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乌鲁木齐夏季大气降尘中重金属的分布特征 * 张克磊1朱建雯1魏疆2 1. 新疆农业大学草业与环境科学学院， 乌鲁木齐 830052; 2. 新疆大学资源与环境科学学院， 乌鲁木齐 830046 摘要 对乌鲁木齐市不同功能区大气降尘中的重金属采用 ICP － AES 电感耦合等离子体原子发射光谱 进行分析测 试。结果表明 夏季大气降尘中重金属的含量由高至低依次为 Cr ＞ Mn ＞ Zn ＞ As ＞ Pb ＞ Ni ＞ Cd。重金属在不同功能 区的总体分布特征表现为商业区 ＞ 工业区 ＞ 居民区 ＞ 文化区 ＞ 郊区。利用地积类指数法， 分析结果表明大气降尘中 As、 Cr 为重污染， Zn、 Ni、 Cd、 Pb 为中等污染。 关键词 空间分布; 大气污染; 污染评价 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201402023 THE DISTＲIBUTION OF HEAVY METALS IN ATMOSPHEＲIC DUSTFALL DUＲING SUMMEＲ IN UＲUMQI Zhang Kelei1Zhu Jianwen1Wei Jiang2 1. Grass Industry and Environmental Science Institute，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China; 2. School of Ｒesources ＆ Environment Science，Xinjiang University， Urumqi 830046，China AbstractThe heavy metals in air dustfall of different functional areas in Urumqi were analyzed and tested by CP － AES inductively coupled plasma- atomic emission spectrometry ． The results show that the content of heavy metals in atmospheric dustfall was in the orderCr ＞ Mn ＞ Zn ＞ As ＞ Pb ＞ Ni ＞ Cd and the overall distribution characteristics of heavy metals in different functional areas were in the ordercommercial ＞ district ＞ industrial area ＞ residential area ＞ cultural region ＞ suburb． Based on the geoaccumulation index，in the air dustfall As and Cr was in serious pollution，but Zn，Ni，Cd and Pb was in moderate pollution． Keywordsspatial distribution;atmospheric pollution;pollution uation * 国家自然科学基金 41161074 。 收稿日期 2013 －07 －05 0引言 大气降尘一般是指粒径大于 10 μm， 因重力和雨 水冲刷作用在较短时间内沉降到地面的大气颗粒物。 由于自身质量、 粒度大小以及一些自然因素 地形、 风 力、 雪、 雾等 影响大气颗粒物的沉降能力， 因此把大气 降尘与总悬浮颗粒物绝对分开是很困难的。当大气中 湿度增大或发生降雨时， 气溶胶便通过冲刷作用降落 于地表形成降尘 ［ 1 ］。降尘可将颗粒物本身及其吸附的 重金属等污染物带入环境介质中 土壤、 水体等 ， 最终 通过食物链进入人体， 危害人体健康 ［ 2- 4 ］。近年来， 由 于人类活动加剧， 脆弱生态系统受到了剧烈扰动， 扬 沙、 浮尘和沙尘暴等恶劣天气现象频繁出现， 大量降尘 对大气环境质量、 土壤性质和人群健康产生了显著影 响 ［ 1， 5- 7 ］。受气候、 自然环境、 经济发展水平、 城市化程 度等因素影响大气降尘的分布具有明显的空间差异 性 ［ 8 ］。