東陽市工業園區大氣污染物時空分布特征分析*

李巧萍 吳凱露 呂星安 樓斌彬 任翔宇 樓 劼 丁伯勝

(1.東陽市環境保護監測站,浙江 金華 322100;2.浙江省環境科技有限公司,浙江 杭州311121;3.浙江廣廈建設職業技術大學環境能源學院,浙江 金華 322100)

隨著城市化、工業化、區域經濟一體化進程的加快,大氣污染正從局地、單一的城市空氣污染向區域、復合的大氣污染轉變,由此導致的大氣環境污染問題日益凸顯。環境污染對人類健康及社會經濟發展帶來一定的潛在負面影響,為此近年來各地政府愈加重視對大氣環境的監測及治理。許多學者也對大氣污染物的時空分布特征及防治措施做了相關研究,趙安周等[1]研究了2000—2018年京津冀城市群大氣污染物時空演變規律;張濤等[2]研究了珠三角地區揮發性有機物(VOCs)時空分布特征。對大氣污染物的時空分布特征進行分析,可為大氣污染有效防治及后續環境綜合治理奠定數據基礎和理論依據。但總體而言,目前相關研究主要針對京津冀、珠三角等大尺度區域,對縣級城市大氣污染,特別是工業園區等微觀尺度的大氣污染物時空分布特征的分析還較為缺乏。

東陽市隸屬于浙江省金華市,地處浙江省中部,金華市東部。改革開放以來,東陽市經濟社會持續快速發展,是浙江省首批小康縣(市、區)、首批文明城市,連續多年入選全國縣域經濟百強。為深入貫徹落實《浙江省大氣污染防治行動計劃》《金華市藍天保衛戰實施計劃》,東陽市在轄區內2個省級工業園區建設了包括常規大氣污染物和VOCs的監測站,積累了大量基礎數據。本研究通過對東陽市兩個工業園區的細顆粒物(PM2.5)、可吸入顆粒物(PM10)、SO2、氮氧化物(NOx,主要包括NO2、NO)、CO、O3和VOCs等特征污染物開展時空分布研究,旨在為東陽市工業園區大氣污染治理提供科學依據,并為其他同類型工業園區的治理工作提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 監測站概況

依據《環境空氣質量監測點位布設技術規范(試行)》(HJ 664—2013),環境空氣質量監測站點應具有代表性、可比性、整體性、穩定性,污染監控點應設在污染物高濃度區和主要固定源對環境空氣質量產生明顯影響的地區等要求,東陽市在轄區內2個省級工業園區布設VOCs監測站,分別在東陽服裝工業園區和東陽橫店電子工業園區。東陽服裝工業園區VOCs監測站位于白云街道,東陽橫店電子工業園區VOCs監測站位于橫店鎮康莊路,兩個點位具有一定的代表性,能較好地反映出整個工業園區及周邊大氣環境質量現狀。

1.2 監測方法

2個省級工業園區VOCs監測站均依照《環境空氣揮發性有機物氣相色譜連續監測系統技術要求及檢測方法》(HJ 1010—2018)、《環境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)連續自動監測系統安裝和驗收技術規范》(HJ 655—2013)、《環境空氣氣態污染物(SO2、NO2、O3、CO)連續自動監測系統安裝驗收技術規范》(HJ 193—2013)對常規大氣污染物和VOCs特征污染物濃度進行監測。

1.3 研究方法

不同VOCs物種的大氣化學反應活性不同,主要受其自身性質、濃度以及大氣活性的影響。本研究分別采用O3生成潛勢(OFP)及丙烯等效濃度(Prop-E)評估VOCs活性。OFP可以用來表征不同VOCs物種生成O3的潛能[3],Prop-E是用來衡量VOCs物種的光化學反應活性[4],OFP及Prop-E各有側重。通過對比不同VOCs組分的OFP、Prop-E,選取VOCs的關鍵管控組分。OFP、Prop-E計算分別見式(1)、式(2)。

Pi=Ci×Mi

(1)

(2)

