环境空气PM2.5监测技术及其可比性研究进展

但德忠

（四川大学建筑与环境学院，四川成都 610065）

环境空气PM2.5监测技术及其可比性研究进展

但德忠

（四川大学建筑与环境学院，四川成都 610065）

随着我国PM2.5国家标准的颁布，PM2.5的科学监测对了解和评价环境空气质量显得尤为重要。由于PM2.5的组成复杂多变、各种检测技术原理及特点各异，PM2.5的准确监测及其方法的规范化成为环境空气质量管理的基础和关键。该文重点评述PM2.5监测的研究进展及监测技术，介绍β射线法、振荡天平法、光散射法及目前国内外开展不同方法比对研究的最新进展，探讨适合我国国情的PM2.5监测设备及技术，为制定相应的标准方法及规范提供技术支持。

PM2.5；气溶胶；环境空气质量；环境监测；综述

0 引言

2012年《环境空气质量标准》的发布，在我国环境保护历史上具有里程碑意义，标志着环境保护工作的重点开始从污染物排放总量控制管理向环境质量管理、从控制局部污染向区域联防联控、从控制一次污染物向控制二次污染物、从单独控制个别污染物向多污染物协同控制转变，这些转变都将对我国环保工作特别是环境监测提出更高的要求。由于PM2.5（particulate matter，粒径≤2.5μm）的组成复杂多变，以及各种监测技术的原理及特点各异，加之PM2.5的监测起步较晚，经验积累不多，目前国家尚无统一的标准分析方法。因此，深入研究各种方法的适用范围和条件，解决方法之间的可比性，探讨适合我国国情的PM2.5监测设备及技术，制定相应的标准分析方法及规范，对提供科学准确的PM2.5监测数据，进而为环境空气质量评价及政府环境管理决策提供依据具有重要的意义。

1 PM2.5监测

1.1 国内外PM2.5监测概况

1.1.1 国外

美国自1999年起开展PM2.5监测。美国环保署（EPA）制定了一系列的标准方法及规范以指导PM2.5监测，在《Ambient air monitoring reference and equivalent methods》中规定了PM2.5的监测方法及指标。在《Guidance for network design and optimum site exposure for PM2.5and PM10》中对监测网络设计及站点选择提出了指导意见。在《QA Handbook Vol II final》中对PM2.5监测的质控手段及方法进行了描述。在《PM2.5FRM Network federal performance evaluation program quality assurance project plan（QAPP）March 2009（QA officer approval spending）》中针对PM2.5的性能提出了质量保证计划。在《PM2.5performance evaluation program（PEP）standard operation procedures（SOP）for field activities-January 30，2009 edition》中规定了PM2.5性能评估计划的现场标准操作步骤。针对仪器设备，美国EPA也制定了一系列的标准方法，对监测仪器的指标及测定方法做了规定[1]。

欧盟针对颗粒物的监测，制定了一系列的标准方法及规范，在《BS 1747-2-1969 Methods for the measurement of air pollution.Determination of concentration of suspended matter》中规定了悬浮物浓度的测定方法。在《BS EN 14907-2005 Ambient air quality-Standard gravimetric measurement method for the determination of the PM2.5mass fraction of suspended particulate matter》中对PM2.5的标准重量法进行了详述。

日本针对颗粒物的监测也制定了一系列标准，在JIS B7954-2001《Automatic monitors for suspended particulate matter in ambient air》中规定了大气中悬浮颗粒物用自动监测仪指标及测定方法，在JIS Z8851-2005《Sampler of PM2.5in ambient air》中对空气中的PM2.5采样器进行了描述。

国际标准化组织（ISO）针对PM2.5制定了β射线吸收法标准：ISO 10473-2002《Ambient air measurement of the mass of particulate matter on a filter medium Beta-ray absorption method》。目前，除美国和欧盟一些国家以及亚洲的日本、泰国、印度、中国将PM2.5列入空气质量标准外，世界上大部分国家都还未开展对PM2.5的监测。

