環(huán)境自動監(jiān)測技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展趨勢

1、前言

目前，我國主要城市已經(jīng)在使用已建立的環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)來進(jìn)行環(huán)境空氣質(zhì)量的每日報告或預(yù)報。 2000年，開始在130個城市實施環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)項目。同時，隨著污染物排放總量系統(tǒng)的實施，各地已經(jīng)開始建立污染源在線在線自動監(jiān)測系統(tǒng)（主要廢氣排放源和主要污水排放源）。自1999年以來，國家先后在七個主要水系的十個重點流域建立了42個地表水水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)。黑龍江，廣東，江蘇和山東等省也相繼建立了10個地表水水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)。目前，國家環(huán)?？偩终檬澜玢y行貸款在30個重點流域啟動地表水水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)項目。

2、環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)

環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)是一個以自動監(jiān)測儀器為核心的自動“測控”系統(tǒng)?？諝赓|(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)一般采用兩種方法：濕法和干法。濕法的測量原理是庫侖法和電導(dǎo)率法等。它需要大量的試劑，并且存在諸如試劑調(diào)整和廢液處理的問題。操作復(fù)雜，故障率高，維護(hù)量大。該方法在日本占主導(dǎo)地位，但是自1996年以來，日本在法律測量方法中增加了干法測量原理，而濕法現(xiàn)在處于淘汰階段。

干法基于物理光學(xué)測量原理，因此樣品始終保持氣態(tài)，不損失試劑，維護(hù)量小。干法由歐美國家主導(dǎo)，代表了當(dāng)前的發(fā)展趨勢。

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

干法監(jiān)測分站主要由樣品采集，自動空氣分析儀，氣象參數(shù)傳感器，動態(tài)自動標(biāo)定系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)以及狀態(tài)保證系統(tǒng)組成。

2.1.1自動空氣污染物分析儀

SO2自動分析儀：基于接收紫外線（214nm）能量而成為激發(fā)分子的SO2分子，當(dāng)返回基態(tài)時，它們會發(fā)出特征性的熒光。光電倍增管將熒光強(qiáng)度信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后通過電壓/頻率將其轉(zhuǎn)換為電信號。數(shù)字信號被發(fā)送到CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。當(dāng)SO2濃度低時，激發(fā)光路短且背景是空氣，熒光強(qiáng)度與SO2濃度成正比?？諝饷摕N器的使用可以消除多環(huán)芳烴（PAHs）對測量的干擾。

NOx自動分析儀：NO和O3反應(yīng)生成激發(fā)態(tài)NO2 *，該激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時會發(fā)出特征性的光，并且發(fā)光強(qiáng)度與NO濃度成正比。 NO2不與O3反應(yīng)，可以通過鉬催化還原反應(yīng)（315°C）將NO2轉(zhuǎn)化為NO后進(jìn)行測量。如果樣氣通過鉬轉(zhuǎn)化器進(jìn)入反應(yīng)管，則測量值為NOx，NOx和NO的濃度差為NO2。

O3自動分析儀：使用O3分子吸收進(jìn)入中空玻璃管??的254nm紫外光，以測量樣氣的發(fā)射光強(qiáng)度。吹掃O3后，通過電磁閥的開關(guān)測量標(biāo)準(zhǔn)氣體的發(fā)射光強(qiáng)度。兩者的比值遵循Beer-Lambert公式，由此可得出O3濃度值。

PM10自動分析儀（β射線法）：該儀器使用恒流泵進(jìn)行采樣。大氣中的懸浮顆粒吸附在β源和蓋革計數(shù)器之間的濾紙表面上。抽水前后的蓋革計數(shù)器的計數(shù)值。這種變化反映了吸附在濾紙上的灰塵的質(zhì)量，從中可以獲得每單位空氣中懸浮顆粒的濃度。

自動分析儀的自動校準(zhǔn)由動態(tài)自動校準(zhǔn)系統(tǒng)完成，該系統(tǒng)包括動態(tài)自動校準(zhǔn)器，零氣體發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)氣體源。

目前，我國尚未發(fā)布大型大氣自動分析儀的技術(shù)要求。表1是中國環(huán)境監(jiān)測中心驗收產(chǎn)品時DASIBI產(chǎn)品的驗收標(biāo)準(zhǔn)。表2顯示了美國EPA對自動分析儀（40CFRPART53)）的性能指標(biāo)要求。

表1 DASIBI產(chǎn)品的驗收標(biāo)準(zhǔn)

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表2美國EPA對自動大氣分析儀的技術(shù)性能要求

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2.1.2中央站系統(tǒng)軟件要求

主要包括數(shù)據(jù)采集和處理功能，警報和診斷功能，遠(yuǎn)程測控功能，可擴(kuò)展性等。

2.2在中國運(yùn)行的自動環(huán)境空氣監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)狀

