城市大气降尘研究方法综述.docx

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城市大气降尘研究方法综述

城市大气降尘研究方法综述

高峰1 张树礼2 郭二果3

（1内蒙古大学资源与环境学院呼和浩特010021；2内蒙古环境科学研究院呼和浩特010010；3呼和浩特市环境科学研究所呼和浩特010030）

摘 要：

大气降尘是城市大气污染的重要来源，本文对城市大气降尘的采样方法、样品理化分析技术及源解析的方法和意义进行综述，比较不同方法的特点，为研究城市大气降尘来源提供参考和依据。

关键词：

大气降尘；样品采集；理化分析；源解析；方法

中图分类号：

X513 文献标识码：

A  文章编号：

1007-0370（2011）07-0097-03

______________________________

Reviewofurbanatmosphericdustfallresearchmethods

GaoFeng1     ZhangShuli2      Guoerguo3

（1TheEnvironmental﹠ResourcesCollegeofInnerMongoliaUniversity,Hohhot010021;2InnerMongoliaAcademyofEnvironmentalSciences,Hohhot010010;3InstituteofEnvironmentalSciencesofHohhotcity,Hohhot010030）

Abstract:

TheAtmosphericdustisanimportantsourceofurbanairpollution,thisarticleofferedthereferenceandbasisforsearchingtheurbanofatmosphericdust,throughsummarizingurbanatmosphericdustsourcestudysampling,samplingphysicalandchemicalanalysisandsourcesapportionmentmethodandcomparingthe characteristicsofdifferentresearchmethods.

Keyword:

atmosphericdust；Samplecollection；sourceapportionment；methods

大气降尘（Dustfall）是指自然降落于地面的空气颗粒物，粒径多≥10μm，但是在静风条件下﹤10μm的尘粒也能沉降，所以广义的降尘也包括TSP及PM10[23]，故本文将TSP和PM10列为大气降尘的研究对象。

快速的城市化和工业化导致了城市空气污染的日益严重，城市人口的膨胀和机动车辆的增多又使污染程度进一步加重，大气降尘污染已成为城市不可避免的问题。

大气降尘污染不仅能直接对人体造成危害，还可通过水体、土壤等环境介质影响人类健康，破坏生态环境。

大气降尘间接的化学危害还可造成严重的二次污染。

通过对降尘量的理化性质测定，可以定量分析大气中降尘的污染程度、危害水平并对降尘来源进行定性和定量分析。

目前，国内外学者对城市大气降尘的特征、来源等进行了研究[1-5，8，12，16]，并取得了一定的成果。

目前对城市大气环境的研究主要集中在大气颗粒物、大气降尘及街道尘等，研究的主要内容有颗粒物的化学组成、物理化学特性、存在状态及其在大气中的变化、时空分布规律、来源识别等[6]。

城市大气降尘的研究主要集中在降尘采集、理化分析及源解析三个方面，以下就这三部分工作中所采用的方法、技术、模型等给予详细介绍。

1.样品采集

样品采集包括采样时间和采样方法，是确定城市大气污染来源的基础工作，针对不同的研究目的不同学者所用的方法也各不相同。

袁春欢[2]、徐文哲等[24]在对大气降尘的研究中所用的样品采集方法都是专业自动仪器采样。

杨丽萍、陈发虎[3]、秦霏等[8]、陈圆圆等[1]在其各自的研究中所用的采样器均是简易集尘装置，收集大气中自然降尘。

谢玉静等[4]在合肥市不同功能区分别布设采样点，用毛刷、纸袋、手套和GPS等工具在采样点周边的树木、建筑物等构筑物1.5m—2m以上部位采集降尘样品。

综合大气降尘研究的样品采集方法可知，采样方法有三种：

1.用专用仪器采集样品，这种方法的优点在于能够采集到实时的数据，及对降尘的粒径进行选择性采集，一般在研究特定粒度的降尘时常采用此方法。

缺点是这种方法只能采集大气的干降尘且多数时候采集的样品一部分是空气中的悬浮物。

对湿降尘的研究中由于受采样仪器的限制一般不采用此法。

2.用自制的采样器进行降尘采集，这种方法的优点在于采集点灵活，干、湿降尘均可采集且采样受天气影响较小，用本方法采集的数据比较客观和全面且采样点数量受客观因素限制较小。

