镇江市典型大气污染物成分分析研究

陈嵘　殷伟庆

摘 要：文章在分析镇江典型大气污染物的成分时，采用实时质谱直接测量法，通过在线分析对比，获得了高时间分辨的污染物成分等分析结果。最终确定污染物当中主要有混合碳、左旋葡聚糖颗粒、元素碳、富钾颗粒、有机碳、矿物质、重金属等7类颗粒物。对几种典型污染源进行监测，列出了对应排放源指纹特征谱。

关键词：实时质谱;污染物成分;指纹特征谱

分析大气污染物成分的工作，是大气污染防治实现科学性、有效性的基础保障，也是环境空气质量规划建设和重污染天气应急预案制定的重要根据。根据环保部《关于实施环境空气质量标准（GB3095—2012）的通知》（环发[2012]11号）的文件要求，各个地区要从区域实际污染情况入手，做出科学的、合理的大气污染防治以及预警应急方案，这样才能健全当地的污染防治应急体系，才能在重污染天气出现的时候，有足够的应急机制做保障。另外，各地区还要对能源产业、建筑工地、机动车等对大气的危害进行分析和研究，从而根据大气污染的程度，实施限排放、停土和限行等紧急措施。不仅如此，还要给市民宣传防护措施，以保证人们健康出行[1-2]。对镇江市区大气颗粒物的组成进行全面了解和分析显得非常有必要，不仅可以摸清镇江空气污染的来源，还能得到污染物的化学成分[3]，以便人们有针对性地治理雾霾，解决市区环境污染严重的问题。

1 监测部分

1.1  仪器与方法

源解析监测设备要采用由广州禾信分析仪器有限公司生产的SPAMS 05系列仪器，比如在线单颗粒气溶胶质谱仪。该仪器由4个系统组成：电离、侧经、进样、质谱。运行的基本原理：气溶胶颗粒在进样管的帮助下进入仪器，以三级差动震动条件为基础，各种粒径不同、速度不同的颗粒陆续经过测径区，主要是通过测径区两束大约500 nm激光器产生的光束，这个过程产生的散射光，会被椭球面镜反射在光电倍增管上，自此便完成了检测工作，进而换算出颗粒的空气动力学直径。颗粒进入电离区后，被266 nm Nd：YAG紫外脉冲激光电离产生正负离子。通过SPAMS获得单个颗粒物的粒径大小以及化学成分，从而精确判断每个颗粒物的主要来源，再利用自适应共振神经网络算法对所有的颗粒物进行分类即可。

1.2  监测点位情况与检测时间

选取谏壁桥作为代表性点位，如图1所示。该点位西边是京杭大运河，水运便利，船只往来十分频繁。东边有一个谏壁发电厂，离监测点只有大约5 km的距离。南临金港大道，是238省道的一部分。北边处在运河与长江的交界处。除此以外，监测点周边还围绕着电子厂、钢铁厂以及农牧业等，多方面因素共同影響着大气污染。监测点位兼顾了城区与城郊、居民区与工业区，监测结果能够代表镇江市区典型大气污染情况。

本次项目监测自2018年9月29日开始，到2018年11月4日结束，历时一个月零4天。

2    结果与讨论

2.1  监测时期的空气质量变化情况

监测期间的空气质量随各种因素污染不断变化。从自动检测站点的数据来看，优秀天气的占比在25%以上，良好天气基本在40%左右，而轻度污染天气维持在20%左右，重度污染天气和中度污染天气占比为5%左右。检查期间PM2.5随风速趋势变化的情况如图2所示。

两者关系呈负相关。在检测时间内，PM2.5小时均值基本在保持在60 μg/m3以上，但出现了最小值7 μg/m3和最大值194 μg/m3，整体上来说，变化幅度有些大，明显天气污染的过程占比大[4]。

2.2  颗粒物数浓度分析

监测期间，获得了1 200多万有具体侧经信息的颗粒物，其中正负谱图的颗粒只有30多万。所测颗粒物的数浓度和PM2.5变化趋势呈正相关态势，相关性基本上达到了0.7。换句话说，所测颗粒物数浓度是大气细颗粒物在污染空气的真实反映。SPAMS数浓度与PM2.5质量浓度对比如图3所示。

