块煤用户屋内颗粒物浓度变化特点

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本文作者：樊景森1,2邵龙义1王静1王建英1李泽熙1作者单位：1.中国矿业大学(北京)地测学院2.河北工程大学资源学院

宣威是我国肺癌死亡率最高的地区之一,尤其是女性肺癌死亡率居全国首位,在世界女性肺癌死亡率中属于前列[1].宣威肺癌高发已经引起了国内外学者的高度关注[2-5].研究发现,农民肺癌死亡率通常要比其他职业的肺癌死亡率要高[6].Lam等[7]的研究结果认为,吸烟并不能解释宣威肺癌高发.邵龙义等[8]研究认为,水溶性Zn、Cd和Pb等可能与肺癌高发区PM10样品具有较强氧化性损失能力有关.相关研究确定了肺癌的发病率与多环芳烃的关系曲线[9-10],但是Tian[11]没有发现多环芳烃与宣威肺癌在地理位置上的关系,因此多环芳烃与宣威肺癌的关系有待深入研究.研究表明宣威农村肺癌的高发病率与家庭使用烟煤高度相关[1,12-13],室内煤燃烧的排放是宣威肺癌产生的因素之一[14].近几年来流行病学研究表明,大气环境中颗粒物易诱发肺癌而使死亡率增高[15].

颗粒物的质量浓度是颗粒物的重要物理特性之一,可以表征颗粒物的污染特征.颗粒物质量浓度与人类疾病(特别是呼吸系统疾病、心脑血管疾病)的发病率和死亡率具有显著的相关性[16-17].宣威肺癌地区大气颗粒物的物理特征方面的研究较少,虽然当地大部分居民已经改善了排烟系统,但是颗粒物浓度仍然较高,本研究采用重量称量法,研究宣威肺癌高发区不同时段和室内、外的质量浓度变化特征,旨在为宣威肺癌的病因研究提供一定的基础数据,并为宣威肺癌的防治提供依据.

1样品采集

为了弄清宣威地区不同燃料产生的可吸入颗粒物的质量浓度特征,在宣威地区选择散煤、型煤、用电、燃柴为燃料的6个乡村(虎头、落水、新建、龙林、旧堡、草花)19家农户进行采样,2次采样时间分别为2011年1月和2011年3月.使用青岛仪器厂的KB-120E型中流量TSP-PM10-PM2.5采样器采集PM10和PM2.5,仪器距离地面约为1.5m,滤膜为90mm的石英滤膜,采样流量为100L/min.室内采样在厨房进行,室外采样点距离屋门5m左右,室外采样时与该户室内采样同时进行.采样时间从09:00到次日09:00.

采样前后,将滤膜置于温度为20℃±1℃、相对湿度为40%±5%的条件下恒温48h,然后用十万分之一电子天平(AND,日本)称量,然后根据采样流量和采样时间,计算颗粒物的质量浓度[18].按公式(1)计算PM10的质量浓度:C=(W2W1)/V(1)式中:C为质量浓度,μg/m3;W1为采样前滤膜的重量,μg;W2为采样后滤膜的重量,μg;V为标准状况下的采样体积,m3.

2结果与讨论

2.1室内外大气颗粒物关系

近年来,很多研究应用PM10的质量浓度室内/外(I/O)比值来研究室内、外颗粒物的关系[19-23].如果I/O1,则室内的颗粒物污染主要是由室内污染源所引起;如果I/O<1,则室内颗粒物主要来自室外.从表1可以看出,宣威地区各村庄的I/O比值为1.74~2.87,明显高于北京地区PM10质量浓度I/O比值(0.6~0.9)[24],说明宣威地区各村庄农户室内的颗粒物污染主要是室内污染源引起,这与当地的住房结构和使用烟煤做燃料有关,宣威当地大部分住户门窗较小,房屋较低,没有独立厨房,火塘或炉灶处于客厅内用于做饭和烤火.由于采样期间为天气较冷的冬天,燃煤较多,因此室内颗粒物的污染较为严重.而北京受工业和交通污染影响,室外污染较为严重,而且北京住房多为客厅、卧室和厨房隔开,因此受厨房污染较小[18].

2.2做饭与非做饭时段的大气颗粒物质量浓度特征

在宣威地区肺癌村虎头村对做饭时段和非做饭时段的室内PM10样品进行采集,做饭与非做饭时段使用燃料均为块状烟煤,其质量浓度分布情况为:做饭时段的4个PM10样品的质量浓度为355.6~488.9μg/m3,而非做饭时段3个样品的质量浓度为200~233.3μg/m3.做饭时段的质量浓度明显增大,说明做饭时段烟煤燃烧对室内PM10浓度有严重的影响;PM10质量浓度与做饭和采样时间有一定关系,做饭时间越长,添加的燃煤越多,颗粒物质量浓度越高;采样时间越长,颗粒物的浓度不一定越高,因为它受户型和通风等条件的影响,但短时间内PM10浓度高于长时间内浓度情况与曹守仁等[25]的研究结果一致.同时在该农户室外的烟囱口,选择中午和晚上做饭时段及前后采集PM10样品,其质量浓度变化情况如下:中午做饭前10:55~11:25PM10质量浓度为188.9μg/m3;中午做饭时段11:40~13:50PM10质量浓度升至1047μg/m3;14:50~15:00午饭后时段PM10质量浓度降至288.1μg/m3;下午做饭前时段16:20~17:20PM10质量浓度又降至91.9μg/m3;晚饭做饭时段17:25~17:40采集的烟煤刚开始燃烧初期PM10样品的质量浓度升至8166.7μg/m3;随后做饭过程中17:45~18:45时段PM10质量浓度降至733.3μg/m3.结果显示,室外烟囱口处做饭时段PM10质量浓度明显升高,这说明向火塘添加大量烟煤且烟煤刚开始燃烧阶段会产生大量的PM10,并且通过烟囱将室内污染转移到室外.

