一种基于光散射技术的颗粒物在线监测设备的性能评估

张展毅，苏振中，曾凡进，黄 山，李光辉，王伯光

（1.暨南大学环境与气候研究院，广东 广州511443；2.佛山市环境监测中心站，广东 佛山528011；3.广州市环境保护科学研究院，广东 广州 510620）

一种基于光散射技术的颗粒物在线监测设备的性能评估

张展毅1，苏振中2，曾凡进3，黄 山1，李光辉1，王伯光1

（1.暨南大学环境与气候研究院，广东 广州511443；2.佛山市环境监测中心站，广东 佛山528011；3.广州市环境保护科学研究院，广东 广州 510620）

在对扬尘及颗粒物的影响、研究现状及监测方法进行分析的基础上，选取基于光散射测量技术的某便携式颗粒物监测仪，利用广州、深圳两个环境空气质量自动监测站中所配备且满足国家相关技术规范要求的在线监测设备，对其测量PM10和PM2.5结果的可靠性进行比对试验，分析了获得的监测数据，完成其性能评估。

光散射；颗粒物；在线监测；性能评估

我国城市大气污染已从传统的煤烟型污染向复合型污染转变［1］，颗粒物（PM10、PM2.5）常常成为首要污染物。大量研究表明，颗粒物气溶胶污染与人群死亡率、多项疾病发病率联系密切［2］，易造成呼吸系统和循环系统损害，引发哮喘、心脏病和肺病等疾病。扬尘源（包括土壤风沙尘、道路扬尘、建筑水泥尘等）是我国大部分地区可吸入颗粒物（PM10）的重要来源，各地的贡献比约为20%～60%［3］。从全国第一批公布PM2.5源解析成果的城市研究结果［4-7］来看，扬尘源对PM2.5的贡献也不可忽视，其贡献比约10%～30%。颗粒物监测势在必行，本文对基于光散射技术的颗粒物在线监测设备的性能进行评估。

1 扬尘污染监测及研究的现状

如何对扬尘源，特别是建筑工地施工扬尘进行有效的监控和管理，是削减颗粒物浓度、开展城市精细化管理、加强大气环境保护工作迫切需解决的技术问题。

国际上一些先进国家及地区在扬尘的源头控制和全过程管理有良好的经验，如英国明确提出了施工工地边界PM10的标准限值，香港、台湾地区也对工地场界的总悬浮颗粒物（TSP）限值有要求［8］，都为国内城市推进扬尘排放标准研究和监测工作提供了借鉴与参考。

国内学者也做了很多研究，张灿［9］等以降尘为监测指标，对重庆市主城国控点、道路点和建筑工地点3类降尘监测点的监测结果进行了统计，得到了不同点位降尘量的数据及变化趋势，探讨了降尘量与PM10之间的关系。黄玉虎、田刚［10-12］等也以降尘为监测指标，对城市道路、建筑施工工地以及不同施工阶段的扬尘污染进行了研究，获得了不同城市道路降尘与PM10排放强度之间的关系、建筑施工扬尘的时间和空间污染特征以及不同季节、不同施工阶段的扬尘污染特征等信息；黄天健、李小冬［13-15］等以TSP为指标，利用国产粉尘采样仪在建筑施工场地内布设了多个采样监测点，对不同施工阶段的施工扬尘质量浓度进行监测，获取了相同施工活动在不同施工阶段的扬尘排放特点，并提出了减轻施工扬尘排放量及施工人员个人防护的有效措施。徐捷［16］等以重量法原理的PM10采样仪对光散射法施工扬尘颗粒物监测仪的适用性进行了比对监测，并使用光散射颗粒物监控仪在上海市开展了建筑工地实时监控试点工作，提升了当地建筑工地颗粒物监控和管理能力。罗刚［17］等比对分析城市中扬尘手工监测方法（降尘法、AP-42采样法、移动式铺装道路积尘采样法、TRAKER方法和重量法）的优缺点，提出了重量法是当前比较适合我国城市中扬尘手工监测的一种方法。张维［18］也用重量法及光散射法同时对建筑施工扬尘排放浓度（以TSP为指标）进行了比对监测，结果的相关性较好。同时国产的光散射法测量粉尘浓度的在线监测仪器［19-21］近年来已成功研发并开始得到了应用。

