張展毅，蘇振中，曾凡進，黃 山，李光輝，王伯光

（1.暨南大學(xué)環(huán)境與氣候研究院，廣東 廣州511443；2.佛山市環(huán)境監(jiān)測中心站，廣東 佛山528011；3.廣州市環(huán)境保護科學(xué)研究院，廣東 廣州 510620）

一種基于光散射技術(shù)的顆粒物在線監(jiān)測設(shè)備的性能評估

張展毅1，蘇振中2，曾凡進3，黃 山1，李光輝1，王伯光1

（1.暨南大學(xué)環(huán)境與氣候研究院，廣東 廣州511443；2.佛山市環(huán)境監(jiān)測中心站，廣東 佛山528011；3.廣州市環(huán)境保護科學(xué)研究院，廣東 廣州 510620）

在對揚塵及顆粒物的影響、研究現(xiàn)狀及監(jiān)測方法進行分析的基礎(chǔ)上，選取基于光散射測量技術(shù)的某便攜式顆粒物監(jiān)測儀，利用廣州、深圳兩個環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站中所配備且滿足國家相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求的在線監(jiān)測設(shè)備，對其測量PM10和PM2.5結(jié)果的可靠性進行比對試驗，分析了獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)，完成其性能評估。

光散射；顆粒物；在線監(jiān)測；性能評估

我國城市大氣污染已從傳統(tǒng)的煤煙型污染向復(fù)合型污染轉(zhuǎn)變［1］，顆粒物（PM10、PM2.5）常常成為首要污染物。大量研究表明，顆粒物氣溶膠污染與人群死亡率、多項疾病發(fā)病率聯(lián)系密切［2］，易造成呼吸系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)損害，引發(fā)哮喘、心臟病和肺病等疾病。揚塵源（包括土壤風沙塵、道路揚塵、建筑水泥塵等）是我國大部分地區(qū)可吸入顆粒物（PM10）的重要來源，各地的貢獻比約為20%～60%［3］。從全國第一批公布PM2.5源解析成果的城市研究結(jié)果［4-7］來看，揚塵源對PM2.5的貢獻也不可忽視，其貢獻比約10%～30%。顆粒物監(jiān)測勢在必行，本文對基于光散射技術(shù)的顆粒物在線監(jiān)測設(shè)備的性能進行評估。

1 揚塵污染監(jiān)測及研究的現(xiàn)狀

如何對揚塵源，特別是建筑工地施工揚塵進行有效的監(jiān)控和管理，是削減顆粒物濃度、開展城市精細化管理、加強大氣環(huán)境保護工作迫切需解決的技術(shù)問題。

國際上一些先進國家及地區(qū)在揚塵的源頭控制和全過程管理有良好的經(jīng)驗，如英國明確提出了施工工地邊界PM10的標準限值，香港、臺灣地區(qū)也對工地場界的總懸浮顆粒物（TSP）限值有要求［8］，都為國內(nèi)城市推進揚塵排放標準研究和監(jiān)測工作提供了借鑒與參考。

國內(nèi)學(xué)者也做了很多研究，張燦［9］等以降塵為監(jiān)測指標，對重慶市主城國控點、道路點和建筑工地點3類降塵監(jiān)測點的監(jiān)測結(jié)果進行了統(tǒng)計，得到了不同點位降塵量的數(shù)據(jù)及變化趨勢，探討了降塵量與PM10之間的關(guān)系。黃玉虎、田剛［10-12］等也以降塵為監(jiān)測指標，對城市道路、建筑施工工地以及不同施工階段的揚塵污染進行了研究，獲得了不同城市道路降塵與PM10排放強度之間的關(guān)系、建筑施工揚塵的時間和空間污染特征以及不同季節(jié)、不同施工階段的揚塵污染特征等信息；黃天健、李小冬［13-15］等以TSP為指標，利用國產(chǎn)粉塵采樣儀在建筑施工場地內(nèi)布設(shè)了多個采樣監(jiān)測點，對不同施工階段的施工揚塵質(zhì)量濃度進行監(jiān)測，獲取了相同施工活動在不同施工階段的揚塵排放特點，并提出了減輕施工揚塵排放量及施工人員個人防護的有效措施。徐捷［16］等以重量法原理的PM10采樣儀對光散射法施工揚塵顆粒物監(jiān)測儀的適用性進行了比對監(jiān)測，并使用光散射顆粒物監(jiān)控儀在上海市開展了建筑工地實時監(jiān)控試點工作，提升了當?shù)亟ㄖさ仡w粒物監(jiān)控和管理能力。羅剛［17］等比對分析城市中揚塵手工監(jiān)測方法（降塵法、AP-42采樣法、移動式鋪裝道路積塵采樣法、TRAKER方法和重量法）的優(yōu)缺點，提出了重量法是當前比較適合我國城市中揚塵手工監(jiān)測的一種方法。張維［18］也用重量法及光散射法同時對建筑施工揚塵排放濃度（以TSP為指標）進行了比對監(jiān)測，結(jié)果的相關(guān)性較好。同時國產(chǎn)的光散射法測量粉塵濃度的在線監(jiān)測儀器［19-21］近年來已成功研發(fā)并開始得到了應(yīng)用。