乌鲁木齐市并未对大气降尘中重金属分布进行 特征调查研究， 针对此现状， 2012 年 5 月至 7 月， 在乌 鲁木齐城区采用重量收集法收集 5 个区域的大气降尘 样品， 研究分析不同区域大气降尘中重金属的分布特 征， 并利用地积类指数法， 讨论了大气降尘中重金属污 染程度。为全面了解乌鲁木齐市的空气质量状况、 大 气污染治理以及城市规划提供决策参考。 1研究方法 1. 1采样点的布置 在城市不同的功能区共布置了 5 个环境监测点 图 1 ， 分别为商业区 人流量大， 商业活动比较频 89 环境工程 Environmental Engineering 繁 、 居民区 位于南湖片区， 已建成的商住小区为 主 、 文化区 以教学区为主， 周边有集中供热锅炉 、 米东区 小工业布局较多， 属于工业区 、 郊区 以农 田为主， 零星分布着个别小工厂 。 图 1乌鲁木齐市环境质量监测点位 Fig. 1The environmental quality monitoring points in Urumqi 1. 2样品的采集与分析 采用重量收集， 将聚丙烯材料的桶型集尘缸置于 距离地面约 15 m 高的空旷楼顶。桶内加入定量的乙 二醇， 用来防止动植物尸体的腐烂以及冬天防冻， 采 样时间为 30 2d。 将降尘缸中的样品转移到 500 mL 烧杯中， 用蒸馏 水将其中的沉降物全部洗出来， 并用不锈钢镊子将烧杯 内的杂物取出。将烧杯转移到电热板上， 温度调到 400 ℃， 待溶液还剩10 ～20 mL 时再将烧杯从电热板上 取下， 冷却， 将液体转移到事先已恒重 在105 ℃条件下 好的瓷缸锅中继续加热， 直到缸锅中的水分完全蒸发 掉， 将坩埚中的颗粒物转移到塑料封口袋中备用。 称取0. 1 g 沉降物， 放入事先已用 1硝酸泡过的 聚四氯乙烯试管中， 加入适量的蒸馏水 将试管壁上的 颗粒 物 冲 到 试 管 底 部， 以 便 消 解 ， 然 后 加 入 8 mL HNO32 mL HF 1 mL HCLO4， 并将小漏斗盖在 试管口上 以免液体溅出 。将试管转移到温度为 250 ℃的消煮炉上进行消煮， 直到液体变为无色。将 试管从消煮炉上取出， 待试管冷却后， 把试管内的无色 液体转移到100 mL 的容量瓶中定容， 然后把定容好的 液体转移到1硝酸浸泡过的塑料瓶内备用。 用 ICP － AES 电感耦合等离子体原子发射光 谱 测定样品中重金属含量。 1. 3数据的处理 利用 CL 软件计算出各功能区 57 月重金 属元素浓度平均值， 并通过 ArcGIS 软件制作重金属 污染等级分布图。 采用地积累指数评价乌鲁木齐市大气降尘中重 金属 的 污 染 程 度。地 积 累 指 数 Geoaccumulation Index 最早由德国海德堡大学沉积物研究所 Muller 1969 提出， 是一种研究水环境沉积物中重金属污 染的定量指标， 被广泛应用于研究现代沉积物、 土壤 中重金属的污染评价。地积累指数的计算公式为 Igeo log2 Cn/Bn ， 式中 Cn表示元素 n 在沉积物中的 含量 mg/kg ， Bn表示沉积物中该元素的地球化学背 景值， 地积累指数的分级［9 ］标准如表 1 所示。 表 1地积类指数法分级［9 ］ Table 1The classification by geoaccumulation index ［ 9 ］ 地积类指数 Igeo 污染程度分级 Igeo ≤0 无污染0 0 ＜ Igeo ≤1 无污染到中等污染1 1 ＜ Igeo ≤2 中等污染2 2 ＜ Igeo ≤3 中等至重污染3 3 ＜ Igeo ≤4 重污染4 4 ＜ Igeo ≤5 重污染至严重污染5 5 ＜ Igeo 严重污染6 2结果 2. 1大气降尘中不同功能区重金属的空间分布及含 量分析 由于不同区域人类活动、 工业企业分布、 交通情 况等均不相同， 因此， 不同区域的大气污染程度也会 有所差异。利用 ArcGIS 软件分析得出不同功能区大 气降尘重金属空间分布如图 2 所示。乌鲁木齐夏季 大气降尘中重金属 Cr 元素含量远高于其他的元素 商业区最高为 956. 25 mg/kg， 最低的郊区也达到了 742. 35 mg/kg ， Cd 元素的含量最低。元素 Cr、 Ni 在 不同的功能区含量基本保持一致， 且都表现出郊区含 量最低这一分布特征 Cr 元素含量为 742. 35 mg/kg、 Ni 元素含量为 25. 09 mg/kg 。工业区元素 As 的含 量最高， 达到 424. 89 mg/kg 是含量最低的郊区的 1. 75 倍。元素 Zn 在居民区的含量高于其他的四个 区， 但是工业区、 文化区、 郊区 Zn 元素的含量基本保 持一致。