兩種環(huán)境空氣中PM2.5濃度監(jiān)測(cè)方法的比較

張　偉　陳新星　朱志峰

(南京市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站 ，南京 210013)

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兩種環(huán)境空氣中PM2.5濃度監(jiān)測(cè)方法的比較

張偉陳新星朱志峰

(南京市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站 ，南京 210013)

β射線法是PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)主要方法之一，根據(jù)儀器原理的不同，有些β射線法儀器加裝了光濁度計(jì)，這種方法又稱為β射線光濁度法。本文介紹了兩種方法的工作原理和差異性，并通過比對(duì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)兩種方法的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)學(xué)驗(yàn)證。

β射線法β射線光濁度法PM2.5比對(duì)實(shí)驗(yàn)

近年來，全國(guó)大范圍的霧霾天氣引起了公眾和輿論對(duì)PM2.5的強(qiáng)烈關(guān)注，監(jiān)測(cè)PM2.5的呼聲越來越高。在隨后頒布的新版《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-2012)中，PM2.5正式成為標(biāo)準(zhǔn)要求的常規(guī)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目[1]。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家很早就開始了PM2.5的研究工作，已經(jīng)掌握了其監(jiān)測(cè)的核心技術(shù)。由于我國(guó)PM2.5的相關(guān)研究起步較晚，對(duì)PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法還在摸索與驗(yàn)證階段，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺(tái)。因此對(duì)PM2.5的各類自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，成為推廣PM2.5監(jiān)測(cè)的前提條件和當(dāng)務(wù)之急。

1　常用PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法

目前，國(guó)內(nèi)外監(jiān)測(cè)大氣細(xì)粒子PM2.5常用的自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法主要分為β射線法和微量振蕩天平法(TEOM法)，兩種方法的工作原理顯著不同，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)稍有差別。有些β射線法儀器通過加裝光濁度計(jì)進(jìn)行兩種方法的聯(lián)用，這種儀器又稱為β射線光濁度法儀器。業(yè)內(nèi)對(duì)于β射線法和微振蕩天平法儀器的比對(duì)研究較多[1,2]，在此不作贅述，本文將重點(diǎn)介紹β射線法和β射線光濁度法兩種方法之間的區(qū)別。

1.1β射線法

β射線法是利用β射線的衰減量來測(cè)定測(cè)量期間顆粒物質(zhì)量增加量的一種監(jiān)測(cè)方法。氣樣被采樣泵吸入采樣管，氣樣中顆粒物被截留在濾膜上，當(dāng)β射線通過濾膜時(shí)，由于顆粒物的吸收會(huì)導(dǎo)致β射線能量衰減，通過β射線的衰減量與顆粒物質(zhì)量增加量的關(guān)系計(jì)算顆粒物的質(zhì)量濃度。

1.2光濁度法

光濁度法測(cè)量質(zhì)量濃度的原理是建立在微粒的 Mie 散射理論基礎(chǔ)上的(3)。當(dāng)光照射在空氣中懸浮的顆粒物上時(shí)，產(chǎn)生散射光。在顆粒物性質(zhì)一定的條件下，顆粒物的散射光強(qiáng)度與其質(zhì)量濃度成正比，通過測(cè)量散射光強(qiáng)度，應(yīng)用轉(zhuǎn)換系數(shù)，求得顆粒物質(zhì)量濃度。光濁度法由于容易受顆粒物折射性、形態(tài)以及成分的影響，其測(cè)量準(zhǔn)確性不好，所以單獨(dú)采用光散射法測(cè)量PM2.5的儀器較少。

1.3β射線光濁度法

β射線光濁度法是在β射線基礎(chǔ)上增加光濁度計(jì)，將β射線數(shù)據(jù)與光濁度數(shù)據(jù)進(jìn)行同步修正計(jì)算，從而得到更加精確的瞬時(shí)顆粒物濃度的方法。此方法又被稱為：SHARP法，即：Synchronized Hybrid Ambient Real-time Particulate Monitor.