由此可见，国内对于扬尘的监测仍以重量法为主，监测指标包括降尘、TSP和PM10等。由于建筑施工扬尘的排放具有瞬时强度大、持续时间短的特征，因此要准确发现和监控城市中各个工地的扬尘，必须找到一种时间分辨率高、测量响应快的监测技术，以满足精细化、网格化进行城市管理的要求。

2 常用大气颗粒物监测方法的对比

目前国内常用的大气颗粒物浓度监测的方法包括采样-重量法、β射线法、微量振荡天平法（TEOM）、光散射法、压电晶体法等。

（1）重量法［22-25］是现行颗粒物监测方法中的基准方法，可监测量以TSP、PM10和PM2.5，在工作场所空气中粉尘［26-27］的监测也有应用。该法需要在采样后称量颗粒物的增重量，无法实现高时间分辨率的监测。

（2）β射线法、微量振荡天平法［28-29］主要的监测项目为PM10，是环境空气中颗粒物连续自动监测系统的推荐采用方法。

（3）在环境空气的自动监测领域，PM2.5的自动监测仪的适用性也是以重量法为基准，对国内外各种监测设备的性能进行评价［30-31］，并推荐了β射线加动态热系统（β+DHS）方法、β射线加动态热系统联用光散射（β+DHS+光散射）方法、微量振荡天平加膜动态测量（TEOM+FDMS）系统方法3种原理的仪器，作为PM2.5自动监测仪器的可选方法［32］。

环保部发布的HJ653［33］和HJ655，对颗粒物自动监测系统的技术要求、检测方法、安装和验收技术规范等提出了明确的技术要求。近年来关于PM10和PM2.5浓度监测方法的适用性和优缺点，以及保证监测数据的量值溯源等，国内已有很多学者进行了大量的研究和分析［34-40］。

（4）光散射法［41-43］也是国家和部分行业标准中推荐的一种颗粒物监测方法，目前主要应用于卫生和气象领域。

（5）压电晶体法因为尚未列入正式的监测标准方法，应用实例不多。

3 APM-2便携式颗粒物在线监测仪的性能评估

3.1 仪器测量原理及性能简介

该设备基于带温度补偿功能的光散射技术设计制造，空气中的颗粒物经第一级冲击切割分选出PM10后，在虚拟撞击分级器进行二级分选，直径小于2.5μm和在2.5～10μm之间的两组颗粒物分别进入仪器中的两条支路，并由电磁阀控制交替进入激光散射检测单元内检测，从而完成PM10和PM2.5浓度的在线测量。其自带的气象参数监测仪及仪器内的恒温激光散射检测单元，相对于同类基于光散射测量原理的检测器［44-46］，可降低温度与湿度对监测结果的影响［47-49］，从而提高测量的精度和准确性，可用于城市路边站及工地扬尘点位监测、背景点位监测及区域性空气质量调研等可移动性监测。其主要技术指标如表1所示。

表1 仪器技术参数

3.2 仪器性能评测方案

由于APM-2具有同时对PM10和PM2.5的自动连续监测能力，因此选择与其进行比对的仪器有：基于TEOM的Thermo 1405和β射线原理Metone BAM-1020的PM10连续监测仪；以及《PM2.5自动监测仪器技术指标与要求（试行）（2013年版）》推荐使用的基于β+DHS+光散射原理的Thermo 5030 SHARP和基于TEOM+FDMS原理的Thermo 1405F的PM2.5连续监测仪。

另外，考虑参考计量器具型式试验的要求，从同批产品中随机抽取两台仪器，序列号分别为80057和80059，同时进行性能测试。

测试地点包括位于深圳市梅林街道的深圳市环境监测中心站楼顶的自动监测站点，以及位于广州市天河南街道的体育西自动监测站点，所在地均为典型的城市区域。

进行在线比对监测实验的时间为2015年12月、2016年3月（深圳）以及2016年2月（广州）。

3.3 数据分析与结果讨论

两地的比对试验期间，各台参比设备的颗粒物小时均值的有效数据获取率均不小于95%，可满足实时在线监控的要求。在进行数据的统计分析时，以两台仪器结果的平均值代表APM-2的最终测值，而其他参比设备均只有一台，则直接将其测值纳入统计。表2及表3是比对监测试验所获得的数据。