一般对降尘粒径划分比较细且周期较长的研究中常采用此方法。

这种是大气降尘研究中最常用的采样方法。

3.降尘收集法，这种方法就是收集采样点已经降落的大气降尘进行理化分析，优点是降尘收集方便且有针对性，采样周期较短，但是这种方法对降尘收集的地点要求较高，采样点必须是那些受人为和天气影响较小且能代表研究区域降尘特点的点位。

合理的选择降尘采集方法和周期是研究大气降尘的基础，在实际工作中可以根据实验目的及实际情况选择合适的采集方法。

2.样品理化分析的意义及相关技术

2.1样品的物理化分析的意义

降尘按其动力学直径不同分为TSP（直径小于100μm）、PM10（直径小于10μm）、PM2.5（直径小于2.5μm）[15]。

粒径和形状不同的降尘来源和组成不同，对大气环境以及人体健康的污染行为也不同。

由于小颗粒具有比大颗粒更大的比表面积，因而其吸附性也更强，更容易成为空气中各种毒害物质的载体，特别是容易吸附空气中的多环芳烃、多环苯类等，使得癌症的发病率明显升高。

PM10被称为可吸入降尘，它可通过呼吸道进入人体，在呼吸系统沉积，被血液和人体组织吸收而对健康造成危害[5，6]。

降尘的理化分析所得结果是源解析工作中的依据，所以降尘的理化分析是源解析工作的基础，其结果直接影响源解析的准确度。

2.2样品理化分析技术

2.2.1显微分析技术

Hamilton等（1963）和Fisher等（1978）较早使用光学显微镜对污染源烟尘颗粒形态及光学特征进行研究[14]。

Gomez（2004）等也利用扫描电子显微镜（SEM）方法分析大气降尘的组成，并鉴别其来源．成玉（1996）用共聚焦激光电子扫描显微镜并结合透射光（偏光）显微镜、反光显微镜、荧光显微镜及X衍射对大气降尘矿物学特征进行了系统研究。

我国学者秦霏，刘迎新等（2007）也是用电子扫描显微镜结合X射线衍射分析的方法对北京中关村地区大气降尘进行分析[9]。

2.2化学分析技术

现今发展较为成熟的金属元素分析方法有ICP-AES、中子活化分析法（InstrumentalNeutronActivationAnalysis，INAA）、原子吸收分光光度法（AtomicAbsorption Spectrophotometry，AAS）和X射线荧光法（X一rayfluorescence，XRF）等，它们在地质和环境领域内的运用范围也相当广泛[10]。

ICP-AES法是根据原子特征光谱的波长强度进行元素的定性及定量分析，可以测定除少数元素以外的所有元素，具有灵敏度高、干扰少、线性范围宽和同时测定或顺序测定多元素等优点。

INAA法不需预先消解试样，能同时测量多种成分元素，灵敏度高，但测定时间较长，分析费用也较高。

AAS法测定单个元素较快（每10s测定一次），测定只能包括2～3个数量级，在实际工作中常需要稀释。

如测定多种元素，ICP-AES只需制备一种溶液而不用任何稀释就可测定浓度范围相差很大的许多元素，在分析成本和速度方面比AAS有着明显的优越性且经济效益较好。

XRF法无需进行试样的消解处理，简便快速，可同时测量多种成分元素，测定准确度和精密度良好，但灵敏度较低，不能单独用于大气降尘金属成分的全分析，对于Pb、Cd等的测定也往往存在一定的困难[11]。

目前对大气降尘粒径及矿物成分分析主要采用的是电子扫描显微镜和X射线衍射分析相结合的方法。

相对来说，可供选择的检测大气降尘中金属元素的方法比较多，目前在大气降尘元素测定中，使用较为广泛的是电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）法，孙伶俐[12]卢广[13]在研究中都用到了这种方法。

3.污染源解析的意义及方法

3.1源解析的意义

源解析（sourceapportionment）是大气气溶胶研究的一个重要方面，也是制定大气污染防治规划的依据，通过源解析可以对大气降尘的来源进行定性或定量研究。