式中:Pi為VOCs物種i的OFP,μg/m3;Ci為大氣中VOCs物種i的質量濃度,μg/m3;Mi為VOCs物種i的最大增量反應活性,不同VOCs物種的最大增量反應活性取值參考文獻[5];Ei為VOCs物種i的Prop-E,μg/m3;Ni為VOCs物種i的含碳數;ki、kC3H6分別為VOCs物種i及丙烯與·OH的化學反應速率常數,cm3/(mol·s)。

2 結果與討論

2.1 常規大氣污染物特征分析

對東陽市兩工業園區2020年4月至2021年3月常規大氣污染物的平均質量濃度進行對比,結果見圖1?？梢钥闯?東陽服裝工業園區的常規大氣污染物濃度整體略高于東陽橫店電子工業園區,這是因為紡織業的廢氣主要來自鍋爐,且污染物控制工藝相對落后,從而導致紡織業所排放的SO2、NOx、顆粒物高于電子設備制造業[6]。

圖1 東陽市兩工業園區常規大氣污染物質量濃度對比Fig.1 Comparison of conventional atmospheric pollutants mass concentration in two industrial parks of Dongyang

選取3種典型污染物(PM2.5、O3、NOx)進一步分析時間變化趨勢(見圖2),東陽服裝工業園區和東陽橫店電子工業園區在12月PM2.5最高,分別為60.3、49.1 μg/m3;6月PM2.5最低,分別為13.4、14.0 μg/m3,這是因為PM2.5受氣象條件影響較大,冬季低溫干燥,靜穩天氣出現頻率較高,降水較少,不利于顆粒物的擴散和去除;從冬季到夏季,隨著氣溫逐漸升高,大氣垂直對流更為強烈,降水量也有所增加,從而有利于污染物擴散稀釋與去除[7]。值得說明的是,2020年4月至2021年1月,東陽橫店電子工業園區PM2.5濃度總體略低于東陽服裝工業園區,綜合考慮站點的位置及其代表性,可能是服裝工業園區位于東陽市區西部,周邊高樓林立,擴散條件較差,污染物易集聚,此外東陽服裝工業園區位置偏北,位于義烏—東陽污染傳輸通道上,尤其是2020年12月受北方外來污染傳輸影響明顯;2021年2—3月東陽橫店電子工業園區PM2.5濃度則高于東陽服裝工業園區,結合兩站點SO2、NOx等污染物濃度水平相近,以及站點周邊污染源分布,推測可能是電子工業園區周邊施工的工地揚塵污染排放造成。

圖2 東陽市兩工業園區PM2.5、O3和NOx月均質量濃度變化Fig.2 Monthly average mass concentration of PM2.5,O3 and NOx in two industrial parks of Dongyang

東陽服裝工業園區和東陽橫店電子工業園區O3濃度均呈現4月最高、12月最低的變化趨勢。一般認為,夏季高溫和陽光照射有利于O3的生成,因此O3濃度在夏季(6—8月)最高,與本研究觀測結果存在差異。分析原因,大氣中O3污染濃度受O3前體物、氣象因子、傳輸條件等眾多因子影響,從而導致O3濃度的變化趨勢與變化幅度可能存在著時空差異性[8]。觀測期間,2020年梅雨季從5月29日持續至7月18日,與往年相比,呈現梅雨期長、梅雨總量大、強降雨區域重疊、“梅中有伏”等特征[9-11]。據相關文獻報道,梅雨季節出現的降雨、相對低溫、濕度高等氣象條件,會對O3的生成起到一定的抑制作用,不利于O3的二次生成[12-14],從而可能導致本研究夏季(6—8月)O3濃度較低。宋雪燕等[15]也有報道,2015—2017年云南省各市因夏季處于雨季,降水量和降水天數均較大,導致O3濃度峰值集中出現在3—5月(春季)。2020年4—9月,東陽橫店電子工業園區O3濃度略低于東陽服裝工業園區,結合園區VOCs和NOx排放特征,推測東陽服裝工業園區VOCs排放濃度和反應活性相對較高,導致其O3濃度相對較高;2020年10月至2021年3月,東陽橫店電子工業園區O3濃度則略高于東陽服裝工業園區,推測冬季光化學反應減弱,同時東陽服裝工業園區高排放的NOx對O3產生滴定效應[16],導致其O3濃度相對較低。

