干散貨碼頭PM2.5監測方法對比分析

林宇，劉長兵，楊瑩，李美玲

（交通運輸部天津水運工程科學研究所水路交通環境保護技術交通行業重點實驗室，天津300456）

干散貨碼頭PM2.5監測方法對比分析

林宇，劉長兵，楊瑩，李美玲

（交通運輸部天津水運工程科學研究所水路交通環境保護技術交通行業重點實驗室，天津300456）

文章根據交通運輸部天科院在天津港干散貨碼頭開展PM2.5環境監測的實踐經驗，對目前通用的重量法、β射線法、光散射法等PM2.5監測方法進行梳理比較，結合干散貨碼頭區域環境空氣PM2.5濃度高的特點，討論適用于干散貨碼頭的PM2.5監測分析方法。

PM2.5；環境監測；干散貨碼頭

近年來，PM2.5的污染問題越來越受到重視。以煤炭為代表的干散貨碼頭是港口所在地PM2.5的主要來源之一，相關部門和社會公眾越來越關注干散貨碼頭的PM2.5排放問題。開展散貨碼頭PM2.5排放及控制研究，最重要的基礎工作就是開展PM2.5的濃度監測。目前常見的PM2.5濃度監測方法包括重量法、β射線法、光散射法、壓電晶體頻差法和微量振蕩天平法等，幾種方法各有優缺點。交通運輸部天科院在天津港干散貨碼頭區域采用重量法（濾膜稱重法）、β射線法和光散射法等多種監測方法，開展了大量的PM2.5監測工作。根據實際監測情況，就各種監測方法對干散貨碼頭PM2.5濃度監測的適用性進行對比分析。

1 干散貨碼頭PM2.5濃度主要監測方法

（1）重量法（濾膜稱重法）。重量法，亦稱濾膜稱重法或手工法，為國家標準分析方法。其工作原理是：通過采樣器以恒定速度抽取一定量體積空氣，將空氣中的微顆粒物截留在濾膜上，再用天平對濾膜進行稱重得到采樣前后其重量變化，結合采樣空氣體積，計算出濃度。該方法對細小顆粒物截留效率高，測定結果準確，被認為是最直接、最可靠的測試方法，并作為驗證其他測量方法的結果是否準確的參比［1-5］。

根據環境保護部2013年8月發布的《環境空氣顆粒物（PM2.5）手工監測方法（重量法）技術規范》（HJ656-2013），重量法監測PM2.5有著非常嚴格的操作規程，包括采樣器的流量、濾膜前后稱重的恒溫恒濕過程和分析天平的精度等。

（2）β射線法。β射線法的工作原理是：隨著儀器的采樣系統在濾膜上收集的顆粒物增多，顆粒物質量也將增加，此時β射線檢測器所檢測到的射線強度會相對應地減弱。即β射線檢測器的輸出信號與顆粒物的質量變化存在對應關系。將換算后測得的一定時段內采集的顆粒物質量，結合同時段內所采集的樣品體積進行計算，可獲得該時段的顆粒物濃度。但采用該法監測時，空氣中水分（濕度）對濾膜、顆粒物吸附的影響較大，因此采樣管通常須加載相應的動態加熱系統，以維持待測樣的濕度，使其穩定于適宜測量的濕度值，保證測量效果［2-5］。

（3）光散射法。光散射法主要是結合Mie散射理論和顆粒物的相關參數來反推顆粒物質量濃度，當光照射在空氣中懸浮的細顆粒物上時，產生散射光。在顆粒物性質保持一定的前提下，顆粒物的散射光強度和其自身的質量濃度存在正比關系，利用質量濃度的轉換系數（K值）就可最終獲得顆粒物的質量濃度。該方法也可實現實時在線的非接觸監測，直接得到測量數據，但實際應用中顆粒物重疊、形狀、攜帶電荷等許多相關因素會引起測量結果誤差，此外，監測結果也易受顆粒物粒徑、組成和結構、折射性等影響［2-3，5］。

