城市環境空氣質量自動監測系統與質量控制應用研究

吳紅敏

(上海市市容環境質量監測中心,上海 200085)

近年來,公眾對生態環境質量的要求越來越高,政府及相關部門對環境監測數據質量越來越重視。目前環境空氣質量自動監測已成為城市環境空氣質量監測的主要手段,對城市環境空氣質量的評價數據均來自于自動監測系統。環境空氣質量自動監測系統24 h不間斷運行,實現了環境空氣監測的實時性和連續性,加強了城市生態環境監測能力建設,同時為揭示環境空氣質量現狀及變化趨勢提供了數據,為管理部門的科學決策提供了依據,自動監測數據質量至關重要。因此,在系統運行期間應采取有效的質量控制手段,確保監測數據的準確性和可靠性。

1 環境空氣自動監測系統構成

環境空氣自動監測系統由空氣質量自動監測子站、中心計算機室、質量保證實驗室和系統支持實驗室構成。空氣質量監測子站主要由子站站房、采樣裝置、監測儀器、校準設備、數據采集與傳輸設備、輔助設備等組成[1-6]。

1.1 布點及站房建設

城市環境空氣質量自動監測站點位布設應按照《環境空氣質量監測點位布設技術規范(試行)》(HJ 664—2013)進行選址建設,點位應具有代表性、可比性、整體性、前瞻性和穩定性,點位應位于城市的建成區內,數量應根據城市建成區人口數量和建成區面積確定,并相對均勻分布,覆蓋全部建成區[7]。

站房建設應滿足《環境空氣氣態污染物(SO2、NO2、O3、CO)連續自動監測系統安裝驗收技術規范》(HJ 193—2013)和《環境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)連續自動監測系統安裝驗收技術規范》(HJ 655—2013)中對于站房基礎、結構、面積、配電、防火、防雷等的相關要求,站房內應配置空調、穩壓電源、防雷、防火、視頻監控、網絡等附屬設備[1-2],確保站房內溫濕度適宜、環境穩定,配套設施健全,以提供監測設備安全、穩定、有效的工作環境。

1.2 監測項目

按照《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)要求配備SO2、NO2、CO、O3、PM10和PM2.5六項基本監測設備,監測設備分析方法應滿足標準要求,其中PM10和PM2.5采用β射線法或微量振蕩天平法,O3采用紫外熒光法、化學發光法或差分吸收光譜法,SO2采用紫外熒光法或差分吸收光譜法,NO2采用化學發光法或差分吸收光譜法,CO采用氣體濾波相關紅外吸收法或非分散紅外吸收法[8-9]。也可根據實際工作需求,增加總懸浮顆粒物、鉛、有機物、溫室氣體、顆粒物組分等特征污染物監測設備。

1.3 校準系統

監測設備在運行過程中需要進行定期的校準以保證準確性。環境空氣質量自動監測系統中校準系統主要包括校準設備、標準氣體和校準膜等。其中校準設備主要包括動態校準儀、零氣發生器、臭氧校準儀、流量計、氣壓計、溫度計等,動態校準儀和零氣發生器主要是用來配置一定濃度的標準氣體,對SO2、NO2、CO、O3氣態分析儀進行校準,臭氧校準儀主要是對動態校準儀中的臭氧發生器進行量值傳遞,以保證子站O3能夠溯源到國家標準。流量計、氣壓計和溫度計主要是用來檢查和校準監測設備的流量、氣壓和溫度等,所使用的校準器具均應在計量檢定有效期內。標準氣體主要包括SO2、NO、CO氣體,主要用來檢查和校準氣態分析儀的響應,標準氣體均應在有效期內使用。顆粒物校準膜主要用來檢查和校準顆粒物分析儀的濃度響應。

2 環境空氣自動監測質量控制措施

2.1 制度體系建設

環境空氣自動監測質量控制需建立質量管理體系文件,體系文件內容主要包括站點建設及驗收、設備管理、自動監測系統操作和使用制度、日常巡檢制度、定期維護制度、定期檢查和校準制度、易耗品定期檢查和更換制度、標準物質使用和管理制度以及監測數據審核、人員培訓及考核制度等,上述體系文件應依據環境空氣質量自動監測相關標準規范及主管部門的管理規定編制,可作為環境空氣質量自動監測工作和相關質量管理活動的依據,為監測系統正常運行提供質量保障。

