工業環境對空氣冷凝水化學影響范文

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《環境工程雜志》2014年第七期

1材料與方法

1.1研究區域概況本研究在深圳市內選取了6個典型樣地(圖1)，分別代表了6種典型的城市環境類型:道路、居民區、工業區、綠地、中心商業區、學校。道路樣地為濱河大道，是深圳市最繁忙的主干道之一，早晚高峰異常擁堵;居民區樣地位于深圳西北的沙井鎮，周邊以居民區為主，分布有幾個建筑用地;工業區樣地選取了蛇口半島，采樣點位于深圳市兩家大型發電廠之間，代表了深圳市典型的工業環境;綠地選點在深圳最大的保護區仙湖植物園，附近有深圳水庫以及深圳最大的寺廟弘法寺;商業區位于深圳南山市圖書館，周邊商場眾多，高層建筑及人流量均能反映典型的商業區特征;深圳大學城位于野生動物園周邊。

1.2樣品采集及處理本實驗于2012年8—9月在圖1中6個不同類型的典型樣地采樣，每次采樣持續12h，從10:00持續到22:00，每個采樣點每小時采集1個樣品。采樣所使用儀器為冷凝式除濕機，通過壓縮機制冷使蒸發器表面降溫，空氣與之接觸后冷凝析出液態水，通過容器收集。采樣口的高度距離地面1.5m［13］，避免了近地表面的灰塵及其他污染物的影響。進風口處放置過濾網以去除空氣中的大顆粒揚塵，除濕機的匯水面在每次實驗前用自來水和去離子水淋洗3次，與潔凈環境中晾干。除濕機出水口用洗凈的聚乙烯塑料瓶收集冷凝水樣。選取晴天進行采樣，避免降雨等天氣的影響。每小時的樣品采集完后，放入冷藏箱保存，運回實驗室后，測定各樣品的pH、電導率，于4℃冷藏保存。1.3樣品分析對于冷凝水化學組分的分析，選取了9種重金屬(Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、As、Se、Cd、Pb)，6種常見陰離子(F－、Cl－、NO－2、NO－3、SO2－4、PO3－4)，5種常見陽離子(Na+、NH+4、K+、Mg2+、Ca2+)。重金屬選擇ICP－MS進行測定;陰陽離子測定選擇IC(ionchromatography)，測定的具體參數見表1。檢測離子以及重金屬之前，冷凝水樣需經過0.45μm水系濾膜過濾。檢測中所使用的標準物質由中國標準物質局提供，分析中所用甲磺酸由Sigma-Aldrich(Shanghai)提供.

2結果與分析

2.1空氣冷凝水的重金屬含量深圳市典型樣地空氣冷凝水的電導率及pH值如表2所示。在道路旁收集到的樣品電導率最高，為38.8μS/cm。樣品呈淡棕色、有較多的懸浮顆粒，并且帶有刺鼻味，說明道路周邊空氣污染對空氣冷凝水的性狀有很大影響?？諝饫淠械?種重金屬含量如圖2所示。Cr含量在不同區域中的含量約為0.3μg/L，差異不明顯;而其余6種重金屬，Cu、Zn、Mn、Ni、Cd、Pb都呈現出十分明顯的空間差異。在工業區、道路及綠地獲取的樣品中，重金屬濃度高于居民區和商業區;在學校收集到的樣品中，除Cu外的重金屬濃度都為最低，反映出不同樣地之間周邊空氣質量的差異。在所測試的9種重金屬中，由于重金屬As、Se的平均含量低于檢測限，遠低于深圳市市政供水的指標，故未在圖2中列出。工業區采樣點位于煤電廠與垃圾發電廠之間，周邊有碼頭、其他化工設施及建筑工程，故空氣污染較為嚴重，反映為各項重金屬指標含量較高。綠地周邊三面環山，且受到深圳最大的寺廟弘法寺影響，各重金屬含量與工業區相當。Wang等人的研究表明寺廟燒香會導致空氣中各污染物含量明顯上升;See［16］的量化研究證明，不同質量的貢香燃燒后，平均每支香能使水溶性金屬含量上升0.18～1.11μg/L，其中Cu、Zn所占比例最高。在實際收集到的樣品中，該區域的Cu、Zn含量超出其他5個采樣點，所占比例最高，表明寺廟香火對其周邊空氣污染較為嚴重。道路樣地的重金屬總體含量僅次于工業區和綠地，其中Mn含量高于工業區和綠地，最高值達5.86mg/L，這與我國實行的成品油質量有關，我國成品油標準(GB17930—200X)規定Mn含量控制指標為16mg/L，而歐美國家所使用的《世界燃油規范》及歐洲標準(EN228—2002)規定不允許添加含錳金屬抗爆劑。道路樣品的Pb含量水平與居民區、商業區及學校無明顯差異，主要是因為我國施行了無鉛汽油標準。

