物中采暖期后期的平均含量大于采暖期前期，其濃度值相差依次為 PM2.5>PM5>PM10；而TSP中恰好相反。由圖2(c)可以看出，Zn元素在不同粒徑顆粒物中采暖期后期的平均含量大于采暖期前期，其采暖期前期與后期的總平均濃度值依次為PM5>PM10>TSP；而PM2.5中恰好相反。由圖2(d)可以看出，Pb元素在不同粒徑顆粒物中采暖期后期的平均含量大于采暖期前期，其濃度值相差依次為TSP>PM2.5>PM5；而PM10中恰好相反。總體來看，在采暖期后期各顆粒物中重金屬含量高于采暖期前期，這與采暖期后期溫度的升高和人為活動量的增大有關。

圖2 TSP、PM10、PM5、PM2.5中各重金屬的濃度分布

2.3 TSP、PM10、PM5、PM2.5重金屬污染評價

為了進一步了解烏魯木齊市冬季采暖期前期與后期不同粒徑大氣顆粒物中重金屬污染水平，采用評價沉積物重金屬污染的地積累指數法(Igeo)[13-15]，對重金屬污染程度進行評價。Igeo計算公式為

(1)

式中：Cn為元素n在樣品中的質量濃度，mg/kg；Bn為元素n的背景濃度；1.5為修正指數，通常用來表征沉積特征、巖石地質及其他影響。具體見表1。

表1 TSP、PM10、PM5、PM2.5中重金屬污染評價

由表1可以看出，在烏魯木齊市不同時期、不同粒徑顆粒物中，采暖期后期的Igeo值均高于采暖期前期，Hg元素的Igeo均值最大，已達到嚴重污染；Ni在2個時期的Igeo值均小于0，為無污染；As和 Zn元素在采暖期前期與后期的變化不大，而在采暖期后期TSP與PM2.5中Pb元素的Igeo值明顯高于采暖期前期，這進一步驗證了采暖期后期的燃煤、燃油飛灰中大氣顆粒物Pb元素含量較大這一結論。

2.4 TSP、PM10、PM5、PM2.5重金屬污染源分析

富集因子法(EFi) 是研究大氣顆粒物中各元素的富集程度進而分析及判斷人為源與自然源對大氣不同粒徑顆粒物中各元素濃度的貢獻水平， 表征顆粒物的來源[14-15]。EFi的計算公式為

(2)

式中：Ci為重金屬元素i的濃度；Cn為被選定的參比元素n的濃度，國際上通常選取Al、Fe、Si作為參比元素(研究選取Fe作為參比元素)；各元素濃度的背景值取烏魯木齊市土壤背景平均值，CFe=3.60(百分數)為中國土壤背景平均值[14]。

EFi值越大，富集程度就越高[16]。如果某重金屬元素的EFi>10，表明該元素主要來源于人為污染；如果某重金屬元素的EFi<10，表明該元素主要來源于地殼或土壤。

表2顯示了采暖期前期與后期TSP、PM10、PM5、PM2.5中各重金屬元素的富集因子。

表2 采暖期前期與后期TSP、PM10、PM5、PM2.5中各重金屬元素的富集因子

由表2可以看出，在烏魯木齊市采暖期前期與后期TSP、PM10、PM5、PM2.5中Hg、Zn元素的EFi值基本上大于10，表示富集明顯，這說明它們與人類活動更親切，主要是燃煤電廠、冬季供熱取暖措施、機械制造等排放的顆粒物所造成的，是典型的污染元素；而As、Pb、Ni元素的EFi值為0～10，說明它們主要來自于地殼物質。

3 結論

通過分析烏魯木齊市冬季采暖期前期與后期的TSP、PM10、PM5、PM2.5中重金屬污染情況，可以得出如下結論：

1)烏魯木齊市冬季采暖期前期與后期不同粒徑大氣顆粒物中，采暖期前期TSP的日平均質量濃度超過國家一級日平均質量濃度標準；而采暖期前期與后期PM10與PM2.5的日平均質量濃度均低于國家一級日平均質量濃度標準。

2)采暖期前期與后期TSP、PM10、PM5、PM2.5中重金屬元素平均含量依次為Zn>As>Ni>Hg>Pb，在采暖期后期各顆粒物中重金屬含量高于采暖期前期，這可能與采暖期后期溫度升高和人為活動量增大有關。

3)Igeo計算結果表明，烏魯木齊市大氣顆粒物中Hg元素已達到嚴重污染；As元素為中度污染到重污染；Zn元素為重污染。

4)富集因子分析結果表明， TSP、PM10、PM5、PM2.5中Hg、Zn元素的EFi值基本大于10，主要是人為源貢獻；As、Pb、Ni元素的EFi值為0～10，主要來自地殼物質。

[1] 劉愛明,楊柳,吳亞玲,等.城市區域大氣顆粒物的健康效應研究[J].中國環境監測,2012，28(5):19-23.

