環境空氣PM2.5監測技術及其可比性研究進展

但德忠

（四川大學建筑與環境學院，四川成都 610065）

環境空氣PM2.5監測技術及其可比性研究進展

但德忠

（四川大學建筑與環境學院，四川成都 610065）

隨著我國PM2.5國家標準的頒布，PM2.5的科學監測對了解和評價環境空氣質量顯得尤為重要。由于PM2.5的組成復雜多變、各種檢測技術原理及特點各異，PM2.5的準確監測及其方法的規范化成為環境空氣質量管理的基礎和關鍵。該文重點評述PM2.5監測的研究進展及監測技術，介紹β射線法、振蕩天平法、光散射法及目前國內外開展不同方法比對研究的最新進展，探討適合我國國情的PM2.5監測設備及技術，為制定相應的標準方法及規范提供技術支持。

PM2.5；氣溶膠；環境空氣質量；環境監測；綜述

0 引言

2012年《環境空氣質量標準》的發布，在我國環境保護歷史上具有里程碑意義，標志著環境保護工作的重點開始從污染物排放總量控制管理向環境質量管理、從控制局部污染向區域聯防聯控、從控制一次污染物向控制二次污染物、從單獨控制個別污染物向多污染物協同控制轉變，這些轉變都將對我國環保工作特別是環境監測提出更高的要求。由于PM2.5（particulate matter，粒徑≤2.5μm）的組成復雜多變，以及各種監測技術的原理及特點各異，加之PM2.5的監測起步較晚，經驗積累不多，目前國家尚無統一的標準分析方法。因此，深入研究各種方法的適用范圍和條件，解決方法之間的可比性，探討適合我國國情的PM2.5監測設備及技術，制定相應的標準分析方法及規范，對提供科學準確的PM2.5監測數據，進而為環境空氣質量評價及政府環境管理決策提供依據具有重要的意義。

1 PM2.5監測

1.1 國內外PM2.5監測概況

1.1.1 國外

美國自1999年起開展PM2.5監測。美國環保署（EPA）制定了一系列的標準方法及規范以指導PM2.5監測，在《Ambient air monitoring reference and equivalent methods》中規定了PM2.5的監測方法及指標。在《Guidance for network design and optimum site exposure for PM2.5and PM10》中對監測網絡設計及站點選擇提出了指導意見。在《QA Handbook Vol II final》中對PM2.5監測的質控手段及方法進行了描述。在《PM2.5FRM Network federal performance evaluation program quality assurance project plan（QAPP）March 2009（QA officer approval spending）》中針對PM2.5的性能提出了質量保證計劃。在《PM2.5performance evaluation program（PEP）standard operation procedures（SOP）for field activities-January 30，2009 edition》中規定了PM2.5性能評估計劃的現場標準操作步驟。針對儀器設備，美國EPA也制定了一系列的標準方法，對監測儀器的指標及測定方法做了規定[1]。

歐盟針對顆粒物的監測，制定了一系列的標準方法及規范，在《BS 1747-2-1969 Methods for the measurement of air pollution.Determination of concentration of suspended matter》中規定了懸浮物濃度的測定方法。在《BS EN 14907-2005 Ambient air quality-Standard gravimetric measurement method for the determination of the PM2.5mass fraction of suspended particulate matter》中對PM2.5的標準重量法進行了詳述。

日本針對顆粒物的監測也制定了一系列標準，在JIS B7954-2001《Automatic monitors for suspended particulate matter in ambient air》中規定了大氣中懸浮顆粒物用自動監測儀指標及測定方法，在JIS Z8851-2005《Sampler of PM2.5in ambient air》中對空氣中的PM2.5采樣器進行了描述。

國際標準化組織（ISO）針對PM2.5制定了β射線吸收法標準：ISO 10473-2002《Ambient air measurement of the mass of particulate matter on a filter medium Beta-ray absorption method》。目前，除美國和歐盟一些國家以及亞洲的日本、泰國、印度、中國將PM2.5列入空氣質量標準外，世界上大部分國家都還未開展對PM2.5的監測。