1.1.2 国内

我国对PM2.5的监测相对滞后，国内率先开展PM2.5监测的城市有广州、武汉、兰州和重庆[2-5]。2006年，粤港珠三角空气质量监测网中的区域点（从化天湖、南沙万倾沙、惠州金果湾）及香港3个测点开展了PM2.5监测；2008年，国家环境监测总站组织上海、天津、重庆、广州、南京、深圳等6个城市开展了PM2.5的研究性监测；2009年底，广州市开展“灰霾影响环境空气质量监测试点工作”，设置了“城市”和“远郊”22个站点，开展PM2.5监测。

尽管我国部分城市和研究机构先期已经开展环境空气PM2.5的研究性监测工作，但不同地区数据缺乏系统性和代表性，在PM2.5监测方面还存在诸多问题。2010年7月，环境保护部科技标准司正式启动公益性行业科研专项《城市环境空气中PM2.5监测技术与规范研究》，至2011年12月已编制了3份PM2.5监测技术规定（《环境空气PM2.5自动监测技术规定β射线法（暂行）》、《环境空气PM2.5自动监测技术规定微量振荡天平法（暂行）》、《遥感反演PM2.5浓度技术规定Mie散射激光雷达法（暂行）》）工作讨论稿，为新修订的《环境空气质量标准》的颁布实施、满足当前PM2.5监测工作的需要，提供了技术支持。

1.2 PM2.5的监测技术

PM2.5是指空气动力学当量直径（俗称粒径）小于2.5μm的大气颗粒物，通常被称为细粒子、细颗粒物或可入肺颗粒物（IP）。所谓“细”是指在通过检测仪器时所表现出的空气动力学特征。因此，测定PM2.5时，需要利用空气动力学原理将其与更大的颗粒物分开，而不是用2.5μm孔径的滤膜来分离[6]。

1.2.1 PM2.5的分离

分离PM2.5，一般采用具有特殊结构的切割器，其基本原理是：在抽气泵的作用下，空气以一定的流速流过切割器，较大的颗粒因为惯性大而被截留，惯性较小的细颗粒绝大部分随着空气流而通过。PM2.5切割器性能指标为：切割粒径Da50=（2.5±0.2）μm；捕集效率的几何标准差为σg=（1.2±0.1）μm[7]。

1.2.2 PM2.5的测定

目前，测定PM2.5主要采有4种方法：重量法、β射线吸收法、微量振荡天平法和光散射法。重量法即手工法，属国家标准分析方法。振荡天平法、β射线吸收法属自动监测法，国际上普遍采用，也是国家环境空气质量标准中规定的方法。

（1）重量法。该法是指将PM2.5直接截留在Teflon或PTEE滤膜上，然后用天平称重，计算颗粒物质量浓度。某些极细的颗粒可能穿过滤膜，但只要滤膜对0.3μm以上的颗粒截留效率大于99%，就算合格[7]。重量法是最直接、最可靠的方法，是验证其他方法是否准确的基准。但其操作繁琐而费时，多用于进行单点、某时间段内的采样与监测，或作为其他方法的比对方法。

2011年11 月1 日，环保部发布的《环境空气PM10和PM2．5的测定重量法》（HJ 618-2011）首次对PM2.5的测定进行了规范。

（2）β射线吸收法。将PM2.5收集到滤膜上，然后照射一束β射线，射线穿过滤膜和颗粒物时由于被散射而衰减，其强度衰减程度与所透过的物质质量有关，盖革计数器通过测量清洁滤带和采尘滤带对β射线吸收程度的差异来计算吸附的颗粒物的浓度。该法不受颗粒物粒径、成分、颜色及分散状态的影响，测定的是颗粒物质量浓度。

β射线法基于两个假设：一是石英采样滤膜条带均一；二是采集的PM2.5粒子物理特性均一。上述两个假设实际上并不成立，因此测定数据一般被认为偏高，这种方法在相对干净和干燥的地区故障率低，在潮湿高温区域故障率较高。

