大氣污染物在線監(jiān)測技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展

廉 冰，張立煒，李 倩，黃德毅

（山東省環(huán)科院環(huán)境檢測有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

引言

大氣污染對人類健康和環(huán)境造成嚴(yán)重影響。因此，準(zhǔn)確監(jiān)測和評(píng)估大氣污染物的濃度和分布變得至關(guān)重要。傳統(tǒng)監(jiān)測方法存在采樣不連續(xù)、延遲等問題，不能滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測需求。隨著科技的發(fā)展，大氣污染物在線監(jiān)測技術(shù)逐漸成為一種有效的解決方案。

1 大氣污染物在線監(jiān)測概述

1.1 定義和分類

大氣污染物在線監(jiān)測是指利用先進(jìn)的傳感器和監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)、連續(xù)地獲取大氣中各種污染物的濃度和分布信息的技術(shù)。這些污染物包括但不限于顆粒物（PM2.5、PM10）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）、揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）等。根據(jù)監(jiān)測的對象和方式，大氣污染物在線監(jiān)測可分為點(diǎn)源監(jiān)測和面源監(jiān)測兩類。點(diǎn)源監(jiān)測主要針對工業(yè)企業(yè)、火力發(fā)電廠等固定源的排放情況進(jìn)行監(jiān)測，而面源監(jiān)測則側(cè)重于城市環(huán)境、交通源等廣泛分布的污染源[1]。

1.2 監(jiān)測目標(biāo)和要求

大氣污染物在線監(jiān)測的目標(biāo)是通過實(shí)時(shí)監(jiān)測大氣中的污染物濃度和組成，了解其空間分布和時(shí)空變化規(guī)律，從而更好地評(píng)估大氣環(huán)境質(zhì)量，并為環(huán)境管理和政策制定提供科學(xué)依據(jù)。在監(jiān)測過程中，需要滿足一系列的要求。首先，監(jiān)測系統(tǒng)必須具備高精度和高靈敏度，能夠準(zhǔn)確、可靠地測量各種污染物的濃度。其次，監(jiān)測方法應(yīng)具有實(shí)時(shí)性和連續(xù)性，能夠?qū)Υ髿馕廴疚镞M(jìn)行長時(shí)間的在線監(jiān)測，并及時(shí)反饋監(jiān)測數(shù)據(jù)。此外，監(jiān)測系統(tǒng)還需要具備自動(dòng)化和智能化的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸，減少人力成本和操作風(fēng)險(xiǎn)。最后，監(jiān)測結(jié)果的質(zhì)量控制和數(shù)據(jù)處理也是非常重要的環(huán)節(jié)，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度。

2 傳統(tǒng)大氣污染物監(jiān)測方法

2.1 現(xiàn)場采樣與分析

傳統(tǒng)大氣污染物監(jiān)測方法中的現(xiàn)場采樣與分析是一種常用且有效的監(jiān)測手段。該方法通過在目標(biāo)區(qū)域選取特定位置進(jìn)行采樣，收集大氣中的污染物，并將其帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。現(xiàn)場采樣與分析的優(yōu)點(diǎn)在于能夠提供準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)，具有較高的精度和靈敏度。

現(xiàn)場采樣與分析主要包括兩個(gè)步驟：采樣和分析。首先，選擇適當(dāng)?shù)牟蓸狱c(diǎn)位要考慮到地理位置、環(huán)境條件、污染源等因素，以確保采樣的代表性和可比性。然后，在采樣點(diǎn)位上使用合適的采樣設(shè)備進(jìn)行采樣，如氣溶膠采樣器、降塵采樣器等。采樣時(shí)間和頻率也需要根據(jù)研究需求和監(jiān)測目的進(jìn)行合理設(shè)置。

采樣完成后，將采集到的樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。分析過程中通常使用化學(xué)分析技術(shù)，如氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀等。這些儀器可以對各類污染物進(jìn)行定量和定性分析，以獲取準(zhǔn)確的濃度和組分信息。此外，為提高分析結(jié)果的可靠性，還需進(jìn)行質(zhì)控措施，如加入標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、校正儀器等[2]。

盡管現(xiàn)場采樣與分析方法在大氣污染物監(jiān)測中具有一定的優(yōu)勢，但也存在一些局限性。首先，該方法需要消耗大量的時(shí)間和人力資源，采樣設(shè)備和化學(xué)分析儀器的運(yùn)維成本也較高。其次，在實(shí)際操作過程中可能會(huì)受到現(xiàn)場條件和環(huán)境干擾等因素的影響，限制了監(jiān)測的準(zhǔn)確性。因此，我們需要尋求更加便捷、高效的大氣污染物監(jiān)測方法。