表2 比对试验期间深圳梅林站点的颗粒物日均值监测结果 μg/m3

表3 比对试验期间广州体育西站点颗粒物日均值监测结果 μg/m3

续表

深圳与广州的PM10与PM2.5小时均值监测结果比对分别如图1、2所示，试小时均值监测验结果如图2所示，PM2.5与PM10平行性测试小时均值监测结果如图3所示，广州比对试验期间颗粒物小时浓度值变化趋势如图4所示，广州PM2.5在PM10中的质量百分比如图5所示。

图1 PM10小时均值监测结果比对

图2 PM2.5小时均值监测结果比对

图3 平行性测试小时均值监测结果比对

图4 广州比对试验期间颗粒物小时浓度值变化趋势

图5 广州PM2.5在PM10中的质量百分比

（1）从各台设备测得颗粒物质量浓度值的差异程度来比较。由图1a与2a可知，APM-2的PM10和PM2.5监测结果，与振荡天平法原理的1405和1405F的结果相比，测量值出现系统性偏低，且离散度较大，存在一定的系统性偏差。从图1b可知，APM-2的PM10与β射线法的BAM-1020的监测结果，从回归曲线的斜率和相关系数方面来看相关性较好；而图2b表明，APM-2的PM2.5的监测结果及β+DHS+光散射的5030SHARP，无论从回归曲线的斜率、截距和相关系数方面来看，一致性和可比性均很好。

（2）将两台抽检的APM-2实测的浓度值进行比较。从图3a与3b可知，两者之间的相关性较好，但存在一定的系统偏差，可能是仪器出厂调试时设置的颗粒物浓度单位换算因子不同而导致的。

（3）从颗粒物浓度变化趋势来看。如图4所示，在广州进行的比对试验期间，BAM1020、SHARP5030以及APM-2测得的PM10和PM2.5的小时均值监测结果的变化趋势十分接近。

（4）对APM-2自带的颗粒物二级分选切割装置可靠性进行评估。将APM-2所获得的PM2.5在PM10中的百分比与已认证的颗粒物自动监测设备获得的结果进行比较，如图5所示。由图5可知，在观测期间所获得的PM2.5与PM10比值波动区间主要集中在50%～80%，与日常监测所获得的分布情况经验值较为接近。因固定某时间段内PM2.5与PM10的比值实际上是唯一的，故应设回归曲线的截距为0，可用曲线相关系数和斜率值来评估APM-2切割头的性能。结果表明，相关系数及斜率均大于0.95，说明两组比值之间密切相关，可认为APM-2能对两个粒径段的颗粒物进行有效切割和分级，并分别测量。

4 小结

城市道路和建筑工地施工的扬尘已成为城市颗粒物污染一类重要来源，为实现对扬尘源的精细化管理和控制，需要寻求一种响应速度快、时间分辨率高、便携性能好、运行维护简单的设备进行监控。

目前环保部门广泛采用的颗粒物在线监测仪购置成本较高，且设备对其使用的环境条件要求严苛，难以在城市实现大范围、网格化的全覆盖。本文所选取的基于光散射原理的便携式颗粒物在线监测仪，经与空气质量自动监测站点的设备进行比对试验，初步结果显示，能对空气中的PM10和PM2.5浓度值进行连续监测，测值较为准确，能反映实际状况，且运行维护简单，其性能可满足对扬尘源实施有效监控的使用需求，适合固定及移动性监测工作的需要，建议进一步推广应用该技术。

建议就光散射法测尘的准确性，利用重量法测量颗粒物质量浓度，进行更长时间的有效比对，积累数据和经验，为日后基于实测结果、实施扬尘排污费的核定及征收工作，提供重要的技术支撑。

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【责任编辑：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

广州市科技和信息化局2013年民生科技重大专项资助项目（201300000130，201300000125）

张展毅（1973-），男，广东清远人，暨南大学高级工程师。

1008-0171（2017）04-0036-07