不同類型建筑垃圾堆場大氣降塵中水溶性離子污染特征

　　摘要：為了解建筑垃圾長期堆放產生的揚塵對大氣的影響，選擇北京市兩個拆遷建筑垃圾堆放場，于 2019 年夏季、秋季進行降塵連續采樣.共收集拆遷原地堆放有效降塵樣品 11 個，異地集中堆放有效降塵樣品 11 個，利用離子色譜法對大氣降塵中水溶性離子組分及質量濃度進行分析.結果表明：陽離子中質量濃度最高的是 Ca2+，其次是 K+，NH+4 濃度最低;陰離子中質量濃度最高的是 SO2-4 ，其次是 Cl-，NO-3 最低，降塵樣品呈堿性.建筑垃圾拆遷原地堆放場地 Ca2+、Mg2+、SO2-4 、Cl-、Na+、NH+4 平均濃度高于異地集中堆放場地對應各離子濃度.拆遷原地堆放場地中Ca2+、SO2-4 、Na+、Cl-受局地風向影響較大，空間分布情況與風向擴散趨勢大致相同;異地集中堆放場地各離子濃度高值區域分布較原地堆放遠，Ca2+、K+、SO2-4 、Cl-、Mg2+這 5 種離子空間分布與次主導風向較為相符.同時，兩個場地水溶性離子平均濃度與距建筑垃圾堆放地的距離有一定的關系，采樣點在距堆放中心 200 m 范圍之內離子平均濃度最大，總體來說，距離堆放中心近的采樣點位離子濃度高于距離較遠的采樣點位離子濃度.

　　關鍵詞：建筑垃圾;大氣降塵;水溶性離子;空間分布

　　王欣玉; 任雅琪; 王麗麗; 李令軍; 張天岳; 沈楠馳; 雷文凱; 趙文吉， 環境科學學報 發表時間：2021-11-04

　　1 引言(Introduction)

　　隨著城市化進程的不斷加快，建筑行業蓬勃發展，大量建筑工程產生的渣土、棄料及其他廢棄物等施工垃圾、拆遷垃圾分布在人們的居住地周圍(孫強，2017).由于建筑垃圾長期露天放置，受到風力的影響，會使一些建筑粉塵漂浮于大氣中，對周圍環境造成一定程度的污染，對空氣質量產生影響，因此建筑垃圾污染問題逐漸得到社會關注(王世鎮，2015).大氣降塵是指空氣中依靠重力自然沉降的固體顆粒物，其粒徑多大于 10 μm，被作為工業粉塵及建筑揚塵大氣污染的重要監測指標(于瑞蓮等，2009;任雅琪等，2020).研究表明，大氣降塵顆粒物易通過呼吸道進入人體，引起人的呼吸系統疾病，致使肺功能改變，對人體健康有一定影響，是造成城市污染的主要因子 ( 謝昱姝， 2006; 祁貴明，2013;郭玉明，2018).水溶性離子作為降塵的關鍵組分，占顆粒物質量的 30% ～ 60%(李少洛，2019)，被認為是引起霧霾的主要成分，對大氣氣溶膠酸堿度以及 云 凝 結 核 的 形 成 產 生 影 響 ( Fridlind et al.，2000;張偉等，2017).

　　近年來，有學者對大氣降塵及其組分進行了研究，如蔡陽陽等(2011)通過對北京城區大氣干沉降中水溶性無機離子進行觀測分析，得出 SO2-4 和 Ca2+是含量最高的陰離子、陽離子組分;蘇挺(2017) 對礦業城市攀枝花地區進行采樣，得出降塵樣品水溶性組分呈偏酸性，其中 SO2-4 貢獻率最大;倪劉建等(2007)收集南京市 6 個典型功能區的降塵并進行來源分析，得出工業區降塵量明顯高于其他地區，來自北方的降塵對南京地區影響較大.目前，學者對降塵中水溶性離子濃度及來源分析多集中于城區及固定功能區，但對建筑垃圾堆場大氣降塵污染的研究甚少，由于不同來源的大氣降塵其水溶性離子的化學組分有較大差異，因此本文以兩個典型建筑垃圾堆場為研究對象，探討大氣降塵中水溶性離子的組分及來源，并對研究區水溶性離子污染特征進行分析，研究有助于了解大氣污染的程度，對改善大氣環境質量具有重要意義.

