新疆兵团某城市工业园区挥发性有机物污染特征及环境影响

Characteristics and Environmental Impacts of Volatile Organic Compound Pollution in an Industrial Park of a City in the Xinjiang Production and Construction Corps

摘要: 本研究系统评估了新疆兵团某典型工业园区大气VOCs的污染特征、环境效应及健康风险。结果显示，TVOCs年均浓度为(103.6 ± 92.6) μg/m³，夏季最高，OVOCs为全年主导组分(占43.5%)。VOCs年均OFP为3.81 μg/m³，主要贡献物种为丙烯和丙酮等；年均SOAFP为0.056 μg/m³，苯和甲苯贡献占比达81.0%。苯、甲苯和正己烷为O₃与PM_2.5协同控制的关键前体物。健康风险评价表明，VOCs非致癌风险较低，但萘、苯等存在潜在致癌风险，应作为优先管控物种。研究可为园区VOCs协同控制和重点物种管控提供科学依据。

Abstract: This study systematically assessed the pollution characteristics, environmental effects, and health risks of atmospheric VOCs in a typical industrial park in Xinjiang. The results show that the annual average concentration of TVOCs was (103.6 ± 92.6) μg/m³, with the highest levels in summer. OVOCs were the dominant components throughout the year (accounting for 43.5%). The annual average OFP of VOCs was 3.81 μg/m³, with propylene and acetone being the major contributing species; the annual average SOAFP was 0.056 μg/m³, with benzene and toluene contributing up to 81.0%. Benzene, toluene, and n-hexane were identified as key precursors for the coordinated control of O₃ and PM_2.5. Health risk assessment indicated a low non-carcinogenic risk from VOCs, but potential carcinogenic risks were identified for species such as naphthalene and benzene, which should be prioritized for control. This research provides a scientific basis for the coordinated control of VOCs and targeted management of key species in industrial parks.

1. 引言

挥发性有机物(Volatile Organic Compounds, VOCs)，是指在常温常压下容易挥发的有机化学物质的总称[1]。作为大气中一类重要的气态污染物，不仅对人体健康具有直接或潜在的影响，而且作为臭氧(O₃)和二次有机气溶胶(Secondary Organic Aerosols, SOA)的重要前体物，对区域大气的复合型污染具有重要贡献[2]-[4]。随着我国工业化与城市化进程的加快，工业源已成为人为VOCs排放的主要来源之一，据文献报道其贡献高达46% [5]。尤其是在工业园区，源项较为集中，VOCs的排放强度高、组分复杂，对局域大气环境和周边居民健康构成潜在威胁[4] [6] [7]。鉴于此，学者们广泛开展了对京津冀、长三角、珠三角等经济发达地区的工业源VOCs污染特征、来源解析及环境影响的研究[8]-[10]。然而，对于西部地区，尤其是新疆这类典型干旱半干旱气候条件下的工业园区VOCs污染研究相对薄弱。新疆作为“丝绸之路经济带”的核心区，近年来其工业化进程速度不断加快，如伊犁河谷、乌昌石城市群等区域的工业园区规模不断扩大，大气污染问题也随之显现，尤其臭氧和颗粒物污染交错发生，开展与之紧密相关的VOCs污染研究至关重要[4] [11] [12]。据相关研究表明，工业园区的VOCs组成具有明显的行业特征和季节变化规律。例如，化工园区以含氧挥发性有机物(OVOCs)和烷烃为主，而石化园区则烷烃、烯烃和芳香烃占比较高；VOCs的臭氧生成潜势(OFP)和二次有机气溶胶生成潜势(SOAFP)也因物种活性和环境条件差异而不同[13]-[16]。此外，工业园区VOCs对人体健康的非致癌和致癌风险方面，尤其需要关注苯、1,3-丁二烯、氯代烃等物种[17]-[19]。因此，本研究以新疆某典型工业园区为研究对象，基于2024年不同月份大气VOCs监测数据，系统分析其浓度水平、组成特征、季节变化规律、臭氧与SOA生成潜势，评估其对环境空气质量及人体健康的潜在影响，以期为该区域VOCs与臭氧协同控制及人群健康保护提供科学依据。