目前，我國正在運(yùn)行的空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)主要是采用干法儀器測量一個或至多兩個參數(shù)的進(jìn)口設(shè)備。安裝有兩種主要類型：固定式和車載式。主要供應(yīng)商包括：（1)美國熱電子公司（ThermoElectron公司）；（2)美國API公司（API公司）；（3)美國MONITOR公司；（4)美國DASIBI公司；（5)美國ESC公司；（6)法國ESA公司（例如重慶）和法國SERES公司；（7)個別城市（例如貴陽）使用日本DDK公司，HORIBA公司和Shimadzu公司的產(chǎn)品。

大多數(shù)國內(nèi)空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)基本上都使用傳統(tǒng)的專用數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)。工作原理是使用變電站中的分析儀器直接測量空氣中的污染物，并通過范圍設(shè)置轉(zhuǎn)換測量結(jié)果（濃度值）。將數(shù)據(jù)收集器輸入模擬量，例如：8800系統(tǒng)（由ESC制造） ，被API公司采用），8001系統(tǒng)（由美國DASIBI公司使用），6002系統(tǒng)（由TE公司使用），SAM32系統(tǒng)（由法國ESA公司使用）。數(shù)據(jù)收集器對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類并保存。中心站的微型計算機(jī)通過調(diào)制解調(diào)器（MODEM）與子站進(jìn)行通信，并將數(shù)據(jù)下載到收集器中，并使用報告軟件來編輯和處理獲得的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉（每座變電站約50萬元），但其可擴(kuò)展性和測控能力有限。例如，只能通過內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)源和簡單的零系統(tǒng)定時進(jìn)行零點校準(zhǔn)和單點校準(zhǔn)來進(jìn)行校準(zhǔn)。

可以由美國API公司執(zhí)行多點校準(zhǔn)的典型干燥系統(tǒng)的基本配置包括：氣象參數(shù)測量和轉(zhuǎn)換器（風(fēng)速，風(fēng)向，溫度和濕度，氣壓），動態(tài)多點校準(zhǔn)器（700系統(tǒng)），采樣系統(tǒng)，采樣閥切換控制系統(tǒng)，O3、SO 2、 NOx，CO，THC-CH4和其他測量儀器系統(tǒng)，PM10測量系統(tǒng)，記錄儀等。系統(tǒng)控制器是8800系統(tǒng)。

2.3DOAS大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)

近年來，一些國內(nèi)城市從瑞典的OPSIS，美國TE或法國的ESA引進(jìn)了基于差分光譜法（也稱為長光路法）的設(shè)備來代替SO 2、 NO 2、 O3，等。參數(shù)測量。這種類型的設(shè)備受到某些用戶的青睞，因為它可以在分時設(shè)備中測量上述三個主要參數(shù)，而且還可以測量THC，CH4、n-MHC，BTX等有機(jī)污染參數(shù)。

DOAS大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)（差分光學(xué)吸收光譜法）是一種長距離光路空氣質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)。光源是高壓氙氣燈，通過拋物面反射鏡將其準(zhǔn)直成平行光，并在100m甚至1000m的長光路后發(fā)射。接收端的拋物面反射器將光會聚并耦合到光纖中，并通過光纖將其引導(dǎo)到光柵光束分離系統(tǒng)中，并在出口狹縫處用光電倍增管進(jìn)行檢測以獲取吸收光譜。吸收光譜包含許多由大氣分子和氣溶膠的散射，燈光譜的波動以及反射鏡的光譜選擇性引起的廣譜結(jié)構(gòu)。吸收光譜由高階多項式擬合，原始吸收光譜由多項式模擬除。組合曲線獲得吸收分子的特征微分光譜，消除寬帶成分的影響，并將微分吸收光譜與實驗室獲得的吸收分子的標(biāo)準(zhǔn)濃度的參考光譜擬合，以計算濃度。由于該系統(tǒng)采用線采樣，因此與傳統(tǒng)點類型相比，采樣的代表性大大提高。該方法于1990年代初開始用于空氣質(zhì)量監(jiān)測自動測量設(shè)備，現(xiàn)已在歐洲廣泛使用。

自1980年代以來，美國，德國，瑞典，法國和其他國家已經(jīng)成功開發(fā)了基于常規(guī)光源的長光程吸收光譜儀，并將其用于城市空氣污染的常規(guī)監(jiān)測。由于DOAS監(jiān)測方法使用線采樣，因此可以顯著提高樣品的代表性，這有助于表征空氣質(zhì)量。使用差分技術(shù)可以消除大氣湍流對信號的影響，不同污染物之間的干擾以及濕度和氣溶膠的干擾。設(shè)備升級簡便快捷，系統(tǒng)軟件易于操作自動測量設(shè)備，可以滿足持續(xù)監(jiān)控和實時處理的要求。每小時平均值，每日平均值，每月平均值和每年平均值的統(tǒng)計分析和監(jiān)視報告可以通過Enviman或Report軟件方便地執(zhí)行。強(qiáng)大的可操作性。該系統(tǒng)可以執(zhí)行遠(yuǎn)程登錄，遠(yuǎn)程維護(hù)，遠(yuǎn)程控制和分析儀參數(shù)調(diào)整，并實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)共享。該儀器易于維護(hù)，耗電少，運(yùn)行成本低。