大气污染治理问题中的环境监测技术及应用

2022-10-10林鹏

化工设计通讯 2022年9期

关键词：环境监测污染物情况

林鹏

（江西国益环境检测有限公司，江西宜春 336000）

加强大气污染治理成为了当今社会发展中的重要内容，加强污染防治不仅能够改善生态平衡，同时能够维护地球生物多样性，保持全球气候稳定。相关部门应加强对大气污染治理工作的重视，积极加入到大气污染治理工作中。

1 环境监测主要内容

1.1 有害气体

大气环境监测工作主要是对大气环境中污染物种类和含量进行监测和分析，通过科学方式进行测定，从而进一步了解当前大气环境污染情况。在对有害气体进行监测时，主要对以下气体含量进行监测：①含硫氧化物，如二氧化硫；②含氮氧化物，如一氧化氮；③一氧化碳；④臭氧；⑤烃类等。

1.2 颗粒状污染物

颗粒状污染物一般指直径在0.1～7.5μm的尘粒，其中主要包括悬浮颗粒物、降尘、可吸入粒物[1]。该类型污染物由于体积过小，导致降解速度较慢，并且能够进入人体肺部，对人体健康产生危害，因此具有较为严重的危害。

2 大气环境监测技术分析

2.1 原子吸收光谱技术

原子吸收光谱技术（AAS）的主要原理为不同待测元素基态原子蒸汽对特征光谱线吸收强弱程度存在差异，利用该差异来进行定量分析。在实际的监测过程中，气态原子吸收相应的光辐射，在光辐射的影响下，原子受热离解，转化为自由基态原子，在该过程中产生的能量频率发生变化，能够对同种元素产生的特征谱线进行吸收，在对吸收光度进行测量后，可以根据相应的线性计算得到被测量元素的实际含量。使用公式：

其中：A为吸光度；K为常数；C为试样浓度。

在进行计算过程中，由原子能量的跃迁是量化的，并且其对光谱的吸收是有选择的，因此在进行计算时，能够通过深度分析能量变化情况，了解样品中某元素的细微含量。在大气污染测量时，由于大气中气体含量相对较多，虽然污染物整体含量相对较低，但仍能够产生严重的不良危害。为深度探究大气污染物变化情况，可以利用该方式进行详细分析。

AAS技术在使用过程中需要使用相应的仪器设备，主要设备为原子吸收光谱仪，仪器在操作过程中需要通过光源来实现特征共振辐射，但光源的辐射强度控制难度较大，需要选择30min内漂移不超过1%、且噪声在0.1%以内的空心阴极放电灯，利用锐线光源来提高实际的控制效果。设备需要利用原子化器为原子提供能量，使其能够达到原子蒸汽状态，进一步提高原子分析效率[2]。

在实际的监测过程中，会受到一定的干扰效应，为降低干扰影响，应结合实际的干扰类型进行选择和调整，如在面对物理干扰时，为避免试样的物理性质及温度等发生变化，进而影响吸光度测量情况，可以提前制定标准溶液，使试样在标准环境下进行测量，降低物理环境带来的影响。

2.2 固体颗粒监测技术

固体颗粒是大气污染中的重要组成部分，需要对固体颗粒的直径和成本进行监测分析，从而了解固体污染物的具体情况，以便制定相应的污染治理方案。在对固体颗粒进行监测时，可以利用空气监测仪对固体颗粒以及气体进行监测，在操作时直接控制设备对空气样本进行自动分析，并将分析结果显示在屏幕上。结果包括监测目标的每日含量及每月平均含量，并对一个月内的监控数据进行动态监测和分析。利用该监测数据能够快速获取相关的空气变化情况。

空气检测仪的主要应用原理为电化学传感器，通过传感器来识别空气中被测目标的实际浓度，通过连续的测量和数据分析，能够进一步提高信号处理的效率，提高监测效果。但由于设备的灵敏度有限，在对多种监测目标进行分析时，不同监测对象之间存在互相干扰，因此在对微量气体或固体污染物进行测量时，可能存在准确度不足的情况。为降低干扰情况，应提高传感器的灵敏度，使其能够对空气中的污染物进行精准识别和分析，同时调整过滤器，提高实际的监测管理准确度。

