工业环境对空气冷凝水化学影响范文

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《环境工程杂志》2014年第七期

1材料与方法

1.1研究区域概况本研究在深圳市内选取了6个典型样地(图1)，分别代表了6种典型的城市环境类型:道路、居民区、工业区、绿地、中心商业区、学校。道路样地为滨河大道，是深圳市最繁忙的主干道之一，早晚高峰异常拥堵;居民区样地位于深圳西北的沙井镇，周边以居民区为主，分布有几个建筑用地;工业区样地选取了蛇口半岛，采样点位于深圳市两家大型发电厂之间，代表了深圳市典型的工业环境;绿地选点在深圳最大的保护区仙湖植物园，附近有深圳水库以及深圳最大的寺庙弘法寺;商业区位于深圳南山市图书馆，周边商场众多，高层建筑及人流量均能反映典型的商业区特征;深圳大学城位于野生动物园周边。

1.2样品采集及处理本实验于2012年8—9月在图1中6个不同类型的典型样地采样，每次采样持续12h，从10:00持续到22:00，每个采样点每小时采集1个样品。采样所使用仪器为冷凝式除湿机，通过压缩机制冷使蒸发器表面降温，空气与之接触后冷凝析出液态水，通过容器收集。采样口的高度距离地面1.5m［13］，避免了近地表面的灰尘及其他污染物的影响。进风口处放置过滤网以去除空气中的大颗粒扬尘，除湿机的汇水面在每次实验前用自来水和去离子水淋洗3次，与洁净环境中晾干。除湿机出水口用洗净的聚乙烯塑料瓶收集冷凝水样。选取晴天进行采样，避免降雨等天气的影响。每小时的样品采集完后，放入冷藏箱保存，运回实验室后，测定各样品的pH、电导率，于4℃冷藏保存。1.3样品分析对于冷凝水化学组分的分析，选取了9种重金属(Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、As、Se、Cd、Pb)，6种常见阴离子(F－、Cl－、NO－2、NO－3、SO2－4、PO3－4)，5种常见阳离子(Na+、NH+4、K+、Mg2+、Ca2+)。重金属选择ICP－MS进行测定;阴阳离子测定选择IC(ionchromatography)，测定的具体参数见表1。检测离子以及重金属之前，冷凝水样需经过0.45μm水系滤膜过滤。检测中所使用的标准物质由中国标准物质局提供，分析中所用甲磺酸由Sigma-Aldrich(Shanghai)提供.

2结果与分析

2.1空气冷凝水的重金属含量深圳市典型样地空气冷凝水的电导率及pH值如表2所示。在道路旁收集到的样品电导率最高，为38.8μS/cm。样品呈淡棕色、有较多的悬浮颗粒，并且带有刺鼻味，说明道路周边空气污染对空气冷凝水的性状有很大影响。空气冷凝水中的9种重金属含量如图2所示。Cr含量在不同区域中的含量约为0.3μg/L，差异不明显;而其余6种重金属，Cu、Zn、Mn、Ni、Cd、Pb都呈现出十分明显的空间差异。在工业区、道路及绿地获取的样品中，重金属浓度高于居民区和商业区;在学校收集到的样品中，除Cu外的重金属浓度都为最低，反映出不同样地之间周边空气质量的差异。在所测试的9种重金属中，由于重金属As、Se的平均含量低于检测限，远低于深圳市市政供水的指标，故未在图2中列出。工业区采样点位于煤电厂与垃圾发电厂之间，周边有码头、其他化工设施及建筑工程，故空气污染较为严重，反映为各项重金属指标含量较高。绿地周边三面环山，且受到深圳最大的寺庙弘法寺影响，各重金属含量与工业区相当。Wang等人的研究表明寺庙烧香会导致空气中各污染物含量明显上升;See［16］的量化研究证明，不同质量的贡香燃烧后，平均每支香能使水溶性金属含量上升0.18～1.11μg/L，其中Cu、Zn所占比例最高。在实际收集到的样品中，该区域的Cu、Zn含量超出其他5个采样点，所占比例最高，表明寺庙香火对其周边空气污染较为严重。道路样地的重金属总体含量仅次于工业区和绿地，其中Mn含量高于工业区和绿地，最高值达5.86mg/L，这与我国实行的成品油质量有关，我国成品油标准(GB17930—200X)规定Mn含量控制指标为16mg/L，而欧美国家所使用的《世界燃油规范》及欧洲标准(EN228—2002)规定不允许添加含锰金属抗爆剂。道路样品的Pb含量水平与居民区、商业区及学校无明显差异，主要是因为我国施行了无铅汽油标准。