2 不同監測方法獲得的干散貨碼頭PM2.5濃度數據分析

（1）天津港干散貨碼頭重量法（濾膜稱重法）PM2.5監測結果分析。

交通運輸部天科院使用中流量采樣器（型號TH?150F）對不同天氣條件下的天津港干散貨碼頭、濱海新區城區等不同污染特征的區域采樣后進行重量法PM2.5監測分析，同時將獲得的監測數據與地方環境監測站的監測結果進行比對，多組監測數據統計分析結果表明：無論在較清潔的濱海新區城區，還是在相對污染較重的干散貨碼頭堆場區域，同一地點、同一時段的多臺TH?150F采樣樣品由重量法獲得的監測數據有較好的一致性；在相對較清潔的濱海新區城區，重量法獲得PM2.5監測數據與地方環境監測站發布的公開數據符合性較好（交通運輸部天科院重量法監測點與濱海新區開發區四大街公開數據比較），差值在+1%～+25%之間浮動；大風天氣、粉塵污染較重的碼頭滿負荷作業時段等特殊監測條件下獲得的監測數據同步性（同一地點多臺機器）和規律性（監測數據與污染源距離變化相關性等）均表現正常。

（2）天津港干散貨碼頭β射線法PM2.5監測結果分析。

交通運輸部天科院使用國內常用的TH?β10便攜式顆粒物監測儀，對不同天氣條件下的天津港干散貨碼頭、濱海新區城區等不同污染特征區域開展了PM2.5濃度監測。該監測儀根據β射線吸收原理設計，顆粒物濃度測量范圍0.02～10 mg/m3，采樣流量10 L/min，采樣斑點面積0.5 cm2。多組監測數據統計分析結果表明：在較清潔的濱海新區城區和干散貨碼頭較清潔時段（未裝卸、僅有靜態起塵時），TH?β10的監測結果有較好的同步性（同一地點多臺機器）和規律性（監測數據與污染源距離變化相關性等）；與地方環境監測站發布的公開數據比較，差值在+5%～+40%（β射線法略高）；與同步開展的重量法監測值比較，β射線法的監測結果偏高（最大差值接近+25%）；在干散貨碼頭大風天氣、粉塵污染較重時段等監測條件下，TH?β10監測效果不佳。

（3）天津港干散貨碼頭光散射法PM2.5監測結果分析。

交通運輸部天科院針對PM2.5的監測中，使用了國內比較常見的LD?5C型微電腦激光粉塵儀。該儀器工作原理為光散射法，內置濾膜采樣器，符合《空氣中粉塵濃度的光散射式測定法》（勞動部LD98-1996）以及《鐵路作業場所空氣中粉塵測定相對質量濃度與質量濃度的轉換方法》（鐵道部TB/T2323-92）等行業標準。儀器的測量范圍為0.01～100 mg/m3或0.001～10 mg/m3，對應的靈敏度分別為0.01 mg/m3和0.001 mg/m3。

交通運輸部天科院使用LD?5C粉塵儀對不同天氣條件下的天津港干散貨碼頭、濱海新區城區、交通干道兩側等不同污染特征的區域開展了監測。多組監測數據統計分析結果提示：在相對較清潔的濱海新區城區，LD?5C粉塵儀的監測結果與地方監測站公布的監測結果比較差值在+20%～+50%之間浮動，與同步開展的重量法監測結果比較監測數值明顯偏高（最大差值接近+40%）；LD?5C對交通干線兩側的PM2.5濃度監測效果略好于重量法，能夠反映出交通干線兩側不同距離PM2.5濃度的變化；在天津港干散貨碼頭利用LD?5C粉塵儀開展監測時獲得的數據規律性較差，大風天氣、粉塵污染較重時段等監測條件下LD?5C的監測結果基本無法使用。綜合分析表明：LD?5C粉塵儀粒子計數的工作原理，決定了一般情況下其監測值大于重量法獲得的監測結果，更適用于汽車尾氣、光化學污染物等PM2.5污染物粒數濃度較低時的測量；LD?5C粉塵儀在高濃度區間、大風等不利天氣條件下使用效果不佳。

