我国能源金三角宁东煤化工基地大气细颗粒物的污染特征及来源解析

摘要

作为中国西北地区能源金三角的重要组成部分，宁东国家能源化学工业基地是世界上最大的煤制油工业基地，宁东能源化工基地每年所排放的二氧化硫（SO2）约占整个宁夏回族自治区总排放量的60%。持续的大气污染物排放和巨大的排放量都已经对该区域的空气质量和居民的生活环境造成了严重影响，尤其是大气细颗粒物污染，对环境和人体健康的影响更为直接。本博士论文项目首次在宁东化工基地中展开对大气细颗粒物PM1和PM2.5的研究，着重分析了PM1和PM2.5的浓度水平、主要化学组分、以及排放来源，不仅填补了该区域大气细颗粒物PM1和PM2.5研究的区域空白，也为其排放控制和污染治理提供了科学依据。　　本论文报告了宁东能源化工基地中两个典型能源集团英力特和宝丰的大气PM1和PM2.5样品的采样研究结果，利用中流量和高流量大气主动采样器在2016年7月3日-30日（夏季采样期）和2016年12月22日-2017年1月16日（冬季采样期）共采集到127个PM1样品和131个PM2.5样品。分析了PM1和PM2.5的浓度水平，使用各类化学仪器测定了PM1和PM2.5中的主要化学组分，包括水溶性离子，碳组分（OC、EC），无机元素。再结合使用化学质量重构方法、正定矩阵因子分解模型（PMF）、ISORROPIAII热力学平衡模型、HYSPLIT后向轨迹模型、WRF-Chem模型共同解析追踪了这些细颗粒物可能的来源、各化学组分对细颗粒物的贡献率、以及细颗粒物对周围环境可能造成的影响。结果如下：　　宁东能源化工基地夏季的PM1质量浓度在62.61~79.06μg·m-3之间，冬季在88.35~318.02μg·m-3之间；PM2.5质量浓度夏季在189.97~312.03μg·m-3范围内，冬季为311.85~537.58μg·m-3。12小时平均浓度显示，夜间PM1浓度明显高于白天，白天的PM2.5浓度高于夜晚。冬季PM1和PM2.5浓度要高于夏季。该研究区的PM2.5浓度不仅超出了我国环境空气质量标准（75μg·m-3）的2-7倍以上，更是远远高于中国10个特大城市和邻近两个城市的PM2.5在线监测数据，PM1也高出我国北方城市2-3倍，可见宁东能源化工基地大气细颗粒物的污染严重。PM1/PM2.5的比值小于0.7，与中国西部和北部的偏远地区的PM1/PM2.5比值一致，证实了本研究结果的可信性。　　-在PM1和PM2.5水溶性离子中的浓度最高，其次是、和-。低浓度的表明生物质燃烧不是宁东能源化工基地中PM1和PM2.5的主要来源。在冬季样品中，-浓度比夏季高出6倍以上，因冬季生活取暖导致的煤燃烧增加可能成为氯离子的主要来源。根据ISORROPIAII热力学平衡模型，模拟出主要与-和-结合，并且以NH4NO3和NH4Cl的形式存在，-主要与结合形成CaSO4。　　夏季PM1和PM2.5中的碳组分OC和EC的浓度都明显低于冬季，而英力特采样点的碳组分浓度均低于宝丰采样点，OC和EC的季节性差异是由不同天气模式和排放的综合影响而引起的。从总碳质气溶胶（TCA）对PM1和PM2.5质量的贡献率可以看出，碳组分是PM1和PM2.5中的重要组成成分。宁东PM1和PM2.5的OC/EC比率介于1.1和2.0之间，表明其来源可以追溯到煤燃烧和汽车尾气的排放；而它们的/EC比率范围均在0.03~0.09，可以推断出煤燃烧是宁东中PM1和PM2.5的主要来源。　　PM1和PM2.5中具有高浓度的六种金属元素是Al、Ca、Fe、Mg、K和Na，其质量总和占总元素质量的95.8%~98.7%，其中Ca的浓度最高。英力特和宝丰采样点的PM2.5中Cr、Cu、Fe、Mg、Mn、Ni和Ti的EF值都在1以内，表明这些元素是由土壤源中释放出来。夏季英力特和宝丰采样点PM1中Cr和Cu的EF值均在1到10之间，可能与车辆或工业排放有关。而两个采样点的细颗粒物中的As和Pb两种元素的EF值远远大于10，这两种元素可能主要来自于煤燃烧。　　通过对细颗粒物PM1和PM2.5中化学组分的分析，已测定的三种化学组分在细颗粒物质量中的占比最多为60%，其余有40%都是未知组分。而使用化学质量重构方法来检验PM1和PM2.5样品中各种化学组分提取的有效性时，PM1中重构的化学组分能够解释PM1总质量的80%以上，在PM2.5中所有重构的化学组分能解释PM2.5总质量的73％以上，这意味着这个大型煤化工基地的细颗粒物种还存在一些未知组分，和存在未知的排放来源。通过PMF模型源解析，确定了PM2.5的四个主要来源，一是机动车排放（30.19%），二是土壤扬尘（42.22%），三是生物质燃烧和废物焚烧（5.06%），四是二次气溶胶和煤燃烧（22.53%）。其中土壤尘的占比例最高。　　使用WRF-Chem模型（Weatherforecastingandatmosphericchemistrymodel）模拟宁东能源化工基地的OC、EC和PM2.5质量浓度结果表明，宁东能源化工基地的本地源排放较高，所排放的碳质气溶胶和PM2.5在附近区域中占主导地位，且宁东能源化工基地的污染排放也会对周边城市造成影响。模拟的OC和EC浓度与采样数据一致，但PM2.5的模拟质量明显低于观测值，再次表明该能源工业基地中存在未知的细颗粒来源。　　鉴于宁东大型煤化工基地在过去十年中得到了快速发展，预计未来我国西北地区将持续发展和扩大煤化工产业，本博士研究的结果初步阐明了当地环境污染与中国西北地区大规模煤化工产业之间的关系。但关于煤制油工业的大气污染排放的所有来源仍然缺乏研究，需要进一步研究煤化工行业潜在的缺失排放源。

