張展毅，蘇振中，曾凡進(jìn)，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(cè)中心站，廣東 佛山528011；3.廣州市環(huán)境保護(hù)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(cè)設(shè)備的性能評(píng)估

張展毅1，蘇振中2，曾凡進(jìn)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(cè)中心站，廣東 佛山528011；3.廣州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510620）

在對(duì)揚(yáng)塵及顆粒物的影響、研究現(xiàn)狀及監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，選取基于光散射測(cè)量技術(shù)的某便攜式顆粒物監(jiān)測(cè)儀，利用廣州、深圳兩個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站中所配備且滿足國(guó)家相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)其測(cè)量PM10和PM2.5結(jié)果的可靠性進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)，分析了獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，完成其性能評(píng)估。

光散射；顆粒物；在線監(jiān)測(cè)；性能評(píng)估

我國(guó)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(xiàng)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(yáng)塵源（包括土壤風(fēng)沙塵、道路揚(yáng)塵、建筑水泥塵等）是我國(guó)大部分地區(qū)可吸入顆粒物（PM10）的重要來(lái)源，各地的貢獻(xiàn)比約為20%～60%［3］。從全國(guó)第一批公布PM2.5源解析成果的城市研究結(jié)果［4-7］來(lái)看，揚(yáng)塵源對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)也不可忽視，其貢獻(xiàn)比約10%～30%。顆粒物監(jiān)測(cè)勢(shì)在必行，本文對(duì)基于光散射技術(shù)的顆粒物在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的性能進(jìn)行評(píng)估。

1 揚(yáng)塵污染監(jiān)測(cè)及研究的現(xiàn)狀

如何對(duì)揚(yáng)塵源，特別是建筑工地施工揚(yáng)塵進(jìn)行有效的監(jiān)控和管理，是削減顆粒物濃度、開(kāi)展城市精細(xì)化管理、加強(qiáng)大氣環(huán)境保護(hù)工作迫切需解決的技術(shù)問(wèn)題。

國(guó)際上一些先進(jìn)國(guó)家及地區(qū)在揚(yáng)塵的源頭控制和全過(guò)程管理有良好的經(jīng)驗(yàn)，如英國(guó)明確提出了施工工地邊界PM10的標(biāo)準(zhǔn)限值，香港、臺(tái)灣地區(qū)也對(duì)工地場(chǎng)界的總懸浮顆粒物（TSP）限值有要求［8］，都為國(guó)內(nèi)城市推進(jìn)揚(yáng)塵排放標(biāo)準(zhǔn)研究和監(jiān)測(cè)工作提供了借鑒與參考。

國(guó)內(nèi)學(xué)者也做了很多研究，張燦［9］等以降塵為監(jiān)測(cè)指標(biāo)，對(duì)重慶市主城國(guó)控點(diǎn)、道路點(diǎn)和建筑工地點(diǎn)3類降塵監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，得到了不同點(diǎn)位降塵量的數(shù)據(jù)及變化趨勢(shì)，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(cè)指標(biāo)，對(duì)城市道路、建筑施工工地以及不同施工階段的揚(yáng)塵污染進(jìn)行了研究，獲得了不同城市道路降塵與PM10排放強(qiáng)度之間的關(guān)系、建筑施工揚(yáng)塵的時(shí)間和空間污染特征以及不同季節(jié)、不同施工階段的揚(yáng)塵污染特征等信息；黃天健、李小冬［13-15］等以TSP為指標(biāo)，利用國(guó)產(chǎn)粉塵采樣儀在建筑施工場(chǎng)地內(nèi)布設(shè)了多個(gè)采樣監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)不同施工階段的施工揚(yáng)塵質(zhì)量濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲取了相同施工活動(dòng)在不同施工階段的揚(yáng)塵排放特點(diǎn)，并提出了減輕施工揚(yáng)塵排放量及施工人員個(gè)人防護(hù)的有效措施。徐捷［16］等以重量法原理的PM10采樣儀對(duì)光散射法施工揚(yáng)塵顆粒物監(jiān)測(cè)儀的適用性進(jìn)行了比對(duì)監(jiān)測(cè)，并使用光散射顆粒物監(jiān)控儀在上海市開(kāi)展了建筑工地實(shí)時(shí)監(jiān)控試點(diǎn)工作，提升了當(dāng)?shù)亟ㄖさ仡w粒物監(jiān)控和管理能力。羅剛［17］等比對(duì)分析城市中揚(yáng)塵手工監(jiān)測(cè)方法（降塵法、AP-42采樣法、移動(dòng)式鋪裝道路積塵采樣法、TRAKER方法和重量法）的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了重量法是當(dāng)前比較適合我國(guó)城市中揚(yáng)塵手工監(jiān)測(cè)的一種方法。張維［18］也用重量法及光散射法同時(shí)對(duì)建筑施工揚(yáng)塵排放濃度（以TSP為指標(biāo)）進(jìn)行了比對(duì)監(jiān)測(cè)，結(jié)果的相關(guān)性較好。同時(shí)國(guó)產(chǎn)的光散射法測(cè)量粉塵濃度的在線監(jiān)測(cè)儀器［19-21］近年來(lái)已成功研發(fā)并開(kāi)始得到了應(yīng)用。