2.2 VOCs污染特征分析

2.2.1 VOCs濃度特征

東陽服裝工業園區和東陽橫店電子工業園區的VOCs月均質量濃度變化趨勢見圖3。剔除部分受周邊污染源傳輸短時影響導致的VOCs異常高值,觀測期間東陽服裝工業園區的VOCs平均質量濃度為110.1 μg/m3,月均質量濃度為71.1～153.0 μg/m3。東陽橫店電子工業園區的VOCs平均質量濃度為95.8 μg/m3,月均質量濃度為63.4～126.4 μg/m3。東陽服裝工業園區VOCs濃度相對較高,這與服裝工業園區產業集中,溶劑使用量大有一定關系。

圖3 東陽市兩工業園區VOCs月均質量濃度變化Fig.3 Monthly average mass concentration of VOCs in two industrial parks of Dongyang

2.2.2 VOCs組分特征

東陽市兩工業園區VOCs組分對比見表1。東陽服裝工業園區和東陽橫店電子工業園區VOCs組分均以烷烴、芳香烴、鹵代烴為主,兩工業園區烷烴、鹵代烴濃度水平相當,而芳香烴則差距較大,東陽服裝工業園區比橫店電子工業園區高10.2 μg/m3,前者是后者的1.45倍。

表1 東陽市兩工業園區VOCs組分質量濃度Table 1 Mass concentration of VOCs components in two industrial parks of Dongyang μg/m3

東陽服裝工業園區和東陽橫店電子工業園區各VOCs組分質量分數的月變化特征見圖4。烷烴大部分來自機動車尾氣排放、燃燒排放和溶劑使用[17-19],監測期間東陽服裝工業園區和東陽橫店電子工業園區的烷烴分別占VOCs總量的33.3%(質量分數,下同)和35.1%。東陽服裝工業園區烷烴質量分數在30.3%～42.7%,東陽橫店電子工業園區烷烴質量分數在30.9%～43.3%,兩者變化趨勢較為相似,除2021年2月質量分數達40%以上,其余時間烷烴質量分數均較穩定,這是因為烷烴在大氣中化學反應活性較低,導致其在大氣中存在的時間較長。鹵代烴主要來源于溶劑使用[20],監測期間東陽服裝工業園區和東陽橫店電子工業園區的鹵代烴分別占VOCs總量的21.5%、23.6%,東陽服裝工業園區的鹵代烴質量分數在17.6%～27.1%,東陽橫店電子工業園區的鹵代烴在17.0%～30.2%,均在2020年6月達到最大值。烯烴主要來自機動車尾氣排放、燃料燃燒以及植物生長代謝排放的異戊二烯和蒎烯[21-22]。東陽服裝工業園區和東陽橫店電子工業園區的烯烴質量分數分別在3.0%～5.4%、3.6%～6.1%,總體較為穩定,其中2020年6—8月烯烴占比相對較高,這可能與植物生長茂盛,導致自然源烯烴排放較高有關。芳香烴主要來源于溶劑使用、燃燒排放等[23],東陽服裝工業園區和東陽橫店電子工業園區芳香烴質量分數分別為20.3%～37.9%、20.6%～26.4%,其中東陽服裝工業園區芳香烴占比相對較高,波動相對較大。炔烴主要來自燃料燃燒和汽油揮發過程[24],也被廣泛應用于機動車尾氣排放示蹤物。炔烴化學活性較低,在大氣中較穩定。東陽服裝工業園區炔烴質量分數在1.1%～2.6%,東陽橫店電子工業園區炔烴質量分數在0.8%～2.3%,東陽服裝工業園區炔烴含量相對較高,推測受周邊機動車尾氣排放影響較大。

圖4 東陽市兩工業園區VOCs組分質量分數月變化特征Fig.4 Monthly variation of VOCs components mass fraction in two industrial parks of Dongyang