3 適合干散貨碼頭的PM2.5濃度監測方法

針對散貨碼頭開展的PM2.5監測工作有以下特點：

（1）散貨港口的作業區域有嚴格的安全生產管理要求，不能隨意接電架設采樣儀器；碼頭和堆場的裝卸工藝也決定了很多區域不能設置監測點位。因此需要外接電源、對機器采樣動力要求較高（大于100 L/min）的重量法采樣儀器會有諸多掣肘之處，雖然可以利用蓄電池供電，也因電池供電時間有限使在港口區域利用重量法長時間監測PM2.5濃度較難實現。β射線法和光散射法PM2.5監測儀器的采樣動力要求相對較低（10L/min或更多）、同等條件下自帶電池的使用時間較長，因此布設點位的靈活度和采樣時長的表現都優于重量法。

（2）散貨港口環境空氣中的PM2.5有著濃度值波動較大的特點，低濃度時段可能接近地區背景值，高峰時段出現過10倍于地區背景值的極端情況。對于重量法來說，由于采集的是較長時段的污染物，并且收集的污染物質量越大越有利于監測數據的質量控制，因此該特點基本不會影響重量法的監測精度。而光散射法PM2.5監測儀器由于儀器反應有一定的滯后性和單位時間采氣量較小，受該特點的影響較大，港口區域劇烈波動的PM2.5濃度經常會使光散射法PM2.5監測儀器應接不暇進而無所適從。交通運輸部天科院在天津港煤炭碼頭作業和非作業時段交錯、碼頭區域風速時有變化等PM2.5濃度頻繁變動時段，同步利用光散射法PM2.5監測儀器（國產LD?5C激光粉塵儀）和重量法（采樣儀TH?150F）開展監測，獲得的數據統計分析表明，光散射法的監測數據明顯質量較差，甚至出現理應污染較輕的區域監測數據明顯大于污染較重區域的情況。天科院在同樣條件下，同步利用β射線法監測儀器（TH?β10粉塵監測儀）和重量法（采樣儀TH?150F）開展比對監測，兩套監測數據的差異明顯小于重量法與光散射法監測結果的差異，說明與光散射法比較，β射線法受PM2.5濃度值波動的影響相對較小。但在港區環境空氣中PM2.5濃度過高時，β射線法監測值與重量法的差異逐漸明顯，β射線法監測數據的穩定性也趨差。

如前所述，散貨港口環境空氣中會出現PM2.5濃度較高的情況，此時β射線法監測儀器的表現會趨于不穩定。分析該種情況出現的原因，可能是局部時段PM2.5濃度過高的情況下，由于TH?β10粉塵監測儀的單位時間進氣量較小，采集氣體量（對應著污染物質量）不能完全反映高濃度時段環境空氣的特質，并且采樣斑點面積也遠小于重量法的采樣膜面積，獲得的分析對象質量較小，進而導致系統誤差較大。在高濃度的條件下，該種誤差愈加凸顯。

（3）散貨港口環境空氣中的PM2.5污染物與其他區域的PM2.5污染物構成有明顯區別，除大的區域性污染物（鍋爐煙氣、汽車尾氣、TVOC等）來源外，重要的組成是煤炭等干散貨的起塵。以煤塵或礦粉等塵粒子為主要組分的散貨港口PM2.5污染物，不同于光化學反應等形成的其他類型PM2.5污染物，有著質量濃度和粒子濃度關系較穩定的特點，即不會由于重量法操作中的恒重環節造成水分、易揮發組分蒸發等較大比例的重量損失進而導致監測結果的較大誤差。由于這一特點，光散射法監測儀器可以相對更加準確地反映PM2.5粒子濃度的特點在散貨港口的PM2.5監測中基本沒有用武之地，反而是重量法及本質上為間接形式重量法的β射線法工作原理更加貼近散貨港口PM2.5污染物的特性。這應該也是天科院開展的多次監測中，光散射法儀器的表現明顯劣于其他兩種方法的原因之一。

