两种环境空气中PM2.5浓度监测方法的比较

张　伟　陈新星　朱志峰

(南京市环境监测中心站 ，南京 210013)



两种环境空气中PM2.5浓度监测方法的比较

张伟陈新星朱志峰

(南京市环境监测中心站 ，南京 210013)

β射线法是PM2.5自动监测主要方法之一，根据仪器原理的不同，有些β射线法仪器加装了光浊度计，这种方法又称为β射线光浊度法。本文介绍了两种方法的工作原理和差异性，并通过比对实验，对两种方法的实测结果进行了统计学验证。

β射线法β射线光浊度法PM2.5比对实验

近年来，全国大范围的雾霾天气引起了公众和舆论对PM2.5的强烈关注，监测PM2.5的呼声越来越高。在随后颁布的新版《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)中，PM2.5正式成为标准要求的常规监测项目[1]。国外发达国家很早就开始了PM2.5的研究工作，已经掌握了其监测的核心技术。由于我国PM2.5的相关研究起步较晚，对PM2.5自动监测方法还在摸索与验证阶段，国家标准尚未出台。因此对PM2.5的各类自动监测方法进行比对测试，成为推广PM2.5监测的前提条件和当务之急。

1　常用PM2.5自动监测方法

目前，国内外监测大气细粒子PM2.5常用的自动监测方法主要分为β射线法和微量振荡天平法(TEOM法)，两种方法的工作原理显著不同，监测数据稍有差别。有些β射线法仪器通过加装光浊度计进行两种方法的联用，这种仪器又称为β射线光浊度法仪器。业内对于β射线法和微振荡天平法仪器的比对研究较多[1,2]，在此不作赘述，本文将重点介绍β射线法和β射线光浊度法两种方法之间的区别。

1.1β射线法

β射线法是利用β射线的衰减量来测定测量期间颗粒物质量增加量的一种监测方法。气样被采样泵吸入采样管，气样中颗粒物被截留在滤膜上，当β射线通过滤膜时，由于颗粒物的吸收会导致β射线能量衰减，通过β射线的衰减量与颗粒物质量增加量的关系计算颗粒物的质量浓度。

1.2光浊度法

光浊度法测量质量浓度的原理是建立在微粒的 Mie 散射理论基础上的(3)。当光照射在空气中悬浮的颗粒物上时，产生散射光。在颗粒物性质一定的条件下，颗粒物的散射光强度与其质量浓度成正比，通过测量散射光强度，应用转换系数，求得颗粒物质量浓度。光浊度法由于容易受颗粒物折射性、形态以及成分的影响，其测量准确性不好，所以单独采用光散射法测量PM2.5的仪器较少。

1.3β射线光浊度法

β射线光浊度法是在β射线基础上增加光浊度计，将β射线数据与光浊度数据进行同步修正计算，从而得到更加精确的瞬时颗粒物浓度的方法。此方法又被称为：SHARP法，即：Synchronized Hybrid Ambient Real-time Particulate Monitor.

1.4差异性比较

β射线法原理是根据颗粒物对β射线的吸收强度进行分析，颗粒物吸附在滤纸带表面后，盖革计数器(有些仪器使用闪烁体计数器)通过测量采样前后β射线强度变化来计算吸附的颗粒物浓度。采用这种分析方法，人工维护量较低，在数据时间分辨率上，一般1h监测1个数据，个别厂家的仪器也可以提供实时连续数据。由于β射线法监测设备对于颗粒物的颜色、细度、组份所带来的影响不大，因此，β射线法监测仪可以得到高准确度的颗粒物浓度数据[4]。

β射线光浊度法使用了两种传感器。除了盖革计数器外还使用了光浊度计，该部分测量单元可以快速测得高精密度的颗粒物浓度数据，但是数据的准确度还不足以满足监测的需求。因此，如果要准确监测PM2.5数据，需要和β射线法进行联用，通过较为准确的β射线法数据作为校准，来提供高时间分辨率的光浊度法数据[5]。

1.5采用两种监测方法的仪器

表1为各厂家使用两种方法的部分仪器设备。

表1　各厂家使用两种方法的仪器设备

2　比对试验

由于两种PM2.5自动监测方法在原理上存在一定的差异，为了解两种自动监测方法之间在技术性能、准确性等方面的区别，南京市环境监测中心站在2015年5月～7月间，对两种方法的仪器进行了连续比对实验。

2.1实验过程

2.1.1实验设备

β射线法设备使用的是美国metone公司生产的BAM-1020，β射线光浊度法使用的是美国ThermoFisher 公司生产的5030 SHARP。两种仪器的技术性能指标符合环保部《环境空气颗粒物(PM10和PM2.5)连续自动监测系统技术要求及检测方法》(HJ 653-2013)。