2.3不同燃料类型用户室内大气颗粒物质量浓度特征

由表2可见,块煤用户室内PM10质量浓度为48.11~1441.73μg/m3,均值442.49μg/m3(37个样品),PM10的质量浓度最高,说明室内PM10的污染最严重.在37个样品中有2个样品的质量浓度达到1400μg/m3以上,这2个样品是在一个非常传统的宣威老户型的室内采集,该户2位老人常在火塘边烤火,且没有烟囱,因此室内PM10质量浓度较高.在37个样品中仅有4个样品质量浓度低于室内空气质量标准(GB/T18883-2002)[26]PM10的日均值150μg/m3,这说明宣威地区块煤用户的室内PM10污染都较为严重.质量浓度最低的3个为2011年3月中旬采集,此时宣威地区气温较高,用户只在做饭时燃煤,而且门窗经常打开通风,因此室内PM10的质量浓度较低;型煤用户室内PM10质量浓度范围为393.68~404.60μg/m3,均值为399.14μg/m3(2个样品);燃柴用户室内PM10质量浓度为139.99~151.01μg/m3,均值为145.50μg/m3(2个样品);用电用户室内PM10质量浓度为43.75~288.41μg/m3,均值119.91μg/m3(6个样品).在6个样品中仅有1个样品的质量浓度高于室内空气质量标准(GB/T18883-2002)[26]PM10的日均值150μg/m3,该户处于公路边且该户室外厨房距离较近.总之,块煤和型煤用户的PM10平均质量浓度均高于室内空气质量标准(GB/T18883-2002)[26]PM10的日均值150μg/m3;而燃柴和用电用户室内PM10均值均低于室内空气质量标准(GB/T18883-2002)[26]PM10的日均值150μg/m3.这种现象说明不管是块煤还是型煤用户室内PM10污染较为严重,而燃柴和用电用户室内PM10没有形成污染.

周林[27]研究得出,肺癌村虎头村PM10的质量浓度日均值的平均值为104.27μg/m3,与本研究(442.49μg/m3)差别较大,主要原因可能是2011年1月16日晚(采样第1天)宣威地区下了一场大雪,造成当地的气温比较低有关,还与采样农户的平时用煤量有一定关系.李红格等[28]对山西太原“城中村”研究表明为散煤用户室内PM10平均值为1477μg/m3,蜂窝煤用户室内平均值为1167μg/m3,远远高于本研究结果,这可能该城中村使用燃煤土小锅炉有关.

块煤用户室内PM2.5质量浓度范围为19.11~679.52μg/m3,均值为132.58μg/m3(17个样品),超过国家环境保护部2月29日公布拟采用标准(GB3995-2012)[29]PM2.5日均值75μg/m3近1倍说明污染较严重.在17个样品中只有6个样品PM2.5质量浓度低于该标准,说明块煤燃烧引起的大部分用户室内PM2.5污染.不同燃料用户中质量浓度最高,说明块煤用户室内PM2.5污染最严重;燃柴用户室内PM2.5质量浓度为51.63~58.85μg/m3,均值为55.24μg/m3(2个样品);用电用户室内PM2.5质量浓度范围为30.00~127.35μg/m3,均值为65.02μg/m3(4个样品).在所有4个样品中有一样品点的PM2.5质量浓度达到127.35μg/m3,该点位于公路边且与独立厨房较近,白天门窗打开受到室外污染的影响;用电和燃柴用户的PM2.5的平均质量浓度都低于国家环境保护部2月29日公布拟采用标准(GB3995-2012)[29]PM2.5日均值75μg/m3,说明用电和燃柴用户室内PM2.5污染程度较低.

3结论

3.1各村庄的I/O比值均为1.74~2.87,远大于1,说明宣威地区农户室内的颗粒物污染主要由室内污染源引起,当地的住房结构和用烟煤做燃料是宣威地区室内PM10污染较重的原因.

3.2做饭时段与非做饭时段比室内PM10质量浓度明显增大,说明做饭时段室内污染加重;做饭前后室外烟囱口出的PM10质量浓度较低,说明做饭对燃煤产生的PM10有重要的影响.

3.3块煤和型煤用户的PM10平均质量浓度均高于室内空气质量标准(GB/T18883-2002)[26]PM10的日均值150μg/m3;而燃柴和用电用户室内PM10均值均低于室内空气质量标准(GB/T18883-2002)[26]PM10的日均值150μg/m3.说明块煤、型煤用户室内PM10污染较为严重,而燃柴和用电用户室内PM10污染程度较低.

3.4块煤用户室内PM2.5质量浓度日均值的平均值超过国家环境保护部2月29日公布拟采用标准(GB3995-2012)[29]PM2.5日均值75μg/m3近1倍,说明污染较严重;用电和燃柴用户的PM2.5的平均质量浓度都低于75μg/m3,说明用电和燃柴用户室内PM2.5污染程度较低.

3.5颗粒物浓度较高时对人体健康影响比较严重,因此建议当地居民应该尽量安装烟囱,减少块煤而增加型煤的使用,经济条件允许的情况下用电供暖和烹饪.