对于确定污染治理重点和环境管理有着十分重要的指导意义。

3.2源解析方法

源解析方法可分为两种，一种是矿物组成及形貌特征的判别方法，就是通过研究大气降尘的物相组成和颗粒形貌特征，结合污染源的标志性矿物组成及降尘形貌来判别其来源[7.8]。

在研究大气降尘的形貌特征时最常用到的是电子扫描显微镜，所以这种方法往往被称作显微法。

另一种是标志性化学成分的物源判别方法[19]。

许多污染源都有标志性元素，如：

Br、Pb、Ba、是交通运输污染的标志性元素；Se、As、Cr、Co、Cu、Al是燃煤污染的标志性元素；V是农药和精炼厂污染的标志性元素；Mn是钢铁厂污染的标志性元素；Ga是水泥污染的标志性元素[20]等等。

利用这些特征元素可以判别污染来源。

在应用此方法时常常和统计学的方法相结合，定性和定量的研究污染物来源，因此这种方法还被称作化学——统计学方法。

3.2.1显微法

该方法一般与X射线衍射相结合是运用一定的观测技术对降尘的形态特征（如粒径、颜色、形状以及表面特性等）进行对比分析，从而结合源区物质颗粒的典型形态给出具体的来源[9]。

主要包括光学显微法（OM）、扫描电子显微镜法（SEM）、计算机控制扫描电镜法（CCSEM）。

显微法用于分析形态特征比较明显的气溶胶，一般进行定性或半定量分析，若需定量分析，则要分析大量的单个粒子，以便分析结果能代表整个样品。

运用此法的前提是要建立庞大的源数据库（即显微清单）。

3.2.2化学——统计学方法

化学——统计学方法是以气溶胶特性守恒和特性平衡法分析为前提，与数学统计方法相结合而发展起来的。

主要包括化学质量平衡法（CMB）、富集因子分析法（EF）、因子分析法（AF）、正交矩阵因子分解法（PMF）、多元线性回归（MLR）、同位素示踪法、混合法等。

3.2.2.1化学质量平衡法（CMB）

化学质量平衡法（CMB）又称化学元素平衡法（CEB），其基本原理是质量守恒。

CMB受体模型根据各种排放源的颗粒组成，将降尘的浓度分解为一组由各种源贡献的组合，解出各种源对降尘中各种元素的浓度贡献。

在多来源体系中，解析结果与实际情况比较吻合，因而CMB受体模型是开展大气降尘来源研究、为大气降尘污染防治决策提供科学依据的重要技术方法。

很多城市己经用该法成功对大气降尘进行TSP源解析工作[12]。

但CMB法要求排放源物质成分线性独立，这点很难满足。

需要对可能来源的化学成分谱进行测量，要求成分谱全面，且对有机物的降解因子要求准确，往往花费大量财力和人力，但对于解析污染源数目多的体系更显优越，目前CMB法在对芳香烃源解析的应用受到一定限制，需要进一步完善。

3.2.2.2富集因子法（EnrichmentFactor，EF）

富集因子法是戈登（Gorden）于1974年首先提出来的。

它用于研究大气气溶胶粒子中元素的富集程度，判断和评价气溶胶粒子中元素的自然来源和人为来源。

首先选择一种相对稳定的元素R作参比元素，将气溶胶粒子待考查元素i与参比元素R的相对浓度和地壳中相对应元素和R的平均丰度求得的相对浓度

按下式求得富集因子:

式中和元素i和R的地壳丰度。

根据富集因子大小可以将元素大体上分为两类，劳次（Lautzy）等人提出，某种元素的富集因子值小于10时，则可以认为是非富集的成份，来源于地壳；当富集因子增大到10～1×104时，则可以认为被富集了，来源于人为污染源。

3.2.2.3因子分析法（FactorAnalysis，FA）

因子分析法是一种常见的多元统计分析方法，其基本原理是把一些具有复杂关系的变量或样品归结为数量较少的几个综合因子，常见的有主因子分析和目标转移因子分析，Goactal（2002），王明星（1985）使用因子分析法对大气降尘组成元素进行主因子提取后合理的解释了大气降尘的主要来源。

