太原市采暖季大气颗粒物化学组成特征及来源解析和重污染成因分析

摘要

在2014年12月21日~30日采集了太原市采暖季大气PM2.5和PM10样品，进行了18种无机元素组分、9种水溶性离子组分和2种碳质组分的化学分析，深入分析了PM2.5和PM10的化学组成特征，并利用富集因子法（Enrichment Factor，EF）和因子分析法（Factor Analysis，FA）进行了来源解析，最后结合气流后向轨迹（HYSPLIT Trajectory Model）探讨了观测期间重污染天气的可能成因。
　　太原市2014年全年重度污染和严重污染天气全部分布在采暖季内，采暖期内大气首要污染物主要为PM2.5和SO2。观测期间PM2.5中主要化学组分为OC＞EC＞SO42-＞NH4+＞Cl-＞NO3-＞Si＞Ca；PM10中主要化学组分为OC＞EC＞SO42-＞Ca＞NH4+＞Cl-＞NO3-＞Si。碳质组分、水溶性离子组分和元素组分分别占PM2.5总质量浓度的43.6％、42.7%、13.7%，占PM10总质量浓度的38.9%、38.7%、22.4%。
　　SO42-、NH4+、Cl-、NO3-、Ca2+是离子组分中质量浓度最高的五种离子，Cl-质量浓度偏高是采样期间太原市水溶性离子组分中较为突出的特征。离子平衡分析显示观测期间太原市大气颗粒物整体偏碱性，NH4+过剩，是二次无机气溶胶的形成的控制因子；PM2.5中ρ(NO3-)/ρ(SO42-)为0.47，说明固定燃烧源是影响太原市采暖季环境空气质量的主要因素，煤烟型污染仍是太原市大气污染的显著特征。OC和EC主要富集在细颗粒物中，PM2.5中的OC和EC分别占到PM10中的87.9%和78.5%。通过OC/EC法、相关性分析和回归分析，推测大量取暖燃煤的一次排放及不完全燃烧是造成采样期间太原市采暖季大气颗粒物中碳质组分含量较高的主要原因。
　　富集因子法（EF）分析显示As、Cu、Zn、Pb、Cd的EF值大于100，其中Pb和Cd的富集极为强烈，EF值分别为355.6和1494.8，说明大气中的重金属元素主要受到人为活动的影响，强烈地改变了As、Cu、Zn、Pb、Cd等元素在自然界的分布规律。
　　因子分析法（FA）解析得到的太原市采样期间大气颗粒物PM2.5源解析结果是：①燃煤为主的燃烧源24%、②扬尘（土壤风沙及建筑施工）23%、③二次无机气溶胶（SIA）17%、④工业生产13%、⑤机动车9%，⑥其他源14%；采样期间太原市大气颗粒物PM10源解析结果是：①扬尘（土壤风沙及建筑施工）及工业飞灰34%、②二次无机气溶胶（SIA）及生物质燃烧25%、③燃煤及机动车16%，④其他25%。
　　重污染天气发生时大气颗粒物的化学组成会发生较大变化：水溶性离子组分的质量分数显著上升（PM2.5：24.6%→45.3%）以及地壳组分百分含量的大幅下降（PM2.5：24.9%→9.3%），而碳质组分的质量分数未出现较大波动，说明了地壳元素对重污染天气的形成影响不大，二次无机气溶胶（SIA）的大量生成是观测期间重污染天气形成的化学本质。燃煤、工业生产、机动车等人类生产生活过程排放的大量污染物是重污染天气发生的内在原因；静稳无风、高湿逆温等不利气象条件是重污染天气的重要诱因，加剧了大气二次反应，表现为水溶性离子组分质量分数显著上升；大风是重污染去除的重要机制。气流后向轨迹（HYSPLIT）分析表明，在重污染天气形成前，出现了气流传输方向转折、速度瘀滞的现象，可能挟裹周边地区的大气污染物进入太原地区，形成区域传输，加重太原本地大气污染；而当西伯利亚冷气流长距离、快速经过太原市上空时，污染物就被气流稀释、吹散，表现为气温下降、空气湿度降低、风速增大，环境空气质量的迅速好转，在颗粒物化学组成上表现为地壳组分质量分数上升。

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第一章 绪论

1.1 大气颗粒物概述

1.2 研究意义与研究内容

1.3 研究地区空气质量概况及污染特征初探

第二章 实验材料与方法

2.1 大气颗粒物样品的采集

2.2 大气颗粒物样品的处理

2.3 大气颗粒物样品的分析

第三章 太原市采暖季大气颗粒物化学组成特征

3.1 质量浓度

3.2 无机元素组分

3.3 水溶性离子组分

3.4 碳质组分

3.5 太原市大气颗粒物化学组成特征

3.6 本章小结

第四章 太原市采暖季大气颗粒物来源解析

4.1 富集因子法（EF）解析

4.2 因子分析法（FA）解析

4.3 本章小结

第五章 太原市采暖季重污染天气成因分析

5.1 化学组分分析

5.2 气象因素分析

5.3 本章小结

第六章 结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的学术成果