結合散貨港口PM2.5污染物特點、監測條件限制及交通運輸部天科院已開展的監測實踐工作分析，3種監測方法的適用性和局限性總結如下：

（1）重量法：適應干散貨碼頭區域PM2.5濃度高污染、高波動等要求，監測結果相對準確，但使用過程中受碼頭現場工作條件、實驗條件等限制較多。

（2）β射線法：對干散貨碼頭區域PM2.5濃度變化的適應性稍差，不能完全反映高濃度時段環境空氣的特點。但因不需要接交流電，布點比較靈活，受碼頭工況限制較少。在要求獲取大量監測數據、連續長時間監測時，為提高監測工作效率，可以充分利用β射線法快速監測儀器，但需要配合重量法進行校準。

（3）光散射法：現階段使用國內光散射法快速監測儀器得到的監測結果重復性差、系統誤差較大，由于筆者所在的研究團隊尚未能利用進口光散射法監測儀器（如美國產DustTrak DRX Desktop 8530系列）開展散貨港口的PM2.5相關監測，光散射法監測散貨港口PM2.5濃度的可行性尚需進一步討論。

綜上所述，碼頭現場工作條件許可的情況下，推薦使用重量法開展PM2.5監測；如碼頭現場不具備接電等試驗條件，可利用自帶電源的β射線法快速監測儀器進行監測。暫不推薦干散貨碼頭區域PM2.5監測使用LD?5C等同類光散射法監測儀器。

4 結語

本文根據現階段開展的PM2.5環境監測實踐工作，對幾種監測方法在散貨港口PM2.5監測中的應用效果進行的初步梳理分析，有很多不確定因素存在，同時還有一些監測方法（微量振蕩天平法等）和儀器尚無條件開展實測工作。包括散貨港口在內的PM2.5監測技術規范化是一項復雜的工作，需要長期的環境監測工作和大量的數據分析，并且配合源解析等其他研究手段，才有可能得出較科學的結論。后期交通運輸部天科院會繼續開展大規模的監測與比對分析實驗，以期得到更加科學準確的結果。

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Comparative analysis of PM2.5monitoring method in dry bulk cargo terminal

LIN Yu,LIU Chang?bing,YANG Ying,LI Mei?ling
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Environmental Protection Technology on Water Transport Engineering,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

In this paper,according to the practice experience of PM2.5monitoring in Tianjin dry bulk cargo ter?minal acquired by Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering of Ministry of Transport,the present general PM2.5monitoring methods including gravimetric method,β?ray method and light scattering method were ana?lyzed.Combined with the high concentration of PM2.5in dry bulk cargo terminal region,the monitoring methods of PM2.5for dry bulk cargo terminal were discussed.

PM2.5；environmental monitoring；dry bulk cargo terminal

X 51

A

1005-8443（2014）06-0629-04

連云港港30萬噸級航道二期將于2015年開建

2013-11-13；

2014-07-11

林宇（1973-），女，天津市人，高級工程師，主要從事交通行業環境保護研究。

Biography：LIN Yu（1973-），female，senior engineer.

本刊從連云港獲悉，交通運輸部和江蘇省重點工程連云港港30萬t級航道二期工程將于2015年上半年開工建設。據悉，連云港港30萬t級航道二期工程計劃建設30萬t級連云港區和徐圩港區航道、錨地及配套圍堤工程等，初步估算工程總投資約75億元，疏浚航道約70.5 km。作為徐圩港區建設的前提和關鍵，總長21.78 km的防波堤工程進展順利，截至11月底，累計完成投資22億元，占總投資的47%。據了解，連云港港30萬t級航道一期工程于2013年10月完工并通過交工驗收。航道的開通使得連云港港具備接納25～28萬t級散貨船的能力，有效緩解了建成多年的30萬t級礦石碼頭“有力使不出”的問題。截至11月底，共有186艘次25萬t級及以上船舶進出，世界最大的40萬t礦砂船“淡水河谷·馬來西亞”號輪順利進港裝卸。（殷缶，梅深）