1.1.2 國內

我國對PM2.5的監測相對滯后，國內率先開展PM2.5監測的城市有廣州、武漢、蘭州和重慶[2-5]。2006年，粵港珠三角空氣質量監測網中的區域點（從化天湖、南沙萬傾沙、惠州金果灣）及香港3個測點開展了PM2.5監測；2008年，國家環境監測總站組織上海、天津、重慶、廣州、南京、深圳等6個城市開展了PM2.5的研究性監測；2009年底，廣州市開展“灰霾影響環境空氣質量監測試點工作”，設置了“城市”和“遠郊”22個站點，開展PM2.5監測。

盡管我國部分城市和研究機構先期已經開展環境空氣PM2.5的研究性監測工作，但不同地區數據缺乏系統性和代表性，在PM2.5監測方面還存在諸多問題。2010年7月，環境保護部科技標準司正式啟動公益性行業科研專項《城市環境空氣中PM2.5監測技術與規范研究》，至2011年12月已編制了3份PM2.5監測技術規定（《環境空氣PM2.5自動監測技術規定β射線法（暫行）》、《環境空氣PM2.5自動監測技術規定微量振蕩天平法（暫行）》、《遙感反演PM2.5濃度技術規定Mie散射激光雷達法（暫行）》）工作討論稿，為新修訂的《環境空氣質量標準》的頒布實施、滿足當前PM2.5監測工作的需要，提供了技術支持。

1.2 PM2.5的監測技術

PM2.5是指空氣動力學當量直徑（俗稱粒徑）小于2.5μm的大氣顆粒物，通常被稱為細粒子、細顆粒物或可入肺顆粒物（IP）。所謂“細”是指在通過檢測儀器時所表現出的空氣動力學特征。因此，測定PM2.5時，需要利用空氣動力學原理將其與更大的顆粒物分開，而不是用2.5μm孔徑的濾膜來分離[6]。

1.2.1 PM2.5的分離

分離PM2.5，一般采用具有特殊結構的切割器，其基本原理是：在抽氣泵的作用下，空氣以一定的流速流過切割器，較大的顆粒因為慣性大而被截留，慣性較小的細顆粒絕大部分隨著空氣流而通過。PM2.5切割器性能指標為：切割粒徑Da50=（2.5±0.2）μm；捕集效率的幾何標準差為σg=（1.2±0.1）μm[7]。

1.2.2 PM2.5的測定

目前，測定PM2.5主要采有4種方法：重量法、β射線吸收法、微量振蕩天平法和光散射法。重量法即手工法，屬國家標準分析方法。振蕩天平法、β射線吸收法屬自動監測法，國際上普遍采用，也是國家環境空氣質量標準中規定的方法。

（1）重量法。該法是指將PM2.5直接截留在Teflon或PTEE濾膜上，然后用天平稱重，計算顆粒物質量濃度。某些極細的顆粒可能穿過濾膜，但只要濾膜對0.3μm以上的顆粒截留效率大于99%，就算合格[7]。重量法是最直接、最可靠的方法，是驗證其他方法是否準確的基準。但其操作繁瑣而費時，多用于進行單點、某時間段內的采樣與監測，或作為其他方法的比對方法。

2011年11 月1 日，環保部發布的《環境空氣PM10和PM2．5的測定重量法》（HJ 618-2011）首次對PM2.5的測定進行了規范。

（2）β射線吸收法。將PM2.5收集到濾膜上，然后照射一束β射線，射線穿過濾膜和顆粒物時由于被散射而衰減，其強度衰減程度與所透過的物質質量有關，蓋革計數器通過測量清潔濾帶和采塵濾帶對β射線吸收程度的差異來計算吸附的顆粒物的濃度。該法不受顆粒物粒徑、成分、顏色及分散狀態的影響，測定的是顆粒物質量濃度。

β射線法基于兩個假設：一是石英采樣濾膜條帶均一；二是采集的PM2.5粒子物理特性均一。上述兩個假設實際上并不成立，因此測定數據一般被認為偏高，這種方法在相對干凈和干燥的地區故障率低，在潮濕高溫區域故障率較高。