（3）微量振荡天平法。该法基于锥形元件振荡微量天平原理，是在质量传感器内使用一个振荡空心锥形管，在空心锥形管振荡端上安放可更换的滤膜，振荡频率取决于锥形管特性和质量。当采样气流通过滤膜时，其中的颗粒物沉积在滤膜上，滤膜质量变化导致振荡频率变化，通过测量振荡频率的变化，计算出沉积在滤膜上颗粒物的质量，再根据采样流量、温度和气压，计算出该时段的颗粒物标态质量浓度。用标准PM2.5浓度气样校准仪器后，可直接显示浓度。

石英谐振器对其表面质量的变化十分敏感。空气中颗粒物浓度一般为0.1mg/m3数量级，而水气含量常以g/m3计。它与晶体表面间的作用，会对频率带来影响。当相对湿度增加到80%以上，晶体的频率开始显著变化，湿度越高，变化越大，此时将引起很大的测量误差。为消除高湿度的影响，可将传感器加热，使进气湿度降低。若加热到41.2℃，可基本消除高湿度对仪器“零点”的影响。但加热可能使颗粒上的VOCs挥发损失，造成负误差。有报道指出，振荡天平法监测结果较β射线法偏低15%~17%。目前的技术无法解决样品加热后挥发性和半挥发性物质的损失，所以该法不适合南方潮湿地区和污染严重城市PM2.5的测定。

（4）光散射法。光散射法是通过测量颗粒物受光照射后所发出的散射光信号的大小来测量颗粒物的质量浓度。该法是利用Mie散射理论及颗粒物的各参量来反演颗粒物质量浓度的。实际上，光的散射与颗粒物浓度间的关系受到颗粒物的化学组成、形状、比重、粒径分布等诸多因素的影响，这意味着光散射和颗粒物浓度之间的定量关系随时都可能改变，这就需要不断地用标准方法进行校正。文献报道，利用光散射仪测定PM2.5，至少有30%~40%的不确定性。

光散射法可以实时在线监测空气中颗粒物的浓度，根据颗粒物性质预先设定K值，可以现场直接显示质量浓度（mg/m3），且其体积小、重量轻、操作简便、噪声低、稳定性好，适于公共场所、生产现场粉尘等场合和大气质量监测使用。

2 PM2.5监测方法的可比性研究进展

PM2.5的监测是我国近十年来环境监测的一个新项目。为了解决PM2.5监测能力建设所需要的技术指标问题，必须研究适合我国特点的PM2.5监测技术和方法，解决方法的可比性，为制定相关监测技术规范提供依据。

2.1 我国PM2.5监测方法比对测试概况

2011年12 月，中国环境监测总站开始进行PM2.5自动监测方法适用性比对测试工作，并制定了《PM2.5自动监测方法适用性比对测试实验方案》。参考美国EPA对PM2.5自动监测仪器的认证方法，以我国手工监测标准方法为基准，对不同厂家、不同原理的环境空气自动监测仪进行单机比对测试，以全面了解PM2.5监测中的β射线法、β射线法联用湿度补偿、振荡天平（TEOM）法、震荡天平联用膜补偿测量法（TEOMFDMS）和光散射法。

中国环境监测总站大气室先后调集了美国Thermo Fisher Scientific公司TEOM1405F*、TEOM1405、FH62C14、5030-SHARP*PM2.5监测仪，美国Met One公司的BAM-1020*PM2.5监测仪，河北先河公司的XHPM-2000E监测仪，北京中晟泰科公司的7201型监测仪，武汉天虹公司的TH2000TM监测仪，安徽蓝盾光电子公司TEOM监测仪共9种PM2.5自动监测仪器；以及美国Thermo Fisher Scientific公司RP-2000 D（双通道）*、德国Derenda公司PNS-16T（16通道）*、武汉天虹公司宇虹TH-150A（单通道）、宇虹TH-16A（四通道）等4种手工采样监测仪器，进行仪器设备安装调试工作，全面开展比对测试实验[5]（*表示通过EPA认证）。

