电子废弃物拆解场地周边PM2.5污染趋势分析*

姚海燕，白建峰,顾卫华,李　洋

(1 上海第二工业大学电子废弃物研究中心，上海　201209；2 上海电子废弃物资源化协同创新中心，上海　201209)



环境保护

电子废弃物拆解场地周边PM2.5污染趋势分析*

姚海燕1,2，白建峰1,2,顾卫华1,2,李洋1,2

(1 上海第二工业大学电子废弃物研究中心，上海201209；2 上海电子废弃物资源化协同创新中心，上海201209)

从2013年冬季至2015年秋季对电子废弃物拆解场地周边进行大气监测，对不同季节的大气污染物PM2.5含量以及PM2.5中所含As、Cu、Cd、Pb、Zn等重金属含量随时间的变化做了污染分析。研究发现从2013年冬季至2015年秋季每个季度PM2.5含量的平均值分别为152.87、205.45、62.20、173.69、273.89、164.57、192.76、188.90 μg/m3，均超过了国家空气质量二级标准(GB3095-2012)的浓度限值75 μg/m3，超标倍数分别为2.04、2.74、0.83、2.32、3.65、2.19、2.57、2.52倍。PM2.5中的各种重金属元素在不同采样点随着季节的变化差异显著，这和每个季节的不同风向以及拆解厂区的拆解工作有很大关系。由电子废弃物拆解场地周边PM2.5中重金属的相关性分析可以初步推断As、Cd、Cu和Pb、Zn可能来源相同。

电子废弃物；PM2.5；重金属；污染分析；相关性分析

在电子废弃物拆解和回收处理过程中，重金属会粘附于颗粒物进入环境中，对周边的大气环境造成严重的污染[1]。Deng等[2]调查发现贵屿大气PM2.5中重金属Cu、Pb浓度高达126 mg/m3和392 mg/m3，是已有亚洲城市数据中记录最高的数据。Leung等[3]在贵屿地区电子废弃物拆解车间外的主干道灰尘中检测重金属Cu、Pb、Ni的含量分别为6170、22600、304 mg/kg。Brigden等[4]调查的印度电子废弃物拆解工厂灰尘中Pb、Cu、Ni的含量范围分别为150～10900、168～6805、28～541 mg/kg。邓晶晶等[5]通过研究发现，在电子废弃物拆解场地灰尘中Cu、Pb含量分别为20268.75、8056.25 mg/kg，明显高于周边并随距离变化，且Cu、Pb含量分别比上海高出近30倍和6倍。许振明等[6-7]对上海一家中型电子废物回收企业进行了系统调查，研究发现废弃印刷电路板的回收拆解行为会向周边环境释放出Cr、Cu、Cd、Pb等多种重金属，对环境造成严重的污染。在电子废弃物拆解处置过程中，高浓度的重金属(Cd、Ni、Cu、Cr、Pb等)粘附于小颗粒，通过呼吸、饮水、沉降等各种方式进入各种生物体，对生物体的健康产生各种危害[8-10]。因此，对电子废弃物场地周边的大气PM2.5监测非常有必要。目前，对电子废弃物处置、处理过程中引起的污染问题的连续监测研究是不够的，文章通过对采样地点的连续监测分析各个季度的PM2.5及其中重金属含量，为我国电子废弃物拆解企业拆解过程重金属排放提供基础数据，为电子废弃物处理行业在处理过程中的污染控制提供借鉴。

本文以上、下风向共6个采样点PM2.5浓度随时间的变化的测试数据为基础，研究发现所采集的PM2.5样品中所含As、Cu、Cd、Pb、Zn等重金属的含量较高，故文中针对这5种重金属元素进行污染分析，对电子废弃物拆解场地周边PM2.5含量、重金属含量进行污染分析以此来探寻颗粒物中重金属浓度的季节变化特征。

1　材料和方法

1.1大气样品的采集

采样点设置在电子废弃物拆解场地附近区域，采样点的布设按照实际情况而定，共设置6个采样点，离拆解场地的距离分别为东南方向1000 m、西南400 m、南500 m、厂区门口100 m、北1000 m、北400 m。采样方位详见图1和表1。采样时间从2013年冬季至2015年秋季，在每个季度进行采样。该地域属于亚热带季风气候，春夏两季以东南风为主，秋冬两季以西北风为主，冬夏两季干湿度不明显。

图1　电子废弃物场地周边PM2.5采集点示意图

点位编号点位描述GPS定位S1电子废物拆解地(东南侧1000m)N:30°49'18″E:121°25'17″S2电子废物拆解地(西南侧400m)N:30°49'34″E:121°25'14″S3电子废物拆解地(南侧500m)N:30°49'08″E:121°25'15″S4电子废物拆解地(厂区门口100m)N:30°49'25″E:121°25'14″S5电子废物拆解地(北侧1000m)N:30°49'30″E:121°25'15″S6电子废物拆解地(北侧400m)N:30°49'05″E:121°25'09″