　　建筑垃圾是指建筑物建造、整修、拆除過程中產生的渣土、棄料及其他廢棄物等的統稱(李敏等，2013).中國正經歷大規模城市化、工業化過程，建筑垃圾產量逐漸增多，約占垃圾總量的 30% ～ 40%，已成為城市垃圾的重要組成部分(魏英爍等，2019).根據相關報道，在 2006—2018 年，我國建筑業房屋施工面積呈指數型增長，可預測建筑垃圾總量必然會持續增加， 建筑垃圾生成潛力 巨 大 ( 陶 長 潔 等，2019).2014 年《我國建筑垃圾資源化產業發展報告(2014 年度)》指出，我國年建筑垃圾產生量超過 15億噸;2017 年《<中華人民共和國固體廢棄物污染環境防治法>實施情況的報告》指出，我國建筑垃圾年產量約為 18 億噸.我國擁有巨大的建筑垃圾產出量，但由于我國對建筑垃圾資源回收利用起步較晚，較歐盟國家等資源化水平較低，造成了一定程度的資源浪費(陶長潔等，2019).目前，建筑垃圾處理的主要方式為在消納場進行填埋及堆放，這種方式不僅侵占了土地資源，空氣質量也受到了影響(Villoria Saez et al.， 2013)，例如某些建筑垃圾中含有硫酸根離子，在一定溫度、濕度條件下發生化學反應釋放硫化氫氣體;廢棄紙板、木材在一定條件下釋放揮發性有機酸等有害氣體，對空氣造成污染，同時在風力作用下，建筑垃圾堆場產生的粉塵也會漂浮于大氣中，對人們的健康及出行產生影響.2020 年 10 月北京市政府正式實施《北京市建筑垃圾處置管理規定》，對建筑垃圾堆放、運輸、消納等活動進行規定及監督管理，加強對建筑垃圾管控，對生態環境進行保護及改善.在此條件下，探究建筑垃圾對大氣環境的影響具有重要意義.

　　2 材料與方法(Materials and methods)

　　2.1 研究區背景

　　選擇北京市海淀區、通州區建筑垃圾堆放場作為研究對象，海淀區堆放場為城中村拆遷垃圾長期堆放，通州區為工業建筑垃圾長期堆放，兩地均包含渣土、碎石塊、廢棄金屬等(圖 1).其中，海淀區建筑垃圾堆放場為拆遷后原地堆放，堆放場規模為13.45 萬 m2，范圍較大.除原地堆放外，很多拆除垃圾還采用了異地集中堆放的方式等待進行消納處理，垃圾多來源于周圍村落及工廠等，其堆放體積龐大，對周邊環境影響較為嚴重.通州區建筑垃圾異地集中堆放場面積為 7.9 萬 m2.

　　2.2 樣品采集

　　降塵采用干法進行收集，即在降塵缸中不添加化學試劑，降塵靠重力沉降在容器內(錢廣強等，2004).采樣裝置按照國家標準《環境空氣 降塵的測定 重量法》(GB / T 15265-1994)，使用直徑 15 cm、高度 30 cm 的光滑圓筒形玻璃材質降塵缸，置于距離地面 2～3 m 的電線桿或樹干上，采樣結束后用塑料薄膜對降塵缸進行密封處理，防止運輸過程中其他塵土的干擾(王麗麗等，2020).采樣時間為 2019年 8—10 月，時長為 90 d.采樣點以建筑垃圾堆為中心，采用同心圓布點法，呈放射式布設于垃圾中心周圍，在拆遷原地堆放處共設置 16 個監測點，在異地集中堆放處共設置 19 個監測點，堆放場地形平坦，四周無高大建筑物，且無其他污染源影響.受自然條件及人為破壞的影響，在采集時間內收回拆遷原地堆放降塵樣品 14 個，異地集中堆放降塵樣品13 個，收集回的樣品經離子色譜儀測定分析后，將結果導入 SPSS 軟件中進行異常值檢驗，剔除異常值，使得數據服從標準正態分布，最終得到拆遷原地堆放有效降塵樣品 11 個(圖 2a)，異地集中堆放有效降塵樣品 11 個(圖 2b).