（3）微量振蕩天平法。該法基于錐形元件振蕩微量天平原理，是在質量傳感器內使用一個振蕩空心錐形管，在空心錐形管振蕩端上安放可更換的濾膜，振蕩頻率取決于錐形管特性和質量。當采樣氣流通過濾膜時，其中的顆粒物沉積在濾膜上，濾膜質量變化導致振蕩頻率變化，通過測量振蕩頻率的變化，計算出沉積在濾膜上顆粒物的質量，再根據采樣流量、溫度和氣壓，計算出該時段的顆粒物標態質量濃度。用標準PM2.5濃度氣樣校準儀器后，可直接顯示濃度。

石英諧振器對其表面質量的變化十分敏感。空氣中顆粒物濃度一般為0.1mg/m3數量級，而水氣含量常以g/m3計。它與晶體表面間的作用，會對頻率帶來影響。當相對濕度增加到80%以上，晶體的頻率開始顯著變化，濕度越高，變化越大，此時將引起很大的測量誤差。為消除高濕度的影響，可將傳感器加熱，使進氣濕度降低。若加熱到41.2℃，可基本消除高濕度對儀器“零點”的影響。但加熱可能使顆粒上的VOCs揮發損失，造成負誤差。有報道指出，振蕩天平法監測結果較β射線法偏低15%~17%。目前的技術無法解決樣品加熱后揮發性和半揮發性物質的損失，所以該法不適合南方潮濕地區和污染嚴重城市PM2.5的測定。

（4）光散射法。光散射法是通過測量顆粒物受光照射后所發出的散射光信號的大小來測量顆粒物的質量濃度。該法是利用Mie散射理論及顆粒物的各參量來反演顆粒物質量濃度的。實際上，光的散射與顆粒物濃度間的關系受到顆粒物的化學組成、形狀、比重、粒徑分布等諸多因素的影響，這意味著光散射和顆粒物濃度之間的定量關系隨時都可能改變，這就需要不斷地用標準方法進行校正。文獻報道，利用光散射儀測定PM2.5，至少有30%~40%的不確定性。

光散射法可以實時在線監測空氣中顆粒物的濃度，根據顆粒物性質預先設定K值，可以現場直接顯示質量濃度（mg/m3），且其體積小、重量輕、操作簡便、噪聲低、穩定性好，適于公共場所、生產現場粉塵等場合和大氣質量監測使用。

2 PM2.5監測方法的可比性研究進展

PM2.5的監測是我國近十年來環境監測的一個新項目。為了解決PM2.5監測能力建設所需要的技術指標問題，必須研究適合我國特點的PM2.5監測技術和方法，解決方法的可比性，為制定相關監測技術規范提供依據。

2.1 我國PM2.5監測方法比對測試概況

2011年12 月，中國環境監測總站開始進行PM2.5自動監測方法適用性比對測試工作，并制定了《PM2.5自動監測方法適用性比對測試實驗方案》。參考美國EPA對PM2.5自動監測儀器的認證方法，以我國手工監測標準方法為基準，對不同廠家、不同原理的環境空氣自動監測儀進行單機比對測試，以全面了解PM2.5監測中的β射線法、β射線法聯用濕度補償、振蕩天平（TEOM）法、震蕩天平聯用膜補償測量法（TEOMFDMS）和光散射法。

中國環境監測總站大氣室先后調集了美國Thermo Fisher Scientific公司TEOM1405F*、TEOM1405、FH62C14、5030-SHARP*PM2.5監測儀，美國Met One公司的BAM-1020*PM2.5監測儀，河北先河公司的XHPM-2000E監測儀，北京中晟泰科公司的7201型監測儀，武漢天虹公司的TH2000TM監測儀，安徽藍盾光電子公司TEOM監測儀共9種PM2.5自動監測儀器；以及美國Thermo Fisher Scientific公司RP-2000 D（雙通道）*、德國Derenda公司PNS-16T（16通道）*、武漢天虹公司宇虹TH-150A（單通道）、宇虹TH-16A（四通道）等4種手工采樣監測儀器，進行儀器設備安裝調試工作，全面開展比對測試實驗[5]（*表示通過EPA認證）。

