大氣中多環芳烴的分布特征研究進展

李志明,張金龍

(1.天津泰達鹽堿地綠化研究中心有限公司,天津 300457;2.天津泰達綠化科技集團股份有限公司,天津 300457)

多環芳烴(PAHs,Polycyclic Aromatic Hydrocarbons)是指分子中含有兩個或兩個以上苯環以稠環形式連接在一起的碳氫化合物。PAHs是一種痕量有機污染物,廣泛存在于大氣、水體、土壤、植被等環境介質中。PAHs主要產生在有機物的不完全燃燒過程中,主要來源包括工業和生活中煤炭、石油、生物質燃燒、煉焦、垃圾焚燒和交通排放等,此外,一些自然過程如天然火災、生物合成、火山活動等也產生PAHs[1]。多種PAHs被證明具有致癌性、致突變性和其他毒理效應,引起了世界各國的廣泛關注,美國環保局(US EPA)、聯合國歐洲經濟委員會(UNECE)、聯合國環境規劃署(UNEP)、我國生態環境部均將PAHs列入重點關注與管控名單。

在歐美地區,大氣PAHs觀測集中在城市及附近人口和經濟活動較多的區域。自20世紀90年代以來,英美等國在倫敦[2]、休斯敦[3]、得克薩斯[4]、芝加哥[5]、伯明翰[6]等城市開展了區域性大氣PAHs監測。亞洲地區韓國的首爾[7]也有相關研究報道。這些研究分析了大氣PAHs的濃度水平變化、影響因素和環境行為特征,為相應政策和標準制定提供了科學依據。我國對大氣中PAHs的研究始于20世紀80年代[8]。90年代以后,學者們對此進行了全面深入地研究。祁士華、段菁春等對大氣中PAHs的濃度、季節變化、高層變化及來源作了系統研究[9-10];陳靜、鄭一、左謙等系統研究了PAHs的區域環境行為[11-13];朱利中等首次研究了公路隧道空氣中PAHs污染現狀、影響因素及控制對策,對交通干線大氣中PAHs的分布、年變化趨勢、影響因素進行了深入研究,同時評價了居民區空氣中PAHs污染風險[14-16];朱坦、孫韌等研究了天津地區大氣中PAHs濃度和來源,評述了各種PAHs源解析方法[17-19]。黃云碧、吳大鵬、于國光、欒輝等開展了對于北京市區及城郊大氣中PAHs的濃度、分布特征以及源解析方法的研究工作[20-24]。通過不同區域、不同季節以及不同存在形式的大氣PAHs分布特征研究,為我國大氣PAHs污染控制精準施策提供數據支撐和技術支持。

本文主要對大氣中PAHs的分布特征進行總結綜述。大氣中PAHs分布特征主要表現為時空分布特征,空間分布特征主要指地區間的變化、氣固分配作用變化和室內外分布特征,時間分布特征主要指季節性變化,通過總結PAHs在大氣中的分布特征對了解PAHs的時空分異規律具有重要意義。

1 大氣中PAHs的分布特征

1.1 大氣中PAHs在地區間的分布特征

大氣中PAHs在不同地區濃度不同,國內外針對不同地區多環芳烴濃度監測的研究很多。本文對比倫敦[2]、休斯敦[3]、得克薩斯[4]、芝加哥[5]、伯明翰[6]、首爾[7]等國外城市以及北京[23]、廣州[25]、上海[26]、沈陽[27]、唐山[28]、蘭州[29-30]、廈門[31]、佳木斯[32]、包頭[33]、洛陽[34]、石家莊[35]、天津[36]等國內城市大氣中PAHs濃度,得出大氣中PAHs在國內外各地區間的分布特征,如表1所示。

表1 大氣中PAHs在不同地區間分布比較表

不同城市的大氣PAHs污染程度不同,這與該城市地理位置和經濟發展模式有很大關系。像美國的芝加哥、中國北方的沈陽、唐山、蘭州等城市重工業發達,由此帶來的環境污染較為嚴重。大氣污染治理關乎人民生命健康,日益受到國家和社會的高度重視。2013年,我國發布《大氣污染防治行動計劃》,2018年,我國頒布《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》,中央環保督查制度推動各項環境政策措施落實,從近10年蘭州、佳木斯、包頭、洛陽、石家莊、天津大氣中PAHs污染程度研究結果來看,我國大氣環境質量明顯好轉,地區間PAHs污染濃度差異在縮小,我國大氣污染防治行動初見成效,藍天保衛戰取得了階段性勝利。

