環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)

1、前言

目前，我國(guó)主要城市已經(jīng)在使用已建立的環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行環(huán)境空氣質(zhì)量的每日?qǐng)?bào)告或預(yù)報(bào)。 2000年，開(kāi)始在130個(gè)城市實(shí)施環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目。同時(shí)，隨著污染物排放總量系統(tǒng)的實(shí)施，各地已經(jīng)開(kāi)始建立污染源在線在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（主要廢氣排放源和主要污水排放源）。自1999年以來(lái)，國(guó)家先后在七個(gè)主要水系的十個(gè)重點(diǎn)流域建立了42個(gè)地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。黑龍江，廣東，江蘇和山東等省也相繼建立了10個(gè)地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。目前，國(guó)家環(huán)保總局正利用世界銀行貸款在30個(gè)重點(diǎn)流域啟動(dòng)地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目。

2、環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)以自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器為核心的自動(dòng)“測(cè)控”系統(tǒng)。空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般采用兩種方法：濕法和干法。濕法的測(cè)量原理是庫(kù)侖法和電導(dǎo)率法等。它需要大量的試劑，并且存在諸如試劑調(diào)整和廢液處理的問(wèn)題。操作復(fù)雜，故障率高，維護(hù)量大。該方法在日本占主導(dǎo)地位，但是自1996年以來(lái)，日本在法律測(cè)量方法中增加了干法測(cè)量原理，而濕法現(xiàn)在處于淘汰階段。

干法基于物理光學(xué)測(cè)量原理，因此樣品始終保持氣態(tài)，不損失試劑，維護(hù)量小。干法由歐美國(guó)家主導(dǎo)，代表了當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

干法監(jiān)測(cè)分站主要由樣品采集，自動(dòng)空氣分析儀，氣象參數(shù)傳感器，動(dòng)態(tài)自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)以及狀態(tài)保證系統(tǒng)組成。

2.1.1自動(dòng)空氣污染物分析儀

SO2自動(dòng)分析儀：基于接收紫外線（214nm）能量而成為激發(fā)分子的SO2分子，當(dāng)返回基態(tài)時(shí)，它們會(huì)發(fā)出特征性的熒光。光電倍增管將熒光強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后通過(guò)電壓/頻率將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。數(shù)字信號(hào)被發(fā)送到CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。當(dāng)SO2濃度低時(shí)，激發(fā)光路短且背景是空氣，熒光強(qiáng)度與SO2濃度成正比?？諝饷摕N器的使用可以消除多環(huán)芳烴（PAHs）對(duì)測(cè)量的干擾。

NOx自動(dòng)分析儀：NO和O3反應(yīng)生成激發(fā)態(tài)NO2 *，該激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時(shí)會(huì)發(fā)出特征性的光，并且發(fā)光強(qiáng)度與NO濃度成正比。 NO2不與O3反應(yīng)，可以通過(guò)鉬催化還原反應(yīng)（315°C）將NO2轉(zhuǎn)化為NO后進(jìn)行測(cè)量。如果樣氣通過(guò)鉬轉(zhuǎn)化器進(jìn)入反應(yīng)管，則測(cè)量值為NOx，NOx和NO的濃度差為NO2。

O3自動(dòng)分析儀：使用O3分子吸收進(jìn)入中空玻璃管??的254nm紫外光，以測(cè)量樣氣的發(fā)射光強(qiáng)度。吹掃O3后，通過(guò)電磁閥的開(kāi)關(guān)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)氣體的發(fā)射光強(qiáng)度。兩者的比值遵循Beer-Lambert公式，由此可得出O3濃度值。

PM10自動(dòng)分析儀（β射線法）：該儀器使用恒流泵進(jìn)行采樣。大氣中的懸浮顆粒吸附在β源和蓋革計(jì)數(shù)器之間的濾紙表面上。抽水前后的蓋革計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。這種變化反映了吸附在濾紙上的灰塵的質(zhì)量，從中可以獲得每單位空氣中懸浮顆粒的濃度。

自動(dòng)分析儀的自動(dòng)校準(zhǔn)由動(dòng)態(tài)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)完成，該系統(tǒng)包括動(dòng)態(tài)自動(dòng)校準(zhǔn)器，零氣體發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)氣體源。

目前，我國(guó)尚未發(fā)布大型大氣自動(dòng)分析儀的技術(shù)要求。表1是中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心驗(yàn)收產(chǎn)品時(shí)DASIBI產(chǎn)品的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。表2顯示了美國(guó)EPA對(duì)自動(dòng)分析儀（40CFRPART53)）的性能指標(biāo)要求。

表1 DASIBI產(chǎn)品的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

620)this.width = 620;' alt ='自動(dòng)測(cè)量設(shè)備'/>

表2美國(guó)EPA對(duì)自動(dòng)大氣分析儀的技術(shù)性能要求

620)this.width = 620;' alt ='自動(dòng)測(cè)量設(shè)備'/>

2.1.2中央站系統(tǒng)軟件要求

主要包括數(shù)據(jù)采集和處理功能，警報(bào)和診斷功能，遠(yuǎn)程測(cè)控功能，可擴(kuò)展性等。

2.2在中國(guó)運(yùn)行的自動(dòng)環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)狀

目前，我國(guó)正在運(yùn)行的空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是采用干法儀器測(cè)量一個(gè)或至多兩個(gè)參數(shù)的進(jìn)口設(shè)備。安裝有兩種主要類(lèi)型：固定式和車(chē)載式。主要供應(yīng)商包括：（1)美國(guó)熱電子公司（ThermoElectron公司）；（2)美國(guó)API公司（API公司）；（3)美國(guó)MONITOR公司；（4)美國(guó)DASIBI公司；（5)美國(guó)ESC公司；（6)法國(guó)ESA公司（例如重慶）和法國(guó)SERES公司；（7)個(gè)別城市（例如貴陽(yáng)）使用日本DDK公司，HORIBA公司和Shimadzu公司的產(chǎn)品。

