CN114038511A - 一种沥青VOCs优控污染物筛选方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沥青VOCs优控污染物筛选方法及其应用，通过沥青VOCs样本的采集以及检测分析，得到沥青VOCs物质组成和含量；根据VOCs的定义和环境影响程度，选定沥青VOCs环境污染物名单；根据不同物质对臭氧生成潜势、二次气溶胶生成潜势以及健康风险评估等化学相应的差异性，量化沥青VOCs环境影响风险评估；采用信息熵法对沥青VOCs中不同物质的综合影响效应进行优先排序，得到沥青VOCs优先控制污染物明细。该方法弥补了常规污染物筛选方法主观性较强、筛选指标不够全面等方面的不足，可综合环境和人体危害等多个维度对不同物质的环境影响程度进行客观量化评价，更加适用于大气环境中的污染物筛选研究。

Description

一种沥青VOCs优控污染物筛选方法及其应用

技术领域

本发明属于VOCs优控污染物筛选技术领域，具体涉及一种沥青VOCs优控污染物筛选方法及其应用。

背景技术

空气污染是经济快速发展和城镇化建设进程中面临的巨大环境问题，严重危害人体健康和生态环境的和谐发展。VOCs作为臭氧和PM2.5生成的重要前驱体，越来越受到广泛的关注。

沥青材料是一个重要的VOCs排放源，其组成非常复杂，由于我国针对VOCs的防治与管控工作起步较晚，目前尚未出台专门的沥青VOCs检测和评价标准，防控对象不统一，沥青VOCs的治理难度较大。受制于现有技术和测试手段，不可能对沥青VOCs组成中的每一种物质一一展开研究，如何量化沥青VOCs各组成对环境影响程度，筛选出对环境负荷影响较大的物质实现靶向防控具有非常高的现实意义。

由于沥青VOCs中物质种类对不同反应的响应程度差别较大，无法从单一方面确定其中需要重点管控的物质，重点研究并防控危害系数高的污染物质是目前环境管理与防治工作的一种有效途径。美国从上世界70年代起开展优先控制污染物研究并列出危害性物质清单，每隔一段时间进行更新。我国针对重点污染物筛选的研究工作起始于90年代，主要采用的是综合评分法。该方法主要是结合实际情况，通过实地调查获得研究对象的污染物排放量、物质种类等相关信息，查阅不同物质的毒性或环境危害特性，根据相关领域的专家经验或危害系数分级赋分，根据综合情况按不同等级进行打分，最后进行排序从而筛选出优控污染物名录。但是依托于专家评分法，人为影响因素较大，同时我国目前的研究水平与国外的研究水平还存在一定的差距。

与此同时，目前我国针对优控污染物研究主要集中在水体环境，针对沥青VOCs的相关研究未见报道。

发明内容

本发明目的在于解决现有技术的不足，提供一种沥青VOCs优控污染物筛选方法，该方法基于信息熵法，结合不同沥青VOCs物质种类对环境和人类影响的差异性，通过量化不同环境影响评价指标的重要程度以及相应的权重，从而对不同物质的综合影响效应进行排序，建立沥青VOCs分级管控名单，有效筛选出沥青VOCs中需要重点管控的对象，为沥青VOCs防治标准的制定提供重要依据。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

提供一种沥青VOCs优控污染物筛选方法，包括以下步骤：

1)采集沥青VOCs样本；

2)将采集后的沥青VOCs导入气相色谱-质谱分析仪中，得到沥青VOCs物质组成；

3)针对沥青VOCs的光化学反应活性和有毒有害性选择目标标定化合物，对沥青VOCs进行定性和定量分析，得到沥青VOCs中各物质的种类和含量；

4)选定沥青VOCs环境影响评价指标，根据步骤3)中各物质的种类和含量，评估沥青VOCs组成和排放量对大气光化学污染效应以及人体健康危害风险；

5)根据步骤4)的计算结果，通过信息熵法量化不同环境影响评价指标的重要程度以及相应的权重，对沥青VOCs中不同物质的综合影响效应进行优先排序，筛选出沥青VOCs优控污染物目标对象。

