中国北方城市大气挥发性有机物活性及来源研究

摘要

大气挥发性有机物(VOCs)在大气化学反应过程中扮演重要的角色作用，对一些区域环境问题，如二次有机污染和人体暴露健康效应等都有重要影响。研究城市VOCs浓度、组成特征、识别影响城市空气质量的关键活性组分、建立城市主要VOCs排放源成分谱，对利用CMB模型解析VOCs来源及制定科学有效的控制对策都有重要科学意义。
　　 东北地区是我国重要的老工业基地，也是全国资源破坏和环境污染严重的地区。目前对该地区大气有机污染的研究较少，尤其是缺乏统一的区域性实地观测和对城市典型人为源VOCs的排放特征研究。本研究由国家环保公益行业科研专项的资助，在天津、辽宁、吉林、黑龙江三省一市设立35个监测点位，对该区域大气中VOCs的浓度水平、组成特征、物种化学活性和主要来源进行了研究；实测了机动车尾气、汽/柴油顶空蒸汽、溶剂使用、垃圾填埋场、石油精炼、烹饪油烟、焦化、燃煤、钢铁、生物质燃烧、液化石油气和天然气等主要VOCs人为源样品，建立了各类源VOCs成分谱。
　　 利用罐/吸附管-GC-MS/FID采样分析方法，对中国北方9个研究城市大气VOCs进行定量分析。108种VOCs被定量检测，主要包括烷烃、烯烃、芳香烃、卤代烃和含氧有机物等组分。2008年4月到2009年1月研究区域城市大气VOCs均值浓度较高，为228.2μg/m3。大气VOCs浓度呈明显的季节变化特征，在城市不同功能区大气VOC浓度水平和组成特征差别明显。不同城市间VOC浓度水平存在差异，大庆市浓度最高，其次是长春、吉林和哈尔滨，沈阳市浓度最低为145.9μg/m3。乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷、乙炔、乙烯、丙烯、1-丁烯和1-己烯、苯和甲苯等是各研究城市大气NMHCs中的优势物种。沈阳大气VOCs日变化研究表明，太原街观测点周围存在强烈的光化学反应；气象条件对大气VOCs浓度有显著影响，大风、降雨和降雪天气导致大气VOCs浓度显著降低，大气扩散稀释和大气VOCs在雨水中的溶解是导致浓度降低的原因。
　　 利用DNPH硅胶柱-HPLC采样和分析方法，对天津及渤海大气醛酮进行研究。结果表明，天津市区和渤海存在较高浓度的醛酮类化合物污染。同时渤海大气醛酮类化合物浓度远低于天津市区，两者相差6～8倍。天津市区醛酮类化合物污染主要来自人为直接排放以及光化学二次产物。渤海醛酮类化合物污染主要来自城市陆源影响，其次是船舶尾气排放和光化学二次产物。
　　 用OH自由基消耗速率反应活性法和增量反应性法估算了中国北方9个研究城市大气VOCs的OH反应活性和OFPs。不同城市大气VOCs活性前十位的物种均为C2～C6烯烃、C7～C8芳香烃，这些关键活性物种在城市大气NMHCs中占总OFP的34.9％～48.7%和总LoH的28.1～%50.1%，具有很高的化学活性。
　　 通过现场观测和实验室模拟，采集并测定了中国北方地区城市主要VOCs人为源样品，分析了VOCs人为源排放特征，初步建立了北方城市机动车尾气、汽/柴油顶空蒸汽、溶剂使用、垃圾填埋场、石油精炼、烹饪油烟、焦化、燃煤、钢铁、生物质燃烧、液化石油气和天然气等主要VOCs排放源的成分谱。
　　 利用实测数据建立的各类VOCs源成分谱被应用到CMB模型中，以解析研究区域城市大气VOCs来源。结果表明：9个研究城市大气NMHCs主要来自机动车尾气排放(33.4%～46.2%)，其次是溶剂使用和固定燃烧源。冬季固定燃烧源的贡献率(18.8%～32.5%)比夏季高6-9倍。