　　2.3 儀器與分析

　　水溶性離子的測定按照中華人民共和國國家環境保護標準《環境空氣 顆粒物中水溶性陽離子(Li+、Na+、NH+4 、K+、Ca2+、Mg2+) 測定 離子色譜法》(HJ 800—2016)和《環境空氣 顆粒物中水溶性陰離子(F-、Cl-、Br-、NO-2 、NO-3 、PO43-、SO32-、SO2-4 )的測定 離子色譜法》 (HJ 799—2016) 進行.收集回的降塵缸樣品需挑除樹葉、昆蟲等異物，用蒸餾水對缸壁進行反復沖洗，將濁液倒入蒸發皿中蒸發至干，再將蒸發皿放入烘箱中調至 105 ℃ 進行烘干處理，用十萬分之一電子天平取降塵樣品 0.100 g 轉入聚酯(PET)瓶，在超聲波清洗器內超聲提取后，加去離子水定容至 100 mL，制成濾液(劉章現等，2011;王麗麗等，2020).水溶性離子的測定采用瑞士萬通離子色譜儀(型號 850professional IC)，利用 0. 22 μm針頭過濾器對待測濾液過濾，按采樣標號依次注入儀器中，分別對濾液中的 8 種水溶性離子(Na+、K+、Ca2+、Mg2+、NH+4 、Cl-、NO-3 、SO2-4 ) 進行分析，得到各水溶性離子的質量濃度.

　　3 結果與分析(Results and analysis)

　　3.1 水溶性離子組分與濃度

　　根據降塵樣品中水溶性離子濃度分析結果，繪制建筑垃圾拆遷原地堆放以及異地集中堆放過程，降塵樣品中 Na+、K+、Ca2+、Mg2+、NH+4 、Cl-、NO-3 、SO2-4分別占陽離子總濃度、陰離子總濃度的比例圖(圖3)以及兩個堆放場地不同水溶性離子平均濃度柱狀圖(圖 4).

　　由圖 3、圖 4 可以看出，降塵樣品中 Ca2+是最主要的陽離子，在兩個建筑垃圾堆放場地中均占陽離子濃度總和的 50%以上;其次是 K+，在拆遷原地堆放場及異地集中堆放場分別占陽離子濃度總和的25.54%、35.93%;含量最少的陽離子組分是 NH+4 ，在原地及異地堆放場中分別占陽離子濃度總和的1.75%、0.75%，不足 2%.SO2-4 是濃度最高的陰離子，在兩 個 堆 放 場 地 中 分 別 占 陰 離 子 濃 度 總 和 的55.81%、41.48%，約占陰離子總濃度的一半;其次是Cl-，占陰離子濃度總和的 30% ～ 40%;含量最少的陰離子組分為 NO-3 ，在拆遷原地堆放地和異地集中堆放地占比有所差異，分別為 5.70%、22.22%.作為典型地殼元素，Ca2+通常是建筑塵、土壤塵的示蹤物(Lestari et al.， 2013; 苗紅研等， 2016; 程佳惠等，2014)、Mg2+多來自土壤風沙塵(徐宏輝等，2007;Liet al.，2013).K+是生物質、植物燃燒的標志元素(徐宏輝等，2007;Lestari et al.，2013; Li et al.，2013)，兩地降塵樣品中 K+濃度均較高，推測可能是因為采樣時間為秋季，樣品在一定程度上受枯葉影響，同時采樣點周圍村落的生產活動也可能有一定影響.Na+、Cl-可來自于海鹽(狄一安等，2013)，由于采樣地點距離海洋較遠，故排除海洋源的影響，Cl-在人為源中是燃料燃燒的元素，自然源中可來源于土壤，Na+在自然界主要來源于沙塵(高韓鈺，2018).二次離子中 NH+4 主要來自人為源，如農業、機動車污染等(Sun et al.， 2014;高韓鈺，2018);SO2-4 、NO-3為燃煤、工業生產、機動車尾氣等過程產生的 SO2 、NOx等氣體轉化而成，它們更易與顆粒物反應而存在，最終與顆粒物沉降下來(蔡陽陽等，2011).相關研究表明，SO2-4 、NO-3 多來自二次污染源，NO-3 是汽車尾氣的指標， SO2-4 是燃煤的指標 ( Wang et al.，2016)，當大氣顆粒物中 NO-3 與 SO2-4 的質量濃度比大于 1 時則其以移動排放源污染為主，小于 1 則以固定排放源污染為主(景元書等，2006;李彩霞等，2007).本文通過分析計算兩個垃圾堆放場地中 NO-3和 SO2-4 的比值分別為 0.13、0.65，遠小于 1，與北京市奧運村地區 1.45(刀谞等，2015)，北京城區 1. 9(李歡等，2020)相比，比值較低，說明建筑垃圾場附近大氣降塵中水溶性離子污染是以固定排放源污染為主，同時有研究對建筑垃圾滲濾液進行長期取樣分析，表明 SO2-4 是建筑垃圾的特征污染成分(王羅春等，2007)，考慮到采樣時間橫跨夏、秋季，此時無燃煤排放的影響，因此可認為降塵污染主要來自建筑垃圾場這種固定污染源.

