環(huán)境空氣中PM2.5監(jiān)測方法的比較研究

劉爍，趙玉龍，包新榮，項明

（甘肅省環(huán)境監(jiān)測中心站，甘肅　蘭州　730020）

環(huán)境空氣中PM2.5監(jiān)測方法的比較研究

劉爍，趙玉龍，包新榮，項明

（甘肅省環(huán)境監(jiān)測中心站，甘肅蘭州730020）

在相同的環(huán)境條件下比較了β射線法、微振蕩天平法、β射線-光散射融合法和手工濾膜采樣-稱重法測定環(huán)境空氣中PM2.5的方法，實驗結(jié)果表明，β射線-光散射融合法在PM2.5濃度較低時準(zhǔn)確度較好，濃度較高時準(zhǔn)確度較差。經(jīng)過比較，β射線法、微振蕩天平法能夠滿足環(huán)境質(zhì)量細(xì)顆粒物的測定要求。

環(huán)境空氣；PM2.5；自動監(jiān)測；方法

近年來，我國霧霾天氣多發(fā)，特別是入冬以來京津冀、長三角、珠三角地區(qū)霧霾天氣頻頻出現(xiàn)［1，2］，嚴(yán)重影響人們的生活。相關(guān)文獻(xiàn)及研究已證實灰霾天氣與PM2.5密切相關(guān)，PM2.5由于顆粒直徑小，與大氣中的其他物質(zhì)相比，它能傳送到更遠(yuǎn)的位置并且在空中停留更長的時間［3］。在環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測和預(yù)報預(yù)警工作中，對環(huán)境空氣中PM2.5的科學(xué)監(jiān)測至關(guān)重要。本研究用4種不同原理的環(huán)境空氣顆粒物監(jiān)測設(shè)備同時監(jiān)測PM2.5質(zhì)量濃度，進(jìn)行為期35d的比對監(jiān)測實驗，通過實驗評價各種監(jiān)測方法的適用性情況。

1　國內(nèi)外環(huán)境空氣PM2　.5　測定方法概述

測定環(huán)境空氣中PM2.5的方法主要有β射線法、微振蕩天平法、光散射法和手工濾膜采樣-稱重法等，其中手工濾膜采樣-稱重法為大多數(shù)國家的標(biāo)準(zhǔn)方法，由于這種方法連續(xù)采樣時間長、濾膜稱重環(huán)境等要求高，不便于時時監(jiān)控環(huán)境質(zhì)量變化情況。EPA、ISO、JIS、DIN、EN等標(biāo)準(zhǔn)方法中有連續(xù)自動測定環(huán)境空氣中PM2.5的方法——微β射線法和振蕩天平法，但美國和歐盟國家將這兩種方法僅用于時時監(jiān)控環(huán)境質(zhì)量狀況、預(yù)警環(huán)境質(zhì)量污染等［4，-6］，對公眾發(fā)布環(huán)境質(zhì)量報告及環(huán)境管理決策以手工濾膜采樣-稱重法監(jiān)測數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

我國于2012年將PM2.5限值納入環(huán)境空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)，并于2013年頒布了PM2.5連續(xù)自動監(jiān)測方法標(biāo)準(zhǔn)。目前，我國環(huán)境空氣質(zhì)量PM2.5時時發(fā)布數(shù)據(jù)主要為β射線法、微振蕩天平法連續(xù)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)。光散射法、光散射和其他方法融合法測定環(huán)境空氣中顆粒物的方法是近年來有突破性進(jìn)展的一種監(jiān)測方法［7］，其優(yōu)點是可連續(xù)自動監(jiān)測環(huán)境空氣中顆粒物，并且可以測定顆粒物的各種粒徑組成，目前主要應(yīng)用于科研領(lǐng)域。

2　實驗部分

2.1主要儀器和試劑

環(huán)境空氣顆粒物手工采樣器2臺、β射線法顆粒物自動監(jiān)測設(shè)備2臺、微振蕩天平法顆粒物自動監(jiān)測設(shè)備2臺、β射線-光散射融合法法顆粒物自動監(jiān)測設(shè)備2臺，百萬分之一天平。超細(xì)玻璃纖維濾膜。

2.2儀器條件

本實驗手工采樣設(shè)備為連續(xù)采樣24h，采樣流量為16.7L/min，測定PM2.5日均值。連續(xù)自動監(jiān)測設(shè)備為每小時采樣一次，每次采樣時間為40min，采樣流量為16.7L/min，測定PM2.5h值，通過計算得出PM2.5日均值。