2.2 質量控制措施

2.2.1 監測設備質量控制

監測設備質量控制主要包括日常維護、校準和性能審核等[5-6]。

2.2.1.1 日常維護

日常維護包括對子站站房、監測設備、中心計算機以及實驗室的日常檢查和維護,保證環境空氣自動監測儀器全年連續正常運行。

1)子站日常巡檢:子站日常巡檢每周至少1次,檢查站房內溫濕度、采樣系統、排風排氣系統、標氣系統、數據采集與傳輸系統以及各種輔助設備等,保證子站正常運行環境。

2)監測設備日常維護:監測設備日常維護包括定期檢查更換儀器內部關鍵零部件、采樣紙帶/濾膜等耗材等,清潔過濾裝置、采樣頭和采樣管路等,保證監測設備穩定運行。

3)中心計算機日常檢查:中心計算機日常檢查包括數據傳輸、數據存儲與備份情況等。

4)實驗室日常檢查:實驗室日常檢查包括實驗室環境條件、校準設備及器具工作狀態、備用監測儀器工作狀態、耗材備件使用情況以及輔助設備運行狀態等。

日常維護是一種預防性質量控制手段,確保監測儀器具有良好的監測環境,保持較好的工作狀態,保證監測儀器連續穩定運行。

2.2.1.2 校準檢查

1)氣態分析儀日常校準檢查:氣態分析儀日常校準檢查主要包含零點和跨度以及多點校準檢查,具備自動校準條件的氣態分析儀,每天進行一次零點和跨度檢查,不具備自動校準條件的監測設備,每周開展一次零點、跨度檢查,其中跨度檢查一般使用的標氣濃度為80%量程對應的濃度,當發現零點和跨度漂移超過儀器調節控制限時,應及時對儀器進行校準(控制限見圖1)。同時應至少每半年對監測儀器進行一次多點檢查,除此之外,還需要對監測設備每月開展采樣流量檢查和校準,對采用化學發光法的NO2監測儀器,要每半年檢查一次二氧化氮轉化爐(鉬爐)的轉換效率,轉換效率應≥96%。

圖1 質量控制圖

2)顆粒物分析儀日常校準檢查:顆粒物分析儀日常校準檢查主要包含采樣流量和標準膜/校準常數檢查校準,每月使用標準流量計對采樣流量進行檢查,若實測流量與設定流量超出±5%范圍內,則須對流量進行校準。對于β射線法監測儀器,每半年使用外置校準膜進行一次標準膜檢查,檢查結果與標準膜值的誤差應在±2%范圍內,否則進行校準。對于振蕩天平法監測儀器,每半年用標準膜進行檢查,實測校準常數與出廠校準常數的誤差應在±2.5%范圍內,否則進行校準。除此之外,顆粒物監測儀器每季度應使用經過計量的溫度計和氣壓計進行檢查,儀器顯示溫度與實測溫度應在±2 ℃范圍內,顯示氣壓與實測氣壓應在±1 kPa范圍內,否則應進行校準。

2.2.1.3 性能審核

精密度表示測量的重復性,測試結果隨機誤差越小,儀器精密度結果越高。準確度表示測量的準確性,指多次測定的平均值與真值相符合的程度。氣態污染物分析物性能審核包括精密度和準確度審核,顆粒物分析儀性能審核為準確度審核,監測儀器進行性能審核之前,不能改動監測儀器的任何參數,如果和氣態分析儀器零/跨調節一起進行的話,精密度和準確度審核應在零跨調節之前進行。

氣態污染物分析儀精密度審核方法為連續多次向分析儀通入同一濃度的標氣,標氣濃度一般為滿量程的20%,每次待儀器讀數穩定后記錄儀器示值,計算相對標準偏差,來確定儀器的精密度。準確度審核方法為向分析儀通入一系列濃度的標準氣體,標氣濃度一般為儀器滿量程的10%,20%,40%,60%和80%等5個濃度點,待儀器穩定后記錄各濃度下儀器示值,計算示值與標氣濃度的平均相對誤差,來確定儀器的準確度。

