環(huán)境自動監(jiān)測技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展動態(tài)
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目前，我國重點城市已在利用建立的環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)開展環(huán)境空氣質(zhì)量日報或預(yù)報工作。2000年，開始實施130個城市的環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)項目。與此同時，隨著污染物排放總量制度的實施，各地相繼開始建設(shè)污染源在線自動監(jiān)測系統(tǒng)(重點廢氣排放源和重點污水排放源)。自1999年以來，國家已先后在七大水系的十個重點流域建成了42個地表水水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)，黑龍江、廣東、江蘇和山東等省也相繼建成了10個地表水水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)。目前，國家環(huán)保總局正利用世行貸款啟動重點流域30個地表水水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)項目。
2、環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)
環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)是一套自動監(jiān)測儀器為核心的自動“測-控”系統(tǒng)?？諝赓|(zhì)量的自動監(jiān)測系統(tǒng)一般采用濕法和干法兩種方式。濕法的測量原理是庫侖法和電導(dǎo)法等，需要大量試劑，存在試劑調(diào)整和廢液處理等問題，操作繁瑣，故障率高，維護(hù)量大。該法以日本為主，但自1996年起，日本在法定的測量方法中增加了干式測量原理，濕法現(xiàn)已處于淘汰階段。
干法基于物理光學(xué)測量原理，使樣品始終保持在氣體狀態(tài)，沒有試劑的損耗，維護(hù)量較小。干法以歐美國家為主，代表了目前的發(fā)展趨勢。
2.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
干法監(jiān)測子站主要由樣品采集、空氣自動分析儀、氣象參數(shù)傳感器、動態(tài)自動校準(zhǔn)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)以及條件保證系統(tǒng)等組成。
2.1.1大氣污染物自動分析儀
SO2自動分析儀：基于SO2分子接收紫外線(214nm)能量成為激發(fā)態(tài)分子，在返回基態(tài)時，發(fā)出特征熒光，由光電倍增管將熒光強(qiáng)度信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過電壓/頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送給CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。當(dāng)SO2濃度較低，激發(fā)光程較短且背景為空氣時，熒光強(qiáng)度與SO2濃度成正比。采用空氣除烴器可消除多環(huán)芳烴(PAHs)對測量的干擾。
NOx自動分析儀：NO與O3發(fā)生反應(yīng)生成激發(fā)態(tài)的NO2*，在返回基態(tài)時發(fā)射特征光，發(fā)光強(qiáng)度與NO濃度成正比。NO2不與O3發(fā)生反應(yīng)，可通過鉬催化還原反應(yīng)(315℃)將NO2轉(zhuǎn)換成NO后進(jìn)行測量。如果樣氣通過鉬轉(zhuǎn)換器進(jìn)入反應(yīng)管，則測量的是NOx，NOx與NO濃度之差即為NO2。
O3自動分析儀：利用O3分子吸收射入中空玻璃管的254nm的紫外光，測量樣氣的出射光強(qiáng)。通過電磁閥的切換，測量滌除O3后的標(biāo)氣的出射光強(qiáng)。二者之比遵循比爾-朗伯公式，據(jù)此可得到O3濃度值。
PM10自動分析儀(β射線法)：儀器利用恒流抽氣泵進(jìn)行采樣，大氣中的懸浮顆粒被吸附在β源和蓋革計數(shù)器之間的濾紙表面，抽氣前后蓋革計數(shù)器計數(shù)值的改變反映了濾紙上吸附灰塵的質(zhì)量，由此可以得到單位體積空氣中懸浮顆粒的濃度。
對自動分析儀的自動校準(zhǔn)通過動態(tài)自動校準(zhǔn)系統(tǒng)完成，該系統(tǒng)包括動態(tài)自動校準(zhǔn)儀、零氣發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)氣源。
目前，我國尚未出臺各主要大氣自動分析儀的技術(shù)條件要求，表1是中國環(huán)境監(jiān)測總站驗收DASIBI公司產(chǎn)品時的驗收標(biāo)準(zhǔn)。美國EPA對自動分析儀的性能指標(biāo)要求(40CFRPART53)見表2。
表1DASIBI公司產(chǎn)品的驗收標(biāo)準(zhǔn) 
表2美國EPA對大氣自動分析儀的技術(shù)性能要求 
主要包括數(shù)據(jù)采集與處理功能、報警及診斷功能、遠(yuǎn)程測控功能、可擴(kuò)展性等。
2.2國內(nèi)運(yùn)行的環(huán)境空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)狀