　　通過對比建筑垃圾拆遷原地堆放與異地集中堆放水溶性離子平均濃度圖(圖 4)可看出，拆遷原地堆放離子濃度排列順序為：Ca2+>K+>SO2-4 >Cl->Mg2+>Na+>NO-3 >NH+4 ，異地集中堆放離子濃度排列順序為：Ca2+>K+>SO2-4 >Cl->NO-3 >Na+>Mg2+>NH+4.總體上來看，拆遷原地堆放場地離子濃度總體上較異地集中堆放濃度高，大氣受污染程度大.陽離子中Ca2+在兩個垃圾堆放場地濃度均較高，原地堆放場Ca2+濃度高于集中堆放 Ca2+ 濃度、Mg2+ 濃度也明顯高于集中堆放 Mg2+離子濃度，這說明采樣點周圍受到土壤塵、局部揚塵等的影響.原地堆放場 Na+、NH+4濃度也高于集中堆放 Na+、NH+4 濃度，K+濃度則在集中堆放場地高于原地堆放.陰離子中拆遷原地堆放場地 SO2-4 和 Cl-濃度略高于異地集中堆放 SO2-4 、Cl-濃度，而 NO-3 在異地集中堆放處濃度高于拆遷原地堆放 NO-3 濃度，推測認為是集中堆放處局部受到人為污染的影響.綜合分析其原因，很可能是建筑垃圾拆遷原地堆放場垃圾堆放較分散，原地拆遷后就地堆放，未被集中堆放至一處，在風力作用下揚塵量較大，擴散能力強，故而產生了較大的土壤塵;而異地集中堆放場作為垃圾堆體，在風力作用下擴散面積較小，揚塵量較小，因此原地堆放場地離子濃度較集中堆放濃度高.

　　3.2 陰陽離子平衡分析

　　相關研究表明，可用陰離子和陽離子的摩爾數值判斷降塵樣品的酸堿性，即用陰離子電荷當量 AE(Anionic Equivalent)與陽離子電荷當量 CE(CationEquivalent)的比值來確定酸堿性(周盼等，2018;李歡等，2020).樣品中 Mg2+、Ca2+、K+、NH+4 、Na+等陽離子多會使樣品呈堿性，SO2-4 、NO-3 、Cl-等陰離子多則會使樣品呈酸性，當 AE / CE>1 時，樣品呈酸性，AE /CE<1 時，呈堿性.陰陽離子平衡公式(蘇挺，2017;劉程等，2019)見式(1) ～ (2).CE =[Na+]23+[Ca2+]20+[K+]39+[Mg2+]12+[NH+4 ]18(1)AE =[SO2-4 ]48+[Cl-]35.5+[NO-3 ]62(2)