2. 材料与方法

2.1. 研究区域概况与采样点布设

本研究选取新疆生产建设兵团某市的典型工业园区作为研究对象。该园区位于城市主导风向的上风向，聚集了有色金属加工、煤电、煤化工、新材料等多种产业，是重要的煤电煤化工基地。园区地处内陆干旱半干旱气候区，冬季寒冷漫长，夏季炎热干燥，大气边界层高度及气象条件季节差异显著，对污染物的扩散与转化具有重要影响。

在研究区域内，根据企业分布类型、主导风向及园区功能分区，共选择7家企业，布设了10个环境空气采样点，以期全面反映园区VOCs的整体污染水平及空间分布特征。

2.2. 监测时间与数据来源

监测时间为2024年3月至2025年2月，覆盖春(3~5月)、夏(6~8月)、秋(9~11月)、冬(12~2月)四个季节。采用3.2升规格苏玛罐和ENTECH积分采样器组合方式采样，每点位每次采样时间24小时，采样频率为每月0~3次，合计24次。共获得有效样品225个，分析了包括4种烷烃、2种烯烃、9种芳香烃、36种卤代烃、10种OVOCs (含醛酮类)及乙炔等在内的65种VOCs物种。

2.3. VOCs组分分析方法与质控措施

VOCs样品进行低温浓缩后，进入安捷伦气相色谱–质谱联用仪(GC-MS，安捷伦，7890B-5977A)分析。分析方法参照《环境空气挥发性有机物的测定罐采样/气相色谱–质谱法》(HJ 759-2023) [20]。采样前，使用经认证的PAMS和TO-15标准气体对GC-MS系统进行多点校准(2, 5, 10, 15, 20, 40 ppbv)，所有目标化合物的校准曲线相关系数(R)均大于等于0.990。每批次样品分析前，使用20 ppbv标准气体进行单点校准，均满足分析标准中各组分浓度与理论值的偏差在±30%以内的质控要求。现场空白样品(高纯氮气)的检测结果均低于方法检出限。样品的总离子流图均经人工核对，确保定性定量的准确性。

OVOCs采用苏玛罐采样测定的方法具有一定的局限性。OVOCs通常具有较大极性且化学性质较为活泼，易吸附在罐体内壁或与罐内其他化学物质发生反应。相比于极性较弱的烷烃、芳烃等VOCs，OVOCs在罐中的储存稳定性较差。尤其是低分子量醛类，可能在短时间内出现明显的浓度下降，导致测定结果偏低。分析过程中，OVOCs测定标准样品校准点20 ppbv，回收率范围在82.7%~109%。

2.4. OFP、SOAFP计算方法

臭氧生成潜势(OFP)采用最大增量反应活性法(MIR)计算[21]，公式如下：

$OF{P}_i=VOC{s}_i\times MI{R}_i$ (1)

式中，$OF{P}_i$ 为物种$i$ 的臭氧生成潜势(μg/m³)；$VOC{s}_i$ 为监测的VOCs物种$i$ 的浓度(μg/m³)；$MI{R}_i$ 为其最大增量反应活性系数，取值参照Carter更新的MIR标尺[22]。

二次有机气溶胶生成潜势(SOAFP)采用气溶胶生成系数法(FAC) [23] [24]估算，公式如下：

$SOAF{P}_i=VO{C}_{i0}\times FA{C}_i$ . (2)

$VOC{s}_t=VOC{s}_{i0}\times \left(1-F_{VOCri}\right)$ (3)

式中，$SOAF{P}_i$ 为物种$i$ 的二次有机气溶胶生成潜势(μg/m³)；$VOC{s}_{i0}$ 为物种$i$ 的初始浓度(μg/m³)；$FA{C}_i$ 为物种$i$ 生成SOA的生成系数(%)；$VOC{s}_t$ 为某物种的实测浓度(μg/m³)；$F_{VOCri}$ 物种$i$ 参与反应的质量浓度百分比(%)。其中，$FA{C}_i$ 和$F_{VOCri}$ 的取值，参照Grosjean等及后续相关研究的实验数据[23]-[25]。

2.5. 健康风险评估模型(HI、LCR)

