兰州市大气环境中VOCs的污染特征及其健康风险评价

摘要

近年来，臭氧（O3）已成为我国许多地区的首要污染物，促使我国大气污染已经从煤烟型污染向复合型污染转变，其中作为二次有机气溶胶（SecondaryOrganicAerosol,SOA）和O3前体物的挥发性有机化合物（VolatileOrganicCompounds,VOCs）受到了政府及相关部门的广泛关注，有效进行VOCs的控制和减排，可以大大减缓臭氧和二次有机气溶胶的污染，从而改善城市空气质量，减少人群的环境健康风险。为此，本研究使用在线监测仪器对2018年兰州市大气环境中VOCs进行了为期一年的监测，分析VOCs及其组成的污染特征，探讨VOCs的光化学活性和对SOA的生成潜势，寻找其关键活性组分，并利用源解析模型对VOCs来源进行解析，同时评估其对人群的健康风险，得到了以下结果：　　（1）研究期间，兰州市大气环境中VOCs及其组成存在不同程度的污染　　2018年兰州市大气环境中TVOCs的浓度范围为43.88ppbv~51.58ppbv，其中OVOCs污染水平较高，浓度范围为41.80~46.14ppbv，芳香烃次之，异戊二烯浓度较低；在重污染和沙尘天气条件下VOCs的污染水平远高于其它天气条件，浓度分别为119.06ppbv和100.72ppbv，其中乙腈和异戊二烯在沙尘天气条件下较高，重污染天气则是OVOCs和芳香烃类污染水平较高，其它时期浓度范围为47.23ppbv~54.38ppbv。　　（2）兰州市大气环境中VOCs及其组成时间变化规律不尽相同　　TVOCs和OVOCs的年变化规律均呈波动状，在1~2月、4~5月和10~11月均处于较高的污染水平，乙腈除5月较低外，年变化规律并不显著，异戊二烯在3~5月、芳烃类则在2月远远高于其它月份；TVOCs及其组成呈明显季节特征，其中TVOCs在夏季远低于其它三个季节，乙腈呈秋冬略高于春夏，异戊二烯在春季远远高于其它季节，OVOCs在夏季略低于其它季节，芳香烃类在冬季较高，秋季次之；TVOCs及其组成基本都呈日间略高于夜间，且日变化均呈双峰模式，但峰值出现的时间并不一致。　　（3）兰州市大气环境中VOCs具有较强的光化学活性及SOA生成潜势　　兰州市大气环境中VOCs对OH自由基的消耗速率为8.69s-1，对O3的生成潜势为162.29μg/m3，其中乙醛、间/对二甲苯、异戊二烯、甲苯和间/对乙基甲苯为大气中的关键活性组分；VOCs对SOA的生成潜势为43.27μg/m3，其中甲苯、间/对二甲苯、邻二甲苯、间/对乙基甲苯、乙苯和1,3,5-三甲基苯为SOA生成的关键VOCs物种；VOCs对SOA的生成潜势具有明显的时间变化规律，年变化表现为2月远高于其它月份，秋冬季明显高于春夏，重污染和沙尘天气远高于其它天气条件。　　（4）兰州市不同时期大气环境中VOCs的来源基本一致，但主要贡献源并不一致。　　兰州市大气环境中T/B值3~11月、春夏秋三个季节以及不同天气条件下介于0.7~2之间，表明VOCs受机动车尾气排放的影响显著，1~2月、12月以及冬季T/B值则小于0.7，说明VOCs主要受燃煤、生物质燃烧影响；基于PMF模型，兰州市大气环境中VOCs主要来源于燃烧源+涂料溶剂使用源（61.58%），其次为机动车尾气排放源（29.57%），自然排放源仅占8.85%；不同天气条件下，燃烧+溶剂涂料使用源对VOCs的贡献在采暖期高达82.96%，沙尘天气仅占49.43%；机动车尾气排放对VOCs的贡献则在沙尘天气高达47.14%，而采暖期仅占11.17%。　　（5）兰州市大气环境中VOCs对人群具有一定程度的健康风险　　兰州市大气环境中VOCs对不同人群的非致癌风险指数HI介于2.16E-01~6.64E-01，不存在潜在的非致癌风险，但在重污染天气条件下HI介于1.07~3.28，成人在沙尘天气HI介于2.38~2.50，存在潜在非致癌风险，且乙醛贡献较大；VOCs对不同人群致癌风险介于6.24E-06~1.92E-05，处于可接受水平1E-06~1E-04，但在重污染天气和沙尘天气条件下致癌风险远高于其它天气条件。　　综上所述，兰州市大气环境中VOCs及其组成存在不同程度的污染，并具有明显的时间变化规律，VOCs具有较强的光化学活性，其生成SOA的潜势及来源在不同天气条件下不尽相同，但在重污染和沙尘天气条件下对人群存在一定的非致癌风险。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2大气环境中VOCs的概述

1.2.1 VOCs的定义与分类

1.2.2 VOCs的来源及排放

1.2.3 VOCs的危害

1. 3大气环境中VOCs的污染现状

1.3.1大气环境中VOCs的污染水平

1.3.2 大气环境中VOCs的光化学性质

1.4 大气环境中VOCs的源解析

1.5 大气环境中VOCs对人体的健康效应

1.6研究内容及技术路线

1.6.1 研究内容

1.6.2 技术路线

第二章 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

2.2数据来源

2.2.1 采样点设置

2.2.2 VOCs在线监测仪器

2.2.3采样时间及数据的统计有效性

2.2.4 试剂

2.2.5质量保证和质量控制

2.3 研究方法

2.3.1 VOCs浓度的计算

2.3.2 VOCs检出限（LOD）

2.3.3 VOCs的反应活性

2.3.4 SOA生成潜势

2.3.5 源解析

2.3.6 健康风险评估

第三章 兰州市大气环境中VOCs的污染特征

3.1 兰州市大气环境中VOCs的年变化

3.1.1总VOCs及常规监测污染物的年变化

3.1.2 VOCs组成的年变化规律

3.2 VOCs的季节变化

3.2.1 总VOCs和常规监测污染物的季节变化

3.2.2 VOCs组成的季节变化

3.3 VOCs及其组成的日变化

3.3.1 VOCs及其组成的昼夜变化

3.3.2 VOCs及其组成的日变化

3.4大气环境中VOCs及其组成的污染特征

3.5不同时期大气环境中VOCs及其组成的污染特征

3.6本章小结

第四章 兰州大气环境中VOCs的光化学特征

4.1 兰州大气环境中VOCs的反应活性

4.1.1兰州市大气环境中的OH自由基消耗速率

4.1.2兰州市大气环境中VOCs的O3生成潜势

4.2 SOA生成潜势

4.2.1 SOA生成潜势的年变化

4.2.2 SOA生成潜势季节变化

4.2.3 SOA在不同时期的变化

4.3本章小结

第五章 兰州市大气环境中VOCs的来源解析

5.1相关性分析

5.2 特征比

5.3 PMF源解析

5.4 本章小结

第六章 健康风险评价

6.1 非致癌风险

6.2 致癌风险

6.3 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.1.1兰州市大气环境中VOCs及其组成的污染特征

7.1.2 兰州市大气环境中VOCs光化学活性及SOA生成潜势

7.1.3 兰州市大气环境中VOCs的源解析

7.1.4 兰州市大气环境中VOCs的健康风险

7.2 创新点

7.3 不足与展望

参考文献

在学期间的研究成果

致谢