2012年1 月16 日至3月27日，分別在北京、上海、重慶、廣東、濟南等地開展第一階段PM2.5自動監測儀適用性測試。測試對數據有效性、采樣場風速、分析天平對濾膜上顆粒物負載量等均作了嚴格的要求。空氣質量代表性覆蓋從清潔至嚴重污染水平。采用國際通用的測試評估方法，將各種自動監測儀器與手工標準方法的同時段監測結果進行回歸分析，按照國際通用的PM2.5監測儀器認證指標進行評價[8]。

2.2 我國PM2.5監測方法比對測試結果

目前，第一階段比對測試已結束，中國環境監測總站近日印發了《PM2.5自動監測儀器技術指標與要求（試行）》的通知，用以指導第一階段PM2.5監測能力建設。

對參加測試的PM2.5自動監測方法而言，微量振蕩天平法必須加裝膜動態測量系統、β射線法必須加裝動態加熱系統，才能滿足測試要求。通過美國EPA、歐盟或等同國際水平認證的國外PM2.5監測儀，在比對測試中總體合格，測試結果與美國EPA、歐盟或等同國際水平認證基本一致，可滿足我國PM2.5自動監測的需要。比對結果確定3種PM2.5的自動監測方法為[8]：

（1）β射線法加裝動態加熱系統（β+DHS）；

（2）β射線法加動態加熱系統聯用光散射法（β+ DHS+光散射）；

（3）微量振蕩天平法加膜動態測量系統（TEOM+ FDMS）。

3種方法所選用的儀器關鍵的技術指標要求為：

量程：0～10mg/m3；

最低檢測限：≤2μg/m3；

測定周期：1h；

采樣流量：16.7L/min（流量穩定性優于3%）；

顯示分辨率：≤1μg/m3；

允許誤差：±5μg/m3以內（24h）；

平行性：7%；

運行環境：-30～50℃；

測量時間：連續監測。

2.2.1 β射線法加裝動態加熱系統（β+DHS）

由于空氣中水分對膜片和吸附顆粒物均有較大的影響；因此，β射線法必須加裝動態加熱系統，以最大限度減少對顆粒物監測的影響。

由于石英采樣濾膜條帶和采集的PM2.5粒子物理特性都不完全均一，因此該法測定數據存在方法學偏差。此外，在高濕度地區和濕度短期變化幅度較大時，該法測定數據也易出現偏差。該法儀器對采樣濾膜帶有較高的要求，在潮濕高溫區域故障率較高。

2.2.2 β射線法加動態加熱系統聯用光散射法（β+ DHS+光散射）

在β+DHS基礎上，增加一個光散射測量裝置，利用較為穩定準確的周期性（通常為30min～1h）β射線法測量數據為校準提供高時間分辨率的光散射測量值。由于光散射方法測量的數據以β射線法測量數據為基準周期性校準，其光學法的高精度數據只能作為參考，并不能完全脫離β射線法測量的精度水平。

該法儀器特點與上述β+DHS法基本相同，缺點也類似。但由于采用光散射，數據時間分辨率得到很大的提高，可以獲得分鐘水平的監測數據。這類儀器精度處在TEOM+FDMS儀器與β+DHS儀器之間，檢出限和精度理論上接近TEOM+FDMS。

2.2.3 微量振蕩天平法加膜動態測量系統（TEOM+ FDMS）

TEOM+FDMS聯用主要通過兩個階段的測量來實現。第1階段，空氣通過膜動態測量系統進樣管加熱干燥后進入監測儀，通過設定一段時間的連續采樣后，足夠的空氣顆粒物沉積在振蕩天平濾膜上，測定濾膜上的顆粒物質量，計算出顆粒物質量濃度；第2階段，通過膜動態測量系統的切換閥，空氣進入膜動態測量系統中的冷凝器，空氣中的顆粒物包括揮發性和半揮發性等組分被冷凝并被膜動態測量系統過濾膜截留，通過冷凝器后的純凈氣流再進入振蕩天平儀測量。由于此時氣樣不含顆粒物，因此振蕩天平的濾膜不會增重，反而因濾膜上揮發性和半揮發性顆粒物的持續揮發，造成濾膜質量減輕，減輕的質量即為損失的揮發性和半揮發性顆粒物質量。如果在第1和第2階段兩次相同時間的測量過程中，振蕩天平濾膜上損失的質量相等，將第1階段測得的顆粒物質量濃度加上第2階段測得的揮發性和半揮發性顆粒物的損失量，即得校正后的顆粒物質量濃度[8]。