文化区降尘中重金属元素 Mn 的含量最高 达到600. 7 mg/kg， 居民区次之， 其他3 区具有相同的 污染水平。文化区、 居民区元素 Pb 的污染最严重， 含 量达 56 mg/kg， 远高于其他区域。 99 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control 图 2不同功能区大气降尘中重金属元素空间分布 Fig. 2Spatial distribution of heavy metals in atmospheric dustfall in different functional area 综上所述， 乌鲁木齐市夏季大气降尘中重金属的 空间分布为商业区 ＞ 米东区 ＞ 居民区 ＞ 文化区 ＞ 郊 区， 降尘中重金属的含量高低依次为 Cr ＞ Mn ＞ Zn ＞ As ＞ Pb ＞ Ni ＞ Cd。 2. 2大气降尘中重金属的富集程度 受气象条件以及各功能区结构的影响， 重金属元 素在不同功能区的富集程度也不同。由表 2 可知 乌 鲁木齐夏季大气降尘中重金属元素 As、 Cr、 Cd、 Zn 的 变化范围较大， 含量分别是当地土壤背景值［10- 11 ］的 29 倍、 18 倍、 8 倍、 6. 5 倍， 均呈现出不同程度的富集。 元素 Ni、 Mn 的变化范围较小， 它们的平均值与土壤 背景值比较接近， 变异系数较小＜ 0. 15 。元素的 富集程度由高至低依次为 As ＞ Cr ＞ Cd ＞ Zn ＞ Pb ＞ Ni ＞ Mn。 表 2乌鲁木齐夏季大气降尘中重金属的含量 Table 2The content of heavy metals in atmospheric dust fall in summer in Urumqi 元素范围/ mg kg －1 平均值/ mg kg －1 中值/ mg kg －1 标准偏差变异系数土壤背景值/ mg kg －1 Zn440. 38 ～534. 83480. 24462. 2140. 210. 0874. 20 Mn465. 76 ～513. 28507. 44479. 1855. 040. 11688. 00 As241. 79 ～424. 89314. 68303. 9267. 360. 2110. 78 Ni25. 09 ～35. 732. 6934. 424. 320. 1328. 93 Cd0. 68 ～0. 930. 800. 810. 100. 130. 10 Cr742. 35 ～956. 25867. 83873. 8980. 770. 0947. 40 Pb30. 87 ～56. 8456. 8446. 8412. 220. 2111. 20 001 环境工程 Environmental Engineering 乌鲁木齐市夏季各功能区大气降尘中重金属元 素的地积类指数如图 3 所示。 图 3不同功能区重金属的地积类指数 Fig. 3The geoaccumulation index of heavy metals in different functional areas 图 3 中显示 重金属 Mn 的地积类指数小于 0， 说 明乌鲁木齐市夏季大气降尘中没有受到重金属 Mn 污染。元素 Ni 的地积类指数值在 0 ～1， 只有郊区 Ni 元素的指数小于 1， 为中等污染。元素 Pb 的 Igeo在 1 ～3， 郊区的 Igeo为 1. 6， 工业区的 Igeo为 1. 46， 其他的 区的 Igeo都大于 2， 表明在这两个区受到的 Pb 污染比 其他区域轻。Zn、 Cd 元素的 Igeo在 2 ～3， 且都接近于 3， 说明各个功能区都受到了这两种元素的重污染。 As、 Cr 元素的 Igeo都大于 4， 工业区元素 As 的 Igeo为 5. 3， 属于严重污染， 工业区的污染最为严重。 2. 3分析与讨论 由于城市不同区域人类活动、 产业分布、 交通情 况等存在着差异， 各功能区间降尘中重金属浓度的不 同， 导致不同区域间大气污染程度存在不同。 大气污染物是伴随着乌鲁木齐市社会经济的发 展而产生的， 能源消耗过程中所排放的污染物是造成 大气污染物浓度增加的主要原因。产业结构和社会 生活的分布不均造成了能源消耗和污染物排放的不 均衡 ［12 ］， 如 2012 年 3 月动工的乌鲁木齐田子路一期 工程对文化区所在地新疆农业大学以及居民区所在 地南湖小区产生了一定影响， 元素 Mn、 Pb 的含量明 显高于其他区。