郭 浩 紀德鈺 苗書一 王曼華 王 偉

(大連市環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧 116023)

在我國，大多數(shù)城市空氣中的首要污染物是顆粒物，顆粒物污染已成為最重要的空氣污染之一。由于顆粒物上聚集了大量重金屬、細菌、病毒、酸性氧化物等，導(dǎo)致人類呼吸系統(tǒng)疾病呈明顯上升趨勢［1］，特別是一些有毒金屬，如砷和汞及其化合物附著在顆粒物表面，通過皮膚、呼吸道等途徑進入人體，經(jīng)過累積引起慢性中毒［2］。目前，我國對顆粒物質(zhì)量濃度的監(jiān)測方法為β 射線法，該方法能夠排除顆粒物由于吸水性帶來的測量結(jié)果偏高和揮發(fā)性物質(zhì)揮發(fā)損失造成結(jié)果偏低的問題，為大多數(shù)空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站所采用。本文通過激光散射法與β 射線法兩種方法對顆粒物質(zhì)量濃度的測量結(jié)果進行比較，了解實際監(jiān)測過程中激光散射法的實用性和準確性，對顆粒物新方法監(jiān)測有著重要的意義。

1 實驗部分

1.1 主要儀器

Grimm180 環(huán)境顆粒物監(jiān)測儀(德國);5030 型顆粒物監(jiān)測儀(PM10)(美國);5030 型顆粒物監(jiān)測儀(PM2.5)(美國);5030 型顆粒物監(jiān)測儀(PM1.0)(美國)。

1.2 基本原理

Grimm180 環(huán)境顆粒物監(jiān)測儀工作原理:半導(dǎo)體激光源以高頻產(chǎn)生綠色激光照射樣氣室，如果有顆粒物存在，激光照在上面會發(fā)生散射，在同一平面上與激光照射方向成90°角的檢測器會收到被對面的反射鏡聚焦的散射光，檢測器收到的脈沖信號與產(chǎn)生散射的顆粒物直徑大小是有相關(guān)性的。這樣，檢測器就為所有經(jīng)過樣氣室的顆粒物產(chǎn)生各自相應(yīng)的脈沖信號。最后脈沖信號計數(shù)器記錄顆粒物的個數(shù)，同時脈沖信號分析器給出每個顆粒物相應(yīng)的脈沖強弱分級，計算出每個顆粒物粒徑的大小。數(shù)字處理器將得到的結(jié)果乘以顆粒物密度，就得到了質(zhì)量濃度。

5030 型顆粒物監(jiān)測儀工作原理:環(huán)境空氣由采樣泵吸入采樣管，經(jīng)過濾膜后排出。顆粒物沉淀在采樣濾膜上，儀器中濾膜的兩側(cè)安裝有β 射線源和檢測器，當β 射線通過沉積著顆粒物的濾膜時，β 射線能量衰減，β 射線檢測器的輸出信號能直接反映顆粒物的質(zhì)量變化，通過對衰減量的測定及采集樣品的體積計算出顆粒物的濃度［3］。

1.3 調(diào)試運行及儀器校準

顆粒物連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)安裝并連續(xù)正常運行168 小時后，進行調(diào)試，調(diào)試完成后性能指標符合相應(yīng)的指標要求［4］。更換濾膜后，檢查儀器的采樣流量，用標準膜進行標定［5］。

1.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)

監(jiān)測數(shù)據(jù)為連續(xù)5 個月146 天的顆粒物(PM10、PM2.5、PM1.0)質(zhì)量濃度日均值。

2 結(jié)果分析

2.1 兩種方法的相關(guān)性

通過對數(shù)據(jù)的分析可以看出兩種方法測得的顆粒物濃度相關(guān)性為PM2.5＞PM10＞PM1.0，相關(guān)系數(shù)分別為0.9462，0.8540，0.8508，見圖1、圖2、圖3。激光散射法測定顆粒物PM10的質(zhì)量濃度略低于β 射線法;測定PM1.0的質(zhì)量濃度略高于β 射線法;當空氣質(zhì)量指數(shù)AQI≤100 時，即空氣質(zhì)量級別為優(yōu)良時，激光散射法測定顆粒物PM2.5的質(zhì)量濃度略高于β 射線法，空氣質(zhì)量指數(shù)AQI＞100 時，即空氣質(zhì)量級別為污染時，激光散射法測定顆粒物PM2.5的質(zhì)量濃度略低于β 射線法。

