典型源排放NOx的氮同位素组成及其在渤海PM2.5溯源中的应用
孙泽宇
学位类型硕士
导师田崇国
2021-05-11
培养单位中国科学院烟台海岸带研究所
学位授予单位中国科学院烟台海岸带研究所
学位授予地点中国科学院烟台海岸带研究所
学位名称工程硕士
学位专业环境工程
关键词氮氧化物稳定氮同位素源解析PM2.5渤海地区
摘要近年来，在我国经济快速发展的同时，大气污染问题日益凸显，尤其是在京津冀等经济较为发达的地区，细颗粒物（Fine Particles, PM2.5）污染频频出现。环渤海地区坐拥众多工业大省和一、二线城市，成为我国雾霾问题最为严重的区域之一。在我国的大力治理下，PM2.5污染源在一定程度上得到控制，但二次过程形成的PM2.5占比越来越大，且硝酸盐（NO3-）的比例明显升高。了解PM2.5的来源是制定污染控制策略的关键，因此需要对PM2.5中的二次成分进行合理分配。本研究利用稳定同位素溯源技术，基于本地氮氧化物（NOx）的氮同位素（δ15N）源值探究PM2.5中的NO3-的来源，并以此为约束条件，对渤海大气PM2.5的二次颗粒物源进行再解析，旨在从同位素角度深入认识环渤海地区大气污染来源，为制定NOx和PM2.5减排控制措施提供理论依据。为了弥补δ15N-NOx本地源值的不足，本研究选取民用燃煤、生物质燃烧、道路机动车和船舶4个典型排放源作为渤海大气NOx的主要来源，开展δ15N-NOx源值的实测工作。民用燃煤和生物质燃烧源排放δ15N-NOx平均值分别为+5.46 ± 1.80‰和+6.27 ± 4.98‰，分别受到不同烟煤挥发分和生物质类型的影响。道路机动车源排放δ15N-NOx的值分布范围很广（-18.8 ~ +6.43‰）并且趋于负值，平均值为-8.66 ± 5.34‰。液化石油气（Liquefied Petroleum Gas, LPG）汽车尾气δ15N-NOx平均值显著高于汽油车和柴油车，烧轻柴的机动车排放高于重柴；行驶过程中的δ15N-NOx值高于启动时的δ15N-NOx值；此外，δ15N-NOx值随排放标准的提高和脱硝措施的装备而显著增加。船舶尾气排放的δ15N-NOx基本均为负值，分布在-35.5 ~ +6.50‰之间，所有样品的δ15N-NOx平均值为-18.4 ± 12.0‰，远低于机动车排放。散货船排放尾气δ15N-NOx平均值显著高于渔船，且小额定转速、大额定功率容易带来较高的δ15N-NOx值；以燃料油为能源的船舶运行状态排放δ15N-NOx平均值最高，其次是轻柴和重柴；在主机的不同负荷状态中，机动和巡航工况的船舶主机排放δ15N-NOx值较为接近，高于低速巡航和停泊工况；辅机排放δ15N-NOx平均值高于主机。本研究在2014年夏季至2018年春季对北隍城岛大气PM2.5开展长期观测，期间PM2.5质量浓度平均值为77.0 ± 52.3 μg/m3，日均浓度变化范围为11.6 ~ 328 μg/m3，并呈现明显的春冬季节高，夏秋季节低的季节特征。有机碳（OC）与元素碳（EC）在PM2.5中占比18.7 ± 16.2%和6.38 ± 4.89%，浓度的最高值和最低值分别出现在冬季和夏季，与PM2.5浓度的季节特征相符。水溶性离子占PM2.5质量浓度的40.7 ± 24.9%，其中NO3-在采样期间的平均浓度位居第一，夏季较高的NO3-/nss-SO42-比值说明当时机动车和船舶的贡献较高。正定矩阵因子分解（Positive Matrix Factorization, PMF）模型的源解析结果显示，二次颗粒物源对采样期间北隍城岛PM2.5的贡献最大且占有明显主导地位（28.4%），其次为机动车排放（23.3%）和生物质燃烧（18.8%），前3个源累计贡献达到70%以上；剩下的船舶排放（12.1%）、煤炭燃烧（9.13%）、工业污染源（4.97%）、海盐（2.80%）和铬工业（0.455%）贡献较低。北隍城岛大气PM2.5中δ15N-NO3-的变化范围在-3.09 ~ +50.9‰之间，平均值为+8.64 ± 6.28‰；不同的季节δ15N-NO3-水平差异较大，冬季较高的δ15N-NO3-值可能与气温和冬季燃煤取暖有关。δ18O-NO3-平均值为+75.9 ± 10.9‰，最高和最低值同样出现在冬季和夏季。贝叶斯模型解析出燃煤源对北隍城岛NO3-贡献最大（42.5 ± 11.3%），其次是生物质燃烧源（17.8 ± 9.61%）、船舶（14.7 ± 7.37%）和机动车尾气排放（14.0 ± 5.64%），生物土壤源贡献最低，为6.44 ± 2.55%。在季节变化上，冬季环渤海地区的集中供暖使得燃煤源贡献明显增加，其他源贡献均有下降；生物质燃烧源和生物土壤排放源呈现出夏高冬低的季节特征，移动源在四季的贡献相似。基于线性回归方法，得到二次颗粒物源与化石燃料燃烧、机动车排放、船舶排放和农业相关排放源的回归系数分别为0.292、0.293、0.226和0.588，进而将二次颗粒物源分配到除海盐外PMF结果的其他6个源中。最终，PM2.5合理地重新解析为7个来源：煤炭燃烧、生物质燃烧、海盐、船舶排放、铬工业、机动车排放和工业污染源，贡献率分别为14.7%、30.7%、2.80%、16.7%、0.556%、29.3%和5.25%。此时生物质燃烧赶超机动车尾气排放，成为PM2.5的最大贡献源，二者贡献率非常接近；其余的来源贡献大小顺序没有发生改变。
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语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.yic.ac.cnhttp://ir.yic.ac.cn/handle/133337/29340
专题中科院烟台海岸带研究所知识产出

推荐引用方式
GB/T 7714孙泽宇. 典型源排放NOx的氮同位素组成及其在渤海PM2.5溯源中的应用[D]. 中国科学院烟台海岸带研究所. 中国科学院烟台海岸带研究所,2021.


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