4城市环境空气颗粒物源解析技术及进展

城市环境空气颗粒物污染趋势、来源与源解析技术原理南开大学环境科学与工程学院南开大学环境科学与工程学院2013.08主要内容主要内容我国城市环境空气质量状况和发展趋势我国城市环境空气质量状况和发展趋势我国我国PM2.5的来源的来源颗粒物源解析技术颗粒物源解析技术南开大学近年的研究工作南开大学近年的研究工作空气质量达标城市比例空气质量达标城市比例 城市环境空气质量有改善趋势，但污染形势依然严峻城市环境空气质量有改善趋势，但污染形势依然严峻按照旧标准按照旧标准( (二级二级100 100 g/mg/m3 3) )，可吸入颗粒物年均，可吸入颗粒物年均浓度达到或优于二级标准的城市所占比例呈升高趋浓度达到或优于二级标准的城市所占比例呈升高趋势势按照环保部的估算，如果参照新环境空气质量标准，我国颗粒物按照环保部的估算，如果参照新环境空气质量标准，我国颗粒物浓度达标城市将不到浓度达标城市将不到20%20%，颗粒物污染形势十分严峻。，颗粒物污染形势十分严峻。中国煤炭及能源消费总量逐年增加中国煤炭及能源消费总量逐年增加/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式10.310.812.914.916.718.419.920.821.622.105101520253035402001200220032004200520062007200820092010能源消费总量煤炭中国历年能源消费量（亿吨）中国历年能源消费量（亿吨） 我国机动车保有量逐年递增，我国机动车保有量逐年递增，20122012年全国机动车保有量已达年全国机动车保有量已达2.42.4亿辆，其中汽车保有量亿辆，其中汽车保有量1.21.2亿辆。机动车排放对我国环境空气亿辆。机动车排放对我国环境空气质量的影响正越来越显著。质量的影响正越来越显著。中国历年机动车保有量中国历年机动车保有量 （千万辆）（千万辆）/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用格式通用格式/通用通用/通用通用/通用通用/通用通用/通用通用/通用通用/通用通用/通用通用/通用通用/通用通用/通用通用/通用通用汽车拥有量 机动车拥有量煤烟型污染混合型污染复合型污染一次排放源类为主多重源类并重我国颗粒物污染类型的演变TSPPM2.5PM10发展趋势发展趋势复合污染复合污染我国PM2.5污染形势十分严峻我国主要城市PM10和PM2.5浓度值均高于新标准，且远高于国外。细粒子污染占总体颗粒物污染比例总体较高，其中南方城市细粒子所占比例较北方城市高。我国PM2.5污染来源构成情况 （%）PM2.5来源复杂，防控难度很大碳氮氧化物挥发性有机物机动车尾气道路扬尘PM2.5二次有机物 二次颗粒物也称二次粒子，它不是直接由污染源排放的，而是大气中的气态污染物通过光化学氧化反应生成的大气中的气态污染物通过光化学氧化反应生成的。主要包括二次硫酸盐、二次硝酸盐和二次碳颗粒。大气氧化过程燃煤源机动车排放其它排放源类SO2气体NOx气体VOCs硫酸盐硝酸盐二次有机碳二次有机碳二次颗粒物的形成机制臭氧、醛、臭氧、醛、酮、酸等酮、酸等大气颗粒物源解析的由来大气颗粒物源解析的由来 大气颗粒物的来源非常复杂，既有有组织源又有无组织大气颗粒物的来源非常复杂，既有有组织源又有无组织开放源，常规的源模型（扩散模型）已不能满足实际工作开放源，常规的源模型（扩散模型）已不能满足实际工作的需要，源模型不能建立全面的颗粒物污染源与大气环境的需要，源模型不能建立全面的颗粒物污染源与大气环境质量之间的输入响应关系。质量之间的输入响应关系。 颗粒物污染普遍且严重，为了有效地控制颗粒物的污染，颗粒物污染普遍且严重，为了有效地控制颗粒物的污染，需要清楚颗粒物的来源。需要清楚颗粒物的来源。