由此可見，國內(nèi)對于揚塵的監(jiān)測仍以重量法為主，監(jiān)測指標包括降塵、TSP和PM10等。由于建筑施工揚塵的排放具有瞬時強度大、持續(xù)時間短的特征，因此要準確發(fā)現(xiàn)和監(jiān)控城市中各個工地的揚塵，必須找到一種時間分辨率高、測量響應(yīng)快的監(jiān)測技術(shù)，以滿足精細化、網(wǎng)格化進行城市管理的要求。

2 常用大氣顆粒物監(jiān)測方法的對比

目前國內(nèi)常用的大氣顆粒物濃度監(jiān)測的方法包括采樣-重量法、β射線法、微量振蕩天平法（TEOM）、光散射法、壓電晶體法等。

（1）重量法［22-25］是現(xiàn)行顆粒物監(jiān)測方法中的基準方法，可監(jiān)測量以TSP、PM10和PM2.5，在工作場所空氣中粉塵［26-27］的監(jiān)測也有應(yīng)用。該法需要在采樣后稱量顆粒物的增重量，無法實現(xiàn)高時間分辨率的監(jiān)測。

（2）β射線法、微量振蕩天平法［28-29］主要的監(jiān)測項目為PM10，是環(huán)境空氣中顆粒物連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)的推薦采用方法。

（3）在環(huán)境空氣的自動監(jiān)測領(lǐng)域，PM2.5的自動監(jiān)測儀的適用性也是以重量法為基準，對國內(nèi)外各種監(jiān)測設(shè)備的性能進行評價［30-31］，并推薦了β射線加動態(tài)熱系統(tǒng)（β+DHS）方法、β射線加動態(tài)熱系統(tǒng)聯(lián)用光散射（β+DHS+光散射）方法、微量振蕩天平加膜動態(tài)測量（TEOM+FDMS）系統(tǒng)方法3種原理的儀器，作為PM2.5自動監(jiān)測儀器的可選方法［32］。

環(huán)保部發(fā)布的HJ653［33］和HJ655，對顆粒物自動監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)要求、檢測方法、安裝和驗收技術(shù)規(guī)范等提出了明確的技術(shù)要求。近年來關(guān)于PM10和PM2.5濃度監(jiān)測方法的適用性和優(yōu)缺點，以及保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的量值溯源等，國內(nèi)已有很多學(xué)者進行了大量的研究和分析［34-40］。

（4）光散射法［41-43］也是國家和部分行業(yè)標準中推薦的一種顆粒物監(jiān)測方法，目前主要應(yīng)用于衛(wèi)生和氣象領(lǐng)域。

（5）壓電晶體法因為尚未列入正式的監(jiān)測標準方法，應(yīng)用實例不多。

3 APM-2便攜式顆粒物在線監(jiān)測儀的性能評估

3.1 儀器測量原理及性能簡介

該設(shè)備基于帶溫度補償功能的光散射技術(shù)設(shè)計制造，空氣中的顆粒物經(jīng)第一級沖擊切割分選出PM10后，在虛擬撞擊分級器進行二級分選，直徑小于2.5μm和在2.5～10μm之間的兩組顆粒物分別進入儀器中的兩條支路，并由電磁閥控制交替進入激光散射檢測單元內(nèi)檢測，從而完成PM10和PM2.5濃度的在線測量。其自帶的氣象參數(shù)監(jiān)測儀及儀器內(nèi)的恒溫激光散射檢測單元，相對于同類基于光散射測量原理的檢測器［44-46］，可降低溫度與濕度對監(jiān)測結(jié)果的影響［47-49］，從而提高測量的精度和準確性，可用于城市路邊站及工地揚塵點位監(jiān)測、背景點位監(jiān)測及區(qū)域性空氣質(zhì)量調(diào)研等可移動性監(jiān)測。其主要技術(shù)指標如表1所示。