采用美国EPA推荐的吸入途径健康风险评估模型[26]。非致癌风险和致癌风险，分别用危害指数(HI) 和终生致癌风险(LCR)评价[26]。

$HI=\frac{C_{VOCs}\times ET\times EF\times ED}{365\times A{T}_{nca}\times 24}\times \frac{1}{Rfc}$ (4)

$LCR=\frac{C_{VOCs}\times ET\times EF\times ED}{365\times A{T}_{ca}\times 24}\times IUR$ (5)

式中，$C_{VOCs}$ 为物种的浓度(μg/m³)；$ET$ 为暴露时间，取值为8 h·d-1 [27]；$EF$ 为暴露频率，取值为260 d·a-1 [28]；$ED$ 为暴露持续时长，取值为30 a [28]；$A{T}_{nca}$ 和$A{T}_{ca}$ 为非致癌作用和致癌作用的时间，取值分别为25 a和70 a [29]；$Rfc$ 为参考浓度(μg/m³)；$IUR$ 为单位吸入风险(μg/m³)。其中，$Rfc$ 和$IUR$ 的取值采用美国EPA的参考值[30] [31]。

当HI > 1时认为存在非致癌风险；当LCR > 1 × 10⁻⁶时认为存在潜在致癌风险。

3. 结果与讨论

3.1. VOCs浓度水平与季节变化特征

Figure 1. Trend chart of daily average concentration of TVOCs in ambient air of an industrial park in a city of Xinjiang production and construction corps in 2024

图1. 2024年度新疆兵团某市工业园区环境空气中TVOCs日平均浓度变化趋势图

由图1可知，在2024年度观测期间，工业园区环境空气中TVOCs的年均浓度为(103.6 ± 92.6) μg/m³，浓度范围在2.3~846.4 μg/m³之间。TVOCs浓度呈现显著的季节差异，表现为：夏季(179.3 ± 112.4 μg/m³) > 春季(111.9 ± 58.9 μg/m³) > 秋季(54.2 ± 3.6 μg/m³) > 冬季(27.2 ± 7.2 μg/m³)这可能是温度主导的挥发效应。例如，夏季高温极大地促进了原料、溶剂的无组织挥发与光化学反应，成为浓度峰值期；春季随温度回升，加之大风天气较多，排放增强使其浓度次之；而在温度较低、日照减弱的秋、冬两季，VOCs的挥发被有效抑制，排放源强大幅减弱，致使浓度降至最低水平。图2~图5分别展示了工业园区风玫瑰图，以及气温、湿度和风速与TVOCs的关系。由图2可知，该工业园区以西风和西北风为主。图3显示了TVOCs浓度与温度呈现显著的正相关关系(r = 0.62, P = 0.0013)。图4显示TVOCs浓度与风速尽管呈现正相关关系，但不显著(r = 0.23, P = 0.287)。图5显示TVOCs浓度与相对湿度呈现负相关关系，但不显著(r = −0.40, P = 0.053)。气象参数分析进一步验证了上述假设，工业园区TVOCs浓度呈现显著的季节差异是由温度主导的挥发效应。以上分析表明，对于该工业园区，由温度控制的排放源强变化可能是比大气扩散条件更为关键的因素。

Figure 2. Wind rose diagram of an industrial park in a City of Xinjiang production and construction corps in 2024

图2. 2024年度新疆兵团某市工业园区的风玫瑰图

Figure 3. Correlation analysis between daily average TVOCs concentration and daily average temperature in an industrial park of a city of Xinjiang production and construction corps in 2024

图3. 2024年度新疆兵团某市工业园区的日平均TVOCs浓度与日平均温度的相关分析

Figure 4. Correlation analysis between daily average TVOCs concentration and daily average wind speed in an industrial park of a city of Xinjiang production and construction corps in 2024

图4. 2024年度新疆兵团某市工业园区的日平均TVOCs浓度与日平均风速的相关分析

Figure 5. Correlation analysis between daily average TVOCs concentration and daily average relative humidity in an industrial park of a city of Xinjiang production and construction corps in 2024

图5. 2024年度新疆兵团某市工业园区的日平均TVOCs浓度与日平均相对湿度的相关分析

Figure 6. Trend chart of average TVOCs concentration and composition changes in ambient air across different seasons in an industrial park of a city of Xinjiang production and construction corps in 2024