按上述方案，所述步骤3)中，目标标定化合物主要包括PAMS标气以及TO-15物质，用来对沥青VOCs中各组分物质进行定性和定量研究。其中，PAMS标气为美国环保总署所建立的光化学评估监测网络应对臭氧污染提出的检测物质，共57种；TO-15物质为美国环保总署检测空气中有毒害挥发性(非极性和弱极性)有机物的标准方法中规定的检测物质。，共45种。

按上述方案，通过将待测物与目标标定化合物保留时间和质谱图或特征离子相比较进行定性分析，通过内标法/外标法对各物质组成进行定量分析。

按上述方案，所述步骤4)中，沥青VOCs的环境影响评价指标主要涉及大气光化学污染效应以及人体健康危害；其中所述大气光化学污染效应包括对臭氧以及二次气溶胶的形成影响；所述人体健康危害，为采用健康风险评价方法即通过量化人体和环境暴露在某一特定有毒有害物质环境下造成负面影响的几率，进而评估各物质组成产生危害的风险。

按上述方案，所述步骤4)中，沥青VOCs环境影响评价指标包括臭氧生成潜势、二次气溶胶生成潜势以及健康风险评估。

优选地，所述臭氧生成势的计算：

不同物质对臭氧生成反应的贡献程度通常由最大增量反应活性值MIR以及该物质的浓度的相互作用来进行表征，计算公式如下：

OFP_i＝C_i×MIR_i

其中OFP_i是VOCs中某一种物质i对应的臭氧生成势；C_i和MIR_i分别是VOCs中某一种物质i对应的浓度和最大增量反应系数；

所述二次气溶胶生成潜势计算：

采用气溶胶生成系数法量化沥青VOCs各组分对SOA的影响，计算公式如下：

SOA_i＝C_i×FAC_i

其中，SOA_i为VOCs中某一种物质i的二次有机气溶胶产率；C_i和FAC_i分别为VOCs中某一种物质i相应的浓度和气溶胶生成系数；

所述健康风险评估表征：

参考美国环保总署提供的不同物质不会产生明显致癌效应的参考计量，评估沥青VOCs中各物质的健康风险，计算公式如下：

HI_i＝C_i/RfC_i

其中，HI_i为VOCs中某一种物质i的健康风险；C_i和RfC_i分别为VOCs中某一种物质i相应的浓度和非癌症参考浓度。

按上述方案，根据步骤(4)中得到的沥青VOCs各组分对臭氧生成势、二次气溶胶生成潜势以及健康风险评估的贡献程度，利用信息熵法计算各环境影响评价指标的客观权重，建立多指标综合评价决策模型，为沥青VOCs中优先控制污染物的筛选提供依据，计算方法如下：

①构建筛选对象的集合(X_i):

X_i＝{x₁,x₂,x₃……x_m},i∈(1～m)

其中i为沥青VOCs中待筛选的物质的数目；

②构建评价指标的集合(X_j):

X_j＝{x₁,x₂,x₃……x_n},j∈(1～n)

其中j为评价指标的种类；

③构建待筛选对象和评价指标的原始矩阵(X_ij)：

其中xij是沥青VOCs中第i种物质的第j个指标值；

④评价指标归一化

⑤计算信息熵值(H(Y)_j)

其中pij是沥青VOCs中第i种物质对应第j个指标值占第j个指标总值的比例；

⑥计算评价指标的权重(w_j):

⑦计算VOCs中特定物质i的综合权重(W_i):

按上述方案，通过对沥青VOCs中各物质组成在不同环境影响评价指标下的综合权重进行排序，得到沥青VOCs分级调控清单，从中筛选出环境影响风险等级最高的物质作为优先控制污染物对象。