大多數(shù)國(guó)內(nèi)空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本上都使用傳統(tǒng)的專(zhuān)用數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)。工作原理是使用變電站中的分析儀器直接測(cè)量空氣中的污染物，并通過(guò)范圍設(shè)置轉(zhuǎn)換測(cè)量結(jié)果（濃度值）。將數(shù)據(jù)收集器輸入模擬量，例如：8800系統(tǒng)（由ESC制造） ，被API公司采用），8001系統(tǒng)（由美國(guó)DASIBI公司使用），6002系統(tǒng)（由TE公司使用），SAM32系統(tǒng)（由法國(guó)ESA公司使用）。數(shù)據(jù)收集器對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)并保存。中心站的微型計(jì)算機(jī)通過(guò)調(diào)制解調(diào)器（MODEM）與子站進(jìn)行通信，并將數(shù)據(jù)下載到收集器中，并使用報(bào)告軟件來(lái)編輯和處理獲得的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉（每座變電站約50萬(wàn)元），但其可擴(kuò)展性和測(cè)控能力有限。例如，只能通過(guò)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)源和簡(jiǎn)單的零系統(tǒng)定時(shí)進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)和單點(diǎn)校準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)。

可以由美國(guó)API公司執(zhí)行多點(diǎn)校準(zhǔn)的典型干燥系統(tǒng)的基本配置包括：氣象參數(shù)測(cè)量和轉(zhuǎn)換器（風(fēng)速，風(fēng)向，溫度和濕度，氣壓），動(dòng)態(tài)多點(diǎn)校準(zhǔn)器（700系統(tǒng)），采樣系統(tǒng)，采樣閥切換控制系統(tǒng)，O3、SO 2、 NOx，CO，THC-CH4和其他測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)，PM10測(cè)量系統(tǒng)，記錄儀等。系統(tǒng)控制器是8800系統(tǒng)。

2.3DOAS大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

近年來(lái)，一些國(guó)內(nèi)城市從瑞典的OPSIS，美國(guó)TE或法國(guó)的ESA引進(jìn)了基于差分光譜法（也稱(chēng)為長(zhǎng)光路法）的設(shè)備來(lái)代替SO 2、 NO 2、 O3，等。參數(shù)測(cè)量。這種類(lèi)型的設(shè)備受到某些用戶(hù)的青睞，因?yàn)樗梢栽诜謺r(shí)設(shè)備中測(cè)量上述三個(gè)主要參數(shù)，而且還可以測(cè)量THC，CH4、n-MHC，BTX等有機(jī)污染參數(shù)。

DOAS大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（差分光學(xué)吸收光譜法）是一種長(zhǎng)距離光路空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)。光源是高壓氙氣燈，通過(guò)拋物面反射鏡將其準(zhǔn)直成平行光，并在100m甚至1000m的長(zhǎng)光路后發(fā)射。接收端的拋物面反射器將光會(huì)聚并耦合到光纖中，并通過(guò)光纖將其引導(dǎo)到光柵光束分離系統(tǒng)中，并在出口狹縫處用光電倍增管進(jìn)行檢測(cè)以獲取吸收光譜。吸收光譜包含許多由大氣分子和氣溶膠的散射，燈光譜的波動(dòng)以及反射鏡的光譜選擇性引起的廣譜結(jié)構(gòu)。吸收光譜由高階多項(xiàng)式擬合，原始吸收光譜由多項(xiàng)式模擬除。組合曲線獲得吸收分子的特征微分光譜，消除寬帶成分的影響，并將微分吸收光譜與實(shí)驗(yàn)室獲得的吸收分子的標(biāo)準(zhǔn)濃度的參考光譜擬合，以計(jì)算濃度。由于該系統(tǒng)采用線采樣，因此與傳統(tǒng)點(diǎn)類(lèi)型相比，采樣的代表性大大提高。該方法于1990年代初開(kāi)始用于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)自動(dòng)測(cè)量設(shè)備，現(xiàn)已在歐洲廣泛使用。

自1980年代以來(lái)，美國(guó)，德國(guó)，瑞典，法國(guó)和其他國(guó)家已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)了基于常規(guī)光源的長(zhǎng)光程吸收光譜儀，并將其用于城市空氣污染的常規(guī)監(jiān)測(cè)。由于DOAS監(jiān)測(cè)方法使用線采樣，因此可以顯著提高樣品的代表性，這有助于表征空氣質(zhì)量。使用差分技術(shù)可以消除大氣湍流對(duì)信號(hào)的影響，不同污染物之間的干擾以及濕度和氣溶膠的干擾。設(shè)備升級(jí)簡(jiǎn)便快捷，系統(tǒng)軟件易于操作自動(dòng)測(cè)量設(shè)備，可以滿(mǎn)足持續(xù)監(jiān)控和實(shí)時(shí)處理的要求。每小時(shí)平均值，每日平均值，每月平均值和每年平均值的統(tǒng)計(jì)分析和監(jiān)視報(bào)告可以通過(guò)Enviman或Report軟件方便地執(zhí)行。強(qiáng)大的可操作性。該系統(tǒng)可以執(zhí)行遠(yuǎn)程登錄，遠(yuǎn)程維護(hù)，遠(yuǎn)程控制和分析儀參數(shù)調(diào)整，并實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)共享。該儀器易于維護(hù)，耗電少，運(yùn)行成本低。