由此可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)對(duì)于揚(yáng)塵的監(jiān)測(cè)仍以重量法為主，監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括降塵、TSP和PM10等。由于建筑施工揚(yáng)塵的排放具有瞬時(shí)強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間短的特征，因此要準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)和監(jiān)控城市中各個(gè)工地的揚(yáng)塵，必須找到一種時(shí)間分辨率高、測(cè)量響應(yīng)快的監(jiān)測(cè)技術(shù)，以滿足精細(xì)化、網(wǎng)格化進(jìn)行城市管理的要求。

2 常用大氣顆粒物監(jiān)測(cè)方法的對(duì)比

目前國(guó)內(nèi)常用的大氣顆粒物濃度監(jiān)測(cè)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(cè)方法中的基準(zhǔn)方法，可監(jiān)測(cè)量以TSP、PM10和PM2.5，在工作場(chǎng)所空氣中粉塵［26-27］的監(jiān)測(cè)也有應(yīng)用。該法需要在采樣后稱量顆粒物的增重量，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高時(shí)間分辨率的監(jiān)測(cè)。

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

（3）在環(huán)境空氣的自動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，PM2.5的自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的適用性也是以重量法為基準(zhǔn)，對(duì)國(guó)內(nèi)外各種監(jiān)測(cè)設(shè)備的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)［30-31］，并推薦了β射線加動(dòng)態(tài)熱系統(tǒng)（β+DHS）方法、β射線加動(dòng)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(dòng)態(tài)測(cè)量（TEOM+FDMS）系統(tǒng)方法3種原理的儀器，作為PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器的可選方法［32］。

環(huán)保部發(fā)布的HJ653［33］和HJ655，對(duì)顆粒物自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)要求、檢測(cè)方法、安裝和驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范等提出了明確的技術(shù)要求。近年來(lái)關(guān)于PM10和PM2.5濃度監(jiān)測(cè)方法的適用性和優(yōu)缺點(diǎn)，以及保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的量值溯源等，國(guó)內(nèi)已有很多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究和分析［34-40］。

（4）光散射法［41-43］也是國(guó)家和部分行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中推薦的一種顆粒物監(jiān)測(cè)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?yàn)樯形戳腥胝降谋O(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方法，應(yīng)用實(shí)例不多。

3 APM-2便攜式顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀的性能評(píng)估

3.1 儀器測(cè)量原理及性能簡(jiǎn)介

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

表1 儀器技術(shù)參數(shù)

3.2 儀器性能評(píng)測(cè)方案

由于APM-2具有同時(shí)對(duì)PM10和PM2.5的自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)能力，因此選擇與其進(jìn)行比對(duì)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(cè)儀；以及《PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器技術(shù)指標(biāo)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(cè)儀。

另外，考慮參考計(jì)量器具型式試驗(yàn)的要求，從同批產(chǎn)品中隨機(jī)抽取兩臺(tái)儀器，序列號(hào)分別為80057和80059，同時(shí)進(jìn)行性能測(cè)試。

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

進(jìn)行在線比對(duì)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)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(duì)試驗(yàn)期間，各臺(tái)參比設(shè)備的顆粒物小時(shí)均值的有效數(shù)據(jù)獲取率均不小于95%，可滿足實(shí)時(shí)在線監(jiān)控的要求。在進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，以兩臺(tái)儀器結(jié)果的平均值代表APM-2的最終測(cè)值，而其他參比設(shè)備均只有一臺(tái)，則直接將其測(cè)值納入統(tǒng)計(jì)。表2及表3是比對(duì)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)。