2.2空氣冷凝水的陰陽離子含量空氣冷凝水中陰陽離子濃度如圖3、圖4所示。SO2－4、NH+4和Ca2+的濃度高于NO－3、Na+和K+，且最大值與最小值相差一個數量級，表明工業環境污染與人為活動對其影響較大。F－、PO3－4和Mg2+在所有樣品中含量均較低，不超過0.051mg/L。在工業區的樣品中，Na+與Cl－含量較高，說明洋面蒸發的Na+與Cl－會明顯影響樣品中的含量。綠地周邊的各離子濃度并不比其他采樣點高，反映出寺廟香火對空氣冷凝水中離子濃度的影響遠比重金屬小。道路樣品NH+4、NO－2、NO－3和SO2－4的濃度高，表明汽車尾氣污染對周邊空氣冷凝水的影響非常顯著。空氣冷凝水中的NO－2濃度較高，而其在固體顆粒懸浮物中卻很難檢測到［17］，說明了其與周邊大氣質量的密切關系。居民區附近有施工工地，建筑粉塵中含有較多CaCO3以及其他硫酸鹽成分，致使該樣地樣品中Ca2+及SO2－4含量最高［18］。綠地處冷凝水的陰陽離子含量與預期的較低含量一致，表明寺廟香火對周邊空氣冷凝水中的常見離子含量沒有很大的影響，只對其中的重金屬影響較大。學校收集的樣品中，NH+4濃度較高，這主要是由樣地緊鄰野生動物園引起的。在采樣季節，學校樣地受該野生動物園糞便味影響嚴重，推測與其釋放出的氨有關。

2.3空氣冷凝水中重金屬和陰陽離子的時間分布在深圳典型樣地，空氣冷凝水的重金屬和陰陽離子含量由于受到周邊空氣污染、當地人為活動影響等原因，在不同時間段內的濃度變化顯著。圖5列出了重金屬Cu和Zn在4個樣地(道路、工業區、綠地和商業區)的時間分布。Cu在道路樣品中濃度于16:00急劇升高，一直保持到21:00，該時間段為交通高峰時期，道路擁堵，很大程度上影響了空氣冷凝水中的Cu含量，與實地觀測相吻合;樣品中的Zn在該時間段的平均含量也高于其他時間段。綠地附近由于香火污染源的影響，且三面環山的地形不利于空氣的擴散，導致重金屬含量出現明顯的累積過程。工業區中垃圾發電廠于下午16:00開始排放廢氣，空氣污染十分明顯。由于道路周邊交通流量變化明顯、工業區廢氣排放時間段集中，兩者周邊的空氣質量狀況在短時間內發生明顯變化，故而可觀察到空氣冷凝水中離子含量隨時間的變化特征(圖6、圖7)。圖6中各離子濃度的變化趨勢十分一致，與重金屬Cu的濃度變化相吻合。硫化物、硝化物是汽車尾氣中的兩大污染物，其也可由溶解在液態水中NO2氧化形成，可用來表征這些氣態污染物的人為污染源［19］。在工業區空氣冷凝水中，SO2－4和NH+4濃度的峰值(5.96mg/L和3.40mg/L)都出現在18:00—19:00，是該時間段之外均值的10倍(0.60mg/L和0.68mg/L)?？紤]到16:00之后出現廢氣排放情況，該高峰值出現的時間點并不意外，主要是人為影響造成的，其中工業區內的兩大發電廠廢氣排放應為其主要的影響因素。

3結論

1)空氣冷凝水化學成分的區域性差異很強。在深圳市6個不同樣地中，工業區、道路以及綠地周邊的空氣冷凝水其污染程度較高，工業區樣品的Cu濃度最高達261.9μg/L，道路周邊樣品的Mn最高濃度為5.68μg/L。商業區、居民區和校園的樣品濃度略低，居民區樣品的Pb濃度(0.063μg/L)約為工業區(0.476μg/L)的1/7。2)工業生產、工程建設及人為活動均不同程度地影響空氣冷凝水的化學組分。在居民區周邊，施工過程產生的建筑粉塵中普遍存在CaCO3，造成該區域樣品的Ca2+濃度(3.49mg/L)比道路周邊(1.98mg/L)高出76.3%。3)空氣冷凝水化學組分具有明顯的時間變化特征，主要受城市工業環境及人為活動等時間周期性的影響。道路周邊樣品受交通高峰期的影響，17:00—21:00期間重金屬及離子濃度上升明顯，SO2－4、NH+4及NO－3在冷凝水中的濃度分別從1.82，3.10，0.73mg/L上升到交通高峰期的3.67，6.12，2.27mg/L。

作者：夏青李瑞利邱國玉劉成壽耿旭單位：北京大學深圳研究生院環境與能源學院