对大气颗粒物的来源进行定性或定量研究的对大气颗粒物的来源进行定性或定量研究的技术称之为源解析技术技术称之为源解析技术 大气颗粒物源解析技术大气颗粒物源解析技术CMBCMB受体模型的建立受体模型的建立基于以下假设，基于以下假设，其基础是质量守恒其基础是质量守恒: :在多种受体模型中，化学质量平衡（在多种受体模型中，化学质量平衡（CMB）受体模型原理）受体模型原理简单易懂，可以定量地给出各类排放源的分担率，成为了实简单易懂，可以定量地给出各类排放源的分担率，成为了实际研究工作中研究最多，应用最广的受体模型。际研究工作中研究最多，应用最广的受体模型。 （1）可以识别出对环境受体中的大气颗粒物有明显贡献的所有）可以识别出对环境受体中的大气颗粒物有明显贡献的所有污染源类，并且各源类所排放的颗粒物的化学组成有明显的差污染源类，并且各源类所排放的颗粒物的化学组成有明显的差别；别；（2）各源类所排放的颗粒物的化学组成相对稳定，化学组分之）各源类所排放的颗粒物的化学组成相对稳定，化学组分之间无相互影响；间无相互影响；（3）各源类所排放的颗粒物之间没有相互作用，在传输过程中）各源类所排放的颗粒物之间没有相互作用，在传输过程中的变化可以被忽略；的变化可以被忽略； 大气颗粒物源解析技术大气颗粒物源解析技术 甲 乙 甲50%，乙50% 不能用甲乙来拟合化学质量平衡模型的基本原理化学质量平衡模型的基本原理JjjjiiSFC1 Ci 受体大气颗粒物中元素i的浓度测量值，g /m3； Fij 第j类源的颗粒物中元素i的含量测量值， Sj 第j类源贡献的浓度计算值，g /m3； J 源类的数目，j=1，2J； I 元素的数目，i=1，2I。大气颗粒物源解析技术大气颗粒物源解析技术技术路线技术路线 大气颗粒物（TSP和PM10）来源解析研究排放源类识别受体采样的时空选择离子组分无机元素碳组分有机组分粒度分布建立源成分谱建立受体成分谱化学质量平衡受体模型（CMB）各类排放源贡献值各类排放源分担率颗粒物污染防治对策大气颗粒物源解析技术大气颗粒物源解析技术 对所研究的区域内的主要颗粒物污染源进行调查研究，确定对受体中颗粒物有贡献的主要排放源类； 采集所确定的主要颗粒物排放源类的样品并进行前处理，比如采集燃煤飞灰等； 根据所研究区域的大小及区域内污染源的分布情况，结合气象因素，确定受体样品采集的点位及分布，同时，根据一年内颗粒物污染变化情况，确定受体样品的采样周期和采样时间； 选择适当的采样滤膜和采样器，采集受体样品； 分析源和受体样品中的化学组分，建立源和受体的成分谱； 把源和受体的成分谱纳入CMB模型进行拟合计算，得到各源类对受体的贡献值和分担率，即源解析结果。 根据大气颗粒物源解析结果，制定颗粒物污染控制方案。大气颗粒物源解析技术的实施大气颗粒物源解析技术的实施CMBCMB受体模型的建立受体模型的建立基于以下假设，基于以下假设，其基础是质量守恒其基础是质量守恒: :在多种受体模型中，化学质量平衡（在多种受体模型中，化学质量平衡（CMB）受体模型原理）受体模型原理简单易懂，可以定量地给出各类排放源的分担率，成为了实简单易懂，可以定量地给出各类排放源的分担率，成为了实际研究工作中研究最多，应用最广的受体模型。际研究工作中研究最多，应用最广的受体模型。 （1）可以识别出对环境受体中的大气颗粒物有明显贡献的所有）可以识别出对环境受体中的大气颗粒物有明显贡献的所有污染源类，并且各源类所排放的颗粒物的化学组成有明显的差污染源类，并且各源类所排放的颗粒物的化学组成有明显的差别；别；（2）各源类所排放的颗粒物的化学组成相对稳定，化学组分之）各源类所排放的颗粒物的化学组成相对稳定，化学组分之间无相互影响；间无相互影响；（3）各源类所排放的颗粒物之间没有相互作用，在传输过程中）各源类所排放的颗粒物之间没有相互作用，在传输过程中的变化可以被忽略；的变化可以被忽略； 大气颗粒物源解析技术大气颗粒物源解析技术 甲 乙 甲50%，乙50% 不能用甲乙来拟合化学质量平衡模型的基本原理化学质量平衡模型的基本原理JjjjiiSFC1 Ci 受体大气颗粒物中元素i的浓度测量值，g /m3； Fij 第j类源的颗粒物中元素i的含量测量值， Sj 第j类源贡献的浓度计算值，g /m3； J 源类的数目，j=1，2J； I 元素的数目，i=1，2I。