3　結(jié)果與討論

3.1幾種測定方法比較

用2臺環(huán)境空氣顆粒物手工采樣器、2臺β射線法顆粒物自動監(jiān)測設(shè)備、2臺微振蕩天平法顆粒物自動監(jiān)測設(shè)備、2臺β射線-光散射融合法顆粒物自動監(jiān)測設(shè)備同時、連續(xù)測定環(huán)境空氣中PM2.5。手工濾膜采樣-稱重法為國家標(biāo)準(zhǔn)方法，各自動監(jiān)測法測定環(huán)境空氣中PM2.5結(jié)果與手工濾膜采樣-稱重法測定結(jié)果比較如圖1、圖2、圖3所示。由圖可見，3種自動監(jiān)測方法與手工監(jiān)測方法比較相關(guān)系數(shù)均大于0.95，自動監(jiān)測結(jié)果與手工監(jiān)測結(jié)果顯著相關(guān)。但β射線-光散射融合法自動監(jiān)測結(jié)果與手工監(jiān)測結(jié)果相比較的斜率小于0.9，準(zhǔn)確度不能滿足要求。

圖1　β射線法設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)與手工監(jiān)測數(shù)據(jù)比較

3.2環(huán)境空氣中PM2.5連續(xù)測定結(jié)果

圖2　微振蕩天平法設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)與手工監(jiān)測數(shù)據(jù)比較

圖3　β射線-光散射融合法設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)與手工監(jiān)測數(shù)據(jù)比較

選取連續(xù)35d進(jìn)行比對測試實驗，實驗結(jié)果見表1。

表1　不同測定方法測定環(huán)境空氣中PM2.5結(jié)果統(tǒng)計

由實驗可見，β射線法測定環(huán)境空氣中PM2.5的方法與手工法比較，有82.9%的測定結(jié)果偏差在-15%～15%之間，微振蕩天平法測定環(huán)境空氣中PM2.5的方法與手工法比較，有77.1%的測定結(jié)果偏差在-15%～15%之間，這兩種方法的結(jié)果均可以接受。β射線-光散射融合法測定環(huán)境空氣中PM2.5的方法與手工法比較，有40%的測定結(jié)果偏差在-15%～15%之間，測定結(jié)果偏差較大。

續(xù)表1

表1　不同測定方法測定環(huán)境空氣中PM2.5結(jié)果統(tǒng)計

本實驗35d的環(huán)境空氣PM2.5測定結(jié)果的正態(tài)分布情況如圖4所示［8］，由圖4所示可見本次測定結(jié)果范圍為38.99～260.66ug/m3之間，其中22.9%的測定結(jié)果小于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）中二級標(biāo)準(zhǔn)限值（75ug/m3），分別出現(xiàn)在第12d～第14d，第23d、第26d、第32～35d，這些時段的β射線法測定結(jié)果相對偏差均小于15%，微振蕩天平法62.5%的測定結(jié)果相對偏差小于15%，β射線-光散射融合法85.7%的測定結(jié)果相對偏差小于15%。可見在環(huán)境空氣PM2.5濃度較低時，β射線法測定結(jié)果準(zhǔn)確度優(yōu)于β射線-光散射融合法、優(yōu)于微振蕩天平法。

本次實驗結(jié)果頻率最高的為84.53～199.4ug/m3之間的測定值，占整個測定結(jié)果62.9%。這些時段的β射線法、微振蕩天平法均有78.3%的測定結(jié)果相對偏差小于15%，而β射線-光散射融合法僅有27.3%的測定結(jié)果相對偏差小于15%，β射線-光散射融合法測定結(jié)果準(zhǔn)確度明顯差于β射線法和微振蕩天平法。

4　結(jié)論

圖4　PM2.5測定結(jié)果正態(tài)分布

本文比較了β射線法、微振蕩天平法、光散射法和手工濾膜采樣-稱重法測定環(huán)境空氣中PM2.5的方法，在相同的環(huán)境條件下進(jìn)行參考文獻(xiàn)：

了為期35d的實際測試，其中22.9%的測定結(jié)果小于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）二級標(biāo)準(zhǔn)限值要求（75ug/m3）。整體來看β射線-光散射融合法不能滿足環(huán)境空氣中PM2.5測定的準(zhǔn)確度要求，β射線法和微振蕩天平法能夠滿足環(huán)境質(zhì)量細(xì)顆粒物的測定要求。在環(huán)境空氣PM2.5濃度較低時，β射線法測定結(jié)果準(zhǔn)確度優(yōu)于微振蕩天平法和β射線-光散射融合法。

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