空氣自動站監測某高校附近環境空氣中有害氣體和重金屬的研究

陳育華

（韶關市生態環境監測站樂昌分站，廣東 韶關 512000）

0 引言

隨著經濟的快速發展和人口的增長，公共汽車等機動車的使用率也在上升，這些重大變化可能會改變空氣質量狀況，并給人們健康帶來問題。

以往研究表明，空氣污染物濃度的變化與風速、風向、相對濕度、溫度等氣象數據有關[1]。除了空氣污染物的氣態形式外，許多關于顆粒物質和粒徑在2.5微米及以下（PM2.5）的研究表明，高濃度的重金屬與人體健康密切相關[2]。PM2.5能夠攜帶重金屬，如砷、鎘、鋁、鋅、汞、銅和鉛。許多學者對空氣質量的影響因素進行了研究，取得了一系列顯著成果。丁磊等[3]學者研究了城市化進程中武漢空氣環境響應特征。研究表明，要調整產業結構，節能減排，積極防止城市化擴張過程中的建筑、道路、裸露地面等揚塵污染。練川等[4]研究了影響湖北省空氣質量的因素。結果表明，建成區面積和汽車保有量對大氣環境的貢獻顯著。林瑜等[5]基于環境庫茲涅茨曲線分析了影響中國空氣質量的主要因素。結果表明，能耗排放是影響中國空氣質量的主要因素。

本研究旨在監測和分析2019 年5—8 月廣東省某校區空氣質量參數的變化趨勢，并探討空氣質量數據與氣象數據的相關性。

1 材料與方法

1.1 研究區域

選擇廣東省某高校作為環境空氣質量的研究區域，了解并分析空氣質量隨時間的變化趨勢。該高校周圍是前礦山的湖泊和山丘。2019 年，校區的學生人數約為12 000 人。監測站設于某教學樓樓頂。在樓頂上，可以看到120°以上的晴朗天空，可以開展空氣質量監測。學生宿舍區位于監測點的南部和西部，校園北面及東面有大片未開發土地。

1.2 監測方法

在本研究中，由于連續監測方法能夠提供比其他方法更高分辨率的空氣質量數據，并且可以自動進行污染物濃度的測量和記錄，因此選擇了連續監測方法。采用新西蘭Aeroqual 公司的空氣質量監測產品AQM60，可連續自動測量和記錄主要氣體空氣污染物的濃度，包括一氧化碳（CO）和非甲烷碳氫化合物（NMHC）。利用該監測站同時監測風速、風向、環境溫度、相對濕度等氣象數據。

采用Tisch Environmental 大容量空氣采樣器對大氣中PM2.5 的24 h 濃度進行測量。它是一種利用玻璃纖維濾紙過濾，從周圍吸入大量空氣，獲得受抑制顆粒物的設備。利用污染濾紙分析空氣中重金屬（Zn、Al、Cd、Cu、As、Pb）含量，采用熱酸消化法將污染濾紙上的重金屬提取成溶液形式，再進行電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）分析。

1.3 數據分析

利用AQM60 監測站對CO 和NMHC 三個月的空氣質量數據和氣象數據進行監測，時間間隔為2 min，轉換為1 h 平均時間數據。選取2 d（2019 年6 月2 日和6 月7 日）監測PM2.5 中重金屬濃度。為了有效地解釋環境空氣質量監測所獲得的海量數據的意義，本文采用了描述分析、時間序列分析、空氣質量參數與氣象數據的相關性分析等多種數據分析方法；采用富集因子對PM2.5 中重金屬濃度數據進行分析。

1.4 統計分析

所有化學分析均進行三次重復，結果以平均值±標準差表示。采用單向方差分析（ANOVA）檢驗本研究中分析的每種關注化學品（COCs）的平均濃度差異的統計學意義（p<0.05 表示顯著）。采用多區間事后檢驗進行單因素方差分析（p=0.05）來衡量兩兩之間的具體差異。所有統計分析均采用IBM○R SPSS○R Version 20 軟件。

