干散货码头PM2.5监测方法对比分析

林宇，刘长兵，杨莹，李美玲

（交通运输部天津水运工程科学研究所水路交通环境保护技术交通行业重点实验室，天津300456）

干散货码头PM2.5监测方法对比分析

林宇，刘长兵，杨莹，李美玲

（交通运输部天津水运工程科学研究所水路交通环境保护技术交通行业重点实验室，天津300456）

文章根据交通运输部天科院在天津港干散货码头开展PM2.5环境监测的实践经验，对目前通用的重量法、β射线法、光散射法等PM2.5监测方法进行梳理比较，结合干散货码头区域环境空气PM2.5浓度高的特点，讨论适用于干散货码头的PM2.5监测分析方法。

PM2.5；环境监测；干散货码头

近年来，PM2.5的污染问题越来越受到重视。以煤炭为代表的干散货码头是港口所在地PM2.5的主要来源之一，相关部门和社会公众越来越关注干散货码头的PM2.5排放问题。开展散货码头PM2.5排放及控制研究，最重要的基础工作就是开展PM2.5的浓度监测。目前常见的PM2.5浓度监测方法包括重量法、β射线法、光散射法、压电晶体频差法和微量振荡天平法等，几种方法各有优缺点。交通运输部天科院在天津港干散货码头区域采用重量法（滤膜称重法）、β射线法和光散射法等多种监测方法，开展了大量的PM2.5监测工作。根据实际监测情况，就各种监测方法对干散货码头PM2.5浓度监测的适用性进行对比分析。

1 干散货码头PM2.5浓度主要监测方法

（1）重量法（滤膜称重法）。重量法，亦称滤膜称重法或手工法，为国家标准分析方法。其工作原理是：通过采样器以恒定速度抽取一定量体积空气，将空气中的微颗粒物截留在滤膜上，再用天平对滤膜进行称重得到采样前后其重量变化，结合采样空气体积，计算出浓度。该方法对细小颗粒物截留效率高，测定结果准确，被认为是最直接、最可靠的测试方法，并作为验证其他测量方法的结果是否准确的参比［1-5］。

根据环境保护部2013年8月发布的《环境空气颗粒物（PM2.5）手工监测方法（重量法）技术规范》（HJ656-2013），重量法监测PM2.5有着非常严格的操作规程，包括采样器的流量、滤膜前后称重的恒温恒湿过程和分析天平的精度等。

（2）β射线法。β射线法的工作原理是：随着仪器的采样系统在滤膜上收集的颗粒物增多，颗粒物质量也将增加，此时β射线检测器所检测到的射线强度会相对应地减弱。即β射线检测器的输出信号与颗粒物的质量变化存在对应关系。将换算后测得的一定时段内采集的颗粒物质量，结合同时段内所采集的样品体积进行计算，可获得该时段的颗粒物浓度。但采用该法监测时，空气中水分（湿度）对滤膜、颗粒物吸附的影响较大，因此采样管通常须加载相应的动态加热系统，以维持待测样的湿度，使其稳定于适宜测量的湿度值，保证测量效果［2-5］。

（3）光散射法。光散射法主要是结合Mie散射理论和颗粒物的相关参数来反推颗粒物质量浓度，当光照射在空气中悬浮的细颗粒物上时，产生散射光。在颗粒物性质保持一定的前提下，颗粒物的散射光强度和其自身的质量浓度存在正比关系，利用质量浓度的转换系数（K值）就可最终获得颗粒物的质量浓度。该方法也可实现实时在线的非接触监测，直接得到测量数据，但实际应用中颗粒物重叠、形状、携带电荷等许多相关因素会引起测量结果误差，此外，监测结果也易受颗粒物粒径、组成和结构、折射性等影响［2-3，5］。