2.3  颗粒物组成分析

监测期间，出现了较为明显的成分信息，比如C2-，C+，C4+，C5-，C4-，C5+，C3+，C3-等EC的信息（m/z=-24、-36、-48、-60、12、36、48、60），NH4+（m/z=18），Na+（m/z=23），Al+（m/z=27），CaO+/Fe+（m/z=56），Pb+（m/z =206/207/208），CN-（m/z=-26），NO2-（m/z=-46），NO3-（m/z=-62），SiO3-（m/z=-76），PO3-（m/z =-79），SO3-（m/z=-80），HSO4-（m/z =-97）。

污染天气下NH4+，NO3-，SO4-等二次离子比例均明显高于优良天气，说明污染天气时单位体积内颗粒物及分子质量分数增大，碰撞更剧烈、二次反应更强。具体如表1所示。

2.4  颗粒物成分类型分析

关于颗粒物成分类型的分析，采用自适应共振神经网络的分类方法，囊括了所有颗粒物，并对其进行成分分类归属。分类过程中，采用分类参数是0.70的相似度和0.05的学习效率。分类之后将颗粒物合并。从实际情况来看，能够囊括大气颗粒物主要成分，还能够更好辅助颗粒物溯源的只有7种，分别是：混合碳、富钾颗粒、矿物质、左旋葡聚糖颗粒、有机碳、元素碳、重金属等[5]。

本次检测期间得到的污染颗粒物主要的成分就是元素碳颗粒，其占比在30%以上，其次是占比20%左右的有机碳颗粒（20.9%）。从颗粒分类物的结果上，可以看出监测点的污染源大致情况，比如元素碳基本上是因为含碳燃料没有完全燃烧，而有机碳颗粒基本上是从工业排放中产生的，矿物质基本都来自扬尘，而左旋葡聚糖是因为生物质燃烧等。镇江大气污染颗粒物成分占比和分类如图4所示。

2.5  典型污染源的成分分析情况

从监测结果分析，再依照《大气颗粒物来源解析技术指南》的相关要求，并结合镇江本地的能源结构，以环境的管理需要来分类颗粒物，镇江市区的污染颗粒物来源分别有：机动车尾气、扬尘、工业排放、生物质燃烧等类型，其中机动车包含汽油车、轮船等交通的颗粒排放，扬尘主要是建筑、道路和工业粉尘颗粒的排放，工业排放主要是化工、金属颗粒物的排放，而生物质燃烧集中在秸秆和野草等的焚烧颗粒排放上。可能还有企业的一些颗粒污染源，比如养殖、餐饮等，但占比都微乎其微。

3    结语

通过列检测和判断，确定镇江市区污染颗粒物的种类和数量，获得典型污染源的检测数据和排放特征，对镇江市区空气污染的防治非常有效，可以为镇江市区污染整治提供明确的方向，为镇江区域环境空气监控、预警提供参考。镇江市区相关部门从分析结果中得出有效信息，做好大气污染源减排方案制定、评估、实施，从而做好环境治理的决策与执行，保证镇江整体空气质量的优化。

[参考文献]

[1]宋鹏程，张馨文，朱琳，等.我国大气环境中PM2.5、PM10研究现状及控制措施[J].四川环境，2017（5）：107-113.

[2]杜鹃，宋韶华，张志朋，等.桂林市细颗粒物典型排放源单颗粒质谱特征研究[J].环境科学学报，2015（5）：1556-1562.

[3]周敏，陈长虹，乔利平，等.2013年1月中国中东部大气重污染期间上海颗粒物的污染特征[J].环境科学学报，2013（11）：3120-3125.

[4]张灿，周志恩，翟崇治，等.重庆市区灰霾天气变化及特征分析[J].中国环境监测，2014（4）：69-75.

[5]刘喆，刘柳，杨一兵，等.太原市城区大气PM2.5中元素污染特征及其来源解析[J].光谱学与光谱分析，2019（5）：1593-1598.