表1 儀器技術(shù)參數(shù)

3.2 儀器性能評測方案

由于APM-2具有同時對PM10和PM2.5的自動連續(xù)監(jiān)測能力，因此選擇與其進行比對的儀器有：基于TEOM的Thermo 1405和β射線原理Metone BAM-1020的PM10連續(xù)監(jiān)測儀；以及《PM2.5自動監(jiān)測儀器技術(shù)指標與要求（試行）（2013年版）》推薦使用的基于β+DHS+光散射原理的Thermo 5030 SHARP和基于TEOM+FDMS原理的Thermo 1405F的PM2.5連續(xù)監(jiān)測儀。

另外，考慮參考計量器具型式試驗的要求，從同批產(chǎn)品中隨機抽取兩臺儀器，序列號分別為80057和80059，同時進行性能測試。

測試地點包括位于深圳市梅林街道的深圳市環(huán)境監(jiān)測中心站樓頂?shù)淖詣颖O(jiān)測站點，以及位于廣州市天河南街道的體育西自動監(jiān)測站點，所在地均為典型的城市區(qū)域。

進行在線比對監(jiān)測實驗的時間為2015年12月、2016年3月（深圳）以及2016年2月（廣州）。

3.3 數(shù)據(jù)分析與結(jié)果討論

兩地的比對試驗期間，各臺參比設(shè)備的顆粒物小時均值的有效數(shù)據(jù)獲取率均不小于95%，可滿足實時在線監(jiān)控的要求。在進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析時，以兩臺儀器結(jié)果的平均值代表APM-2的最終測值，而其他參比設(shè)備均只有一臺，則直接將其測值納入統(tǒng)計。表2及表3是比對監(jiān)測試驗所獲得的數(shù)據(jù)。

表2 比對試驗期間深圳梅林站點的顆粒物日均值監(jiān)測結(jié)果 μg/m3

表3 比對試驗期間廣州體育西站點顆粒物日均值監(jiān)測結(jié)果 μg/m3

續(xù)表

深圳與廣州的PM10與PM2.5小時均值監(jiān)測結(jié)果比對分別如圖1、2所示，試小時均值監(jiān)測驗結(jié)果如圖2所示，PM2.5與PM10平行性測試小時均值監(jiān)測結(jié)果如圖3所示，廣州比對試驗期間顆粒物小時濃度值變化趨勢如圖4所示，廣州PM2.5在PM10中的質(zhì)量百分比如圖5所示。

圖1 PM10小時均值監(jiān)測結(jié)果比對

圖2 PM2.5小時均值監(jiān)測結(jié)果比對

圖3 平行性測試小時均值監(jiān)測結(jié)果比對

圖4 廣州比對試驗期間顆粒物小時濃度值變化趨勢

圖5 廣州PM2.5在PM10中的質(zhì)量百分比

（1）從各臺設(shè)備測得顆粒物質(zhì)量濃度值的差異程度來比較。由圖1a與2a可知，APM-2的PM10和PM2.5監(jiān)測結(jié)果，與振蕩天平法原理的1405和1405F的結(jié)果相比，測量值出現(xiàn)系統(tǒng)性偏低，且離散度較大，存在一定的系統(tǒng)性偏差。從圖1b可知，APM-2的PM10與β射線法的BAM-1020的監(jiān)測結(jié)果，從回歸曲線的斜率和相關(guān)系數(shù)方面來看相關(guān)性較好；而圖2b表明，APM-2的PM2.5的監(jiān)測結(jié)果及β+DHS+光散射的5030SHARP，無論從回歸曲線的斜率、截距和相關(guān)系數(shù)方面來看，一致性和可比性均很好。