2 不同监测方法获得的干散货码头PM2.5浓度数据分析

（1）天津港干散货码头重量法（滤膜称重法）PM2.5监测结果分析。

交通运输部天科院使用中流量采样器（型号TH⁃150F）对不同天气条件下的天津港干散货码头、滨海新区城区等不同污染特征的区域采样后进行重量法PM2.5监测分析，同时将获得的监测数据与地方环境监测站的监测结果进行比对，多组监测数据统计分析结果表明：无论在较清洁的滨海新区城区，还是在相对污染较重的干散货码头堆场区域，同一地点、同一时段的多台TH⁃150F采样样品由重量法获得的监测数据有较好的一致性；在相对较清洁的滨海新区城区，重量法获得PM2.5监测数据与地方环境监测站发布的公开数据符合性较好（交通运输部天科院重量法监测点与滨海新区开发区四大街公开数据比较），差值在+1%～+25%之间浮动；大风天气、粉尘污染较重的码头满负荷作业时段等特殊监测条件下获得的监测数据同步性（同一地点多台机器）和规律性（监测数据与污染源距离变化相关性等）均表现正常。

（2）天津港干散货码头β射线法PM2.5监测结果分析。

交通运输部天科院使用国内常用的TH⁃β10便携式颗粒物监测仪，对不同天气条件下的天津港干散货码头、滨海新区城区等不同污染特征区域开展了PM2.5浓度监测。该监测仪根据β射线吸收原理设计，颗粒物浓度测量范围0.02～10 mg/m3，采样流量10 L/min，采样斑点面积0.5 cm2。多组监测数据统计分析结果表明：在较清洁的滨海新区城区和干散货码头较清洁时段（未装卸、仅有静态起尘时），TH⁃β10的监测结果有较好的同步性（同一地点多台机器）和规律性（监测数据与污染源距离变化相关性等）；与地方环境监测站发布的公开数据比较，差值在+5%～+40%（β射线法略高）；与同步开展的重量法监测值比较，β射线法的监测结果偏高（最大差值接近+25%）；在干散货码头大风天气、粉尘污染较重时段等监测条件下，TH⁃β10监测效果不佳。

（3）天津港干散货码头光散射法PM2.5监测结果分析。

交通运输部天科院针对PM2.5的监测中，使用了国内比较常见的LD⁃5C型微电脑激光粉尘仪。该仪器工作原理为光散射法，内置滤膜采样器，符合《空气中粉尘浓度的光散射式测定法》（劳动部LD98-1996）以及《铁路作业场所空气中粉尘测定相对质量浓度与质量浓度的转换方法》（铁道部TB/T2323-92）等行业标准。仪器的测量范围为0.01～100 mg/m3或0.001～10 mg/m3，对应的灵敏度分别为0.01 mg/m3和0.001 mg/m3。

交通运输部天科院使用LD⁃5C粉尘仪对不同天气条件下的天津港干散货码头、滨海新区城区、交通干道两侧等不同污染特征的区域开展了监测。多组监测数据统计分析结果提示：在相对较清洁的滨海新区城区，LD⁃5C粉尘仪的监测结果与地方监测站公布的监测结果比较差值在+20%～+50%之间浮动，与同步开展的重量法监测结果比较监测数值明显偏高（最大差值接近+40%）；LD⁃5C对交通干线两侧的PM2.5浓度监测效果略好于重量法，能够反映出交通干线两侧不同距离PM2.5浓度的变化；在天津港干散货码头利用LD⁃5C粉尘仪开展监测时获得的数据规律性较差，大风天气、粉尘污染较重时段等监测条件下LD⁃5C的监测结果基本无法使用。综合分析表明：LD⁃5C粉尘仪粒子计数的工作原理，决定了一般情况下其监测值大于重量法获得的监测结果，更适用于汽车尾气、光化学污染物等PM2.5污染物粒数浓度较低时的测量；LD⁃5C粉尘仪在高浓度区间、大风等不利天气条件下使用效果不佳。