采样前须预先将石英纤维滤膜放在恒温烘箱里60℃烘干24 h，采样流量为100 L/min，使用中流量大气颗粒物采样器(山东崂应2030型)对大气中的PM2.5进行采集。采样后将滤膜放入聚氯乙烯袋密封，拿回实验室置于待测，在每个季度选取晴朗天气各采集3次，取三次采样平均值。

1.2大气样品的分析

采样后把滤膜恒温干燥箱(上海一恒科技有限公司，DHG-9070A)中干燥24 h，取出用百万分之二天平(CPA26P)进行称重，分别称重3次，保持每次称重误差在0.2 mg以内(若超过，则重新称重)，取3次称量的平均值作为滤膜的重量。

取采集PM2.5样品滤膜的1/4进行重金属含量的分析。用塑料剪刀将滤膜剪至碎屑状放入50mL试管中，加入王水10mL 置于水浴锅中，在90℃下恒温条件下加热消解3 h后将溶液过滤定容至50mL，然后利用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES,Thermo,A-6300)测定样品中的重金属元素总量含量。

同时，取与采样相同的空白滤膜，按照上述过程消解空白样品，测定其含量，减少实验误差。

2　结果与讨论

2.1电子废弃物场地大气中PM2.5含量分析

对电子废弃物场地周边的PM2.5监测显示，每个季度的PM2.5的质量浓度都有所变化，每个季度各采样点的质量浓度是相近的(2015年秋除外)。但是每个季节的PM2.5含量是不同的。从图2中可以看出，秋冬季节的PM2.5含量相对春夏两季较高，可能与夏季后期采样区域进入梅雨季节有关，降雨量比较大，带走了部分颗粒物，使得颗粒物含量整体有所降低[11-12]。夏季的PM2.5含量的降低也可能与气温升高，大气稳定度降低有关系[13]。2013年冬季至2015年秋季，每个季度的PM2.5含量的平均值分别152.87、205.45、62.20、173.69、273.89、164.57、192.76、188.90 μg/m3，除2014年夏季外，均超过了国家空气质量二级标准(GB3095-2012)的浓度限值75 μg/m3，超标倍数分别为2.04、2.74、0.83、2.32、3.65、2.19、2.57、2.52倍。所有季度的平均值全部超过了美国环保署关于PM2.5的浓度限值35 μg/m3[14]。可能是由于该区域地处化学工业区，整个区域的PM2.5浓度较高。2015年秋季2号和5号采样点的PM2.5浓度达到了449.1 μg/m3和314.22 μg/m3，可能与当时风向有很大关系。电子废弃物拆解场地周边PM2.5的研究结果相对贵屿电子废弃物拆解场地的PM2.5来说，含量相对较低[15]。但是显著高于上海城市中徐家汇、临安的PM2.5平均质量浓度131.6、83.5 μg/m3[16]。表明电子废弃物的拆解活动给周围的大气环境带来的污染更为严重。

图2　不同季节PM2.5的质量浓度

2.2电子废弃物场地大气中各重金属全量分布规律

从图3中可以看出，电子废弃物拆解场地周边PM2.5中在不同季节的各重金属全量分布规律如下：总体来看，As的含量随着时间具有上升趋势随后稍有下降，Cd和Pb的含量基本上比较平缓，Cu的含量稍有下降，Zn的含量随着时间增加比较明显。As、Cd、Cu的含量基本上在2014年冬季达到最高，分别为18.50、1.87、22.18 ng/m3。As的含量是国家空气质量标准的3.08倍，Cd、Cu的含量在国家空气质量二级标准以内。Pb的平均质量浓度在2014年秋季达到最高，为24.42 ng/m3，在国家空气质量二级标准以内。Zn的平均质量浓度在2015年春季达到最高，为335.80 ng/m3。对于2014全年来说，五种重金属的含量分布为春夏两季低于秋冬两季。这可能是因为秋冬季节该地区主要季风为西北风，主风向上存在一些污染源，例如其他一些工业企业排放的污染物等被带入厂区周边。电子废弃物厂区以及周边冬季的一些采暖设施也有可能加重周边大气中重金属的污染[17]。另外，每个季节重金属含量的差异与各重金属元素的土壤背景值有很大关系。