2.2 間接監(jiān)測方法

除了現(xiàn)場采樣與分析方法外，間接監(jiān)測方法是另一種常用的傳統(tǒng)大氣污染物監(jiān)測方式。該方法通過對大氣環(huán)境中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量和觀測，推斷出污染物的濃度和分布狀況。間接監(jiān)測方法具有操作簡便、成本低廉等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于實(shí)際的大氣污染監(jiān)測中。

間接監(jiān)測方法主要包括以下幾種：遙感監(jiān)測、氣象監(jiān)測和數(shù)學(xué)模型。遙感監(jiān)測利用衛(wèi)星、飛機(jī)等遙感平臺(tái)獲取大氣環(huán)境的光譜、熱紅外、微波等信息，通過數(shù)據(jù)處理和解譯，反演出大氣污染物的濃度和分布情況。氣象監(jiān)測則是通過監(jiān)測大氣環(huán)境中的溫度、濕度、風(fēng)速等參數(shù)，推斷出污染物的擴(kuò)散和傳輸過程。數(shù)學(xué)模型則是基于大氣流體力學(xué)原理，通過建立一套物理數(shù)學(xué)模型，模擬和預(yù)測大氣污染物的擴(kuò)散和變化規(guī)律[3]。

間接監(jiān)測方法的優(yōu)勢在于其操作相對簡便，無需頻繁地進(jìn)行現(xiàn)場采樣和分析，減少了人力和時(shí)間成本。同時(shí)，間接監(jiān)測方法可以實(shí)現(xiàn)對大范圍區(qū)域的監(jiān)測，獲取全面的污染物數(shù)據(jù)，有助于揭示大氣污染的時(shí)空分布規(guī)律。然而，間接監(jiān)測方法也存在一些限制和挑戰(zhàn)。首先，由于間接監(jiān)測方法主要依賴于對相關(guān)參數(shù)的測量和觀測，對儀器的精度和準(zhǔn)確性要求較高。其中，遙感技術(shù)受到天氣條件、云層遮擋等因素的影響，可能造成數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定性和誤差增大。其次，在使用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行預(yù)測和模擬時(shí)，需要準(zhǔn)確地輸入數(shù)據(jù)和合理的模型假設(shè)才能獲得可靠的結(jié)果。

為了克服上述問題，研究者們在傳統(tǒng)大氣污染物監(jiān)測方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新。例如，結(jié)合現(xiàn)場采樣與分析方法和間接監(jiān)測方法，通過建立監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)大范圍的實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警。此外，利用先進(jìn)的儀器設(shè)備和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，提高間接監(jiān)測方法的精度和穩(wěn)定性，從而更好地滿足實(shí)際監(jiān)測需求。

3 在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢

3.1 基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的在線監(jiān)測技術(shù)

基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的在線監(jiān)測技術(shù)是近年來迅速發(fā)展的一種趨勢。該技術(shù)通過將多個(gè)傳感器分布在污染源周圍，實(shí)時(shí)采集大氣污染物的數(shù)據(jù)，并通過無線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測中心進(jìn)行處理和分析。傳感器網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋較大范圍的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對污染物的全面監(jiān)測，同時(shí)具備靈活性和可擴(kuò)展性。

在基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的在線監(jiān)測技術(shù)中，關(guān)鍵是傳感器的選擇和部署。傳感器需要具備高精度、高穩(wěn)定性和高靈敏度，在不同環(huán)境條件下能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測目標(biāo)污染物。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)的布局和節(jié)點(diǎn)的密度也需要根據(jù)監(jiān)測區(qū)域的特點(diǎn)和污染源的分布進(jìn)行合理規(guī)劃，以實(shí)現(xiàn)全面而有效的監(jiān)測。

3.2 光譜分析技術(shù)

光譜分析技術(shù)是一種基于物質(zhì)吸收、散射或發(fā)射特性的在線監(jiān)測方法。該技術(shù)通過檢測大氣中污染物與光的相互作用，利用其特征光譜進(jìn)行定量分析和濃度推算。光譜分析技術(shù)具有高靈敏度、高分辨率和無干擾等優(yōu)點(diǎn)，能夠快速準(zhǔn)確地獲取污染物的濃度信息。在光譜分析技術(shù)中，常用的方法包括紅外吸收光譜、紫外—可見吸收光譜和拉曼散射光譜等。這些技術(shù)可以應(yīng)用于不同類型和濃度范圍的污染物，如氣態(tài)污染物、揮發(fā)性有機(jī)物和顆粒物等。此外，隨著光譜儀器的小型化和智能化，光譜分析技術(shù)在大氣污染物在線監(jiān)測中的應(yīng)用前景更加廣闊[4]。

3.3 生化傳感技術(shù)