3 适合干散货码头的PM2.5浓度监测方法

针对散货码头开展的PM2.5监测工作有以下特点：

（1）散货港口的作业区域有严格的安全生产管理要求，不能随意接电架设采样仪器；码头和堆场的装卸工艺也决定了很多区域不能设置监测点位。因此需要外接电源、对机器采样动力要求较高（大于100 L/min）的重量法采样仪器会有诸多掣肘之处，虽然可以利用蓄电池供电，也因电池供电时间有限使在港口区域利用重量法长时间监测PM2.5浓度较难实现。β射线法和光散射法PM2.5监测仪器的采样动力要求相对较低（10L/min或更多）、同等条件下自带电池的使用时间较长，因此布设点位的灵活度和采样时长的表现都优于重量法。

（2）散货港口环境空气中的PM2.5有着浓度值波动较大的特点，低浓度时段可能接近地区背景值，高峰时段出现过10倍于地区背景值的极端情况。对于重量法来说，由于采集的是较长时段的污染物，并且收集的污染物质量越大越有利于监测数据的质量控制，因此该特点基本不会影响重量法的监测精度。而光散射法PM2.5监测仪器由于仪器反应有一定的滞后性和单位时间采气量较小，受该特点的影响较大，港口区域剧烈波动的PM2.5浓度经常会使光散射法PM2.5监测仪器应接不暇进而无所适从。交通运输部天科院在天津港煤炭码头作业和非作业时段交错、码头区域风速时有变化等PM2.5浓度频繁变动时段，同步利用光散射法PM2.5监测仪器（国产LD⁃5C激光粉尘仪）和重量法（采样仪TH⁃150F）开展监测，获得的数据统计分析表明，光散射法的监测数据明显质量较差，甚至出现理应污染较轻的区域监测数据明显大于污染较重区域的情况。天科院在同样条件下，同步利用β射线法监测仪器（TH⁃β10粉尘监测仪）和重量法（采样仪TH⁃150F）开展比对监测，两套监测数据的差异明显小于重量法与光散射法监测结果的差异，说明与光散射法比较，β射线法受PM2.5浓度值波动的影响相对较小。但在港区环境空气中PM2.5浓度过高时，β射线法监测值与重量法的差异逐渐明显，β射线法监测数据的稳定性也趋差。

如前所述，散货港口环境空气中会出现PM2.5浓度较高的情况，此时β射线法监测仪器的表现会趋于不稳定。分析该种情况出现的原因，可能是局部时段PM2.5浓度过高的情况下，由于TH⁃β10粉尘监测仪的单位时间进气量较小，采集气体量（对应着污染物质量）不能完全反映高浓度时段环境空气的特质，并且采样斑点面积也远小于重量法的采样膜面积，获得的分析对象质量较小，进而导致系统误差较大。在高浓度的条件下，该种误差愈加凸显。

（3）散货港口环境空气中的PM2.5污染物与其他区域的PM2.5污染物构成有明显区别，除大的区域性污染物（锅炉烟气、汽车尾气、TVOC等）来源外，重要的组成是煤炭等干散货的起尘。以煤尘或矿粉等尘粒子为主要组分的散货港口PM2.5污染物，不同于光化学反应等形成的其他类型PM2.5污染物，有着质量浓度和粒子浓度关系较稳定的特点，即不会由于重量法操作中的恒重环节造成水分、易挥发组分蒸发等较大比例的重量损失进而导致监测结果的较大误差。由于这一特点，光散射法监测仪器可以相对更加准确地反映PM2.5粒子浓度的特点在散货港口的PM2.5监测中基本没有用武之地，反而是重量法及本质上为间接形式重量法的β射线法工作原理更加贴近散货港口PM2.5污染物的特性。这应该也是天科院开展的多次监测中，光散射法仪器的表现明显劣于其他两种方法的原因之一。