在本研究中，經典描述性分析是對3 個月期間所有空氣質量數據的首次統計分析。利用SPSS 版本22計算最大值、平均值、標準差和最小濃度，獲取目標空氣質量參數和氣象參數的變化、行為和基本信息。通過相關分析，探討大氣污染物濃度與氣象參數之間可能存在的關系。相關性低的r 值在0.0～0.49 之間，相關性中等的r 值在0.5～0.69 之間，相關性高的r 值在0.7～1.00 之間。

富集因子是研究顆粒物、沉積物、固體廢棄物、土壤等物質組成變化水平的常用參考。鋁（Al）是除鐵（Fe）元素外，廣泛用于顆粒物中其他重金屬元素相對富集因子鑒定的參考元素。然后根據每種元素的富集因子值對其富集因子水平進行分類。EF 大于50 為“極重度富集”，EF 在25～50 之間為“非常重度富集”，EF 在10～25 之間為“重度富集”，EF 在5～10 之間為“中度重度富集”，EF 小于3 為“輕度富集”，EF 小于1為不富集。

2 結果與分析

2.1 空氣質量參數及氣象參數分析

表1 為空氣質量參數和氣象參數的總體描述統計數據匯總。對92 天2 min 間隔的參數數據進行處理。在這次監測中捕獲的有效數據的最低百分比高達97.87%，高于《2009 年空氣質量監測和數據管理良好操作指南》中建議的有效數據的最低建議百分比（75%）。

表1 空氣質量參數和氣象參數的全面描述性統計數據

三個月監測期內CO 和NMHC 的1 h 平均質量濃度分別為0.22 mg/L±0.09 mg/L 和360 mg/L±157.58 mg/L，具體見表1。通過將空氣質量數據與中國環境空氣質量標準進行比較，空氣中NMHC 質量濃度（0.24 mg/L）超標。CO 濃度低可能是因為校園附近沒有工業區，工業活動會向周圍大氣中排放大量的CO，道路上的汽油車和校園停車場的化石燃料不完全燃燒也會導致CO 的產生。NMHC 的高濃度值可能原因是高校實驗室含有豐富的化學溶劑，附近的化學實驗室產生了乙烷、己烷、乙烯等NMHC，另外附近的道路車輛排放源也可能產生了NMHC。

監測期間，環境空氣溫度為22.85～41.33 ℃，平均值為30.1 ℃；相對濕度為31.70%～95.89%，平均值為74.62%；平均風速為0.51 m/s（0.1～2.39 m/s）。可以看到，在風速較低的監測時段，監測點周圍空氣水汽含量較高。校園內湖水的大面積蒸發導致了空氣中的高水蒸汽。

2.2 日變化分析

空氣質量的日變化分析是為了更清楚地了解空氣污染物濃度的平均日變化，因為人類活動的類型和強度（例如車輛排放）在一天的不同時間有所不同見圖1。

圖1 廣東省某高校三個月空氣質量參數的日變化

CO 和NMHC 兩種空氣污染物均存在一定的日峰值和非峰值，這些峰值與校園區域交通等人類活動密切相關，高峰時段和非高峰時段不同。CO 有三個明顯的日高峰，分別是早高峰（07：00—08：00）、午峰（11：00—12：00）和晚高峰（15：00—20：00）。這是因為早上8 點左右，有大量的學生和教職員工開始使用汽車和公共汽車等交通工具到達校園，這增加了空氣中CO 的濃度。中午出現了一個小高峰，因為午餐時間有一小部分學生和教職員工外出活動，因此下午道路上汽油車的排放量略有增加，濃度從15：00 開始增加，在20：00 左右達到最大值。這主要是因為大部分課程都在這段時間內結束了，學生和工作人員都離開了校園。

NMHC 在濃度日變化中曲線趨勢相對較小。上午8 點左右濃度最高，14：00—15：00 左右濃度較低，15：00 開始逐漸上升。這種變化可能與校園內的交通模式有關，因為汽車和公共汽車等交通工具可能會影響NMHC 室外濃度水平。