顆粒物分析儀準確度審核包含流量審核、氣溫審核、氣壓審核、濕度審核以及參比方法審核。其中流量審核中實測流量與設定流量誤差應在±5%范圍內,與示值流量誤差在±2%范圍內;氣溫審核中儀器顯示溫度與實測溫度的誤差應在±2 ℃范圍內;氣壓審核中顯示氣壓與實測氣壓的誤差應在±1 kPa范圍內;濕度審核中儀器顯示濕度與實測濕度的誤差應在±4%范圍內。參比方法審核是使用經審核后的采樣器與顆粒物自動監測儀器同時段進行采樣,且每日有效采樣時間不少于20 h,每次獲取不少于5個日均值,將自動監測數據與手工監測數據的日均值進行比對分析,每日自動監測數據與手工監測數據的相對偏差應達到數據質量目標,若偏離,則應對自動監測儀器進行檢查與維修后再進行比對分析,直到滿足準確度審核要求。

根據技術規范要求,監測儀器至少每季度進行1次精密度審核,每年至少進行1次準確度審核。精密度和準確度審核均用于對環境空氣連續自動監測系統的外部質量控制,是監測儀器質量控制的關鍵手段。

2.2.2 量值溯源與傳遞

2.2.2.1 計量器具量值溯源

用于量值傳遞的計量器具,如流量計、氣壓表、壓力計、真空表、溫度計、分析天平等,應按計量檢定的要求每年進行一次計量檢定。

2.2.2.2 氣態污染物分析儀量值溯源

氣態污染物分析儀器使用標準氣體或校準儀進行量值溯源,其中SO2、NO2和CO分析儀使用標準氣體,其中標準氣體要在有效期內使用。O3分析儀使用O3校準儀或者動態校準儀中的O3發生器產生特定濃度的O3標準氣體,O3校準儀和動態校準儀中的O3發生器要定期進行量值傳遞,其中配有光度計的校準儀至少每半年使用傳遞標準進行1次量值傳遞,未配備光度計的校準儀至少三個月使用傳遞標準進行1次量值傳遞,確保在傳遞有效期內使用。

2.2.2.3 顆粒物分析儀量值溯源

顆粒物分析儀無標準物質,因此對顆粒物分析儀的量值溯源主要是對用于量值傳遞的計量器具每年進行一次檢定,同時按質量控制要求使用計量器具對顆粒物分析儀流量、氣壓、壓力以及溫濕度進行檢查和校準。

2.2.3 監測數據質量保證

監測數據的質量保證主要是通過數據審核來完成的,數據審核主要是判斷數據的有效性,剔除無效數據,保留有效數據的過程。對于缺失和判斷為無效的數據均應注明原因,并保留原始記錄。

2.2.3.1 有效數據

有效數據為監測系統正常運行時的所有監測數據,應全部參與統計評價。

2.2.3.2 無效數據

1)對儀器進行檢查、校準、維護保養或儀器出現故障等非正常監測期間的數據,儀器啟動至預熱完成時段內的數據;

2)氣態污染物零點漂移或跨度漂移超出控制限時,從發現超出控制限的時刻到儀器恢復至控制限以下時段內的監測數據。

2.2.3.3 零值/負值

1)在低質量濃度環境條件下,儀器零點漂移控制限內的零值或負值,應進行修正,其中氣態污染物SO2修正為3 μg/m3、NO2修正為2 μg/m3、CO修正為0.3 mg/m3、O3修正為2 μg/m3,顆粒物PM10和PM2.5修正為2 μg/m3。

2)儀器故障、運行不穩定或不受控情況下出現的零值或負值為無效數據,不參加統計[5-6]。

2.2.4 監測人員

監測人員是指與自動監測活動和質量管理有直接關聯的人員,在質量控制工作中起到關鍵作用,因此參與自動監測的人員應具備監測設備運行維護、質量保證與質量控制、儀器維修、儀器校準、異常情況上報、監測數據初步審核以及監測系統管理的能力,同時應不斷學習,定期參加相關的技術培訓,學習新的標準和規范,參加培訓考核,通過環境空氣自動監測人員上崗證考核。監測人員需確保上崗證在有效期內,方可從事相應的監測工作,若未取得上崗證,必須在持證人員指導下開展工作,并在一定期限內盡快取得上崗證[10]。

3 結論與建議

綜上所述,城市環境空氣質量自動監測系統為大氣污染控制提供了數據支撐,助力了環境空氣質量的改善,推動了生態文明建設工作。其中質量控制是環境空氣質量自動監測系統工作中的關鍵一環,是確保監測數據真實準確的重要手段,因此,在自動監測工作中,要高度重視質量控制工作,加強監測人員培訓和學習,提升專業技術水平,嚴格按照相關技術規范開展質量控制工作,完善環境空氣質量自動監測系統建設工作,進一步提高環境空氣自動監測工作的科學性、規范性,使監測數據更加準確可靠。