3.2.2.4正交矩阵因子分解法（PositiveMatrixFatorizationPMF）

PMF方法是近年来出现的一种有效、新颖的降尘源解析方法，和其它方法相比，它具有不需要测量源成分谱、分解矩阵中元素非负、可以利用数据标准偏差来进行优化等优点。

该方法己经成功地对香港、泰国和西班牙等国家和地区大气中降尘的来源进行过研究。

3.2.2.5同位素示踪法

对大气降尘中的某些元素（例如Pb、C）分析其可能来源时，同位素示踪技术的优越性就非常明显了，由于不同的环境介质各自具有不同的Pb同位素组成特征，因此Pb同位素示踪技术可以指示大气降尘中铅的来源。

目前在大气降尘污染源解析方法、模型中应用最为普遍的是化学质量平衡法（CBM），其经过近三十年的发展，已逐步得到完善，是受体模型中应用最为广泛的一种模型，目前其系统软件已发展到第八代版本CMB8.2。

该模型在定时计算各种污染源对环境PM10、PM2.5不同组分的贡献以及判断不同元素的未知污染源的位置方面是一个非常有力的工具，是美国环保局推荐的用于PM10、PM2.5[22]等的源解析的一种重要方法。

在这些方法和模型中没有哪一种是万能的，不同的方法有不同的优点和侧重。

在实际研究中，常常采用几种模型和方法结合的方式，使之能够互相弥补自身的不足。

得出更加客观和真实的结果。

如：

王淑兰，柴发合[5]就利用富集因子分析先找到大气降尘中的富集元素、离子等，再通过因子分析法参考排放源标志性元素组成，分析出成都市大气污染主要来源及各个污染源的贡献率。

还有主因子分析法与化学质量平衡法联合使用[2]等等，这些综合分析方法都显示出了单个方法或模型所没有的优势。

大气污染源解析不仅关系到源解析研究的发展，更关系到人们的生活环境及身体健康。

随着大气污染源监测、降尘检测技术及源解析方法的不断发展，势必会给城市大气环境规划和管理工作提供强有力的指导和支持。

4.城市大气降尘研究中的不足与展望

近年来对国内大气降尘的研究成果较多，这些研究多集中在城市中大气降尘的特征、分布规律、降尘中重金属含量及降尘源解析方面。

纵观这些研究工作不难发现这些研究成果都是对特定区域内某段时间的大气降尘进行研究。

对大气降尘重金属的研究较为简单，多注重于某一元素的沉降特性。

对城市大气降尘分布规律的研究大多只是简单分析城市不同区域大气降尘的分布规律，对其源解析也只是停留在定性和半定量的污染源确定上，没有形成系统的、完全定量的源解析方法。

未来大气降尘研究应注重于三个层面的研究：

1.宏观层面

研究城市所在区域与更大尺度区域之间的相互影响，形成空间地域上的网络化监测分析。

如研究城市周边污染源对城市降尘的影响时，如果没有网络化的监测分析就很难得出结论。

从生态效应、社会效应及气候变化的角度来研究城市大气降尘的影响及原因。

2．中观层面

逐步完善源解析技术，使之能够完全定量的确定城市降尘污染源，以便制定有针对性的污染治理措施。

逐步完善降尘监测制度和方法，逐步实现监测工作和污染工程同时启动，以便为后期的研究工作提供完整的依据。

3.微观层面

对城市大气进行研究的最终目的就是为了治理大气污染，以减小大气降尘污染对人类健康的影响。

因此对大气降尘的毒理学、流行病学及健康效应等方面的研究也是十分重要的。

结语：

目前对大气降尘的研究工作主要集中在环境科学领域，随着对大气降尘研究的不断深入，降尘研究工作势必成为一个多学科参与的综合研究领域。

未来降尘系统研究工作需要的是复合型人才，如何提高相关工作人员的综合素质和协调各学科的相互配合，是今后工作中的重点和难点。

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收稿日期：

2011-03-11

作者简介：

高峰（1985-），男，硕士研究生，内蒙古大学资源与环境学院。

（备注：

1.以样刊出刊内容为准

2.该栏目即样刊中的工作研究栏目）