2.3 气体监测技术

在对气体污染物进行监测时，主要是对含氮和含硫的氧化物进行检测。二氧化硫在空气中与水蒸气发生反应，使雨水具有酸性，不仅对农业发展造成严重影响，同时会对建筑造成破坏，并且对人体健康产生影响。氮氧化合物种类较多，并且较为不稳定，在光热条件下容易互相转化，形成氮氧化物混合气体，该气体被称为硝烟，具有一定的毒性，对人体健康和环境生态平衡均具有严重的不良影响。

在对污染气体进行监测时，可以使用专门的气体监测设备，如二氧化硫监测仪等，或使用精密的分析仪器对污染物进行全面分析。在监测时，需要对监测区域进行布点采集样本，对样本进行分析和计算，得到气体中的污染物含量情况。

3 大气环境监测技术应用

3.1 多传感器环境监测系统构建

设计多传感器环境监测系统时，应明确实际的监测需求以及系统运行流程。在大气环境污染问题不断加重的今天，为提高环境治理效率，应提高对大气污染情况监测的精准度，结合监测结果制定相应的应对方案。因此，在实际的监测过程中，应结合多种传感器，对大气环境的不同类型数据进行检测，进一步了解大气污染情况。为构建较为完善的大气污染监测系统，应明确系统构建方案，优化系统运行流程。首先，通过多传感器对大气环境的实际变化情况进行监测，如有毒有害气体的浓度、固体悬浮颗粒的含量等。对该类型数据进行采集和传输。其次，将传感器中采集的信息传输到数据处理平台中。使用网络或总线传输的方式进行信息传输，数据处理系统对大气污染相关数据进行分析和处理，转化为相关污染物报告。最后，将处理后的数据传输到服务器和数据储存中心，数据中心管理人员根据大气污染情况制定大气污染治理方案，在数据储存后，构建相应的数据库，便于后续查看和分析。

通过对多传感器环境监测系统运行流程的分析，总结出系统中的重点功能需求，结合功能需求情况对系统硬件和软件进行完善。硬件设计时：①数据采集功能。将传感器与网线进行连接，同时连接电源，传感器在采集和识别空气中四气二尘以及大气基本参数后，及时通过网线上传数据，完成信息采集与传输工作。②监测功能。在监测时，主要对象包括大气污染数据变化情况、传感器设备运行情况以及网络和电源连接情况。因此，应设置相应的监测系统，分别对目标对象的运行情况进行监控和管理，确保系统的正常运行。③远程控制。整体系统运行应受到服务端控制，通过对实际设备运行情况的监测和分析，对传感器和以及线路运行情况进行监督管理，可以控制系统通电连接情况以及传感器信息采集情况。根据实际的功能情况，对系统框架进行合理设计，并按照需求完善相应的电路，如图1所示。

图1 系统电路运行设置

系统软件设计时，根据处理平台需求不同选择两种软件，其一为STM32，其在微处理器中应用，能够连接传感器与数据平台，在运行时，有效连接不同传感器和功能模块，确保整体系统的正常运行，避免不同模块之间互相影响。在SYN32软件中安装uCOSII系统，提高系统的实际开发和操作效果。其二为JETSP3450软件，该软件功能较为强大，能够并行多个神经网络，在开发和操作的过程中，能够对多组传感器回传数据进行处理和解析，从而进一步提高数据分析处理的效率。

3.2 空气质量预警技术应用

在大气质量监测的过程中，当发现异常情况时需要及时进行识别并发出警报，以便快速了解情况并进行处理。因此，应结合实际的监测系统完善空气质量预警技术，并将技术落实到实际应用中。为提高监测预警效果，应合理选择神经网络，构建相应的运算模型，提高对数据的计算效率，使预警的速度与精准性得到提升。

神经网络中存在大量的节点，不同节点中存在相应的运算函数，数据通过系统控制在不同节点中运行，按照要求进行计算，最终通过运算的结果进行分析，进一步加深对数据的挖掘效果。如在STM软件中，其内部的神经元结构与其他结构存在不同，其内部具有三个控制门：遗忘门、输入门、输出门。以遗忘门为例进行分析，其主要控制节点中对信息的识别和删除，根据实际的输入状态，决定节点中保留和舍弃多少数据。通过函数方式表达时，可以使用公式：