图6. 2024年度新疆兵团某市工业园区不同季节环境空气中TVOCs平均浓度及组分的变化趋势图

由图6可知，从组分构成来看，OVOCs是全年最主要的组分，年均占比达43.5%，其次为卤代烃(13.5%)、芳香烃(13.0%)、烷烃(7.6%)和烯烃(3.7%)。季节变化上，OVOCs不同季节占比均较高，夏(59.4%)、秋(50.3%)两季明显高于春(31.8%)、冬(32.6%)季节；烷烃春(9.1%)、夏(9.0%)、冬(11.3%)季节占比较高；冬季烯烃占比最高(11.1%)；芳香烃和卤代烃均在春(17.0%)、秋(17.9%)、冬(13.0%)季节占比较高。以上分析表明，OVOCs是该园区VOCs污染的重要组分。值得注意的是，OVOCs具有复杂的来源特征，既可来源于人为活动的一次直接排放，也可通过大气中烷烃、烯烃及芳香烃等前体物的光化学氧化反应二次生成。

与其他工业园区相比(表1)，该工业园区TVOCs年平均浓度与其他工业园区相差不大，但该工业园区组分构成与其他工业园区相比差别较大，但该工业园区VOCs的组分构成基本上与陕北某煤化工园区VOCs的主要组分基本一致[19]。

Table 1. VOCs concentration levels in the industrial park compared with other urban industrial parks

表1. 工业园区与其他城市工业园区VOCs浓度水平

年份	TVOCs 浓度/μg/m^3	烷烃 占比/%	烯烃 占比/%	芳香烃 占比/%	卤代烃 占比/%	OVOCs 占比/%	文献
2022	148.3	26.6	3.1	8.2	16.0	45.0	[29]
/	89.3	42.3	6.8	28.1	4.2	18.6	[32]
2020	110.1	33.3	3.7	29.6	21.5	/	[33]
2020	95.8	35.1	4.8	23.4	23.6	/	[33]
2022	34.5	61.05	16.42	17.02	/	/	[34]
2024	103.6	7.6	3.7	13.0	13.5	43.5	本研究

3.2. VOCs臭氧生成潜势分析

园区VOCs的年均OFP为3.81 μg/m³。由图7可知，关键活性物种识别显示，丙烯、丙酮、正己烷、乙酸乙烯酯、甲苯、氯乙烯、苯、四氢呋喃、甲基叔丁基醚和丙烯醛是对OFP贡献排名前10的物种。这些物种共同构成了园区OFP的主要来源，其中丙烯、丙酮等组分的贡献尤为突出，这些物种也被认为是化工行业的特征物种[13]。这些物种一定程度上揭示了该工业园区作为煤电煤化工基地的特征，与化工相关的排放源应为后续管控的重点。

苯与甲苯(B/T)比值被用于初步判断环境中VOCs的来源，一般认为：当B/T < 0.2时，主要受溶剂使用源的影响；当B/T在0.5左右时，机动车排放影响较大；当B/T > 1时，燃烧源贡献较大，特别是B/T在1.5~2.2的范围内；当B/T为2.5时，生物质燃烧影响较大[35]。甲苯的大气寿命短，易被OH自由基氧化，苯的大气寿命长，更稳定，空气团经过长距离传输或长时间滞留，甲苯被消耗，致使B/T升高。该工业园区B/T均值为4.6，明显偏高，单纯老化通常难以达到，表明该工业园区除受到本地排放的影响外，还存在叠加老化气团的影响。

Figure 7. Top 10 VOCs species contributing to OFP

图7. 对OFP贡献排名前10的VOCs物种

3.3. 二次有机气溶胶生成潜势分析

Figure 8. Top 9 VOCs species contributing to SOAFP

图8. 对SOAFP贡献排名前9的VOCs物种

对二次有机气溶胶生成有贡献的VOCs主要包括25种非芳香烃类和芳香烃类物质。通过气溶胶生成系数法估算可知，园区年均SOAFP为0.056 μg/m³。由图8可知，苯和甲苯是SOAFP的绝对主导贡献者，占比高达81.0%，这与国内多数工业园区研究结论一致[36]。