图3　不同季节PM2.5中各重金属平均质量浓度分布图

2.3不同采样点的重金属浓度随季节变化分布

图4显示的是不同采样点的重金属浓度随着季节变化的分布图，As、Cd、Cu、Pb、Zn各重金属浓度的最大值分别出现在2014年春季4号位点，2014年冬季的4号位点，2014年春季4号位点，2014年秋季4号位点，2015年春季4号位点。总体来看，4号位点污染较为严重，可能由于离厂区的距离比较近。以2014年为例，春夏两季，2、3位点的各重金属含量普遍低于4、5、6位点，这是因为春夏两季东南风为主导风向，4、5、6位点处于电子废弃物拆解厂区的下风向，使得大气PM2.5中重金属的含量升高。秋冬两季，2、3位点的重金属含量普遍高于5、6位点，这是因为秋冬两季西北风为主导风向，5、6位点处于拆解区场地的下风向，使得大气PM2.5中重金属的含量升高。这说明，随着季节的变化，风向也说导致电子废弃物拆解地周边PM2.5中重金属含量差异的一个关键性因素[18]。

图4　不同采样点的重金属浓度随季节变化分布图

2.4相关性分析

根据相关性可以判断土壤重金属污染来源是否相同，且系数越大，表明重金属元素的同源性越高[19]。大气中PM2.5的来源主要有化工工业排放、交通污染以及燃煤供暖等[20]。表2中列出了电子废弃物拆解场地周边大气PM2.5中重金属含量在不同季节时的相关性系数，As-Cd、As-Cu、Cd-Cu之间的相关性最大值分别为0.826*、0.824*、0.728，Pb-Zn之间的相关性最大值达到0.861*。可以初步推断As、Cd、Cu和Pb、Zn可能来源相同。PM2.5中的重金属可能来源于电子废物拆解处理场地，但是因该区域处于高速公路附近，也有部分可能来源于交通污染。

表2　PM2.5中重金属元素相关系数

*代表在0.05水平(双侧)上显著相关；**代表在0.01水平(双侧)上显著相关。

3　结　论

(1)2013年冬季至2015年秋季，每个季度的PM2.5含量的平均值分别152.87、205.45、62.20、173.69、273.89、164.57、192.76、188.90 μg/m3，除2014年夏季外，均超过了国家空气质量二级标准(GB3095-2012)的浓度限值75 μg/m3，超标倍数分别为2.04、2.74、0.83、2.32、3.65、2.19、2.57、2.52倍。

(2)研究表明在春夏两季，2、3位点的各重金属含量普遍低于4、5、6位点，这是因为春夏两季东南风为主导风向，4、5、6位点处于电子废弃物拆解厂区的下风向，使得大气PM2.5中重金属的含量升高。秋冬两季，2、3位点的重金属含量普遍高于5、6位点，这是因为秋冬两季西北风为主导风向，5、6位点处于拆解区场地的下风向，使得大气PM2.5中重金属的含量升高。电子废弃物的拆解工作给周边大气PM2.5带来了不同程度的重金属污染。

(3)电子废弃物拆解场地周边大气PM2.5中重金属含量在不同季节时的相关性系数表明，As-Cd、As-Cu、Cd-Cu之间的相关性最大值分别为0.826*、0.824*、0.728，Pb-Zn之间的相关性最大值达到0.861*。可以初步推断As、Cd、Cu和Pb、Zn可能来源相同。

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Pollution Trend Analysis of Heavy Metals in PM2.5around E-waste Disposal Site

YAO Hai-yan1,2,BAI Jian-feng1,2,GU Wei-hua1,2,LI Yang1,2

(1 WEEE Research Center,Shanghai Polytechnic University,Shanghai 201209; 2 Collaborative Innovation Center of WEEE Recycling,Shanghai 201209,China)

The atmosphere of e-waste dismantling space surrounding was monitored from winter 2013 to autumn 2015.PM2.5samples were collected near the e-waste disposal area.The concentrations and pollution levels of PM2.5in different seasons were investigated and analyzed.The concentrations of As,Cu,Cd,Pb,Zn in PM2.5in different seasons were also analyzed.Results showed that the average concentrations of PM2.5from winter 2013 to autumn 2015 were 152.87,205.45,62.20,173.69,273.89,164.57,273.89,164.57 μg/m3,separately.The results exceeded the limit concentration 75 μg/m3of the national air quality standard (GB3095-2012).The concentration exceeded the national standard value in 2.04,2.74,0.83,2.32,3.65,2.19,2.57,2.52 times,separately.The pollution trend of the heavy metals with the seasons change in different sampling points were different,it may be contact with the wind directions in different seasons and the dismantling work in e-waste disposal site.The correlation analysis of heavy metals speculated that the source of the heavy metals As,Cd,Cu and Pb,Zn may come from the electronic waste pollution,which produced in the process of dismantling.

e-waste; PM2.5; heavy metal; pollution analysis; correlation analysis

国家自然科学基金项目(21307080)；上海市知识服务平台项目(ZF1224)；校重点学科建设项目(XXKYS1404)；上海第二工业大学研究生项目基金(A30NH1513012)。

姚海燕(1988-)，女，研究方向：电子废弃物资源化技术。

白建峰(1978-)，男，副教授，研究方向：电子废弃物资源化、环境微生物学、污染土壤修复与治理等。

X513

A

1001-9677(2016)011-0175-05