1.2 PAHs的氣固分配以及粒徑分布特征

空氣中的PAHs以氣、固兩種形式存在,其形態分布受本身物理化學性質和大氣環境的影響,其中小分子量的2～3環PAHS主要以氣態形式存在,4環PAHs在氣態和大氣顆粒物中分布比例大致相當,5～7環的大分子PAHs絕大部分存在于大氣顆粒物中[37]。北京市昌平城區秋季不同粒徑的顆粒物中隨顆粒物粒徑變小,PAHs總濃度呈增長趨勢,低環數(2、3)的PAHs更易吸附在粗粒徑的顆粒物上,高環數(5、6)易吸附在細粒徑的顆粒物上[20]。高環數的PAHs毒性較大,而且容易進入人體,應引起格外重視。

1.3 大氣中PAHs的季節性變化

PAHs在大氣中的擴散和吸附等行為因受溫度、濕度、大氣動力學條件等各種環境條件的影響,呈現一定的季節性變化,特別是北方地區取暖期對大氣中PAHs濃度貢獻很大。北京地區的PAHs質量濃度具有明顯的季節變化特征,冬季最高,夏季最低[23]。蘭州市2019—2020年大氣顆粒物PAHs的月濃度在非采暖季(4月至10月)處于較低水平,而在采暖季(11月至次年3月)處于較高水平,兩城區PAHs濃度在2019年12月達到最高[30]。南方地區廣州市大氣中PAHs主要存在于氣相中,在夏季的比重高于冬季,氣態PAHs在夏季達到高值,冬季降為低值;顆粒態夏季低值,冬季達到高值[31]。

1.4 室內外空氣中PAHs的變化

一般情況下,室內空氣中PAHs濃度高于室外,主要因為室內吸煙、烹調、取暖等活動導致空氣中PAHs濃度升高,室外污染物在一定條件下也可以進入室內。從20世紀80年代起,學者們逐步開展對室內空氣中PAHs污染研究,天津市冬季居民室內空氣中PAHs污染水平明顯高于室外,燃煤和吸煙是室內PAHs的主要污染源[38]。杭州市公共場所和居民室內空氣中PAHs濃度高于室外空氣中濃度,公共場所中車站濃度最低,商場濃度最高;居民家中不同房間的PAHs濃度不同,廚房>臥室>書房>客廳;吸煙家庭室內的PAHs平均總濃度是非吸煙家庭的2.3倍[37]。在湖北恩施農村地區使用煤炭和薪柴的家庭中,冬季燃煤家庭28種PAHs室內和室外質量濃度分別是(507±449)和(120±18) ng/m3,燃柴家庭室內和室外28種PAHs質量濃度分別是(849±421)和(268±44) ng/m3,受室內排放源影響,室內28種PAHs濃度顯著高于室外,室內外28種PAHs濃度比值在2～13[39]。

2 展望

目前學術界在大氣顆粒物中PAHs濃度水平的觀測和源解析方面積累了大量研究成果,但是對大氣中PAHs分布特征形成機理研究及大氣中PAHs變化過程模擬研究很少,加強研究大氣中PAHs分布特征形成的機理和進行PAHs在大氣中發生變化過程的模擬實驗研究,對于治理大氣中PAHs的污染具有重要的指導意義;此外,隨著人們對健康的關注度提高,對室內空氣中PAHs分布規律及污染治理研究亟待加強。環境介質中PAHs的測定方式、實驗過程、儀器設備條件要求較高,實驗周期較長,需要研發測定環境介質PAHs的新的簡便方法,以便對PAHs進行常規化監測,獲取更多數據。

3 結論

通過對大氣中PAHs的分布特征進行總結綜述,大氣中PAHs的分布特征主要表現為:

1)不同的地區間濃度不同,重工業城市大氣中PAHs濃度要明顯高于輕工業城市,近些年來,隨著我國大氣環境質量明顯好轉,地區間PAHs污染濃度差異在縮小;

2)不同環數PAHs在氣固兩相以及在不同粒徑顆粒物中分布不同,低環數PAHs主要分布在氣相中和大粒徑的顆粒物中,高環數PAHs主要分布于固相中和小粒徑的顆粒物中;

3)不同季節大氣中PAHs的濃度不同,采暖季高于非采暖季,氣態PAHs濃度夏季高于冬季,顆粒物中PAHs濃度冬季>秋季>春季>夏季;

4)室內PAHs濃度高于室外,不同場所空氣中PAHs濃度不同,主要與人們在室內進行的活動有關。