中国山西某典型大型炼焦基地大气中多环芳烃（PAHs）的季节性变化特征、来源及其健康风险

《Atmospheric Pollution Research》：Seasonal variation characteristics, sources and health risks of atmospheric PAHs in a typical large-scale coking base of Shanxi, China

本研究对山西某大型焦化基地及周边环境介质中PAHs的浓度、季节变化、组分特征及气-粒分配规律进行了系统分析，发现其PAHs浓度显著高于背景点，且冬季气相浓度最高，主要来源为煤燃烧和焦化工艺，致癌风险对居民健康构成威胁，并提出针对性防控措施。

　　

丁文杰|王云|王亚楠|段永红|马思成|刘丽文

山西农业大学资源与环境学院，中国山西省太古市，030801

摘要

多环芳烃（PAHs）因其致癌性和高毒性而广为人知，主要来自焦化工业的排放。然而，针对大规模焦化基地环境中PAHs的研究仍然很少。2023年，我们在中国山西的一个典型大型焦化基地内的三个地点以及一个背景地点季节性地收集了16个气相样本和48个颗粒相样本。通过气相色谱-质谱法，测定了21种PAHs的浓度分布、季节变化、组成特征、气相-颗粒相分配、致癌风险及其来源。年平均浓度分别为113.1 ± 10.8 ng/m3（气相）和21.5 ± 1.0 ng/m3（颗粒相）；焦化基地大气中的PAHs浓度明显高于远离该基地的背景地点；气相和颗粒相中的PAHs水平都表现出明显的季节性变化。研究区域的大气PAHs浓度远高于许多国内和国际城市的水平，表明存在严重的污染。PAHs的气相-颗粒相分配系数与其饱和蒸汽压之间存在强烈的相关性。由于采样点靠近排放源，分配系数的范围为-0.59至-0.36，与理论值（-1）有显著偏差。利用诊断比率和主成分分析进行源解析表明，PAHs主要来源于煤炭燃烧、交通排放和焦化过程。增量寿命癌症风险模型显示，该地区的居民面临不可忽视的致癌风险。

引言

多环芳烃（PAHs）是分子结构中至少含有两个苯环的芳香化合物（Li等人，2025年）。由于它们对人类的致畸、致癌和突变作用，以及环境持久性、半挥发性、生物累积潜力和高毒性，PAHs受到了广泛关注（Liao等人，2025年）。PAHs既来源于自然过程，也来源于人为活动。自然排放主要来自火山喷发和地质成岩作用（Dai等人，2024年）。相比之下，人为活动是PAHs的主要来源，尤其是化石燃料燃烧、焦化过程、废物焚烧和有机材料不完全燃烧（Han等人，2019年）。全球PAHs排放清单显示，2004年全球排放量约为520 Gg，其中中国最高，达到114 Gg，其次是印度（90 Gg）（Zhang和Tao，2009年）。

焦化是PAHs的主要工业来源。2012年，中国的焦炭年产量超过2.5亿吨（Ling等人，2017年）。焦化行业占中国总PAH排放量的49%（Zhang等人，2007年），而山西是全球焦化产业最发达的地区。2024年，中国的累计焦炭产量达到4.9亿吨，其中山西贡献了9200万吨。山西省的介休市——被称为“中国焦炭之都”——占中国焦炭出口量的40%，是一个典型的大型焦化基地。随着中国工业的快速发展，山西焦化行业的扩张可能会加剧焦化基地及周边地区的生态恶化。已有文献记录了该焦化基地排放的PAHs量增加（Luo等人，2023年），对生态系统和人类健康构成威胁。快速工业化和城市化导致自然环境中的PAHs水平上升（Wu等人，2019年）。Wu等人（2014年）和Andreou与Rapsomanikis（2009年）的研究证实，高度工业化和城市化的地区的空气PAHs浓度显著高于其他地区。

Ma等人（2025年）研究了雅鲁藏布江中PAHs的季节变化和相分配模式，发现冬季浓度最高，气相中的环数较少。Zheng等人（2025年）关注了焦化基地PM?.?中的PAHs，发现其浓度远高于背景地点。Ling等人（2013年）直接评估了焦化企业烟气排放中的PAHs浓度和风险，发现PAHs含量为45.8–415 μg/m3，并检测到BaP?浓度为1.72 μg/m3，这对焦化基地的工人构成了严重的健康威胁，表明评估焦化排放中的PAHs危害非常重要。Duan等人（2015年）报告称，大型焦化基地土壤中的PAHs平均含量为822 ± 355 ng/g，表明存在明显的污染：这些结果为焦化基地的土壤污染控制提供了科学依据。然而，针对大规模焦化基地大气中PAHs的系统性研究仍然不足，尤其是同时检测气相和多粒径颗粒相PAHs的研究。这种多相、多粒径的全面监测对于深入了解焦化产生的PAHs的环境行为及其生态和健康风险至关重要。

本研究选择了山西中部的一个典型大型焦化基地。2023年，在该基地内的四个地点使用大气活性采样器收集了四个季节的大气气相和三种颗粒相（PM?.?、PM?.?-10和PM??）样本。通过分析21种PAHs，揭示了它们的浓度水平、季节变化、粒径分布、来源以及对当地居民的健康风险。这些发现有助于我们更好地了解大规模焦化基地的大气PAHs污染特征，为这些地区及类似地区的污染控制和区域可持续发展提供了科学依据。

采样点布局和样本收集

在山西中部的大型焦化基地内，设置了三个大气采样点（1-MWB、2-XDQ和3-SJ），以及一个位于西侧约3公里处的背景点（4-XDT）（图1）。2023年，在四个季节共收集了64个样本（16个气相样本和48个颗粒相样本）。颗粒相样本被分为三个粒径等级：PM?.?、PM?.?-10和PM??。大气样本使用KB-120F智能中流量采样器进行采集（青岛金世达科技有限公司）

污染点与背景点之间大气中PAHs含量的差异

图2显示了三个焦化基地站点和一个背景点（XDT）的气相和颗粒相样本中16种PAHs和21种PAHs的年平均浓度。值得注意的是，XDT的气相和颗粒相（PM?.?、PM?.?-10和PM??）中的PAHs含量最低。其他三个站点的PAHs含量明显高于XDT，例如MWB的气相PAHs含量（173.1 ± 7.9 ng/m3）是XDT的约5倍（35.0 ± 2.6 ng/m3）。

图3进一步证实了这一差异

结论

在大型焦化基地内的三个污染点，气相和颗粒相中21种PAHs的年平均浓度分别为139.1 ± 7.0 ng/m3和24.2 ± 0.7 ng/m3，而距离焦化基地较远的背景点的浓度分别为35.0 ± 2.6 ng/m3和13.2 ± 0.4 ng/m3。在所有四个采样点中，气相PAHs的浓度随季节变化的趋势为夏季 > 秋季 > 冬季 > 春季，而颗粒相

CRediT作者贡献声明

丁文杰：撰写初稿、数据可视化、软件开发、调查、数据分析。王云：调查、数据分析。王亚楠：调查。段永红：撰写、审稿与编辑、验证、项目管理、方法论制定、资金筹集、数据管理、概念构思。马思成：数据可视化、软件开发。刘丽文：数据可视化、软件开发、数据管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：41271507）和山西省自然科学基金（项目编号：202103021224138）的支持。