生化傳感技術(shù)是一種利用生物分子與目標(biāo)污染物之間的特異性反應(yīng)進(jìn)行在線監(jiān)測的方法。該技術(shù)通過將生物傳感元件固定在傳感器表面，當(dāng)目標(biāo)污染物進(jìn)入傳感器時(shí)，與生物傳感元件發(fā)生特定的生化反應(yīng)，產(chǎn)生信號(hào)變化，從而實(shí)現(xiàn)對污染物的檢測和定量。

生化傳感技術(shù)具有高選擇性、高靈敏度和快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測和食品安全等領(lǐng)域。在大氣污染物在線監(jiān)測中，生化傳感技術(shù)可以用于檢測一些特定污染物，如重金屬離子、有機(jī)污染物等。同時(shí)，結(jié)合生物工程和納米技術(shù)，生化傳感器還能夠?qū)崿F(xiàn)對多個(gè)污染物的同時(shí)監(jiān)測。

生化傳感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用已取得了一些顯著的成果。例如，在水質(zhì)監(jiān)測方面，生化傳感技術(shù)可以用于檢測水中的微生物、重金屬、有機(jī)污染物等。通過選擇適當(dāng)?shù)纳飩鞲性缑浮⒖贵w或基因片段，結(jié)合傳感器平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對不同污染物的高效檢測和定量分析。此外，由于生物傳感元件具有很高的特異性，生化傳感技術(shù)在食品安全領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。通過將食品樣品與特定的生物傳感元件接觸，可以快速準(zhǔn)確地檢測出其中存在的有害物質(zhì)，例如農(nóng)藥殘留、重金屬污染等。

4 大氣污染物在線監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)

4.1 傳感器的選擇與設(shè)計(jì)

在大氣污染物在線監(jiān)測中，傳感器的選擇和設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。傳感器是實(shí)現(xiàn)對污染物檢測和定量的核心組件。為了選擇合適的傳感器，需要考慮多個(gè)因素，如目標(biāo)污染物的種類、檢測范圍和靈敏度要求等。不同的污染物可能需要不同類型的傳感器，如化學(xué)傳感器、生物傳感器或光學(xué)傳感器等。此外，傳感器設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮到環(huán)境條件的變化，如溫度、濕度和壓力等因素的影響。

在傳感器的設(shè)計(jì)過程中，還需要考慮傳感器的特異性、穩(wěn)定性和可靠性。特異性是指傳感器對目標(biāo)污染物的選擇性，在存在其他干擾物質(zhì)的情況下仍能準(zhǔn)確檢測目標(biāo)污染物。穩(wěn)定性是指傳感器的信號(hào)輸出在長期使用和復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性。可靠性是指傳感器的工作壽命和精確性。因此，在傳感器的選擇與設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮這些因素，以獲得高性能和可靠的傳感器。

4.2 數(shù)據(jù)采集與處理

大氣污染物在線監(jiān)測需要實(shí)時(shí)采集和處理大量的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集是指通過傳感器收集到的原始數(shù)據(jù)，包括目標(biāo)污染物的濃度、溫度、濕度等信息。為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，在數(shù)據(jù)采集過程中需要考慮到環(huán)境因素對數(shù)據(jù)的影響，并進(jìn)行合適的校正和調(diào)整。

數(shù)據(jù)處理是將采集到的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有意義的結(jié)果和信息的過程。在大氣污染物在線監(jiān)測中，常見的數(shù)據(jù)處理方法包括數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)插值和數(shù)據(jù)分析等。數(shù)據(jù)濾波可以減少數(shù)據(jù)中的噪聲和干擾，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量。數(shù)據(jù)插值可以填補(bǔ)數(shù)據(jù)缺失的部分，以獲得連續(xù)的數(shù)據(jù)序列。數(shù)據(jù)分析可以通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和模型建立，提取污染物的特征和規(guī)律，為環(huán)境評(píng)估和決策提供支持[5]。

為了更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理，需要使用先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理算法。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)具備高速、高精度和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確捕獲和傳輸。數(shù)據(jù)處理算法應(yīng)考慮到不同的監(jiān)測需求和數(shù)據(jù)特征，以提高數(shù)據(jù)的可靠性和分析效率。

4.3 質(zhì)量控制與校準(zhǔn)

在大氣污染物在線監(jiān)測中，質(zhì)量控制和校準(zhǔn)是確保監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確和可靠的重要環(huán)節(jié)。質(zhì)量控制是通過使用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和質(zhì)量控制程序，對監(jiān)測設(shè)備和方法進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)，以確保監(jiān)測結(jié)果的質(zhì)量。校準(zhǔn)是通過與已知濃度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行比對，對傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行修正和調(diào)整，以獲得準(zhǔn)確的濃度結(jié)果。

質(zhì)量控制和校準(zhǔn)需要遵守嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，并進(jìn)行定期的檢查和維護(hù)。在質(zhì)量控制方面，需要建立合適的質(zhì)量控制程序，包括日常檢查、校準(zhǔn)曲線的建立和驗(yàn)證，以及設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)。通過定期檢查和維護(hù)設(shè)備，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決潛在的問題，確保監(jiān)測設(shè)備的正常運(yùn)行和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

