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索 引 号 : 73107479-1/2016-00918
发布机构 : 武汉市环保局 发文日期 : 2016-04-21
名  称 : 大气颗粒物源解析--大气颗粒物源解析工作(四)

大气颗粒物源解析--大气颗粒物源解析工作(四)

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四、大气颗粒物源解析工作
(一)术语和定义
1、颗粒物排放源
向大气环境中排放固态颗粒污染物的污染源。
2、固定源
燃煤、燃油、燃气的锅炉和工业炉窑以及石油化工、冶金、建材等生产过程中产生的颗粒物通过排气筒向大气排放的污染源。
3、流动源
沿着一定路线移动的排放源,主要包括机动车、船、飞机及非道路机械等颗粒物排放源。
4、开放源
各种不经过燃烧或其它工艺过程、无组织、无规则排放的颗粒物源,具有源强不确定、排放随机等特点。
5、无组织排放源
生产过程中产生的颗粒物不通过排气筒,直接向大气排放的污染源。
6、一次颗粒物
由污染源直接排放到环境中的颗粒物,简称一次粒子。
7、二次颗粒物
由排放到环境中的气态污染物经过光化学氧化反应,气-固转化形成的颗粒物,简称二次粒子。
8、环境受体
受到污染物污染的环境空气统称环境受体,简称受体。
9、环境空气颗粒物源解析
通过化学、物理学、数学等方法定性或定量识别环境受体中颗粒物污染的来源,简称颗粒物源解析。
10、环境空气颗粒物源解析技术方法
用于开展环境空气颗粒物源解析的技术方法,主要包括源清单法、源模型法和受体模型法。
11、源清单法
根据排放因子及活动水平估算污染物排放量,据此排放量识别对环境空气中颗粒物有贡献的主要排放源。
12、源模型法
以不同尺度数值模式方法定量描述大气污染物从源到受体所经历的物理化学过程,定量估算不同地区和不同类别污染源排放对环境空气中颗粒物的贡献。
13、受体模型法
从受体出发,根据源和受体颗粒物的化学、物理特征等信息,利用数学方法定量解析各污染源类对环境空气中颗粒物的贡献。
14、颗粒物源成分谱
污染源排放特定粒径段颗粒物的化学组成特征。
(二)颗粒物源解析
1、颗粒物排放源分类
颗粒物排放源可分成固定源、流动源、开放源等。固定源主要包括燃煤(油)的各类电厂锅炉、民用炉灶、建材和冶金工业炉窑等颗粒物排放源,流动源主要包括机动车、船、飞机及非道路机械等颗粒物排放源。源解析中的开放源通常包括土壤风沙尘、道路扬尘、施工扬尘、堆场扬尘和窗台尘等。特定地区的源解析工作有时需要考虑生物质燃烧尘、餐饮油烟尘和海盐离子等颗粒物排放源。与固定源、流动源和开放源等直接排放的一次颗粒物不同,二次颗粒物是由排放到环境中的气态污染物(也称前体物)经过光化学氧化反应生成的,是环境空气颗粒物的重要组成部分。
结合武汉市工业企业污染物排放特征、现场监测条件和其他城市工作经验,在武汉市典型行业(如电力、钢铁、水泥、化工、玻璃等行业)中选取9家固定污染源。通过现场调研和分布特征,开放源分别选取了13个裸地扬尘采样点、43个道路扬尘采样点和15个建筑扬尘采样点。


2、环境受体颗粒物
根据技术规范,选取PM2.5环境受体采样点位共5个,分别代表了新城区上风向点、中心城区工业区点、中心城区居民居住点、中心城区与新城区结合点及远郊对照点;PM10环境受体采样点位共9个,为9个国控空气自动监测点位。
3、样品采集
样品采集自2014年开始连续进行,历时一年多,完成颗粒物固定污染源样品、开放源样品和环境受体样品的采集工作,共获得1300多套样品。
 

 图7  武汉市颗粒物源解析采样仪器、滤膜

 