2012年1 月16 日至3月27日，分别在北京、上海、重庆、广东、济南等地开展第一阶段PM2.5自动监测仪适用性测试。测试对数据有效性、采样场风速、分析天平对滤膜上颗粒物负载量等均作了严格的要求。空气质量代表性覆盖从清洁至严重污染水平。采用国际通用的测试评估方法，将各种自动监测仪器与手工标准方法的同时段监测结果进行回归分析，按照国际通用的PM2.5监测仪器认证指标进行评价[8]。

2.2 我国PM2.5监测方法比对测试结果

目前，第一阶段比对测试已结束，中国环境监测总站近日印发了《PM2.5自动监测仪器技术指标与要求（试行）》的通知，用以指导第一阶段PM2.5监测能力建设。

对参加测试的PM2.5自动监测方法而言，微量振荡天平法必须加装膜动态测量系统、β射线法必须加装动态加热系统，才能满足测试要求。通过美国EPA、欧盟或等同国际水平认证的国外PM2.5监测仪，在比对测试中总体合格，测试结果与美国EPA、欧盟或等同国际水平认证基本一致，可满足我国PM2.5自动监测的需要。比对结果确定3种PM2.5的自动监测方法为[8]：

（1）β射线法加装动态加热系统（β+DHS）；

（2）β射线法加动态加热系统联用光散射法（β+ DHS+光散射）；

（3）微量振荡天平法加膜动态测量系统（TEOM+ FDMS）。

3种方法所选用的仪器关键的技术指标要求为：

量程：0～10mg/m3；

最低检测限：≤2μg/m3；

测定周期：1h；

采样流量：16.7L/min（流量稳定性优于3%）；

显示分辨率：≤1μg/m3；

允许误差：±5μg/m3以内（24h）；

平行性：7%；

运行环境：-30～50℃；

测量时间：连续监测。

2.2.1 β射线法加装动态加热系统（β+DHS）

由于空气中水分对膜片和吸附颗粒物均有较大的影响；因此，β射线法必须加装动态加热系统，以最大限度减少对颗粒物监测的影响。

由于石英采样滤膜条带和采集的PM2.5粒子物理特性都不完全均一，因此该法测定数据存在方法学偏差。此外，在高湿度地区和湿度短期变化幅度较大时，该法测定数据也易出现偏差。该法仪器对采样滤膜带有较高的要求，在潮湿高温区域故障率较高。

2.2.2 β射线法加动态加热系统联用光散射法（β+ DHS+光散射）

在β+DHS基础上，增加一个光散射测量装置，利用较为稳定准确的周期性（通常为30min～1h）β射线法测量数据为校准提供高时间分辨率的光散射测量值。由于光散射方法测量的数据以β射线法测量数据为基准周期性校准，其光学法的高精度数据只能作为参考，并不能完全脱离β射线法测量的精度水平。

该法仪器特点与上述β+DHS法基本相同，缺点也类似。但由于采用光散射，数据时间分辨率得到很大的提高，可以获得分钟水平的监测数据。这类仪器精度处在TEOM+FDMS仪器与β+DHS仪器之间，检出限和精度理论上接近TEOM+FDMS。

2.2.3 微量振荡天平法加膜动态测量系统（TEOM+ FDMS）

TEOM+FDMS联用主要通过两个阶段的测量来实现。第1阶段，空气通过膜动态测量系统进样管加热干燥后进入监测仪，通过设定一段时间的连续采样后，足够的空气颗粒物沉积在振荡天平滤膜上，测定滤膜上的颗粒物质量，计算出颗粒物质量浓度；第2阶段，通过膜动态测量系统的切换阀，空气进入膜动态测量系统中的冷凝器，空气中的颗粒物包括挥发性和半挥发性等组分被冷凝并被膜动态测量系统过滤膜截留，通过冷凝器后的纯净气流再进入振荡天平仪测量。由于此时气样不含颗粒物，因此振荡天平的滤膜不会增重，反而因滤膜上挥发性和半挥发性颗粒物的持续挥发，造成滤膜质量减轻，减轻的质量即为损失的挥发性和半挥发性颗粒物质量。如果在第1和第2阶段两次相同时间的测量过程中，振荡天平滤膜上损失的质量相等，将第1阶段测得的颗粒物质量浓度加上第2阶段测得的挥发性和半挥发性颗粒物的损失量，即得校正后的颗粒物质量浓度[8]。