（2）將兩臺抽檢的APM-2實測的濃度值進行比較。從圖3a與3b可知，兩者之間的相關(guān)性較好，但存在一定的系統(tǒng)偏差，可能是儀器出廠調(diào)試時設(shè)置的顆粒物濃度單位換算因子不同而導(dǎo)致的。

（3）從顆粒物濃度變化趨勢來看。如圖4所示，在廣州進行的比對試驗期間，BAM1020、SHARP5030以及APM-2測得的PM10和PM2.5的小時均值監(jiān)測結(jié)果的變化趨勢十分接近。

（4）對APM-2自帶的顆粒物二級分選切割裝置可靠性進行評估。將APM-2所獲得的PM2.5在PM10中的百分比與已認證的顆粒物自動監(jiān)測設(shè)備獲得的結(jié)果進行比較，如圖5所示。由圖5可知，在觀測期間所獲得的PM2.5與PM10比值波動區(qū)間主要集中在50%～80%，與日常監(jiān)測所獲得的分布情況經(jīng)驗值較為接近。因固定某時間段內(nèi)PM2.5與PM10的比值實際上是唯一的，故應(yīng)設(shè)回歸曲線的截距為0，可用曲線相關(guān)系數(shù)和斜率值來評估APM-2切割頭的性能。結(jié)果表明，相關(guān)系數(shù)及斜率均大于0.95，說明兩組比值之間密切相關(guān)，可認為APM-2能對兩個粒徑段的顆粒物進行有效切割和分級，并分別測量。

4 小結(jié)

城市道路和建筑工地施工的揚塵已成為城市顆粒物污染一類重要來源，為實現(xiàn)對揚塵源的精細化管理和控制，需要尋求一種響應(yīng)速度快、時間分辨率高、便攜性能好、運行維護簡單的設(shè)備進行監(jiān)控。

目前環(huán)保部門廣泛采用的顆粒物在線監(jiān)測儀購置成本較高，且設(shè)備對其使用的環(huán)境條件要求嚴苛，難以在城市實現(xiàn)大范圍、網(wǎng)格化的全覆蓋。本文所選取的基于光散射原理的便攜式顆粒物在線監(jiān)測儀，經(jīng)與空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站點的設(shè)備進行比對試驗，初步結(jié)果顯示，能對空氣中的PM10和PM2.5濃度值進行連續(xù)監(jiān)測，測值較為準確，能反映實際狀況，且運行維護簡單，其性能可滿足對揚塵源實施有效監(jiān)控的使用需求，適合固定及移動性監(jiān)測工作的需要，建議進一步推廣應(yīng)用該技術(shù)。

建議就光散射法測塵的準確性，利用重量法測量顆粒物質(zhì)量濃度，進行更長時間的有效比對，積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，為日后基于實測結(jié)果、實施揚塵排污費的核定及征收工作，提供重要的技術(shù)支撐。

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【責任編輯：任小平 renxp90@163.com】

Performance evaluation of an online monitoring equipment for particles based on light scattering technique

ZHANG Zhan-yi1,SU Zhen-zhong2,ZENG Fan-jin3,HUANG Shan1, LI Guang-hui1,WANG Bo-guang1
（1.Institute for Environmental and Climate Research,Jinan University,Guangzhou 511433,China; 2.Foshan Environmental Monitoring Center,Foshan 528011,China; 3.Guangzhou Research Institute of Environmental Protection,Guangzhou 510620,China）

Based on the comprehensive understanding of the dust,including its influence on the aerosol particles, research statusandmonitoringmethods,a portable device isused in this study for particlemeasurementson the basis of particle light scattering technique.Themeasured particlemass concentrations of PM10 and PM2.5 are compared to the onlinemeasurements in two ambientair quality automaticmonitoring stations in Guangzhou and Shenzhen complyingwith the national technical regulations.The data from ambientmeasurements are analyzed, and the performance of the used portable device isevaluated.

lightscattering;particle;onlinemonitoring;performanceevaluation

X851

A

2017-03-13

廣州市科技和信息化局2013年民生科技重大專項資助項目（201300000130，201300000125）

張展毅（1973-），男，廣東清遠人，暨南大學(xué)高級工程師。

1008-0171（2017）04-0036-07