圖1

圖2

圖3

2.2 兩種方法的誤差

假設(shè)β 射線法測定顆粒物日均值濃度結(jié)果為真值，激光散射法測定顆粒物PM10的相對誤差主要集中在－20%～20%之間，出現(xiàn)頻率為61.6%，在相對誤差－10%～10%之間出現(xiàn)的頻率最高，為27.4%，見圖4;測定PM2.5的相對誤差同樣集中在－20%～20%之間，出現(xiàn)頻率為75.3%，在相對誤差－10%～10%之間出現(xiàn)的頻率最高，為47.9%，見圖5;而測定PM1.0的相對誤差大部分大于20%，出現(xiàn)頻率為64.4%，見圖6。對激光散射法測定顆粒物PM10、PM2.5、PM1.0的日均值濃度結(jié)果做正態(tài)分布，通過計算可知:PM10的可信區(qū)間為－24.5%～17.3%，PM2.5的可信區(qū)間為－15.0%～21.0%，PM1.0的可信區(qū)間為1.7%～69.9%。

圖4

圖5

圖6

通過對兩種方法日均值進行比較，即t 檢測法［6］，該方法適用與確定兩種檢測方法之間的系統(tǒng)誤差。若給定α=0.05，f=145，t0.05(∞)=1.960，得出│t│PM2.5=1.274 ＜1.960，│t │PM10= 2.404＞1.960，│t │PM1.0=10.899＞1.960，即在兩種方法下測定顆粒物PM2.5的日均值無顯著差異，而測定顆粒物PM10和PM1.0的日均值存在顯著性差異。

3 結(jié) 論

目前我國對顆粒物質(zhì)量濃度的監(jiān)測方法為β 射線法，該方法能夠排除顆粒物由于吸水性帶來的測量結(jié)果偏高和揮發(fā)性物質(zhì)揮發(fā)損失造成結(jié)果偏低的問題，為大多數(shù)空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站所采用。本文通過激光散射法與β 射線法兩種方法對顆粒物質(zhì)量濃度的測量結(jié)果進行比較，了解實際監(jiān)測過程中激光散射法的實用性和準確性，對顆粒物新方法監(jiān)測有著重要的意義。研究表明:

(1)激光散射法與β 射線法相比較，測得顆粒物PM10的質(zhì)量濃度偏低，PM1.0的質(zhì)量濃度偏高，PM2.5的質(zhì)量濃度與空氣質(zhì)量指數(shù)有一定的關(guān)系，當AQI≤100時，激光散射法的測定結(jié)果高于β 射線法，AQI＞100時，激光散射法的測定結(jié)果低于β 射線法。兩種方法的相關(guān)性為PM2.5＞PM10＞PM1.0。

(2)兩種方法測定的結(jié)果存在一定的誤差，相對誤差PM1.0＞PM10＞PM2.5，用t 檢測法對激光散射法和β射線法測得顆粒物質(zhì)量濃度的日均值做比較，發(fā)現(xiàn)測定顆粒物PM2.5的日均值無顯著差異，而測定顆粒物PM10和PM1.0的日均值存在顯著性差異，可見，激光散射法對于檢測環(huán)境空氣中顆粒物PM2.5的質(zhì)量濃度是可信的。

［1］魏復(fù)盛，滕恩江，吳國平，等．空氣污染對呼吸健康影響研究［J］醫(yī)學(xué)研究通訊，2005(5):27－28．

［2］李慧，張立石．砷的毒性與生物學(xué)功能［J］．現(xiàn)代預(yù)防醫(yī)學(xué)，2000(1):47－48．

［3］國家環(huán)境保護總局．空氣和廢氣監(jiān)測分析方法［M］．4 版．北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2003．

［4］環(huán)境空氣顆粒物連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)安裝和驗收技術(shù)規(guī)范HJ655－2013．

［5］環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測技術(shù)規(guī)范HJ/T193－2005．

［6］中國環(huán)境監(jiān)測總站．環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測質(zhì)量保證手冊［M］．2 版．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010:264－266．