　　建筑垃圾拆遷原地堆放與異地集中堆放場 AE /CE 的值分別為 0.44、0.17，均小于 1，這表明這兩個建筑垃圾堆放場地降塵樣品中陽離子較多，降塵樣品呈堿性，由于受建筑塵等影響樣品中 Ca2+、Mg2+含量較多，與受建筑塵影響的樣品結果相符合，這也可能是由于未檢測 F-、NO-2 等陰離子，使得陰離子相對虧損導致的.

　　3.3 水溶性離子空間分布特征

　　空間插值利用已有的點集數據建立插值函數，將采樣點集范圍內的空間坐標代入函數，求得目標范圍內任意點屬性值的一種方法，它能將離散點的實測數據轉換為連續的曲面數據(李海濤等，2019;任雅琪等，2020).本文應用 Arcgis 軟件中樣條函數插值(Spline)方法，將實測的水溶性離子濃度數據進行樣條函數插值，得出不同水溶性離子空間分布圖(圖 5、圖 7)

　　由圖 5 可知，建筑垃圾堆放中心周圍 Ca2+濃度最高，最大值達到 23.9 mg·g-1，出現在垃圾堆放中心的西南部，東北部距中心 300 m 處離子濃度也較高;SO2-4 濃度最大值為 10.0 mg·g-1，分布在距離堆放中心 150 m 的西南部，垃圾堆放中心濃度較高，其他區域較低;Na+、Cl-空間變化比較相似，離子濃度最大值均分布在垃圾堆放中心的東部，分別為 4.6、7.8 mg·g-1;NO-3 濃度最大值為 1.5 mg·g-1，出現在堆放中心的東南部，西部局部點濃度也較高;Mg2+濃度最大值為 3.8 mg·g-1，出現在距離堆放中心 300 m的西北部區域，西南部有小部分區域離子濃度也較高;NH+4 的最大值為 1.6 mg·g-1，出現在堆放中心的東南部，其他區域濃度均較低;K+ 的最大值為 13.6mg·g-1，出現在堆放中心的西北部.結合采樣期間日均兩次的地面風速、風向數據(數據來源于國家氣象信息中心)制作風頻圖(圖 6a)，發現該地夏、秋季節主導風向為西南風，次主導風向為東北風，8 種水溶性離子中 Ca2+、SO2-4 、Na+、Cl- 空間分布與風向擴散趨勢大致相同.

　　由圖 7 可看出，異地集中堆放場中 Ca2+、SO2-4 、Mg2+3 種水溶性離子空間變化趨勢相似，濃度最大值分別為 16.6、9.0、0.4 mg·g-1，高值區域出現在堆場中心的南部、西北部區域;Cl-、K+空間分布大致相同，濃度最大值分別為15.3、19.4 mg·g-1，高值區域出現在堆場西北部，低值區域分布于堆場東北部，結合異地集中堆放場地采樣期間風頻圖(圖 6b)，此時研究區主導風向為南風，同時受東南風的影響也較大，Ca2+、SO2-4 、K+、Cl-、Mg2+這 5 種離子空間分布與次主導風向較為相 符. Na+ 濃 度 最 大 值 為 2. 3mg·g-1，高值區域出現在堆場西部;NO-3 濃度最大值23.3 mg·g-1，出現在距離堆場中心 100 ～ 400 m 的東北部區域;NH+4 最大值為 0.3 mg·g-1，出現在堆場東南部.