大气颗粒物源解析技术大气颗粒物源解析技术技术路线技术路线 大气颗粒物（TSP和PM10）来源解析研究排放源类识别受体采样的时空选择离子组分无机元素碳组分有机组分粒度分布建立源成分谱建立受体成分谱化学质量平衡受体模型（CMB）各类排放源贡献值各类排放源分担率颗粒物污染防治对策大气颗粒物源解析技术大气颗粒物源解析技术 对所研究的区域内的主要颗粒物污染源进行调查研究，确定对受体中颗粒物有贡献的主要排放源类； 采集所确定的主要颗粒物排放源类的样品并进行前处理，比如采集燃煤飞灰等； 根据所研究区域的大小及区域内污染源的分布情况，结合气象因素，确定受体样品采集的点位及分布，同时，根据一年内颗粒物污染变化情况，确定受体样品的采样周期和采样时间； 选择适当的采样滤膜和采样器，采集受体样品； 分析源和受体样品中的化学组分，建立源和受体的成分谱； 把源和受体的成分谱纳入CMB模型进行拟合计算，得到各源类对受体的贡献值和分担率，即源解析结果。 根据大气颗粒物源解析结果，制定颗粒物污染控制方案。大气颗粒物源解析技术的实施大气颗粒物源解析技术的实施大气颗粒物排放源分类大气颗粒物排放源分类 大气颗粒物排放源天然源人为源混合源其它源风沙土壤燃煤飞灰燃油飞灰工业粉尘工业燃煤飞灰民用燃煤飞灰电厂锅炉排放工业锅炉排放工业窑炉排放取暖炉排放汽车尾气工业燃油飞灰机动车排放工业锅炉排放民用锅炉排放动植物燃烧尘建筑尘冶炼尘黑色有色冶炼炉排放建筑施工尘建筑材料窑炉排放扬尘（道路尘）秸杆焚烧尘颗粒物排放源类及排放特点颗粒物排放源类及排放特点 颗粒物来源复杂，不能简单归属于一个行业（以煤颗粒物来源复杂，不能简单归属于一个行业（以煤烟尘为例）烟尘为例）建材化工冶炼钢铁煤烟尘工业锅炉民用燃煤电 厂大气颗粒物排放源分类大气颗粒物排放源分类 什么是颗粒物化学成分谱？什么是颗粒物化学成分谱？ 颗粒物化学成分谱是CMB受体模型计算的基础，包含了颗粒物主要化学组成的含量信息，分为源成分谱和受体成分谱。 源成分谱是描述颗粒物源类化学组成的数据集合，建立的源成分谱既要具有代表性，又要能保持各自的“个性”。 受体成分谱是描述研究区域环境受体颗粒物污染化学组成特征的数据集合，要能够反映研究区域典型颗粒物污染的空间和时间分布特征。颗粒物排放源类化学组成特点颗粒物排放源类化学组成特点 土壤风沙尘土壤风沙尘化学成分变化不是十分明显。煤烟尘煤烟尘化学组成变化明显（煤质不同、燃烧方式不同 除尘方式不同等）建筑尘建筑尘化学组成变化明显（不同标号的水泥、各类建 筑材料等）钢铁尘钢铁尘化学组成变化明显（炼钢、炼铁、机械加工等）扬尘扬尘作为重要的开放源类和混合尘源类，其化学组成 在空间和时间上存在着变化。 大气颗粒物排放源分类大气颗粒物排放源分类 同一源类的颗粒物可以通过多种排放途径同一源类的颗粒物可以通过多种排放途径进入到环境空气中（以电厂煤烟尘为例）进入到环境空气中（以电厂煤烟尘为例）电 厂煤烟尘大 气环境点 源吹灰场扬 尘原煤堆二重源解析技术方法二重源解析技术方法 颗粒物进入环境空气中的途径问题颗粒物进入环境空气中的途径问题 扬尘的定义扬尘的定义 各单一尘源类所排放的颗粒物进入环境空气中后，各单一尘源类所排放的颗粒物进入环境空气中后，部分颗粒物由于重力等作用沉降到地面、道路、建部分颗粒物由于重力等作用沉降到地面、道路、建筑物顶、窗台等各类可以容纳颗粒物的地方，这部筑物顶、窗台等各类可以容纳颗粒物的地方，这部分沉降下来的颗粒物在自然力或人类活动等的影响分沉降下来的颗粒物在自然力或人类活动等的影响下再次或多次进入环境空气中，这部分颗粒物就叫下再次或多次进入环境空气中，这部分颗粒物就叫扬尘。