[2] 葛楊,梁淑軒,孫漢文.大氣氣溶膠中重金屬元素痕量分析及形態分析研究進展[J].環境監測管理與技術,2007,19(6):9-14．

[3] 胡星明,王麗平,畢建洪.城市大氣重金屬污染分析[J].安徽農業科學,2008,36(1):302-303.

[4] CAO J J，ZHU C S，TIE C C，et al.Characteristion and source of polycyclic aromatichy-drocarbons and fatty acids in PM2.5aerosols indust seasons in China[J].Atmospheric Chemistry & Physics,2013,13(2):803-817.

[5] GHASSAN B H,NEELA G,AARON C,et al.Outdoor particulate matter exposure and lung cancer:A systematic review and meta-analysis[J].Environmental Health Perspectives,2014,122(9):906-911.

[6] 王平利,戴春雷,張成江.城市大氣中顆粒物的研究現狀及健康效應[J].中國環境監測,2005,21(1):83-87．

[7] 謝華林,張萍,賀惠,等.大氣顆粒物中重金屬元素在不同粒徑上的形態分布[J].環境工程,2002,20(6):55-57.

[8] 李東升,程溫瑩,汪模輝.成都市大氣顆粒物的特性研究[J].廣東微量元素科學,2005,12(12):47-51.

[9] 陳純,彭國偉,路新燕,等.北方某市環境空氣顆粒物中重金屬污染狀況研究[J].中國環境監測,2013，29(4):38-42.

[10] 崔九思,王欽源,王漢平.大氣污染檢測方法[M].北京:化學工業出版社,1997:69-71.

[11] 婁濤,呂鸝,譚亞翎,等.原子吸收光譜法測定大氣顆粒物中的重金屬[J].儀器儀表與分析監測,2006(2):37-38,46.

[12] 羅瑩華,梁凱,劉明,等.大氣顆粒物重金屬環境地球化學研究進展[J].廣東微量元素科學,2006,13(2):1-6.

[13] 柴世偉,溫琰茂,張亞雷,等.地積累指數法在土壤重金屬污染評價中的應用[J].同濟大學學報：自然科學版,2006,34(12):1 657-1 661.

[14] SARVA M P,MIROSLAV R,MOHD H A.The assessment of man grove sediment quality in Mengkabong Lagoon: An index analysis approach [J]. International Journal of Environmental & Science Education,2007,2(3):60-68.

[15] 沈軼,陳立民,孫久寬,等.上海市大氣PM2.5中Cu、Zn、Pb、As等元素的濃度特征[J].復旦學報：自然科學版,2002,41(4):405-408.

[16] 中國環境監測總站.中國土壤元素背景值[M].北京:中國環境科學出社,1990:329-492.

Evaluation on Heavy Metal Pollution Levels in TSP,PM10,PM5,PM2.5during Heating Period of Urumqi

PALIDA Yahefu，NUERBIYA Huojiawumaier，MAIMAITI Simayi

College of Grassland and Environmental Sciences，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China

In this study, the concentration levels of five heavy metals (Hg, As, Zn, Pb and Ni) in different particles (TSP，PM10，PM5，PM2.5) were measured and evaluated by using graphite furnace atomic absorption spectrometry and double channels-atomic fluorescence spectrometry, in early and late heating period of Urumqi. The results showed that the concentration of Hg, As, Zn, Pb and Ni was 0.3-5.7 ng/m3, 15.3-122.5 ng/m3, 298.0-1686.5 ng/m3, 0.5-88.8 ng/m3and 10.4-25.5 ng/m3, respectively. The results of pollution index(Igeo)showed that the Igeo values of heavy metals in TSP，PM10，PM5，PM2.5in late heating period were higher than early heating period. And the pollution of Hg was very serious. Enrichment factor analysis showed that theEFivalues of Hg,Zn were higher than 10, which stated that main sources of this elements were human activity. Through the study of different kinds of heavy metals pollution in different atmospheric particulate matter and in different period, scientific support for Urumqi air pollution control was proposed.

Urumqi;heavy metals;pollution evaluation

2015-10-05;

2015-12-16

國家自然科學基金(21167017)

帕麗達·牙合甫(1968-)，女，維吾爾族，新疆烏魯木齊人，博士，副教授。

X823

A

1002-6002(2016)05- 0056- 04

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.05.11