4、组分分析与模型解析

颗粒物样品分析项目包括质量浓度、水溶性离子成分、元素碳/有机碳、元素成分的测量工作。采样分析得到数万个数据,使用受体模型法(CMB方法和PMF方法)进行数据处理分析,得出武汉市大气颗粒物源解析结果。同时,将受体模型解析结果与源清单、源模型结果进行反复比较和验证,结合武汉市自然条件、宏观经济社会发展指标、相关颗粒物排放源的情况,最终得到武汉市大气颗粒物综合源解析结果。

 图8 自动称量系统


5、2014-2015年颗粒物源解析结果
通过各监测点一年以上的数据分析,分别得出武汉市PM2.5综合源解析结果:工业生产排放32%、机动车排放27%、燃煤源20%、扬尘源9%、其它来源(生物质燃烧、生活源、农业源等)12%,如图9所示。
 
图9  武汉市PM2.5综合源解析结果


武汉市PM10综合源解析结果:扬尘源25%、燃煤源22%、工业生产排放21%、机动车排放19%、其它来源(生物质燃烧、餐饮、农业生产等)13%,如图10所示。
 
图10  武汉市PM10综合源解析结果


由于空气污染复杂多变的特点,每一个点位的颗粒物组成随时都在发生变化,所以,综合源解析的结果只是代表所研究时段内全市的平均来源情况。不同点位、不同季节有其不同来源特征。
由于空气污染的传输性特点,污染来源又分为本地和外源性污染。本次源解析结果的各种来源既包括武汉市本地产生的,也包括外地输入的污染物,有待今后进一步量化解析。从总体浓度上讲,武汉市颗粒物污染本地排放占主导作用,外源输送也至关重要。本地贡献率呈现明显的季节性特征,夏季最高,春秋次之,冬季最低。PM10本地贡献高于PM2.5,PM10的贡献率为51%-75%,而PM2.5在36%-65%之间。
(三)颗粒物形态分析
高分辨率SEM图像可以清晰地显示亚微米级的颗粒尺寸和微观形貌,根据扫描电镜的单个颗粒物的形貌特征,可判断出武汉市可吸入颗粒主要包括烟尘集合体、飞灰、矿物颗粒及一些不能判断类型的细颗粒物。
1、烟尘集合体
烟尘集合体是指由生物质或化石燃料不完全燃烧及汽车尾气产生的非纯净碳元素,其形貌特征很明显,主要有链状、蓬松状等。在扫描电子显微镜下,观测到三种不同的烟尘集合体:链状、蓬松丛状和密实状。如图11所示,图11a和图11c显示的烟尘集合体一般来源于燃煤的燃烧或柴油机尾气排放。蓬松丛状(图11b)的烟尘集合体结构较松散,主要来源于汽车尾气的排放。
 
图11  武汉市大气中烟尘集合体图像


2、飞灰颗粒
飞灰主要来自煤的燃烧,一般呈圆球形或近似圆球形。扫描电镜下显示的飞灰颗粒(图12)主要有三种形态:有表面光滑的较规则的球形颗粒、被其它超细颗粒或二次生成物覆盖的球体颗粒和不规则或者局部内陷的球体,此类飞灰可能是颗粒在传输过程中的相互作用所致。
 
图12  武汉市大气中飞灰球形颗粒物图像


飞灰颗粒粒径一般在几百纳米到几微米不等。武汉市PM10和PM2.5中燃煤飞灰粒度较小,粒径主要集中在0.5μm以下,1μm以上的球形颗粒物在某些监测区有一定量的出现。样品中以规则光滑的球形颗粒最为常见。
3、矿物颗粒
大气中矿物颗粒主要有两种来源:扬尘和二次大气化学反应产物。扬尘包括建筑扬尘、风起扬尘、道路扬尘和工业扬尘等,他们一般具有不规则的形状特征;规则的矿物颗粒一般认为是二次大气化学反应生成的(图13)。矿物颗粒是武汉市PM10和PM2.5中主要的组成之一,大部分矿物颗粒为不规则颗粒,其形貌特征可细分为片状、块状和针状等。
 图13  武汉市大气中矿物颗粒图像

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