扬尘。 （土壤风沙尘、建筑尘、煤烟尘、机动车尘、钢铁尘、海盐粒子等（土壤风沙尘、建筑尘、煤烟尘、机动车尘、钢铁尘、海盐粒子等称为单一尘源类称为单一尘源类 ）二重源解析技术方法二重源解析技术方法 扬尘的特点扬尘的特点 扬尘是一种混合源类，既可以视为环境空气中颗扬尘是一种混合源类，既可以视为环境空气中颗粒物的排放源类，又可以视为各单一尘源类所排粒物的排放源类，又可以视为各单一尘源类所排放的颗粒物的接受体放的颗粒物的接受体 扬尘对环境空气中颗粒物的贡献客观存在扬尘对环境空气中颗粒物的贡献客观存在 采用采用CMBCMB受体模型可以计算各单一尘源类对扬尘受体模型可以计算各单一尘源类对扬尘的分担率，也可以计算扬尘对环境空气中颗粒物的分担率，也可以计算扬尘对环境空气中颗粒物的分担率的分担率 二重源解析技术方法二重源解析技术方法 石家庄市和济南市石家庄市和济南市扬尘组成解析结果（扬尘组成解析结果（% %） 二重源解析技术方法二重源解析技术方法 源类源类济南济南石家庄石家庄TSPTSPPMPM1010TSPTSPPMPM1010土壤风沙尘土壤风沙尘3838353547474141燃煤尘燃煤尘2222242426262828建筑尘建筑尘3737333314141313机动车尾气尘机动车尾气尘1 13 35 56 6钢铁尘钢铁尘- - -4 44 4其它其它2 25 54 48 8二重源解析技术原理示意二重源解析技术原理示意图图(以煤烟尘为例）以煤烟尘为例）A A 代表煤烟尘对受体总的分担率；代表煤烟尘对受体总的分担率；B B 代表扬尘对受体的分担率；代表扬尘对受体的分担率；C C 代表煤烟尘在扬尘中的分担率；代表煤烟尘在扬尘中的分担率；D D 代表煤烟尘以扬尘的形式进入到受体中的分担率；代表煤烟尘以扬尘的形式进入到受体中的分担率；E E 代表煤烟尘除去进入扬尘的部分后对受体的分担率。代表煤烟尘除去进入扬尘的部分后对受体的分担率。 D=BCE=AD 以扬尘形式进入以扬尘形式进入 到受体的煤烟尘到受体的煤烟尘 D 直接进入到直接进入到 受体的煤烟尘受体的煤烟尘E E D C 扬尘对扬尘对受体的受体的贡献贡献B 大气环境中的大气环境中的煤烟尘煤烟尘 A A 二重源解析技术方法二重源解析技术方法 二重源解析的步骤二重源解析的步骤1.1.不考虑混合尘源类扬尘，仅用各单一尘源类进行解析（一不考虑混合尘源类扬尘，仅用各单一尘源类进行解析（一次源解析）得到一次解析结果次源解析）得到一次解析结果A Ai i；2.2.以环境受体中颗粒物来源的实际情况划分颗粒物排放源类，以环境受体中颗粒物来源的实际情况划分颗粒物排放源类，把地区扬尘也纳入把地区扬尘也纳入CMBCMB模型进行解析，得到结果模型进行解析，得到结果B Bi i；3.3.把扬尘作为受体，用各单一尘源类对其进行解析，得到各把扬尘作为受体，用各单一尘源类对其进行解析，得到各单一尘源类在扬尘中的分担率单一尘源类在扬尘中的分担率C Ci i；4.4.用扬尘作为受体时的解析结果用扬尘作为受体时的解析结果C Ci i和扬尘对环境受体的分担和扬尘对环境受体的分担率率B B对一次解析结果对一次解析结果A Ai i进行修正，得到各单一尘源类除去进行修正，得到各单一尘源类除去进入扬尘的部分后直接对受体的贡献率进入扬尘的部分后直接对受体的贡献率E Ei i；5.5.对对B Bi i 和和E Ei i进行对照分析，并检验和印证源解析结果，综合进行对照分析，并检验和印证源解析结果，综合得到二重源解析结果。得到二重源解析结果。