由于国内很多城市细粒子浓度较高，容易导致渗透膜标准件的透水膜微孔很快被细粒子堵塞，从而使其寿命大大降低，约2～3个月需更换一次。同样，在高湿度地区，由于冷凝水汽分离工作负载量大，渗透膜的工作效率和寿命也会大大降低。因此，增加膜动态校准系统会造成成本增高，维护工作量大，仪器故障率大幅度升高，且FDMS需定期返厂更新。

大气湿度从高值迅速下降至低值时，振荡天平法PM10监测结果可能会出现负值，而PM2.5仪器由于增加了FDMS系统，能够对损失的水分和挥发性有机物进行补偿，监测结果仍为正值，此时会出现PM2.5监测结果大于PM10监测结果的情况。出现这种情况时，颗粒物浓度往往处于极高的污染范围，监测结果不影响空气质量等级评价，可采用业界通常设定的上下限修正[8]。

本次PM2.5自动监测仪比对测试是一种暂时过渡，待环保部监测仪器质检中心的颗粒物适用性检测平台建立后，适用性测试工作将转入正常程序。届时所有环境空气质量监测网站点使用的颗粒物监测仪器，均需通过正式的适用性检测[8]。

2.3国外PM2.5监测方法比对研究进展

2008年开始，美国EPA开展了对PM2.5自动监测仪的认证工作，经过认证的仪器都会获得美国自动等效方法号（EQPM）。

目前，经过美国EPA认证的PM2.5监测仪都有固定的基本配置和工作参数设置来最大限度地保证数据的准确性。β射线法可以提供PM2.51h的平均浓度；β射线光散射法除了能提供基本的PM2.51h的平均浓度外，还可提供高准确度的1min平均浓度；TEOM+FDMS法在被美国EPA认可的仪器中是唯一采用颗粒物质量直接测量的仪器，FDMS的运用使仪器能测得分析过程中挥发掉的挥发性和半挥发性颗粒物的质量，经过补偿后的数据更接近于标准重量法的测量结果，其数据被认为是PM2.5自动监测仪中准确度最高的。经世界各国的权威检定机构及第三方监测机构测试，TEOM+FDMS与标准重量法数据的相关性最佳，在94%～99%间，而β射线法的相关性在77%～90%间。因此，微量振荡天平法成为目前世界各国使用的颗粒物自动监测的主流技术。在美国PM2.5监测网络中约有60%的微量振荡天平法监测仪[9]。

不过，在美国振荡天平法监测仪不一定非要加装FDMS，是否加装各州可以自由选择。加装后的监测结果即被认定为联邦等效方法（federal equivalent method，FEM）结果，而没有加装FDMS的监测结果则为PRE-FEM的结果。无论是否加装，都需与联邦参比方法进行校准，FEM为3天校准一次，PRE-FEM为6天校准一次。

2006年，英国必维国际检验集团完成了在英国使用的颗粒物自动监测仪和标准方法的对比报告[9]，其中涉及5台PM10监测仪、1台PM2.5监测仪和1台PM2.5颗粒物采样器。总结如下：（1）被测评的1台β射线法PM10监测仪的数据须除以1.211或1.271才可以使用；（2）TEOM+FDMS PM10和PM2.5监测仪符合等效方法的要求；（3）不配置FDMS的TEOM PM10监测仪不符合等效方法的要求；（4）被测评的PM2.5颗粒物采样器符合等效方法的要求。

应当看到，国外PM2.5自动监测仪性能指标和补偿措施的验证是在PM2.5低浓度条件下进行的，面对我国PM2.5高浓度水平和成因复杂的实际情况，如何解决和借鉴设备原有的比对及验证条件是现阶段我国进口PM2.5监测设备面临的主要问题。

