某工业园区VOCs监测预警系统研究与应用

方镜尧，童颂颖，张 林，鲍雅莉，沈盼盼，翁兴彪，顾海涛

（聚光科技（杭州）股份有限公司，浙江 杭州 310052）

0 引言

从1979年我国首个工业园区——深圳蛇口工业区设立至今，工业园区经历了从无到有，从弱到强的蜕变，截止到2018年全国各类工业园区22 000余家，成为我国经济社会发展的重要引擎，在促进经济发展方面发挥了重要作用[1-3]。但工业园在产生巨大经济效益的同时，其VOCs 污染防治问题也日益突出。有资料显示，工业园区VOCs 排放量占人为源VOCs 排放总量的39% ～ 47%[4-5]。VOCs 排放浓度较高、成分复杂，易导致局部光化学污染和雾霾污染，严重影响空气环境质量[6-9]。苯乙烯、甲硫醇、甲硫醚等是工业园区恶臭的主要来源，对周边居民有较大的健康危害风险，投诉事件频发，严重影响园区和当地政府的公共形象[10-11]。因此，开展工业园区VOCs监测预警体系建设研究十分必要和迫切。

国内基于物联网的大气污染物监测预警管理系统的研究已有不少，江苏[12]、上海[13]、浙江[14]、山东[15]等地对工业园区都进行了大气污染监测系统的探索，为将物联网和大数据技术应用于环境监测管理工作提供了必要依据。但总体而言，我国预警管理系统的发展起较晚，目前部分预警信息平台存在系统性规划不足、监测因子缺乏代表性、预警阈值浓度标准不一致等问题，导致平台存在报警准确性不高、报警产生后无响应流程或响应速度过慢，无法达到预期的污染监管作用。

本研究针对某工业园区大气污染特征、污染监管现状和监管需求，通过筛选优控污染物，优化污染物预警阈值，结合覆盖“点”“面”“域”的大气立体监测网络，构建系统化、专业化和自动化VOCs 监测预警管理系统，实现园区VOCs 全方位监测预警及风险防控，遏制环境污染和风险事故的发生，提升园区整体预警能力与监管能力。

1 研究区域概况

该工业园区位于我国东部沿海地区，属典型的海洋性季风气候，全年平均气温14.9 ℃，主导风向为东南偏东。该园区占地12 km2，属于精细化产业园区，内有企业100 多家，主要涉及基础化学原料制造、医药制造、农药制造、涂料制造和橡胶制造等。由于园区规模庞大、产业结构复杂、管理职责重大等特点，园区环保管理存在一些难点，园区污染源多且密、中小企业迭代频繁、部分企业偷排漏排现象严重、周边居民信访投诉事件时有发生。园区目前已建有多个超级站和传感器，有一定的监测能力基础，需建立一套完整且有效的污染物监测预警管理系统对污染物进行监测、溯源和综合管控，使工业园区在促进区域经济发展的同时，降低对周边生态环境的危害。

2 VOCs 监测预警管理系统的构建

2.1 技术路线

通过调研园区现状、行业类型分布以及企业污染物排放特征，梳理和统计园区企业排放的VOCs特征因子库，基于嗅阈值、臭氧生成潜势（OFP）、二次有机气溶胶生成潜势（SOAFP）、存储量、毒性等级、潜在危害指数等指标作为筛选参数，筛选出优控VOCs 物种；在合理的布点监测和预警阈值研究的基础上，构建工业园区VOCs 实时监测预警管理系统。技术路线见图1。当发生污染物超标报警或居民投诉事件时，系统将检索排放该污染物的企业并绘制出近期污染物排放量时序图，进而辅助和指导管理者识别可疑企业，完成预警处置、预警解除和整理归档等工作。

图1 某工业园区VOCs 监测预警管理系统示意

2.2 VOCs 优控因子筛选

筛选识别园区内重点管控的VOCs 物种，是确定监测技术、监测设备以及部署立体监测网的基础。目前国内外已经开展了较多的大气污染物名录的筛选研究[16]，筛选环境优先污染物的方法有层次分析法、模糊评价法、潜在危害指数法、综合评分法等，其研究机理为结合污染物毒性分析、风险表征、嗅阈值、存储量、最大反应活性等因子确定初筛污染物，然后通过定量评分系统和半定量评分系统对污染物进行综合评定，确定最终优控污染物质名单[16-18]。