提供一种上述沥青VOCs优控污染物筛选方法在沥青VOCs优控污染物筛选中的应用。

本发明的有益效果为：

1.本发明提供了一种沥青VOCs优控污染物筛选方法，针对VOCs的定义逐渐以光化学反应性作为基准的特点以及其有毒有害性，选用选取PAMS标准气体以及TO-15物质作为标定对象，量化沥青VOCs组成分布和释放量。在此基础上，进一步评定沥青VOCs各组分对臭氧生成势、二次气溶胶生成潜势以及健康风险评估的贡献程度，通过采用信息熵法建立多指标综合评价决策模型，量化不同环境影响评价指标的综合权重并进行排序，筛选出需要优先控制的沥青VOCs污染物对象，为后续实现沥青VOCs靶向治理，制定沥青VOCs防治措施提供思路。

2.本发明提供的一种沥青VOCs优控污染物筛选方法可以从多维度对不同物质的综合环境影响效应进行评价，一方面弥补了传统综合评分法主要依据经验值和专家打分进行评判所带来的主观性较强等方面的不足，客观评价各物质不同环境指标的影响程度；另一方面解决了现有方法主要针对污染物致癌性和毒性进行筛选的局限性，可引入大气环境污染相关等多重评价指标，更加全面的对污染物危害程度进行量化评估，同时更适用于直接排放进入大气环境中污染物筛选研究。

附图说明

图1为本发明实施例的技术流程示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种沥青VOCs优控污染物筛选方法，为了更好的理解本发明，下面将结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。

下面对本申请实施例的沥青VOCs优控污染物筛选方法进行具体说明。

实施例1

包茂高速公路某改扩建项目施工过程中产生的沥青VOCs优控污染物筛选。

1.工程概况

包茂高速公路包头至东胜段改扩建工程全长约133.848公里，其中新增里程为45.642公里、完全利用沿黄公路里程为17.548公里，包茂高速改扩建段里程70.658公里。本次调研的主要对象是主线旧路加铺补强，设计刨铣旧路15cm面层及20cm基层，然后在其上面加铺5cm AC-16中粒式改性沥青混凝土上面层+6cm AC-20中粒式改性沥青混凝土中面层+11cm ATB-30沥青碎石下面层+15cm厂拌冷再生乳化沥青混合料上基层+20cm水稳碎石下面层，共计五层。

2.沥青VOCs样本采集

本实施例沥青VOCs采集处于该工程项目摊铺上面层AC-16中粒式改性沥青混凝土上面层阶段，采样点位于摊铺机下料口处，实时采集摊铺过程中排放的沥青VOCs。

3.沥青VOCs组成分布特征分析

将采集后的沥青VOCs样本导入气相色谱-质谱分析设备中得到沥青VOCs物质组成，发现不同条件下的沥青VOCs组成要包括脂肪烃、芳香烃、含氧烃以及烃类衍生物。

4.沥青VOCs环境污染物初筛明细确定

进一步选用102种标准气体作为目标标定物，通过与待测目标化合物保留时间和质谱图或特征离子相比较进行定性，通过内标法/外标法对各物质组成进行定量分析，并根据官能团类型，对目标产物进行分类，得到沥青VOCs环境污染物初筛名细，具体结果见表1。

表1沥青VOCs环境污染物初筛名细

5.沥青VOCs环境影响评价指标建立

根据VOCs的光化学反应活性以及对人体潜在危害性等特点，分别从大气环境污染和人体健康危害两个维度出发，建立沥青VOCs环境评价指标：臭氧生成潜势、二次气溶胶生成潜势以及健康风险评估。根据各化学物质在不同化学反应下相应程度的差异性，再结合分析得到的沥青VOCs中对应物质的含量，量化沥青VOCs产生的环境影响。

5.1臭氧生成潜势的计算

不同物质对臭氧生成反应的贡献程度通常由最大增量反应活性值MIR以及该物质的浓度的相互作用来进行表征，计算公式如下：

OFP_i＝C_i×MIR_i

其中OFP_i是VOCs中某一种物质i对应的臭氧生成势；C_i和MIR_i分别是VOCs中某一种物质i对应的浓度和最大增量反应系数，其中各物质对应的最大增量反应活性值见表2。