校準(zhǔn)是保證監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟。在校準(zhǔn)過程中，需要使用已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)與傳感器進(jìn)行比對，計(jì)算出修正因子，并將其應(yīng)用于實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)中。校準(zhǔn)應(yīng)首先考慮傳感器特性和目標(biāo)污染物的特性，選擇合適的校準(zhǔn)方法和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。同時(shí)，校準(zhǔn)應(yīng)定期進(jìn)行，以確保傳感器的輸出保持準(zhǔn)確和可靠。

除了質(zhì)量控制和校準(zhǔn)，還需要建立完善的質(zhì)量管理體系來監(jiān)督和管理大氣污染物在線監(jiān)測過程。質(zhì)量管理體系應(yīng)包括監(jiān)測計(jì)劃的制定、操作規(guī)程的編制、數(shù)據(jù)分析和報(bào)告的質(zhì)量評(píng)估等環(huán)節(jié)。通過建立質(zhì)量管理體系，可以提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性和可比性，為環(huán)境管理和決策提供科學(xué)依據(jù)。

5 大氣污染物在線監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)

大氣污染物在線監(jiān)測技術(shù)具有許多優(yōu)勢，使其成為現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測的重要手段。首先，它實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)的連續(xù)采集，時(shí)間分辨率和數(shù)據(jù)質(zhì)量高于傳統(tǒng)的離線抽樣分析方法。這讓我們能夠及時(shí)了解大氣污染物的濃度變化和排放源的活動(dòng)情況，從而更準(zhǔn)確地評(píng)估污染程度和影響范圍。其次，該技術(shù)提供了空間分布信息，可以在不同位置同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測和數(shù)據(jù)收集。通過在城市或區(qū)域范圍內(nèi)部署傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)污染物濃度的空間插值和建模，以繪制詳細(xì)的污染地圖。這對環(huán)境規(guī)劃、污染源識(shí)別和控制策略制定非常有價(jià)值。另外，大氣污染物在線監(jiān)測技術(shù)具有高靈敏度和選擇性，能夠同時(shí)監(jiān)測多種污染物的濃度。傳感器的改進(jìn)使得我們能夠?qū)Ω鼜V泛的污染物進(jìn)行監(jiān)測，包括顆粒物、二氧化硫、氮氧化物等。這種高靈敏度和選擇性使得我們能夠更全面地了解大氣污染物的組成和來源，為環(huán)境管理和政策制定提供科學(xué)依據(jù)。

然而，大氣污染物在線監(jiān)測技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先，傳感器的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性是一個(gè)重要問題。由于大氣環(huán)境的復(fù)雜性和污染物濃度的變化范圍較大，傳感器需要經(jīng)過嚴(yán)格的校準(zhǔn)和驗(yàn)證以保證可靠性和準(zhǔn)確性。此外，傳感器的壽命和維護(hù)也需要考慮，以確保其長期穩(wěn)定運(yùn)行和數(shù)據(jù)可靠性。其次，數(shù)據(jù)處理和分析也是一個(gè)挑戰(zhàn)。大氣污染物在線監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量巨大，如何高效地存儲(chǔ)、傳輸和分析這些數(shù)據(jù)是一個(gè)復(fù)雜問題。需要開發(fā)適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理算法和模型，從海量數(shù)據(jù)中提取有用信息，并實(shí)現(xiàn)對大氣污染物的準(zhǔn)確評(píng)估和預(yù)測。另外，數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和共享也是一個(gè)重要課題，以便不同地區(qū)和研究機(jī)構(gòu)之間進(jìn)行比較和合作。最后，成本和可持續(xù)性也是大氣污染物在線監(jiān)測技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。雖然技術(shù)進(jìn)步和推廣已經(jīng)降低了傳感器的成本，但仍需要投入大量的資源來建立和維護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)。此外，長期運(yùn)行和數(shù)據(jù)管理的可持續(xù)性也需要考慮，以保證監(jiān)測系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行和數(shù)據(jù)的可靠性。

6 結(jié)論

綜上所述，大氣污染物在線監(jiān)測技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測和管理中具有重要的地位和應(yīng)用前景。其優(yōu)勢包括實(shí)時(shí)監(jiān)測、空間分布信息和高靈敏度等特點(diǎn)，為我們提供了更準(zhǔn)確、全面的大氣污染數(shù)據(jù)。然而，仍需解決傳感器穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)處理和成本可持續(xù)性等問題。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和改進(jìn)，相信大氣污染物在線監(jiān)測技術(shù)將在環(huán)境保護(hù)和公眾健康方面發(fā)揮更大作用。