由于國內很多城市細粒子濃度較高，容易導致滲透膜標準件的透水膜微孔很快被細粒子堵塞，從而使其壽命大大降低，約2～3個月需更換一次。同樣，在高濕度地區，由于冷凝水汽分離工作負載量大，滲透膜的工作效率和壽命也會大大降低。因此，增加膜動態校準系統會造成成本增高，維護工作量大，儀器故障率大幅度升高，且FDMS需定期返廠更新。

大氣濕度從高值迅速下降至低值時，振蕩天平法PM10監測結果可能會出現負值，而PM2.5儀器由于增加了FDMS系統，能夠對損失的水分和揮發性有機物進行補償，監測結果仍為正值，此時會出現PM2.5監測結果大于PM10監測結果的情況。出現這種情況時，顆粒物濃度往往處于極高的污染范圍，監測結果不影響空氣質量等級評價，可采用業界通常設定的上下限修正[8]。

本次PM2.5自動監測儀比對測試是一種暫時過渡，待環保部監測儀器質檢中心的顆粒物適用性檢測平臺建立后，適用性測試工作將轉入正常程序。屆時所有環境空氣質量監測網站點使用的顆粒物監測儀器，均需通過正式的適用性檢測[8]。

2.3國外PM2.5監測方法比對研究進展

2008年開始，美國EPA開展了對PM2.5自動監測儀的認證工作，經過認證的儀器都會獲得美國自動等效方法號（EQPM）。

目前，經過美國EPA認證的PM2.5監測儀都有固定的基本配置和工作參數設置來最大限度地保證數據的準確性。β射線法可以提供PM2.51h的平均濃度；β射線光散射法除了能提供基本的PM2.51h的平均濃度外，還可提供高準確度的1min平均濃度；TEOM+FDMS法在被美國EPA認可的儀器中是唯一采用顆粒物質量直接測量的儀器，FDMS的運用使儀器能測得分析過程中揮發掉的揮發性和半揮發性顆粒物的質量，經過補償后的數據更接近于標準重量法的測量結果，其數據被認為是PM2.5自動監測儀中準確度最高的。經世界各國的權威檢定機構及第三方監測機構測試，TEOM+FDMS與標準重量法數據的相關性最佳，在94%～99%間，而β射線法的相關性在77%～90%間。因此，微量振蕩天平法成為目前世界各國使用的顆粒物自動監測的主流技術。在美國PM2.5監測網絡中約有60%的微量振蕩天平法監測儀[9]。

不過，在美國振蕩天平法監測儀不一定非要加裝FDMS，是否加裝各州可以自由選擇。加裝后的監測結果即被認定為聯邦等效方法（federal equivalent method，FEM）結果，而沒有加裝FDMS的監測結果則為PRE-FEM的結果。無論是否加裝，都需與聯邦參比方法進行校準，FEM為3天校準一次，PRE-FEM為6天校準一次。

2006年，英國必維國際檢驗集團完成了在英國使用的顆粒物自動監測儀和標準方法的對比報告[9]，其中涉及5臺PM10監測儀、1臺PM2.5監測儀和1臺PM2.5顆粒物采樣器。總結如下：（1）被測評的1臺β射線法PM10監測儀的數據須除以1.211或1.271才可以使用；（2）TEOM+FDMS PM10和PM2.5監測儀符合等效方法的要求；（3）不配置FDMS的TEOM PM10監測儀不符合等效方法的要求；（4）被測評的PM2.5顆粒物采樣器符合等效方法的要求。

應當看到，國外PM2.5自動監測儀性能指標和補償措施的驗證是在PM2.5低濃度條件下進行的，面對我國PM2.5高濃度水平和成因復雜的實際情況，如何解決和借鑒設備原有的比對及驗證條件是現階段我國進口PM2.5監測設備面臨的主要問題。