2.1.2实验内容

实验地点在南京市草场门环境空气国控点，自动监测数据比对时间为2015年5月1日至7月3日，仪器运行、质量控制按照环保部《环境空气质量自动监测技术规范》(HJ /T 193-2005)的相关要求实施。

2.2实验结果分析

2.2.1自动监测方法之间的数据比对结果

(1)日均值比较

比对期间共获得67组日均值数据，图1为两种方法比对的日均值变化曲线，总体上β射线法(BAM-1020)监测数据比β射线光浊度法(5030 sharp)监测数据偏低5～10%。

图1　BAM-1020与5030sharp 日均值变化曲线

(2)一致性检验

对两种方法进行一致性检验，假设两种方法结果的总体方差相等，用F检验法进行统计检验[6]，取显著性水平为0.05，n=67，F=1.24，F0.05查表=1.53，F

(3)相关性检验

对两种方法进行相关性检验，利用回归方程计算的相关系数r=0.944，取显著性水平为0.05，r0.05(f)查表=0.232，r>r0.05(f)，两种方法高度相关，方法具有可比性,结果见表2。图2显示的是两组数据的散点分布图，用两组数据建立回归方程，得方程式为y=1.052x+0.003。

表2　两种测量方法的统计检验结果

图2　BAM-1020与5030sharp 散点数据分布图

3　结论与建议

(1)β射线法具有较高准确度，光浊度法具有较好精度和时间分辨率，两者结合使用可以得到较高准确度的瞬时浓度。

(2)β射线法和β射线法光浊度法测量数据显著性检验无差异，数据具有一致性，可比性较好。

(3)β射线法和β射线法光浊度法测量数据相关性检验显示具有较好相关性，前者测量结果比后者偏低5～10%。

(4)β射线法受采集空气中的水汽干扰较大，在雨水偏多的南方监测数据会偏高，β射线光浊度法若瞬间采集到雨珠，瞬时值可能会更高。此次仪器比对阶段处于夏季，空气湿度较大，对监测结果会产生一定影响，可能也是光浊度法数据偏高的原因之一。因此，在使用β射线法仪器时，需要对采样管进行加热以去除水汽的影响，但过分加热又会使部分PM2.5成分挥发而影响数据的准确，需要对加热温度进行动态的调节，DHS系统(Dynamic Heating System动态加热系统)的好坏是影响仪器准确率的一个重要因素。

(5)β射线法和β射线法光浊度法都是PM2.5自动监测方法，而国家标准《环境空气PM10和PM2.5的测定 重量法》(HJ618-2011)是环境空气PM2.5监测唯一的国标方法，因此在使用自动监测设备时，还需要按照《国家环境监测网环境空气颗粒物(PM10、PM2.5)自动监测手工比对核查技术规定(试行)》的要求和手工方法进行比对，比对结果合格，利用自动监测方法监测的数据才有效可用。

(6)目前PM2.5监测方法与设备种类较多，由于各地的颗粒物来源、种类不同，气象条件也不同，采用相同方法监测的结果也未必有一致性，文中的结果仅供监测同行参考，各地监测部门应选择适合本地的监测方法与设备，从而得到能真实反映本地实际情况的监测数据。

[1]解淑艳，王晓彦，吴迓名，等.环境空气中PM2.5自动监测方法比较及应用[J].中国环境监测,2013，(2)：150-153.

[2]王坚，黄屋.厦门市PM2.5自动监测方法的比对分析[J],PM2.5监测及防治技术高级研讨会论文集:21-28.

[3]毛达敬.浅谈PM2.5自动监测的几种主流方法[J].科技创新与应用，2013，(8)：114-116.

[4]梁永健.光浊度计结合射线法颗粒物监测仪安装维护浅析[J].分析仪器，2015，(3)：92-95.

[5]宁爱民，文军浩，郑智德，樊尚春.PM2.5测试技术及其比对测试研究进展[J].计测技术，2013，(4)：11-13.

[6]盛聚，谢式千，潘承毅.概率论与数理统计.北京：高等教育出版社，2008：191-192.

Two methods for monitoring of air PM2.5.

Zhang Wei,Chen Xinxing,Zhu Zhifeng

(Nanjing Environmental Monitoring Center Station,Nanjing 210013,China)

This paper introduced the working principle of beta-ray and beta-ray turbidity method,discussed the difference between them,and compared the monitoring results of two methods.

Beta-ray method ；Beta-ray turbidity method；PM2.5；comparison test

张伟，汉，1976年出生，工程师，南京市环境监测中心站，从事环境空气自动监测工作，E-mail:njjczzw@sina.com。

10.3936/j.issn.1001-232x.2016.04.019

2016-03-24