二重源解析技术方法二重源解析技术方法 序序号号源类源类AiBiCiDiEi二重源解析二重源解析结果结果1 1扬尘扬尘343434342 2土壤风沙尘土壤风沙尘32322139391414181818183 3燃煤尘燃煤尘33332422228 8252525254 4建筑尘建筑尘1414383812122 22 25 5机动车尾气尘机动车尾气尘8 86112 26 66 6济南市环境空气中济南市环境空气中TSPTSP二重源解析结果二重源解析结果(%) (%) 实例分析实例分析二重源解析技术方法二重源解析技术方法 D=BCE=AD注：Ai代表源类i对受体总的分担率；Bi代表扬尘对受体的分担率；Ci代表源类i在扬尘中的分担率；Di代表源类i以扬尘的形式进入到受体的分担率；Ei代表源类i除去进入扬尘的部分后对受体的分担率。 二重源解析技术说明了扬尘这一混合尘源类与各单一尘源二重源解析技术说明了扬尘这一混合尘源类与各单一尘源类之间的关系，类之间的关系，揭示了单一尘源类以不同的形式通过不同揭示了单一尘源类以不同的形式通过不同的途径对大气颗粒物贡献的规律，揭示了扬尘这一特殊污的途径对大气颗粒物贡献的规律，揭示了扬尘这一特殊污染源的本质特征；染源的本质特征； 二重源解析技术同时解析出了扬尘和其它单一尘源类对受二重源解析技术同时解析出了扬尘和其它单一尘源类对受体的分担率，解决了扬尘与其它单一尘源类存在严重共线体的分担率，解决了扬尘与其它单一尘源类存在严重共线性问题及一套数据多个解析结果的问题；性问题及一套数据多个解析结果的问题； 利用二重源解析技术得到了各单一尘源类进入到扬尘中的利用二重源解析技术得到了各单一尘源类进入到扬尘中的比例及各单一尘源类在扬尘中的分担率，为颗粒物分类治比例及各单一尘源类在扬尘中的分担率，为颗粒物分类治理提供了科学依据理提供了科学依据 ；二重源解析技术方法二重源解析技术方法 具有自主知识产权的具有自主知识产权的颗粒物源解析软件颗粒物源解析软件NKCMB2.0NKCMB2.0再悬浮采样器再悬浮采样器解决了开放源解决了开放源粉末样品按一粉末样品按一定粒径要求采定粒径要求采集的问题，集的问题，是是获得大气颗粒获得大气颗粒物排放源成分物排放源成分谱滤膜样品的谱滤膜样品的必备手段必备手段。 旋转式颗粒物再旋转式颗粒物再悬浮结构的设计悬浮结构的设计和装置具有创新和装置具有创新性、先进性，填性、先进性，填补了国内空白。补了国内空白。 能够采集空气动力能够采集空气动力学直径为学直径为100m、 10m 、 2.5m的的颗粒物样品颗粒物样品 。能够模拟烟尘进入能够模拟烟尘进入环境空气中的实际环境空气中的实际状态，采集到空气状态，采集到空气动力学直径为动力学直径为100m100m、 10m 10m 、 2.5m2.5m的烟尘样品。的烟尘样品。解决了采集的煤烟解决了采集的煤烟尘成分谱真实性问尘成分谱真实性问题题。只要更换不同粒度范围只要更换不同粒度范围的切割头，便可以从各的切割头，便可以从各种固定源的排气筒中采种固定源的排气筒中采集不同粒度范围的颗粒集不同粒度范围的颗粒物。物。 烟道气空气稀释湍流采样器烟道气空气稀释湍流采样器获一项发明专利，获一项发明专利，专利号：专利号：ZL 03 119498.2 ；两项；两项实用新型专利实用新型专利 ，专，专利号：利号：ZL03258297.8 ，ZL03240576.6 可可同步同步采集一对采集一对TSP/PMTSP/PM1010/PM/PM2.52.5的的样品。样品。提供了提供了PMPM2.52.5样品的采样样品的采样手段。手段。小流量便携式双通道小流量便携式双通道 空气颗粒物采样器空气颗粒物采样器技术推广与应用技术推广与应用 技术推广与应用技术推广与应用研究成果在北京、研究成果在北京、天津、石家庄、济天津、石家庄、济南、太原、乌鲁木南、太原、乌鲁木齐、银川、郑州、齐、银川、郑州、沈阳、唐山、邯郸、沈阳、唐山、邯郸、安阳、焦作、开封、安阳、焦作、开封、洛阳、三门峡、葫洛阳、三门峡、葫芦岛、抚顺、鞍山芦岛、抚顺、鞍山等等2020个北方城市，个北方城市，无锡、南京、深圳无锡、南京、深圳等南方城市得到应等南方城市得到应用。用。