1.4差異性比較

β射線法原理是根據(jù)顆粒物對(duì)β射線的吸收強(qiáng)度進(jìn)行分析，顆粒物吸附在濾紙帶表面后，蓋革計(jì)數(shù)器(有些儀器使用閃爍體計(jì)數(shù)器)通過測(cè)量采樣前后β射線強(qiáng)度變化來計(jì)算吸附的顆粒物濃度。采用這種分析方法，人工維護(hù)量較低，在數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率上，一般1h監(jiān)測(cè)1個(gè)數(shù)據(jù)，個(gè)別廠家的儀器也可以提供實(shí)時(shí)連續(xù)數(shù)據(jù)。由于β射線法監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)于顆粒物的顏色、細(xì)度、組份所帶來的影響不大，因此，β射線法監(jiān)測(cè)儀可以得到高準(zhǔn)確度的顆粒物濃度數(shù)據(jù)[4]。

β射線光濁度法使用了兩種傳感器。除了蓋革計(jì)數(shù)器外還使用了光濁度計(jì)，該部分測(cè)量單元可以快速測(cè)得高精密度的顆粒物濃度數(shù)據(jù)，但是數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度還不足以滿足監(jiān)測(cè)的需求。因此，如果要準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)PM2.5數(shù)據(jù)，需要和β射線法進(jìn)行聯(lián)用，通過較為準(zhǔn)確的β射線法數(shù)據(jù)作為校準(zhǔn)，來提供高時(shí)間分辨率的光濁度法數(shù)據(jù)[5]。

1.5采用兩種監(jiān)測(cè)方法的儀器

表1為各廠家使用兩種方法的部分儀器設(shè)備。

表1　各廠家使用兩種方法的儀器設(shè)備

2　比對(duì)試驗(yàn)

由于兩種PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法在原理上存在一定的差異，為了解兩種自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法之間在技術(shù)性能、準(zhǔn)確性等方面的區(qū)別，南京市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站在2015年5月～7月間，對(duì)兩種方法的儀器進(jìn)行了連續(xù)比對(duì)實(shí)驗(yàn)。

2.1實(shí)驗(yàn)過程

2.1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

β射線法設(shè)備使用的是美國(guó)metone公司生產(chǎn)的BAM-1020，β射線光濁度法使用的是美國(guó)ThermoFisher 公司生產(chǎn)的5030 SHARP。兩種儀器的技術(shù)性能指標(biāo)符合環(huán)保部《環(huán)境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法》(HJ 653-2013)。

2.1.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在南京市草場(chǎng)門環(huán)境空氣國(guó)控點(diǎn)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)時(shí)間為2015年5月1日至7月3日，儀器運(yùn)行、質(zhì)量控制按照環(huán)保部《環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ /T 193-2005)的相關(guān)要求實(shí)施。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法之間的數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果

(1)日均值比較

比對(duì)期間共獲得67組日均值數(shù)據(jù)，圖1為兩種方法比對(duì)的日均值變化曲線，總體上β射線法(BAM-1020)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比β射線光濁度法(5030 sharp)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)偏低5～10%。

圖1　BAM-1020與5030sharp 日均值變化曲線

(2)一致性檢驗(yàn)

對(duì)兩種方法進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，假設(shè)兩種方法結(jié)果的總體方差相等，用F檢驗(yàn)法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)[6]，取顯著性水平為0.05，n=67，F(xiàn)=1.24，F(xiàn)0.05查表=1.53，F(xiàn)

(3)相關(guān)性檢驗(yàn)

對(duì)兩種方法進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，利用回歸方程計(jì)算的相關(guān)系數(shù)r=0.944，取顯著性水平為0.05，r0.05(f)查表=0.232，r>r0.05(f)，兩種方法高度相關(guān)，方法具有可比性,結(jié)果見表2。圖2顯示的是兩組數(shù)據(jù)的散點(diǎn)分布圖，用兩組數(shù)據(jù)建立回歸方程，得方程式為y=1.052x+0.003。