岩石风化以及土壤扬尘会使 Mn 的 含量上升， 同时汽车尾气、 垃圾燃烧、 建筑等人类活动 向大气输送 Pb［13 ］。由于城市化的快速发展， 乌鲁木 齐机动车的数量越来越多， 带来大量的汽车尾气， 同 时轮胎与地面的摩擦向大气释放重金属 As、 Zn［10 ］。 重金属元素 Cd 在工业区、 文化区、 居民区余量相对 较高， 工业区中三废的排放是造成该区空气污染的主 要原因。 乌鲁木齐大气沉降中重金属的空间分布总体表 现为商业区 ＞ 工业区 ＞ 居民区 ＞ 文化区 ＞ 郊区， 这与 刘梦潇 ［14 ］对乌鲁木齐市重金属空间分布研究结果一 致。造成这一现象的主要原因是， 商业区处于繁华地 段， 持续的车流量使得二次扬尘污染加重， 同时汽车 尾气对大气污染物来源也有一定的影响。 3结论 通过对乌鲁木齐市夏季大气降尘中重金属元素 含量分布特征的研究， 可以得出以下结论 1乌鲁木齐市夏季大气降尘中重金属元素的含 量高低依次为 Cr ＞ Mn ＞ Zn ＞ As ＞ Pb ＞ Ni ＞ Cd。 2不同功能区降尘中 Pb、 Cd、 Zn、 As、 Cr、 Ni、 Mn 的浓度有显著差异， 其高低排序为 商业区 ＞ 工业区 ＞ 居民区 ＞ 文化区 ＞ 郊区。这说明建筑施工、 人类活 动、 机动车尾气排放、 工业污染物排放影响乌鲁木齐 市城区降尘中重金属含量。 3乌鲁木齐大气降尘中除元素 Mn 之外， 都受 到其他的重金属元素不同程度的污染， 其中元素 As、 Cr 污染严重， Zn、 Cd 为重污染， Ni 为中等污染。Pb 在郊区和工业区污染最为严重， 总体污染表现为中等 污染。 参考文献 ［1］王赞红． 大气降尘监测研究［J］． 干早区资源与环境， 2003， 17 1 54- 59． ［2］Jones K C，Grimmer G，Jacob J， et al． Changes in the polynuclear aromatic hydrocarbon content of wheat 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efficiency at different filter velocity 表 6袋式除尘器主要设计参数 Table 6Main design parameters of bag filter 项目设计参数值 设计烟气量500 000 m3/h 烟气温度 极端190 ～220 ℃ 进口含尘浓度22. 60 mg/m3 出口排放浓度＜50 mg/m3 总过滤面积7 596 m2 过滤风速1. 10 m/min 滤袋数量2 160 条 滤袋尺寸160 mm 7 000 mm 脉冲阀120 个 本次改造采用了此次试验研究提出的新型耐高 温滤袋， 自 2012 年 7 月份投运至今， 运行状况良好。 滤袋阻力显著下降， 过滤性能达到环保要求。 5结论 1 采用 PTFE、 PI、 PSA 纤维及 PTFE 基布制成的 复合滤料在 250 ℃ 以下经纬向热收缩率分别小于 1. 5和 1; 经纬向的强力保持率都≥100。其尺 寸稳定性和强力特性都能够保证在 250 ℃以下高温 环境使用且该滤料的耐化学腐蚀性能较好。 2 在风速低于 2.5 m/min 以下， 该 PTFE PSA P84 滤料对于粒径大于 5 μm 的颗粒物过滤效率大 于 98; 对于 PM2. 5的过滤效率达到 60 ～85。 3 该新型复合滤料符合“燃煤 煤气” 热电锅炉 袋式除尘器耐温耐腐蚀性要求， 已经历 10 个月的运 行使用， 使用中满足现场对滤料低阻高效的要求。 参考文献 ［1］刘贵琦． 高温除尘技术在电弧炉炼钢除尘中的应用［J］． 环境 工程， 2012， 30 6 82- 84． ［2］李华， 沈恒根， 刘书平， 等． 新型复合滤料过滤性能的实验研究 及其应用［J］． 环境工程， 2005， 23 1 36- 37． ［3］元新艳， 沈恒根， 王振华， 等． 芳砜纶纤维在酸性条件下的失效 特性［J］． 东华大学学报． 自然科学版， 2011， 37 3 282- 285． ［4］陈隆枢， 陶晖． 袋式除尘技术手册［M］． 北京 机械工业出版社， 2010． ［5］HouWeixin， WangQihua．Stablepolytetrafluoroethylene superhydrophobic surface with lotus- leaf structure［J］． Colloid 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