表2 比對(duì)試驗(yàn)期間深圳梅林站點(diǎn)的顆粒物日均值監(jiān)測(cè)結(jié)果 μg/m3

表3 比對(duì)試驗(yàn)期間廣州體育西站點(diǎn)顆粒物日均值監(jiān)測(cè)結(jié)果 μg/m3

續(xù)表

深圳與廣州的PM10與PM2.5小時(shí)均值監(jiān)測(cè)結(jié)果比對(duì)分別如圖1、2所示，試小時(shí)均值監(jiān)測(cè)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，PM2.5與PM10平行性測(cè)試小時(shí)均值監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示，廣州比對(duì)試驗(yàn)期間顆粒物小時(shí)濃度值變化趨勢(shì)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(shí)均值監(jiān)測(cè)結(jié)果比對(duì)

圖2 PM2.5小時(shí)均值監(jiān)測(cè)結(jié)果比對(duì)

圖3 平行性測(cè)試小時(shí)均值監(jiān)測(cè)結(jié)果比對(duì)

圖4 廣州比對(duì)試驗(yàn)期間顆粒物小時(shí)濃度值變化趨勢(shì)

圖5 廣州PM2.5在PM10中的質(zhì)量百分比

（1）從各臺(tái)設(shè)備測(cè)得顆粒物質(zhì)量濃度值的差異程度來(lái)比較。由圖1a與2a可知，APM-2的PM10和PM2.5監(jiān)測(cè)結(jié)果，與振蕩天平法原理的1405和1405F的結(jié)果相比，測(cè)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(cè)結(jié)果，從回歸曲線的斜率和相關(guān)系數(shù)方面來(lái)看相關(guān)性較好；而圖2b表明，APM-2的PM2.5的監(jiān)測(cè)結(jié)果及β+DHS+光散射的5030SHARP，無(wú)論從回歸曲線的斜率、截距和相關(guān)系數(shù)方面來(lái)看，一致性和可比性均很好。

（2）將兩臺(tái)抽檢的APM-2實(shí)測(cè)的濃度值進(jìn)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(shí)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(shì)來(lái)看。如圖4所示，在廣州進(jìn)行的比對(duì)試驗(yàn)期間，BAM1020、SHARP5030以及APM-2測(cè)得的PM10和PM2.5的小時(shí)均值監(jiān)測(cè)結(jié)果的變化趨勢(shì)十分接近。

（4）對(duì)APM-2自帶的顆粒物二級(jí)分選切割裝置可靠性進(jìn)行評(píng)估。將APM-2所獲得的PM2.5在PM10中的百分比與已認(rèn)證的顆粒物自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備獲得的結(jié)果進(jìn)行比較，如圖5所示。由圖5可知，在觀測(cè)期間所獲得的PM2.5與PM10比值波動(dòng)區(qū)間主要集中在50%～80%，與日常監(jiān)測(cè)所獲得的分布情況經(jīng)驗(yàn)值較為接近。因固定某時(shí)間段內(nèi)PM2.5與PM10的比值實(shí)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(lái)評(píng)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(shuō)明兩組比值之間密切相關(guān)，可認(rèn)為APM-2能對(duì)兩個(gè)粒徑段的顆粒物進(jìn)行有效切割和分級(jí)，并分別測(cè)量。

4 小結(jié)

城市道路和建筑工地施工的揚(yáng)塵已成為城市顆粒物污染一類重要來(lái)源，為實(shí)現(xiàn)對(duì)揚(yáng)塵源的精細(xì)化管理和控制，需要尋求一種響應(yīng)速度快、時(shí)間分辨率高、便攜性能好、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。

目前環(huán)保部門廣泛采用的顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀購(gòu)置成本較高，且設(shè)備對(duì)其使用的環(huán)境條件要求嚴(yán)苛，難以在城市實(shí)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(cè)儀，經(jīng)與空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的設(shè)備進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)，初步結(jié)果顯示，能對(duì)空氣中的PM10和PM2.5濃度值進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，測(cè)值較為準(zhǔn)確，能反映實(shí)際狀況，且運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，其性能可滿足對(duì)揚(yáng)塵源實(shí)施有效監(jiān)控的使用需求，適合固定及移動(dòng)性監(jiān)測(cè)工作的需要，建議進(jìn)一步推廣應(yīng)用該技術(shù)。

建議就光散射法測(cè)塵的準(zhǔn)確性，利用重量法測(cè)量顆粒物質(zhì)量濃度，進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的有效比對(duì)，積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，為日后基于實(shí)測(cè)結(jié)果、實(shí)施揚(yáng)塵排污費(fèi)的核定及征收工作，提供重要的技術(shù)支撐。

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【責(zé)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(xiàng)資助項(xiàng)目（201300000130，201300000125）

張展毅（1973-），男，廣東清遠(yuǎn)人，暨南大學(xué)高級(jí)工程師。

1008-0171（2017）04-0036-07