　　綜合對比兩個垃圾堆放場地水溶性離子空間分布圖可看出，雖然 8 種離子空間分布情況有所差異，但建筑垃圾主要離子 Ca2+、SO2-4 空間變化趨勢具有一致性，受到主導風向及次主導風向的影響，拆遷原地堆放各離子濃度高值區多分布在堆放中心的 200 m 范圍內，堆放中心東北部、西南部區域離子濃度較大.而異地集中堆放場地各離子濃度高值區有分布在距堆場中心 200 m 范圍內，也有離子濃度高值區分布較遠，出現在距堆放中心 200 ～ 400 m范圍內，堆場西部、西北部受影響較大，在一定程度上也受主導風向及次主導風向影響.

　　3.4 水溶性離子空間變化趨勢

　　以采樣點到垃圾堆放中心 200、400 m 的距離為界限，探討各離子平均濃度與距離的關系.由圖 8 可看出，拆遷原地堆放場地 SO2-4 、Na+、NH+4 、Ca2+、Mg2+在 200 m 范圍之內離子濃度最高，其次在 400 ～ 600m 范圍內，濃度最低則出現在 200 ～ 400 m 的范圍內;NO-3 、Cl-、K+在 200 ～ 400 m 之間離子濃度最高，其中 NO-3 在小于 200 m 范圍內濃度最低，Cl-、K+在400～600 m 范圍內最低.異地集中堆放場地中 SO2-4 、NO-3 在 200 m 范圍內離子濃度最高，其次是 200 ～400 m 之間，離子濃度最低的則出現在 400 ～ 600 m的范圍內;Cl-、Mg2+、Ca2+、K+ 濃度最高值也出現在200 m 范圍內，其次為 400～600 m，濃度最低在200～400 m 間;與其他離子不同的是，Na+、NH+4 濃度在距離堆放中心 200～400 m 間最高，其次為 200 m 范圍內，濃度最低則在 400～600 m 間.

　　綜合分析兩圖可得出，不同水溶性離子濃度與距堆放中心距離具有明顯的關系，建筑垃圾典型離子 Ca2+、SO2-4 、Mg2+在兩個建筑垃圾堆放場中距堆放中心 200 m 范圍之內離子平均濃度最大，平均濃度高于距堆放中心較遠處各監測點的平均離子濃度，總的來說，距離堆放地越近的采樣點的離子平均濃度高于距離較遠采樣點的離子平均濃度.兩個研究區降塵中水溶性離子濃度在不同的距離范圍之內有不同的數值，這可能與兩個場地氣象因素及地形中樹木遮擋有關.

　　4 結論(Conclusions)

　　1)建筑垃圾拆遷原地堆放場地與異地集中堆放場地大氣降塵樣品中各水溶性離子濃度不同，但8 種離子濃度變化趨勢大致相同，表現為在兩個堆放場地，陽離子中 Ca2+是主導離子，占陽離子總濃度的 50%以上，其次是 K+，占陽離子總濃度的 25% ～40%，含量最少的陽離子組分是 NH+4 ，占陽離子總濃度的 2%以下;陰離子中 SO2-4 是主導離子，占陰離子總濃度的 40% ～ 60%，其次是 Cl-，占陰離子總濃度的 30% ～40%，含量最少的陰離子組分是 NO-3 ，占陽離子總濃度的 5% ～ 25%.建筑垃圾拆遷原地堆放場地 Ca2+、Mg2+、SO2-4 、Cl-、Na+、NH+4 平均濃度高于異地集中堆放場地對應各離子濃度.

　　2)由建筑垃圾場地陰陽離子電荷平衡分析結果可知，建筑垃圾拆遷原地堆放與異地集中堆放降塵樣品總體上呈堿性.

　　3)建筑垃圾拆遷原地堆放 Ca2+、SO2-4 、Na+、Cl-受該地風向影響較大，空間分布情況與風向擴散趨勢大致相同.異地集中堆放場地各離子濃度高值區域分布較拆遷原地堆放更遠一些，Ca2+、K+、SO2-4 、Cl-、Mg2+ 這 5 種離子空間分布與次主導風向較為相符.

　　4)拆遷原地堆放場和異地集中堆放場各水溶性離子平均濃度與距建筑垃圾堆放地距離有一定的關系，總的來說，距離堆放中心越近的采樣點位離子濃度高于距離較遠的采樣點位離子濃度.