表2　兩種測(cè)量方法的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果

圖2　BAM-1020與5030sharp 散點(diǎn)數(shù)據(jù)分布圖

3　結(jié)論與建議

(1)β射線法具有較高準(zhǔn)確度，光濁度法具有較好精度和時(shí)間分辨率，兩者結(jié)合使用可以得到較高準(zhǔn)確度的瞬時(shí)濃度。

(2)β射線法和β射線法光濁度法測(cè)量數(shù)據(jù)顯著性檢驗(yàn)無差異，數(shù)據(jù)具有一致性，可比性較好。

(3)β射線法和β射線法光濁度法測(cè)量數(shù)據(jù)相關(guān)性檢驗(yàn)顯示具有較好相關(guān)性，前者測(cè)量結(jié)果比后者偏低5～10%。

(4)β射線法受采集空氣中的水汽干擾較大，在雨水偏多的南方監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)偏高，β射線光濁度法若瞬間采集到雨珠，瞬時(shí)值可能會(huì)更高。此次儀器比對(duì)階段處于夏季，空氣濕度較大，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定影響，可能也是光濁度法數(shù)據(jù)偏高的原因之一。因此，在使用β射線法儀器時(shí)，需要對(duì)采樣管進(jìn)行加熱以去除水汽的影響，但過分加熱又會(huì)使部分PM2.5成分揮發(fā)而影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，需要對(duì)加熱溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)，DHS系統(tǒng)(Dynamic Heating System動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng))的好壞是影響儀器準(zhǔn)確率的一個(gè)重要因素。

(5)β射線法和β射線法光濁度法都是PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，而國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)境空氣PM10和PM2.5的測(cè)定 重量法》(HJ618-2011)是環(huán)境空氣PM2.5監(jiān)測(cè)唯一的國(guó)標(biāo)方法，因此在使用自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備時(shí)，還需要按照《國(guó)家環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)環(huán)境空氣顆粒物(PM10、PM2.5)自動(dòng)監(jiān)測(cè)手工比對(duì)核查技術(shù)規(guī)定(試行)》的要求和手工方法進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)結(jié)果合格，利用自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)才有效可用。

(6)目前PM2.5監(jiān)測(cè)方法與設(shè)備種類較多，由于各地的顆粒物來源、種類不同，氣象條件也不同，采用相同方法監(jiān)測(cè)的結(jié)果也未必有一致性，文中的結(jié)果僅供監(jiān)測(cè)同行參考，各地監(jiān)測(cè)部門應(yīng)選擇適合本地的監(jiān)測(cè)方法與設(shè)備，從而得到能真實(shí)反映本地實(shí)際情況的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

[1]解淑艷，王曉彥，吳迓名，等.環(huán)境空氣中PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法比較及應(yīng)用[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè),2013，(2)：150-153.

[2]王堅(jiān)，黃屋.廈門市PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法的比對(duì)分析[J],PM2.5監(jiān)測(cè)及防治技術(shù)高級(jí)研討會(huì)論文集:21-28.

[3]毛達(dá)敬.淺談PM2.5自動(dòng)監(jiān)測(cè)的幾種主流方法[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013，(8)：114-116.

[4]梁永健.光濁度計(jì)結(jié)合射線法顆粒物監(jiān)測(cè)儀安裝維護(hù)淺析[J].分析儀器，2015，(3)：92-95.

[5]寧愛民，文軍浩，鄭智德，樊尚春.PM2.5測(cè)試技術(shù)及其比對(duì)測(cè)試研究進(jìn)展[J].計(jì)測(cè)技術(shù)，2013，(4)：11-13.

[6]盛聚，謝式千，潘承毅.概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì).北京：高等教育出版社，2008：191-192.

Two methods for monitoring of air PM2.5.

Zhang Wei,Chen Xinxing,Zhu Zhifeng

(Nanjing Environmental Monitoring Center Station,Nanjing 210013,China)

This paper introduced the working principle of beta-ray and beta-ray turbidity method,discussed the difference between them,and compared the monitoring results of two methods.

Beta-ray method ；Beta-ray turbidity method；PM2.5；comparison test

張偉，漢，1976年出生，工程師，南京市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，從事環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)工作，E-mail:njjczzw@sina.com。

10.3936/j.issn.1001-232x.2016.04.019

2016-03-24