2.2空气冷凝水的阴阳离子含量空气冷凝水中阴阳离子浓度如图3、图4所示。SO2－4、NH+4和Ca2+的浓度高于NO－3、Na+和K+，且最大值与最小值相差一个数量级，表明工业环境污染与人为活动对其影响较大。F－、PO3－4和Mg2+在所有样品中含量均较低，不超过0.051mg/L。在工业区的样品中，Na+与Cl－含量较高，说明洋面蒸发的Na+与Cl－会明显影响样品中的含量。绿地周边的各离子浓度并不比其他采样点高，反映出寺庙香火对空气冷凝水中离子浓度的影响远比重金属小。道路样品NH+4、NO－2、NO－3和SO2－4的浓度高，表明汽车尾气污染对周边空气冷凝水的影响非常显著。空气冷凝水中的NO－2浓度较高，而其在固体颗粒悬浮物中却很难检测到［17］，说明了其与周边大气质量的密切关系。居民区附近有施工工地，建筑粉尘中含有较多CaCO3以及其他硫酸盐成分，致使该样地样品中Ca2+及SO2－4含量最高［18］。绿地处冷凝水的阴阳离子含量与预期的较低含量一致，表明寺庙香火对周边空气冷凝水中的常见离子含量没有很大的影响，只对其中的重金属影响较大。学校收集的样品中，NH+4浓度较高，这主要是由样地紧邻野生动物园引起的。在采样季节，学校样地受该野生动物园粪便味影响严重，推测与其释放出的氨有关。

2.3空气冷凝水中重金属和阴阳离子的时间分布在深圳典型样地，空气冷凝水的重金属和阴阳离子含量由于受到周边空气污染、当地人为活动影响等原因，在不同时间段内的浓度变化显著。图5列出了重金属Cu和Zn在4个样地(道路、工业区、绿地和商业区)的时间分布。Cu在道路样品中浓度于16:00急剧升高，一直保持到21:00，该时间段为交通高峰时期，道路拥堵，很大程度上影响了空气冷凝水中的Cu含量，与实地观测相吻合;样品中的Zn在该时间段的平均含量也高于其他时间段。绿地附近由于香火污染源的影响，且三面环山的地形不利于空气的扩散，导致重金属含量出现明显的累积过程。工业区中垃圾发电厂于下午16:00开始排放废气，空气污染十分明显。由于道路周边交通流量变化明显、工业区废气排放时间段集中，两者周边的空气质量状况在短时间内发生明显变化，故而可观察到空气冷凝水中离子含量随时间的变化特征(图6、图7)。图6中各离子浓度的变化趋势十分一致，与重金属Cu的浓度变化相吻合。硫化物、硝化物是汽车尾气中的两大污染物，其也可由溶解在液态水中NO2氧化形成，可用来表征这些气态污染物的人为污染源［19］。在工业区空气冷凝水中，SO2－4和NH+4浓度的峰值(5.96mg/L和3.40mg/L)都出现在18:00—19:00，是该时间段之外均值的10倍(0.60mg/L和0.68mg/L)。考虑到16:00之后出现废气排放情况，该高峰值出现的时间点并不意外，主要是人为影响造成的，其中工业区内的两大发电厂废气排放应为其主要的影响因素。

3结论

1)空气冷凝水化学成分的区域性差异很强。在深圳市6个不同样地中，工业区、道路以及绿地周边的空气冷凝水其污染程度较高，工业区样品的Cu浓度最高达261.9μg/L，道路周边样品的Mn最高浓度为5.68μg/L。商业区、居民区和校园的样品浓度略低，居民区样品的Pb浓度(0.063μg/L)约为工业区(0.476μg/L)的1/7。2)工业生产、工程建设及人为活动均不同程度地影响空气冷凝水的化学组分。在居民区周边，施工过程产生的建筑粉尘中普遍存在CaCO3，造成该区域样品的Ca2+浓度(3.49mg/L)比道路周边(1.98mg/L)高出76.3%。3)空气冷凝水化学组分具有明显的时间变化特征，主要受城市工业环境及人为活动等时间周期性的影响。道路周边样品受交通高峰期的影响，17:00—21:00期间重金属及离子浓度上升明显，SO2－4、NH+4及NO－3在冷凝水中的浓度分别从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：夏青李瑞利邱国玉刘成寿耿旭单位：北京大学深圳研究生院环境与能源学院