淮南矿区道路环境大气颗粒物重金属污染特征及来源解析*

2020-07-27郑刘根陈永春

环境污染与防治 2020年7期

张松郑刘根# 陈永春李翠程桦

(1.安徽大学资源与环境工程学院，矿山环境修复与湿地生态安全协同创新中心，安徽合肥 230601；2.煤矿生态环境保护国家工程实验室，安徽淮南 232001)

大气颗粒物是评价大气污染的重要指标之一，目前，颗粒物已成为我国城市大气环境的主要污染物[1]，颗粒物污染问题已引起社会广泛关注。大气颗粒物不仅能够降低大气能见度，还可通过呼吸、皮肤接触等途径进入人体，从而引发诸多疾病[2-3]。重金属是大气颗粒物的重要组成成分，具有生物富集性和不可降解性，可以长期滞留在环境中，以颗粒物的形式进入人体并产生蓄积，对人体健康具有极大的潜在危害[4]。近些年，众多学者开展了城市中大气颗粒物重金属污染方面的研究，已在污染水平[5-6]、粒径分布[7-8]、赋存形态[9-10]、健康风险评价[11-12]和污染源解析[13]414-416,[14-15]等领域取得硕果。

淮南是我国能源之都，煤炭的大量开采和燃烧给当地带来了严重的大气环境问题，随着经济的迅速发展以及机动车拥有量的快速上升，淮南大气污染类型已逐渐从煤烟型向混合型发展[16]。除了煤炭燃烧外，交通源亦成为淮南矿区大气中颗粒物的重要来源之一。目前，关于交通环境大气颗粒物的研究多集中在城市交通主干线[17-18]，而矿区交通环境中，尤其是矿区道路中颗粒物重金属的研究仍然较少。因此，本研究采集了淮南潘集矿区交通主干道环境中总悬浮颗粒物(TSP)、PM10和PM2.5样品，分析了采暖期与非采暖期重金属元素的污染特征，并利用富集因子法和因子分析法解析了重金属的主要来源，以期为淮南矿区大气颗粒物的防治提供科学依据。

1 样品采集与实验方法

1.1 采样区概况及采样点布设

淮南坐落在安徽中北部，是暖温带和亚热带的过渡地带，总面积约5 571 km2，全市人口达345.6万。潘集地处淮南北部，是淮南面积最大的区，同时也是一个煤电大区，具有7个矿区以及3座大型电厂。

本研究采样点位于天柱山路袁庄街道办附近(32°47′37″N，116°49′14″E)，采样点距道路边缘约5 m，采样口距地面高度约2.5 m，各采样口之间直线距离均大于2 m，采样点周围无高大建筑遮挡，50 m范围内无明显污染源，所采样品具有较好的代表性。

1.2 采样与分析

本研究于2016年12月(采暖期)和2017年5月(非采暖期)进行了TSP、PM10和PM2.5样品的采集，采用TH-3150颗粒物采样器(采样流量为100 L/min)采集TSP和PM10样品，PM2.5样品采用HY-1000E智能大流量采样器(采样流量为1.05 m3/min)采集，使用石英滤膜收集颗粒物样品。每日采样时间为7:00—19:00，共采集51个样品，样品统计见表1。采样前将滤膜包装在锡箔纸中，于450 ℃烘干4 h；采样完成后将滤膜采样面向内对折两次，置于塑封袋中4 ℃以下保存。

表1 采暖期和非采暖期采样统计

表2 潘集矿区道路环境中大气颗粒物重金属质量浓度

样品消解采用微波消解法，取适量滤膜样品(大张滤膜取1/16，小张滤膜取1/4)，剪碎置于微波消解罐中，加入5 mL HNO3和2 mL H2O2，使滤膜完全浸没其中，按微波消解条件(10 min内，温度升至100 ℃，再经历10 min升至180 ℃，180 ℃保持30 min，功率均为1 600 W)进行消解。消解完成后，赶酸，冷却，用超纯水淋洗内壁，并加入约10 mL超纯水，静置30 min进行浸提，然后使用孔径为0.45 μm的滤头进行过滤，并将过滤后的溶液定容至50 mL，空白样进行相同处理。采用iCAP Q电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定样品中9种重金属元素(As、Cd、Hg、Mn、Pb、Cu、Zn、Ni、V)和参比元素Al的含量，测定工作由安徽大学现代实验技术中心完成，所有操作过程均进行严格质量控制。

1.3 富集因子法

富集因子法是比较自然或人为来源对颗粒物中元素贡献水平的常用方法[19]。一般某一元素的富集因子(记为EF)≤1，说明该元素主要来源于地壳；1

(1)