3 结束语

目前，国内外比对测试结果表明，基于不同测量原理的PM2.5监测仪，都有一定的适应范围和局限性，并允许出现一定的误差。

从技术上看，PM2.5的监测应符合有关监测技术规范的要求，这涉及到监测点位布设、监测人员资质、分析方法选择、监测设备选型及认证、质量控制和质量保证措施等诸多因素，只有通过监测全过程的质量控制，通过最佳技术手段尽量把误差缩小，才能保证监测数据的准确性和可比性。任何一种自动监测方法都有其优缺点和适用性，重要的是一定要根据当地的气象条件及颗粒物特点选择合适的监测手段，使一个城市的方法体系要有延续性、可比性。鉴于PM2.5自动监测设备标定溯源困难，根据国际通行做法，建议国家发布PM2.5监测设备选型名录，以供各地按照环境空气质量标准的要求选购适合的监测设备。

国内外多年的监测经验表明，PM2.5的监测需要经过大量手工方法数据作为比对和校验，才能在当地给出高质量的PM2.5监测数据。因此，我国的环保工作者尚有大量艰巨的工作要做。可喜的是在极短的时间内我国在PM2.5自动监测方法适用性比对测试方面已经迈出了坚实的一步，并取得了阶段性的成果，为深入研究建立适合我国国情的PM2.5监测设备及技术、制定相应的标准方法、出台PM2.5自动监测技术规范打下了坚实的基础[10]。

[1]崔延青，王春迎，尚永昌.大气细粒子（PM2.5）监测技术进展[J].中国环保产业，2012（4）：8-13.

[2]魏复盛，滕恩江，吴国平．我国4个大城市空气PM2.5、PM10污染及其化学组成[J]．中国环境监测，2001，17（5）：1-6.

[3]李龙凤，王新明，赵利容，等．广州市街道环境PM10和PM2.5质量浓度的变化特征[J]．地球与环境，2005，33（2）：57-60.

[4]潘纯珍，陈刚才，杨清玲，等．重庆市地区道路PM10/PM2.5浓度分布特征研究[J]．西南农业大学学报：自然科学版，2004，26（5）：576-579.

[5]王玮，汤大钢，刘红杰，等．中国PM2.5污染状况和污染特征的研究[J]．环境科学研究，2000，13（1）：1-5.

[6]Chow J C.Measurement methods to determine compliance with ambient air quality standards for suspended particles[J].J Air Waste Manage Assoc，1995（45）：320-382.

[7]HJ 618—2011环境空气PM10和PM2.5的测定重量法[S].

[8]李健军，杜丽，王晓彦，等.PM2.5自动监测仪器第一阶段测试报告和技术指标要求[R].中国环境监测总站，2012.

[9]欧阳松华.PM2.5在线监测技术概述[J].中国环保产业，2012（4）：14-18.

[10]傅敏宁，郑有飞，徐星生，等.PM2.5监测及评价研究进展[J].气象与减灾研究，2011，34（4）：1-6.

Advance on com parison research of monitoring techniques for PM2.5in ambient air

DAN De-zhong
（College of Architecture and Environment，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

As the national standard about PM2.5was put in practice in China，it will be very urgent to monitor PM2.5scientifically for understanding and assessing the environmental air quality. Owing to the complex and various components of PM2.5，as well as different principle and application characteristic for all kinds of monitoring techniques，the accuracy monitoring of PM2.5and the monitoring method standardization are investigated at present.The development for monitoring PM2.5and monitoring technologies was reviewed.Some advanced technologies:beta ray method，oscillation balance method and light scattering method，as well as the comparison of the methods are emphasized.Furthermore，the monitoring equipments and techniques，standard method and criterion suitable to China are discussed.

PM2.5；aerosol；environmental air quality；environmentalmonitoring；review

X823；X830.2；O436.2；TM930.12+7

A

1674-5124（2013）02-0001-05

2012-09-23；

：2012-11-07

但德忠（1947-），男，教授，博士生导师，研究方向为环境监测，现任四川省环境科学学会环境监测专委会主任委员、四川省分析测试学会环境与食品安全专委会主任委员。