3 結束語

目前，國內外比對測試結果表明，基于不同測量原理的PM2.5監測儀，都有一定的適應范圍和局限性，并允許出現一定的誤差。

從技術上看，PM2.5的監測應符合有關監測技術規范的要求，這涉及到監測點位布設、監測人員資質、分析方法選擇、監測設備選型及認證、質量控制和質量保證措施等諸多因素，只有通過監測全過程的質量控制，通過最佳技術手段盡量把誤差縮小，才能保證監測數據的準確性和可比性。任何一種自動監測方法都有其優缺點和適用性，重要的是一定要根據當地的氣象條件及顆粒物特點選擇合適的監測手段，使一個城市的方法體系要有延續性、可比性。鑒于PM2.5自動監測設備標定溯源困難，根據國際通行做法，建議國家發布PM2.5監測設備選型名錄，以供各地按照環境空氣質量標準的要求選購適合的監測設備。

國內外多年的監測經驗表明，PM2.5的監測需要經過大量手工方法數據作為比對和校驗，才能在當地給出高質量的PM2.5監測數據。因此，我國的環保工作者尚有大量艱巨的工作要做。可喜的是在極短的時間內我國在PM2.5自動監測方法適用性比對測試方面已經邁出了堅實的一步，并取得了階段性的成果，為深入研究建立適合我國國情的PM2.5監測設備及技術、制定相應的標準方法、出臺PM2.5自動監測技術規范打下了堅實的基礎[10]。

[1]崔延青，王春迎，尚永昌.大氣細粒子（PM2.5）監測技術進展[J].中國環保產業，2012（4）：8-13.

[2]魏復盛，滕恩江，吳國平．我國4個大城市空氣PM2.5、PM10污染及其化學組成[J]．中國環境監測，2001，17（5）：1-6.

[3]李龍鳳，王新明，趙利容，等．廣州市街道環境PM10和PM2.5質量濃度的變化特征[J]．地球與環境，2005，33（2）：57-60.

[4]潘純珍，陳剛才，楊清玲，等．重慶市地區道路PM10/PM2.5濃度分布特征研究[J]．西南農業大學學報：自然科學版，2004，26（5）：576-579.

[5]王瑋，湯大鋼，劉紅杰，等．中國PM2.5污染狀況和污染特征的研究[J]．環境科學研究，2000，13（1）：1-5.

[6]Chow J C.Measurement methods to determine compliance with ambient air quality standards for suspended particles[J].J Air Waste Manage Assoc，1995（45）：320-382.

[7]HJ 618—2011環境空氣PM10和PM2.5的測定重量法[S].

[8]李健軍，杜麗，王曉彥，等.PM2.5自動監測儀器第一階段測試報告和技術指標要求[R].中國環境監測總站，2012.

[9]歐陽松華.PM2.5在線監測技術概述[J].中國環保產業，2012（4）：14-18.

[10]傅敏寧，鄭有飛，徐星生，等.PM2.5監測及評價研究進展[J].氣象與減災研究，2011，34（4）：1-6.

Advance on com parison research of monitoring techniques for PM2.5in ambient air

DAN De-zhong
（College of Architecture and Environment，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

As the national standard about PM2.5was put in practice in China，it will be very urgent to monitor PM2.5scientifically for understanding and assessing the environmental air quality. Owing to the complex and various components of PM2.5，as well as different principle and application characteristic for all kinds of monitoring techniques，the accuracy monitoring of PM2.5and the monitoring method standardization are investigated at present.The development for monitoring PM2.5and monitoring technologies was reviewed.Some advanced technologies:beta ray method，oscillation balance method and light scattering method，as well as the comparison of the methods are emphasized.Furthermore，the monitoring equipments and techniques，standard method and criterion suitable to China are discussed.

PM2.5；aerosol；environmental air quality；environmentalmonitoring；review

X823；X830.2；O436.2；TM930.12+7

A

1674-5124（2013）02-0001-05

2012-09-23；

：2012-11-07

但德忠（1947-），男，教授，博士生導師，研究方向為環境監測，現任四川省環境科學學會環境監測專委會主任委員、四川省分析測試學會環境與食品安全專委會主任委員。