表2各物质对应的最大增量反应活性值

5.2二次气溶胶生成潜势的计算

采用气溶胶生成系数法量化沥青VOCs各组分对SOA的影响，计算公式如下：

SOA_i＝C_i×FAC_i

其中，SOA_i为VOCs中某一种物质i的二次有机气溶胶产率；C_i和FAC_i分别为VOCs中某一种物质i相应的浓度和气溶胶生成系数，其中各物质对应的气溶胶生成系数见表3。

表3各物质对应的气溶胶生成系数

5.3健康风险评估表征：

利用不同物质不会产生明显致癌效应的参考计量，评估沥青VOCs中各物质的健康风险，计算公式如下：

HI_i＝C_i/RfC_i

其中，HI_i为VOCs中某一种物质i的健康风险；C_i和RfC_i分别为VOCs中某一种物质i相应的浓度和非致癌性参考浓度，其中各物质对应的非致癌性参考浓度见表4。

表4各物质对应的非致癌性参考浓度

6.基于信息熵法的沥青VOCs优控污染物筛选

参考目前针对优先控制污染物的筛选方法，本专利选用的方法是基于信息熵法，结合不同沥青VOCs物质种类对环境和人类影响的差异性，通过量化不同环境影响评价指标的重要程度以及相应的权重(见表5)，从而对不同物质的综合影响效应进行排序，建立沥青VOCs分级管控名单，筛选出优先控制对象。

①构建筛选对象的集合(X_i):

X_i＝{x₁,x₂,x₃……x_m},i∈(1～m)

其中i为沥青VOCs中待筛选的物质的数目。

②构建评价指标的集合(X_j):

X_j＝{x₁,x₂,x₃……x_n},j∈(1～n)

其中j为评价指标的种类。

③构建待筛选对象和评价指标的原始矩阵(X_ij)：

其中xij是沥青VOCs中第i种物质的第j个指标值。

④评价指标归一化

⑤计算信息熵值(H(Y)_j)

其中p_ij是沥青VOCs中第i种物质对应第j个指标值占第j个指标总值的比例。

⑥计算评价指标的权重(w_j):

⑦计算VOCs中特定物质i的综合权重(W_i):

表5沥青路面上面层摊铺过程中释放的VOCs各物质对环境综合影响权重

根据排序结果，沥青VOCs对环境影响风险程度可划分为4个等级：I级风险、II级风险、III级风险和IV级风险，其中风险等级以及划分区间见表6。

表6沥青VOCs环境影响风险等级以及划分区间

风险等级	划分区间
		I级风险	[0,0.05]
II级风险	[0.05,0.1]
		III级风险	[0.1,0.5]
IV级风险	[0.5,1]

考虑到沥青VOCs的种类复杂，应优先考虑将风险等级较高的污染物列为优先控制污染物对象。因此可将对/间-二甲苯、邻二甲苯、1,2,3-三甲基苯、1,3-二乙基苯、溴甲烷、1,3,5-三甲苯、三氯甲烷、3-乙基甲苯、1,4-二乙基苯以及甲苯列为沥青VOCs一级优先控制污染物。

根据上述依据本发明的理想实施例为启示，相关工作人员可根据上述内容，在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种沥青VOCs优控污染物筛选方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采集沥青VOCs样本；

2)将采集后的沥青VOCs导入气相色谱-质谱分析仪中，得到沥青VOCs物质组成；

3)针对沥青VOCs的光化学反应活性和有毒有害性选择目标标定化合物，对沥青VOCs进行定性和定量分析，得到沥青VOCs中各物质的种类和含量；

4)选定沥青VOCs环境影响评价指标，根据步骤3)中各物质的种类和含量，评估沥青VOCs组成和排放量对大气光化学污染效应以及人体健康危害风险；

5)根据步骤4)的计算结果，通过信息熵法量化不同环境影响评价指标的重要程度以及相应的权重，对沥青VOCs中不同物质的综合影响效应进行优先排序，筛选出沥青VOCs优控污染物目标对象。