對比東陽市兩工業園區濃度最高的10個VOCs物種,結果見表2。兩工業園區濃度排名前10的VOCs物種濃度存在一定差異,這與兩工業園區主要使用的溶劑類型不同有關。東陽服裝工業園區濃度最高的VOCs物種為甲苯、二氯甲烷和丙酮,質量濃度分別為17.7、15.1、8.2 μg/m3。在紡織行業,甲苯多被用于紡織品的印花、涂層、化學整理;二氯甲烷廣泛用作去除服裝纖維上的油脂、污漬和黏合物,以及對纖維進行卸色或漂白;丙酮有助于去除織物上的染料顏色,使其恢復到原始狀態[25]。東陽橫店電子工業園區濃度最高的VOCs物種則為二氯甲烷、丙酮和甲苯,質量濃度分別為12.1、9.7、8.0 μg/m3,主要來自工業生產中溶劑的使用和揮發。在電子工業園區,二氯甲烷和丙酮是一種重要的清潔劑,可以快速溶解和清洗金屬表面的油污和化學殘留物,使得金屬制品在加工和使用過程中保持干凈和光滑,甲苯廣泛用于涂料、橡膠、清漆、膠水、黏合劑中。甲苯、丙酮、二氯甲烷、1,2-二氯乙烷在兩個工業園區中濃度排名均較靠前,是東陽市工業園區的主要VOCs排放物種。

表2 東陽市兩工業園區質量濃度排名前10的VOCs物種Table 2 Top 10 VOCs species ranked by mass concentration in two industrial parks of Dongyang

2.2.3 VOCs化學反應活性

東陽市兩工業園區OFP排名前10的VOCs物種對比見表3。由表3可知,兩工業園區對O3生成貢獻最大的VOCs物種均為甲苯,各VOCs物種OFP排名雖有不同,但相互重疊。東陽服裝工業園區O3防控需將甲苯、乙烯、1,2-二甲苯、丙烯、1,3,5-三甲苯列為重點管控對象,而東陽橫店電子工業園區O3防控需將甲苯、1,2-二甲苯、乙烯、丙烯列為重點管控對象。

表3 東陽市兩工業園區OFP排名前10的VOCs物種Table 3 Top 10 VOCs species ranked by OFP in two industrial parks of Dongyang

東陽市兩工業園區Prop-E排名前10的VOCs物種對比見表4。由表4可知,東陽服裝工業園區和東陽橫店電子工業園區內Prop-E較高的VOCs物種總體相似,多為芳香烴,其中光化學反應活性最高的VOCs物種均為苯乙烯。從控制VOCs光化學反應活性的角度看,東陽服裝工業園區管控目標為苯乙烯、甲苯、1,3,5-三甲苯、異戊二烯、1,2-二甲苯;東陽橫店電子工業園重點管控目標為苯乙烯、異戊二烯、1,3,5-三甲苯、甲苯、1,2,4-三甲苯、1,2-二甲苯,基本重疊。

表4 東陽市兩工業園區Prop-E排名前10的VOCs物種Table 4 Top 10 VOCs species ranked by Prop-E in two industrial parks of Dongyang

3 結 論

從東陽市工業園區常規大氣污染物的時空分布來看,東陽服裝工業園區和東陽橫店電子工業園區的常規大氣污染物時空分布存在差異,服裝工業園區SO2和NOx濃度明顯高于電子工業園區,受不利地理條件影響,東陽服裝工業園區顆粒物濃度也相對較高,結合VOCs和NOx濃度特征,不同月份服裝工業園區和電子工業園區O3互有高低。

根據東陽服裝工業園區和東陽橫店電子工業園區的VOCs濃度、組分特征和化學反應活性對比,東陽服裝工業園區VOCs濃度高于東陽橫店電子工業園區,這與服裝工業園區產業集中,溶劑使用量大有一定關系;東陽服裝工業園區濃度較高的VOCs組分依次為烷烴、芳香烴和鹵代烴,質量濃度分別為36.7、32.6、23.7 μg/m3,這與服裝紡織行業印花、涂層、化學整理工藝的溶劑使用情況相吻合;東陽橫店電子工業園區濃度較高的組分依次為烷烴、鹵代烴和芳香烴,質量濃度分別為33.6、22.6、22.4 μg/m3,這與電子元器件制造行業清洗劑、黏合劑的使用相吻合;兩工業園區甲苯、乙烯、1,2-二甲苯、丙烯等對O3生成的貢獻較大,苯乙烯、甲苯、1,3,5-三甲苯、異戊二烯的光化學反應活性最大。