关键前体物识别表明，苯、甲苯、间/对–二甲苯、邻–二甲苯、环己烷和乙苯是SOAFP贡献最大的6个物种，累计贡献超过99%。这些物种是典型的化工原料、溶剂和燃料组分[37]。苯、甲苯和正己烷同时是OFP和SOAFP的关键前体物，表明对烷烃和苯系物的排放控制是实现O₃和PM_2.5协同治理的关键抓手。

3.4. 健康风险评估

Figure 9. Hazard index of different VOCs species

图9. 不同VOCs物种危害指数

Figure 10. Carcinogenic risk of different VOCs species

图10. 不同VOCs物种致癌风险

本研究监测的VOCs物种中，年均浓度较高的丙酮、正己烷、氯乙烷等19个VOCs物种属于美国环保署(EPA)公布的有毒有害空气污染物，其中氯乙烯、一氯甲烷、苯等11个物种属于致癌类物质，具体见图9和图10。

由图9可知，18个有毒有害的物种的HI值范围为1.17 × 10⁻⁵~0.28，均小于HI的可接受风险水平(HI < 1)，说明在工业园区工作的人员通过吸入这些大气中的VOCs而引起非致癌的慢性健康的风险较低。从单个物种来看，丙烯醛、苯、萘等化工特征物种的HI较高，分别为0.28、0.074和0.044。

由图10可知，11个致癌物种的LCR值范围为1.27 × 10⁻⁹~1.61 × 10⁻⁵，这些物种中萘、苯、氯乙烯和四氯化碳超过了EPA提出的可接受风险水平(LCR < 1 × 10⁻⁶)，低于EPA提出的容许风险水平(LCR < 1 × 10⁻⁴)，表明观测期内该工业园区环境空气中VOCs存在潜在的致癌风险。从污染物对人体健康风险角度来看，萘、苯、氯乙烯和四氯化碳等物种应作为该工业园区的优先管控目标。

4. 结论

本研究系统分析了新疆生产建设兵团某典型工业园区环境中VOCs的污染特征，估算VOCs组分对臭氧生成潜势(OFP)和二次有机气溶胶生成潜势(SOAFP)的贡献，并评估其主要物种对人体的健康风险影响，具体结论如下：

(1) 工业园区环境空气中TVOCs的浓度范围为2.3~846.4 μg/m³，年均浓度为(103.6 ± 92.6) μg/m³。TVOCs浓度的季节变化特征显著，按浓度高低依次为：夏季、春季、秋季、冬季。从组分构成看，OVOCs是全年主导组分(年均占43.5%)，其占比夏秋显著高于冬春，且整体组成与同类园区基本一致。

(2) 园区VOCs的年均OFP为3.81 μg/m³。丙烯、丙酮、正己烷、乙酸乙烯酯、甲苯、氯乙烯、苯、四氢呋喃、甲基叔丁基醚和丙烯醛是对OFP贡献排名前10的物种。其中丙烯、丙酮等组分的贡献尤为突出。

(3) 园区年均SOAFP为0.056 μg/m³。苯和甲苯是园区二次有机气溶胶生成潜势(SOAFP)的绝对主导贡献者，两者占比高达81.0%。关键前体物分析进一步表明，苯、甲苯、间/对-二甲苯、邻-二甲苯、环己烷和乙苯六类物种的累计贡献超过99%，它们均是典型的化工原料与溶剂组分。值得注意的是，苯、甲苯和正己烷同时是臭氧生成潜势(OFP)与SOAFP的关键前体物，因此控制其排放将成为实现臭氧与PM_2.5协同治理的关键环节。

(4)工业园区内18个有毒有害的VOCs物种的HI值，均小于HI的可接受风险水平(HI < 1)，表明由VOCs引起非致癌慢性健康的风险较低。11个致癌物种的LCR值中萘、苯、氯乙烯和四氯化碳超过了EPA提出的可接受风险水平(LCR < 1 × 10⁻⁶)，低于EPA提出的容许风险水平(LCR < 1 × 10⁻⁴)，表明观测期内该工业园区环境空气中VOCs存在潜在的致癌风险。从健康角度考虑，萘、苯、氯乙烯和四氯化碳等物种应作为该工业园区的优先管控目标。

NOTES

^*通讯作者。