优控污染物的筛选步骤如下：

（1）依据园区资料，包括入园企业名单、企业环评报告和竣工环保验收监测报告等，统计园区各企业所属行业、原辅料、工艺流程及最终产品等涉及的VOCs 物种，建立各企业排放的VOCs 特征因子库。

（2）结合有毒有害大气污染名录、行业地方大气污染物排放标准、历史环境事件中出现的大气污染物以及上述调研的VOCs 因子库，形成工业园区优控因子初筛名单。

（3）结合离线检测、源谱构建和排放量估算等方法进行研究，计算园区各VOCs 物种排放量和存储量。

（4）基于各VOCs 物种的嗅阈值、臭氧生成潜势（OFP）、二次有机气溶胶生成潜势（SOAFP）、存储量、毒性等级、潜在危害指数等指标作为筛选参数，建立评分指标体系。

（5）对各筛选参数引入权重系数进行加权计算，结合污染控制技术可达性以及监测能力，确定最终优控因子名单。在加权计算过程中，采用专家论证方法进行赋值，取嗅阈值权重指数r1=0.15，臭氧生成潜势权重指数r2=0.15，二次有机气溶胶生成潜势权重指数r3=0.1，存储量权重指数r4=0.15，毒性等级权重指数r5=0.25，潜在危害指数权重指数r6=0.2，根据j=r1a1j+r2a2j+r3a3j+r4a4j+r5a5j+r6a6j计算综合评分，其中aij为第j 种物质第i 个指标所得的分值；bj为第j 种物质的综合评分。

通过上述加权计算方法，筛选出前20 位的优控因子清单，详见表1。

表1 某化工园区优控因子清单

2.3 VOCs 立体监测体系搭建

依据可比性、整体性、前瞻性、代表性和稳定性的布点原则，参考国家相关标准规范，采用多目标规划的优化布点方法，对园区中有组织排放过程、无组织排放区域，以及厂界路边站和敏感点区域进行布点监测。结合园区现状、地域特点及优控因子，全面分析气相色谱法、光谱法和质谱法等主流监测技术的适用性及局限性，选取适用于园区优控因子的监控技术和方法，布设监测点位，构建“点”“面”“域”立体监测网络。

“点”监测主要为污染源排口监测（包括非甲烷总烃、苯系物等）、治理设施工况监控、泄漏检测与修复（LDAR）和企业内无组织有毒有害气体监测（报警仪）等，全面覆盖各企业生产、存储过程中污染物有组织和无组织排放过程；“面” 监测主要为对园区重点污染企业低架源污染扩散及在生产操作过程中导致的污染逸散，通过20 个厂界路边站（高精度微型气站）进行加密监测，对污染扩散情况的实时追踪；“域”监测主要为园区主导风向下风向处和2 个居民区交界处各布设1 套超级空气站，监测因子为甲烷、非甲烷总烃及园区优控VOCs 物种。此外，采用便携式监测设备辅助支持大气污染的预警工作。

2.4 VOCs 监测预警阈值确定

通过仪器点位监测到的污染浓度值，配合设定的具体预警阈值，可在第一时间发布报警信息，启动应急响应与处置措施。根据国家、地方相关标准要求以及站点监测目的要求，对不同类型站点分别设计不同的预警阈值，阈值设定标准如下：

（1）“点源”监测中的企业有组织排放源监测数据，采取行业的国家标准值作为基础预警阈值。

（2）厂界监测站点，采用国家、地方标准中的厂界无组织排放的标准值作为基础预警阈值。

（3）靠近居民区的超级空气站观测的VOCs 物种，采用国标TJ 36—79 中规定的浓度限值作为基础预警阈值；对于TJ 36—79 不包含的VOCs 物种，使用工业场所有毒有害因素职业接触限制（OEL），职业接触限值考虑到接触者的容许接触水平，并给出临界不良健康效应。因涉及的污染物项目较多，须设置反应不同健康影响的3 级浓度限值，可基本满足预警阈值设立的需求。