2.3 空氣污染物與氣象因子的相關性

表2 分析總結了各監測站參數之間的相關性。在本研究中，CO 與NMHC 呈顯著中度負相關（r=-0.541，p=0.01）。CO 與環境溫度呈極顯著的負相關（r=-0.069，p=0.01），與相對濕度呈極顯著的正相關（r=0.129，p=0.01）。而NMHC 與風速呈較低負相關（r=-0.036，p=0.05）。由此可以得出結論，在環境溫度高、濕度低的情況下，CO 濃度可能較低。NMHC 在低風速下濃度較高。這是由于NMHC 在低風速期間開始積聚在環境空氣中，也表明NMHC 可能是由本地來源產生的，如車輛排放和附近的化學實驗室產生。

表2 監測站各參數之間的相關性

2.4 重金屬數據分析

在本研究中，在選定的兩天（2019 年6 月2 日和6 月7 日），使用大容量空氣采樣器測量的PM2.5 質量濃度為16.08 mg/L±6.74 mg/L，遠低于限定濃度35 μg/m3（見表3）。這表明校園的環境空氣狀況受粒徑小于2.5 μm 的顆粒物污染較少。

表3 不同日PM2.5 中所選重金屬的濃度

通過ICP-MS 對PM2.5 樣品進行分析，總結出不同日PM2.5 中所選重金屬鋅（Zn）、鋁（Al）、銅（Cu）、砷（As）、鎘（Cd）、鉛（Pb）的濃度，如表3 所示。發現的重金屬質量濃度最高的是Zn，在11 257.49～15 134.70 ng/m3之間，其次是Al、Cu、Pb、As 和Cd。根據國家環境保護委員會法案，PM2.5 中重金屬濃度均遠低于標準限值。根據以往研究結果，除Al 和Zn 外，其余均處于重金屬濃度的典型范圍。Al 和Zn 的高濃度主要是由于附近礦區的風吹土壤顆粒和校園附近道路的含Zn 車輛排放所致。

2.5 富集因子（EF）分析

計算了Al、Zn、Cu、As、Cd、Pb 等重金屬在兩個不同日（2019 年6 月2 日和6 月7 日）的平均富集因子，匯總如表3 所示。Cu 和Pb 的富集因子分別為0.18 和0.37，屬于無富集（EF<1）。這說明PM2.5中的Cu 和Pb 主要屬于自然來源。As 和Cd 的EF 值在1～3 之間，屬于微量富集。這說明As 和Cd 主要來自于自然地殼，少量來自于人為活動。本研究中發現Zn的EF 值極高，為245.20，屬于極重度富集（EF>50）。因此，PM2.5中的Zn 主要來自于人為活動。

3 結論

本文在廣東省某高校連續三個月使用空氣監測站監測校園的環境空氣質量。

1）獲得的非甲烷碳氫化合物（NMHC）平均濃度遠遠超過標準限量濃度，而CO 則低于標準限量。空氣質量參數的3 個月時平均濃度無明顯變化趨勢，大部分時間空氣污染物濃度在監測期內呈波動趨勢。兩種空氣污染物的日變化趨勢主要受校園區域交通模式的影響，高峰時段和非高峰時段不同。

2）除CO 與環境溫度呈顯著負低相關、與相對濕度顯著正低相關、NMHC 與風速顯著負低相關外，本次研究中幾乎所有空氣質量參數均與氣象參數無顯著相關。監測點空氣中PM2.5濃度處于安全水平，遠低于標準限值。雖然所有重金屬均未超過推薦標準限量濃度，但監測點PM2.5中的鋅（Zn）和鋁（Al）濃度與其他研究的典型城郊地區的結果相比極高，可能是由于土壤顆粒從附近的前礦區湖區運輸而來，以及受到附近車輛排放的影響。

3）富集因子分析還表明，PM2.5中重金屬除Zn 受人類活動高度污染外，主要來源于自然來源。