结合散货港口PM2.5污染物特点、监测条件限制及交通运输部天科院已开展的监测实践工作分析，3种监测方法的适用性和局限性总结如下：

（1）重量法：适应干散货码头区域PM2.5浓度高污染、高波动等要求，监测结果相对准确，但使用过程中受码头现场工作条件、实验条件等限制较多。

（2）β射线法：对干散货码头区域PM2.5浓度变化的适应性稍差，不能完全反映高浓度时段环境空气的特点。但因不需要接交流电，布点比较灵活，受码头工况限制较少。在要求获取大量监测数据、连续长时间监测时，为提高监测工作效率，可以充分利用β射线法快速监测仪器，但需要配合重量法进行校准。

（3）光散射法：现阶段使用国内光散射法快速监测仪器得到的监测结果重复性差、系统误差较大，由于笔者所在的研究团队尚未能利用进口光散射法监测仪器（如美国产DustTrak DRX Desktop 8530系列）开展散货港口的PM2.5相关监测，光散射法监测散货港口PM2.5浓度的可行性尚需进一步讨论。

综上所述，码头现场工作条件许可的情况下，推荐使用重量法开展PM2.5监测；如码头现场不具备接电等试验条件，可利用自带电源的β射线法快速监测仪器进行监测。暂不推荐干散货码头区域PM2.5监测使用LD⁃5C等同类光散射法监测仪器。

4 结语

本文根据现阶段开展的PM2.5环境监测实践工作，对几种监测方法在散货港口PM2.5监测中的应用效果进行的初步梳理分析，有很多不确定因素存在，同时还有一些监测方法（微量振荡天平法等）和仪器尚无条件开展实测工作。包括散货港口在内的PM2.5监测技术规范化是一项复杂的工作，需要长期的环境监测工作和大量的数据分析，并且配合源解析等其他研究手段，才有可能得出较科学的结论。后期交通运输部天科院会继续开展大规模的监测与比对分析实验，以期得到更加科学准确的结果。

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Comparative analysis of PM2.5monitoring method in dry bulk cargo terminal

LIN Yu,LIU Chang⁃bing,YANG Ying,LI Mei⁃ling
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Environmental Protection Technology on Water Transport Engineering,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

In this paper,according to the practice experience of PM2.5monitoring in Tianjin dry bulk cargo ter⁃minal acquired by Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering of Ministry of Transport,the present general PM2.5monitoring methods including gravimetric method,β⁃ray method and light scattering method were ana⁃lyzed.Combined with the high concentration of PM2.5in dry bulk cargo terminal region,the monitoring methods of PM2.5for dry bulk cargo terminal were discussed.

PM2.5；environmental monitoring；dry bulk cargo terminal

X 51

A

1005-8443（2014）06-0629-04

连云港港30万吨级航道二期将于2015年开建

2013-11-13；

2014-07-11

林宇（1973-），女，天津市人，高级工程师，主要从事交通行业环境保护研究。

Biography：LIN Yu（1973-），female，senior engineer.

本刊从连云港获悉，交通运输部和江苏省重点工程连云港港30万t级航道二期工程将于2015年上半年开工建设。据悉，连云港港30万t级航道二期工程计划建设30万t级连云港区和徐圩港区航道、锚地及配套围堤工程等，初步估算工程总投资约75亿元，疏浚航道约70.5 km。作为徐圩港区建设的前提和关键，总长21.78 km的防波堤工程进展顺利，截至11月底，累计完成投资22亿元，占总投资的47%。据了解，连云港港30万t级航道一期工程于2013年10月完工并通过交工验收。航道的开通使得连云港港具备接纳25～28万t级散货船的能力，有效缓解了建成多年的30万t级矿石码头“有力使不出”的问题。截至11月底，共有186艘次25万t级及以上船舶进出，世界最大的40万t矿砂船“淡水河谷·马来西亚”号轮顺利进港装卸。（殷缶，梅深）