乌鲁木齐市PM2.5中水溶性离子特征及来源分析

2021-11-24石小翠帕丽达牙合甫宋思醒

环境工程技术学报 2021年6期

石小翠，帕丽达·牙合甫，宋思醒

新疆农业大学草业与环境科学学院

由于世界经济的快速发展，导致空气污染问题越来越严重。其中大气颗粒物是目前大气污染的核心污染物之一，也是国内外研究的热点内容。如Isley等[1]在斐济苏瓦针对PM2.5及黑炭气溶胶进行研究，结果表明城区点位的PM2.5浓度存在超过周围的情况，通过后向轨迹模型得出PM2.5会快速随海风扩散，黑炭气溶胶的分布与研究区燃烧活动有关。朱常琳等[2]在西安市的研究中发现，供暖初期PM10是污染最严重的大气污染物，占比高于PM2.5和其他气态污染物，其中雁塔区和莲湖区是污染相对较严重的区域。另有研究表明，长期暴露在PM2.5中会导致人体出现神经系统疾病[3-5]和呼吸系统疾病[6-8]，给人体健康造成威胁，尤其是老人和儿童等易感人群[9]。水溶性离子作为大气颗粒物的重要组成部分，占比高达30%～80%。且水溶性离子与大气降水的组成和酸度密切相关，随降水在陆地环境中迁移从而进入生物体，对人体健康和生态环境产生影响[10]。

笔者选取乌鲁木齐市作为研究区域，对乌鲁木齐市PM2.5中水溶性离子的组成特征及来源进行探究，以期为了解乌鲁木齐市环境空气中PM2.5水溶性离子的污染特性和污染来源提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

为系统探讨乌鲁木齐市PM2.5中水溶性离子的浓度特征，选取新疆农业大学(生活区)、小西门(商业区)、三屯碑(交通区)和米东区(工业区)作为采样点，具体分布见图1。样品采集时间为2019年10月6—8日(非采暖期)和2019年12月20—28日(采暖期)。采用青岛崂应2050型中流量采样器(进气流量为100 L/min)进行采样，滤膜采用玻璃纤维滤膜(90 mm)，每日采样时间为09:00—21:00，各采样点同步采样12 h。采样期间记录天气情况、周边环境、车流量及地理信息。共获得42个颗粒物样品及8个空白膜样。

图1 采样点示意Fig.1 Sampling points

1.2 样品分析

1.3 质量控制

采样前将玻璃纤维滤膜用铝箔纸封装后置于马弗炉中，450 ℃焙烧4 h，去除滤膜上可能存在的有机杂质，置于干燥器中恒温恒湿24 h，使用十万分之一电子天平称重，记录数据。收集样品时应使用无水乙醇擦拭过的镊子，将滤膜对折放入铝箔纸中运回实验室，置于干燥器中恒温恒湿24 h(温度25 ℃，湿度50%)进行称重，记录数据。再次将样品用压缩袋真空密封存于低温条件下，7 d内完成样品分析，或完成样品提取后于-15 ℃以下保存，30 d内完成分析。

1.4 PMF源解析方法

正定矩阵因子分解模型(PMF)是由Paatero研发的用于大气污染来源解析的一种受体模型。被广泛应用于源解析工作，基本原理是采用最小二乘法判定污染物来源和来源贡献占比[14]。目前我国公布的《大气颗粒物来源解析技术指南》中即收录了该模型。PMF模型不需要污染源的成分谱信息，只需要输入目标污染物各化学组分及其不确定度即可完成计算[15]。模型的具体操作见其操作手册[16]，基本方程如下：

X=GF+E

(1)

式中：X为样品浓度矩阵，n×m，n为采集组分数，m为采集样品数；G为因子(污染源)贡献矩阵，n×p，p为析出因子数；F为因子的指纹谱矩阵；E为残差矩阵，n×m。其中的数据元素由下式求得：

(2)

(3)

式中：xij、gij、fij分别为X、G、F中对应元素，在对G和F进行非负约束的同时，PMF模型会对不确定度进行加权，并通过式(3)计算Q，当Q逐步收敛至某设定值以下时，计算结束，所求得的G和F即为源解析得出的因子贡献和因子谱图。

2 结果与讨论

2.1 离子平衡

离子平衡是用来验证水溶性离子数据是否可靠的一种方法，而且也可用来分析大气气溶胶的酸碱度[17]。阳离子电荷当量(CE)和阴离子电荷当量(AE)计算公式如下[18]：

(4)

(5)

乌鲁木齐市各采样点CE和AE相关性如图2所示。从图2可以看出，各采样点CE/AE均处于0.9～1.2，平均值为1.08，说明阳离子较阴离子多，表明乌鲁木齐市大气环境呈弱碱性。CE和AE的相关性较好(R>0.9)，新疆农业大学、小西门、三屯碑和米东区采样点的相关系数分别为0.98、0.97、0.97和0.99，采样期间所得的水溶性离子数据可靠。

图2 乌鲁木齐市各采样点水溶性离子电荷当量相关性Fig.2 Water-soluble ionic charge equivalent correlation of each sampling point in Urumqi City

2.2 PM2.5和水溶性离子浓度变化特征

乌鲁木齐市各采样点非采暖期和采暖期PM2.5浓度如图3所示。从图3可以看出，非采暖期新疆农业大学、小西门、三屯碑和米东区采样点PM2.5浓度分别为(53.52±18.05)、(57.39±43.68)、(123.38±49.82)和(117.74±18.54)μg/m3，整体趋势为三屯碑>米东区>小西门>新疆农业大学，其中新疆农业大学和小西门的PM2.5平均浓度未超过GB 3095—2012《环境空气质量标准》中的二级标准限值。采暖期各采样点PM2.5浓度依次为(113.36±38.82)、(132.88±54.69)、(191.04±66.42)和(227.17±146.99)μg/m3，整体呈米东区>三屯碑>小西门>新疆农业大学的趋势，各采样点的PM2.5平均浓度均超过二级标准限值，其中米东区污染最严重，超标率高达88.9%。从总体上看，米东区和三屯碑采样点PM2.5浓度要高于小西门和新疆农业大学采样点，米东区和三屯碑采样点分别位于工业区和交通区，周边工厂较多或车流量较大，对PM2.5浓度产生明显影响。