2.根据权利要求1所述的筛选方法，其特征在于，所述步骤3)中，目标标定化合物包括PAMS标气以及TO-15物质。

3.根据权利要求1所述的筛选方法，其特征在于，通过将待测物质与目标标定化合物保留时间和质谱图或特征离子相比较进行定性分析，通过内标法/外标法对各物质组成进行定量分析。

4.根据权利要求1所述的筛选方法，其特征在于，所述步骤4)中，沥青VOCs的环境影响评价指标主要涉及大气光化学污染效应以及人体健康危害；其中所述大气光化学污染效应包括对臭氧以及二次气溶胶的形成影响；所述人体健康危害，为采用健康风险评价方法即通过量化人体和环境暴露在某一特定有毒有害物质环境下造成负面影响的几率，进而评估各物质组成产生危害的风险。

5.根据权利要求1所述的筛选方法，其特征在于，所述步骤4)中，沥青VOCs环境影响评价指标包括臭氧生成潜势、二次气溶胶生成潜势以及健康风险评估。

6.根据权利要求5所述的筛选方法，其特征在于，

所述臭氧生成势的计算：

不同物质对臭氧生成反应的贡献程度通常由最大增量反应活性值MIR以及该物质的浓度的相互作用来进行表征，计算公式如下：

OFP_i＝C_i×MIR_i

其中OFP_i是VOCs中某一种物质i对应的臭氧生成势；C_i和MIR_i分别是VOCs中某一种物质i对应的浓度和最大增量反应系数；

所述二次气溶胶生成潜势计算：

采用气溶胶生成系数法量化沥青VOCs各组分对SOA的影响，计算公式如下：

SOA_i＝C_i×FAC_i

其中，SOA_i为VOCs中某一种物质i的二次有机气溶胶产率；C_i和FAC_i分别为VOCs中某一种物质i相应的浓度和气溶胶生成系数；

所述健康风险评估表征：

参考美国环保总署提供的不同物质不会产生明显致癌效应的参考计量，评估沥青VOCs中各物质的健康风险，计算公式如下：

HI_i＝C_i/RfC_i

其中，HI_i为VOCs中某一种物质i的健康风险；C_i和RfC_i分别为VOCs中某一种物质i相应的浓度和非癌症参考浓度。

7.根据权利要求1所述的筛选方法，其特征在于，根据步骤(4)中得到的沥青VOCs各组分对臭氧生成势、二次气溶胶生成潜势以及健康风险评估的贡献程度，利用信息熵法计算各环境影响评价指标的客观权重，建立多指标综合评价决策模型，为沥青VOCs中优先控制污染物的筛选提供依据，计算方法如下：

①构建筛选对象的集合(X_i):

X_i＝{x₁,x₂,x₃……x_m},i∈(1～m)

其中i为沥青VOCs中待筛选的物质的数目；

②构建评价指标的集合(X_j):

X_j＝{x₁,x₂,x₃……x_n},j∈(1～n)

其中j为评价指标的种类；

③构建待筛选对象和评价指标的原始矩阵(X_ij)：

其中x_ij是沥青VOCs中第i种物质的第j个指标值；

④评价指标归一化：

⑤计算信息熵值(H(Y)_j)：

其中p_ij是沥青VOCs中第i种物质对应第j个指标值占第j个指标总值的比例；

⑥计算评价指标的权重(w_j):

⑦计算VOCs中特定物质i的综合权重(W_i):

8.根据权利要求1所述的筛选方法，其特征在于，通过对沥青VOCs中各物质组成在不同环境影响评价指标下的综合权重进行排序，得到沥青VOCs分级调控清单，从中筛选出环境影响风险等级最高的物质作为优先控制污染物对象。

9.一种权利要求1所述的沥青VOCs优控污染物筛选方法在沥青VOCs优控污染物筛选中的应用。

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