目录

声明

第一章 绪论

1. 1 研究背景

1.1.1 能源金三角简介

1.1.2 宁东能源化工基地简介

1. 2 细颗粒物研究概述

1.2.1 细颗粒物的定义及对人类环境的影响

1.2.2 细颗粒物来源研究

1.2.3 我国环境空气质量标准对细颗粒物的质量要求

1.2.4 国内外研究现状

1. 3 研究内容及目的

1.3.1 研究目的

1.3.2 研究内容

1.3.3 技术路线

第二章 研究方法

2. 1 采样点的选取

2. 2 样品采集

2. 3 样品前处理及分析

2.3.1 细颗粒物质量浓度的测定

2.3.2 水溶性离子的测定

2.3.3 有机碳和元素碳的测定

2.3.4 无机元素的测定

2. 4 细颗粒物源解析方法

2.4.1 化学质量重构方法

2.4.2 PMF模型运行方法

2.4.3 WRF-Chem模型模拟方法

第三章 细颗粒物的污染特征

3.1 PM1污染水平及时空差异

3.2 PM2.5污染水平及时空差异

3.3 PM1与PM2.5的相关性以及PM1/PM2.5比值分析

3. 4 本章小结

第四章 细颗粒物中的化学组分及污染特征

4. 1 水溶性离子的污染特征

4.1.1 PM1中水溶性离子的污染特征

4.1.2 PM2.5中水溶性离子的污染特征

4.1.3 基于ISORROPIAII模型的细颗粒物中无机盐组分模拟

4. 2 有机碳和元素碳的污染特征

4.2.1 PM1中有机碳和元素碳的污染特征

4.2.2 PM2.5中有机碳和元素碳的污染特征

4.2.3 OC/EC和 /EC比值特征

4. 3 无机元素的污染特征

4.3.1 PM1中无机元素的污染特征

4.3.2 PM2.5中无机元素的污染特征

4. 4 各化学组分对细颗粒物质量浓度的贡献

4. 5 本章小结

第五章 细颗粒物来源解析

5. 1 细颗粒物化学质量重构

5.1.1 PM1化学质量重构结果

5.1.2 PM2.5化学质量重构结果

5. 2 基于P MF模型的细颗粒物来源解析

5. 3 本章小结

第六章 WRF-Che m模拟研究

6.1 WRF-Chem模型模拟设计

6.2 WRF-Chem模型排放清单的改进

6.3 WRF-Chem模型夏季模拟结果

6.3.1 夏季OC的日平均浓度模拟结果

6.3.2 夏季EC的日平均浓度模拟结果

6.3.3 夏季PM2.5的日平均浓度模拟结果

6.3.4 夏季OC、EC和PM2.5的月平均浓度模拟结果

6.4 WRF-Chem模型冬季模拟结果

6.4.1 冬季OC的日平均浓度模拟结果

6.4.2 冬季EC的日平均浓度模拟结果

6.4.3 冬季PM2.5的日平均浓度模拟结果

6.4.4 冬季OC、EC和PM2.5的月平均浓度模拟结果

6.5 WRF-Chem模拟值与观测值的对比

6. 6 本章小结

第七章 结论与展望

7. 1 主要结论

7. 2 特色与创新

7. 3 不足与展望

参考文献

在学期间研究成果

致谢