除预设预警阈值信息外，为更好地反映监测浓度值变化情况以及仪器联网情况，分别设定浓度值趋势预警和仪器断线报警阈值，结合基础预警阈值设置轻度（1 级）、中度（2 级）、重度（3 级），不同级别的预警阈值。

2.5 VOCs 监测预警管理系统

VOCs 监测预警管理系统，通过统一的多维度的预警判断规则，采用多场景任务处置流程规则，实现预警事件有效识别及快速响应处置，有效保障化工园区企业及周边居民的生命财产安全。通过事件信息管理实现对园区整体预警形势的全面掌握，可结合历史预警数据确定重点管控方向，保障化工园区安全平稳运行。

结合园区监测预警实际应用场景，监测预警全过程管控平台业务逻辑包括：①事前预警产生，即通过设备监测数据，结合浓度阈值限值、产生频次等条件设定不同等级预警；②事中响应处置，即通过平台端的流转条件设定进行预警事件的响应，结合多种通知方式分级通知不同角色处置人员（运维管理人员、企业负责人、管理部门接警人员和管理部门领导等），基于不同报警级别分别实施相对应的报警处置流程，基于各节点的人员处置情况进行节点管控，同时可联动溯源平台分析和指挥调度，处置完成后解除预警；③事后归档管理，即对预警事件的整理归档。系统管控流程见图2。

图2 监测预警全过程闭环管控流程

3 VOCs 监测预警管理系统的应用

3.1 案例描述

2019年4月20日3:00 至6:00，居民区附近的超级空气站产生VOCs 1 级报警，报警物种为丙酮和苯乙烯，报警时刻污染物浓度见表2。二者浓度均高于TJ 36—79 标准中规定的居住区大气中有害物质的最高容许浓度限值。

表2 报警时刻丙酮和苯乙烯浓度值 mg·m-3

经运维人员现场核查，仪器端数据正常。报警期间园区大气处于高湿度、稳定气压和低风速的状态，大气稳定度较高高。初步分析原因为稳定的边界层大气不利于污染物扩散，污染物在工业园区下风向居民区得到累积，而该居民区恰好位于工业园区下风向。

3.2 污染源排查

（1）基于特征因子的可疑企业筛选：检索园区VOCs 监测预警管理系统中57 家企业VOCs 排放特征因子库可知，涉及到丙酮排放的企业为A～F 共6家企业，涉及到苯乙烯排放的企业为A，B，E，G，H共5 家企业，将以上8 家企业列为可疑企业。

（2）基于非甲烷总烃排放量的可疑企业筛选：由于企业排口处未安装检测丙酮和苯乙烯的监测设备，无法核算报警时段前后企业丙酮和苯乙烯的排放量，故采用非甲烷总烃的排放量作为可疑企业筛选依据。检索环境监控预警平台污染源数据（2019年4月19日20:00 至2019年4月20日6:00），在报警前，8 家企业污染源非甲烷浓度超标报警且有排放量上升趋势的企业有A，E，H 3 家，故将此3家企业列为最终导致报警的可疑企业。3 家企业的非甲烷总烃浓度时间序列分析见图3。

图3 企业非甲烷总烃浓度时间序列

3.3 案例小结

2019年4月20日3:00 至6:00，居民区附近的超级空气站产生VOCs1 级报警，报警物种为丙酮和苯乙烯。通过查询企业特征因子库，确定站点周边可疑企业8 家，进一步监测上述企业有组织排口非甲烷总烃排放量信息，确定3 家可疑企业可能与站点监测因子浓度高值有关，建议对该3 家企业进行重点关注和进一步排查。

4 结论

本研究构建的工业园区VOCs 监测预警管理系统，实现了该园区VOCs 的实时监测预警及可疑企业的筛选，提升了园区整体预警能力和监管能力。VOCs 预警阈值的合理设定、园区企业VOCs 特征因子库或污染物排放源成分谱的完善，将进一步提升VOC 监测预警管理系统的预警能力和可疑企业识别能力，使该系统发挥更大效用。