式中:Ca和Ca,R分别为大气颗粒物中待评价元素和参比元素质量浓度，ng/m3；Cs和Cs,R分别为土壤中待评价元素和参比元素质量浓度，ng/m3。

2 结果与讨论

2.1 道路环境中重金属元素污染特征

表2为采暖期和非采暖期潘集矿区道路环境大气颗粒物中各重金属元素质量浓度。采暖期和非采暖期潘集矿区道路环境大气颗粒物中重金属含量分布规律大致相同，两个时期大气颗粒物中含量较高的重金属元素均为Pb、Mn、Zn，采暖期3种元素加和分别占TSP、PM10和PM2.5中所测重金属元素总量的83.06%(质量分数，下同)、82.69%和84.28%，非采暖期分别占85.71%、85.18%和87.57%。采暖期Zn含量最高，非采暖期Mn含量最高。As是燃煤的代表性元素，为致癌物质[21]51，采暖期TSP、PM10和PM2.5中As含量总体上明显高于非采暖期，超过中国与WHO的空气质量标准。对比两个不同时期，采暖期颗粒物中各重金属含量总体上明显高于非采暖期，这可能与采暖期居民燃煤取暖有关，且冬季大气边界层比较稳定，容易形成逆温，不利于污染物扩散和清除。

与其他地区相比(见表3)，潘集矿区采暖期TSP、PM10和PM2.5中Pb、Mn、Ni和Cu均低于太原，Zn和Cd则与太原接近；PM2.5中V、Mn、Ni含量均高于北京霾日；非采暖期PM2.5中Pb、Mn、Zn均低于兰州非采暖期，Cu与兰州非采暖期接近；采暖期和非采暖期PM2.5中Hg含量分别与南京冬季霾日和夏季霾日相近。

表3 不同地区大气颗粒物重金属质量浓度1)

2.2 来源解析

采用富集因子法和因子分析法解析大气颗粒物中重金属的来源。图1为不同粒径大气颗粒物中各重金属元素的富集因子。TSP、PM10和PM2.5中重金属元素的富集规律呈现一致性。可以将重金属元素分为3类：(1)V和Mn不富集且主要来源于自然源；(2)Ni、Cu、Zn、As中度富集，其来源由自然源和人为源共同贡献；(3)Pb、Cd和Hg严重富集且主要来自于人为源。

图1 道路环境中大气颗粒物重金属元素富集因子Fig.1 Enrichment factors of heavy metals in atmospheric particles at roadside

从粒径分布来看，随着颗粒物粒径的减小，各重金属元素的富集因子呈现增大趋势，其中富集程度较高的元素Pb、Cu、Zn、As和Hg更为明显，说明重金属元素更容易富集在细粒子上，且人为排放对PM2.5的贡献较大，其主要原因是随着颗粒物粒径减小，其比表面积和孔体积相对增大，为重金属元素以及其他污染物提供了更好的载体，因此细粒子更容易吸附重金属元素[25-26]。

通过因子分析得出TSP、PM10和PM2.5均有3个因子，累计贡献率分别达到95.29%、98.31%和96.30%(见表4)。其中TSP因子1的方差贡献率高达53.17%，载荷较高的元素为V、Ni、Cu、Zn和Hg，这些元素是工业和交通排放的主要产物[27]，其中V、Ni主要来源于机动车排放和石油燃料的燃烧，包括柴油车(采矿区运煤货车)和以化石为燃料的工厂[28]，Cu、Zn、Hg主要与汽车尾气和工业排放(如金属冶炼和石化燃料的燃烧等)有关[29]，同时，轮胎和刹车组件的磨损也是Cu和Zn的重要来源[30]。考虑到潘集矿区交通主干道运煤货车频繁往来，且采样点附近无明显工业污染源，因此，因子1主要由交通源贡献。因子2中Pb、As、Cd载荷较高，方差贡献率为27.93%，As、Cd为典型燃煤元素[13]413，同时煤炭燃烧也是Pb的重要来源[21]53，因此因子2主要与燃煤有关(如电厂燃煤和冬季居民燃煤取暖)。因子3方差贡献率为14.19%，载荷较高的元素为Mn，土壤排放是Mn的重要来源，包括道路扬尘、采矿扬尘、建筑扬尘等[31]，因子3主要来源为扬尘。

表4 道路环境中大气颗粒物重金属元素因子分析1)

PM10和PM2.5中因子1的载荷较为一致，载荷较高的元素均为V、Ni、Cu和Zn，因子1对PM10和PM2.5的方差贡献率分别为53.89%和46.91%，主要来自于交通源；Pb、As、Cd、Hg为PM10因子2载荷较高的元素，而PM2.5因子2载荷较高的元素为As、Cd、Hg，因子2对PM10和PM2.5的方差贡献率分别为27.84%和34.25%，主要来源为煤炭燃烧；PM10因子3载荷较高的元素为Mn，PM2.5因子3载荷较高的元素为Pb和Mn，其中Mn主要来源于扬尘，Pb的来源较为复杂，除燃煤排放外，含铅尘土的二次悬浮也是Pb的重要来源[32]，因此，因子3可代表扬尘。

综上所述，潘集矿区道路环境中重金属主要来源于机动车排放、煤炭燃烧(电厂燃煤、采煤取暖)和扬尘(采矿扬尘、交通扬尘、建筑扬尘等)，累计贡献率超过95%，较好地解释了潘集矿区大气颗粒物中重金属的来源。