其中：ft为遗忘门计算输出结果；σ为sig函数；Wt为权重矩阵；ht-1为上一刻中遗忘门隐藏状态；xt为当前时刻下的实际输入情况；bf为偏置函数。在运算过程中得到相应的数值，根据数值判断舍弃的内容情况。

在神经网络的基础上构建空气质量预测模型，并对模型系统进行训练，使其能够更快地适应相应的数据处理方式，进一步提高数据处理和分析效率，使模型构建质量得到提升。一方面，应使用数据对模型进行清洗，准备大量的数据，使模型在数据中进行训练和分析，使模型在样本数量和特征的基础上进行升维，利用神经网络计算的方式，增加新的维度，使信息数据更为完善。另一方面，对模型进行训练。在初始化模型的网络权值后，将数据输入到模型中，按照不同的要求传输到不同节点进行计算和输出，系统对计算过程中的积累误差进行收集，并计算相应的权重情况，对本身的权重设置进行调整和更新，使其更适合环境测量工作中的实际需求。结合结果对模型的收敛情况分析，不符合标准的情况下再次进行训练，满足后结束训练。在完成训练后，可以进行实际应用，在应用时，需要对其实际运行情况进行评估。

实际应用空气质量预测模型，对实际的运行状态和结果进行监测。由于模型在训练后的收敛不断减小，损失情况具有明显下降，可以判断其实际的应用表现相对良好。因此在实际适应时，系统对大气环境采集数据进行分析，根据实际的训练要求进行计算，得到相应的计算结果。将实时监测运算数据绘制成相应表格，将运算数据与标准数据进行对比，在二者距离较远时，说明实际环境中大气污染情况与标准要求相距较大，存在异常情况，需要对其进行上报处理，完成整体的模型应用。

3.3 环境空气自动监测技术

环境空气质量自动监测技术是一种能够固定的监测点，能对该区域大气环境进行实时动态测量的技术，通过系统对空气质量数据的采集、处理和分析，更加充分地了解该区域的空气污染情况。该技术的应用主要依赖空气质量自动监测系统，在系统应用过程中，能够对环境中不同类型的污染物进行识别，并计算污染区的含量情况。在运行时，设置监测子站，对空气中污染物情况进行监测和分析，并将相关数据传输到系统中，系统按照实际需求进行进一步数据处理，得到结果后上传到数据记录器中，管理人员能够在记录器中获取一段时间内的空气污染物情况。

自动监测系统在应用过程中能够对大气复合污染进行有效监测，因此其实际的功能模块内容较为全面。系统主要包括：①预测分析模块，该模块对污染情况进行预报和评价。②数据控制模块，该功能模块主要对大气污染数据进行采集和监控，同时支持数据的查询与补遗。③数据分析模块，该模块对采集的数据进行充分的统计和分析，深度挖掘数据含义，并制定相应的图谱和报表。在对颗粒污染物进行分析时，使用不同的方式进行详细分析，深度了解污染物的来源和整体情况。④设备监测模块。该模块主要对监测设备的实际运行情况进行监控和管理，以确保系统设备的正常运行。⑤地图模块，通过地图来分析城市监测点分布情况，了解城市污染变化的实际趋势。⑥系统管理模块。该模块对各个站点和系统运行节点进行管理和观察，确保系统正常运行。

在大气污染自动监测技术实施过程中，首先，结合被测区域的地形情况，设置相应的监测点。通过合理布控来明确自动监测点中探测器的位置，并安装网线和电源线。在选择监测点时，应明确监测范围和监测点数量，以便合理进行网点布置。其次，调整系统，设置采样的时间和频率。一般情况下，在自动监测过程中，其监测和数据上传时间为60s，按照时间要求进行数据的采集和上传。再次，系统对上传的数据进行分析，通过计算和对比，了解当前污染物种类、含量以及变化情况，统计结果并汇集成报表进行上报。最后，在控制中心查询监测结果，并结合每日、每月和每年的大气污染情况进行对比和分析，制定相应的应对措施。