目前，我國正在運(yùn)行的空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)主要為以干法儀器為主，一臺設(shè)備測量一個或最多兩個參數(shù)的引進(jìn)設(shè)備。安裝形式主要有兩類：固定站房式和車載式。主要供貨商包括：(1)美國熱電子公司(ThermoElectron公司)；(2)美國API公司(API公司)；(3)美國MONITOR公司；(4)美國DASIBI公司；(5)美國ESC公司；(6)法國ESA公司(如：重慶市)和法國SERES公司；(7)個別城市(如：貴陽市)采用日本DDK公司、HORIBA公司、島津公司的產(chǎn)品。
國內(nèi)大部分空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)基本上采用傳統(tǒng)的專用數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，工作原理是利用子站的分析儀器直接測量空氣中的污染物，測定結(jié)果(濃度值)經(jīng)量程設(shè)定轉(zhuǎn)換成模擬量后輸入數(shù)據(jù)采集器，如：8800系統(tǒng)(ESC制造、API公司采用)、8001系統(tǒng)(美國DASIBI公司采用)、6002系統(tǒng)(TE公司采用)、SAM32系統(tǒng)(法國ESA公司采用)。數(shù)據(jù)采集器對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類保存，中心站的微機(jī)通過調(diào)制解調(diào)器(MODEM)用撥號方式與子站連通并下載采集器中的數(shù)據(jù)，利用報表軟件對所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯處理。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、造價低(約50萬元/子站)，但可擴(kuò)展性和測控能力有限。如：校準(zhǔn)只能通過內(nèi)標(biāo)源和簡單的零系統(tǒng)定時進(jìn)行零點校準(zhǔn)和單點校準(zhǔn)。
美國API公司比較完整的能夠進(jìn)行多點校準(zhǔn)的典型的全干法系統(tǒng)的基本配置包括：氣象參數(shù)測量與變換器(風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度、氣壓)，動態(tài)多點校準(zhǔn)儀(700系統(tǒng))，采樣系統(tǒng)，進(jìn)樣閥門切換控制系統(tǒng)，O3、SO2、NOx、CO、THC-CH4等測量儀器系統(tǒng)，PM10測量系統(tǒng)，記錄儀等。系統(tǒng)控制器為8800系統(tǒng)。
2.3DOAS大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)
近年來，國內(nèi)部分城市引進(jìn)了瑞典OPSIS公司、美國TE公司或法國ESA公司的基于差分光譜法(也稱長光程法)原理的設(shè)備來代替SO2、NO2、O3等參數(shù)的測量。這類設(shè)備由于除了一臺設(shè)備能夠分時測量以上三個主要參數(shù)外還能測量如：THC、CH4、n-MHC、BTX等有機(jī)污染參數(shù)，因此受到一些用戶的青睞。
DOAS大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)(DifferentialOpticalAbsorptionSpectroscopy)是一種長光程空氣質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)，光源為高壓Xe燈，由拋物反射鏡準(zhǔn)直成平行光出射，經(jīng)過100m甚至1,000m的長光程，由接收端拋物反射鏡將光匯聚耦合進(jìn)入光纖，通過光纖導(dǎo)入光柵分光系統(tǒng)，在出射狹縫處用光電倍增管探測，得到吸收光譜。吸收光譜包含了大量來自大氣分子、氣溶膠的散射，燈光譜起伏、反射鏡的光譜選擇性等造成的寬光譜結(jié)構(gòu)，通過對吸收光譜進(jìn)行高階多項式擬合，用原吸收光譜除以多項式擬合曲線獲得吸收分子的特征差分光譜，去除寬帶成分影響，將差分吸收光譜與實驗室獲得的吸收分子的標(biāo)準(zhǔn)濃度的參考光譜進(jìn)行擬合，計算出濃度。由于該系統(tǒng)采用線采樣，采樣代表性較傳統(tǒng)的點式有較大的改善，方法于90年代初開始用于空氣質(zhì)量監(jiān)測，目前在歐洲得到了較廣泛的應(yīng)用。
八十年代以來，美國、德國、瑞典、法國等國均研制成功了基于常規(guī)光源的長光程吸收光譜儀器，并相繼用于城市大氣污染的常規(guī)監(jiān)測中。由于DOAS監(jiān)測方法采用線采樣，樣品的代表性明顯提高，有利于對空氣質(zhì)量的表征。利用差分技術(shù)可消除大氣湍流對信號的影響、不同污染物之間的干擾和濕度、氣溶膠的干擾。設(shè)備升級簡便快速，系統(tǒng)軟件操作方便，能夠滿足連續(xù)監(jiān)測和實時處理的要求；通過Enviman或Report軟件方便地進(jìn)行小時均值、日均值、月均值和年均值的統(tǒng)計分析和監(jiān)測報告，整個系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可操作性。系統(tǒng)能夠進(jìn)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，并實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)共享。儀器維護(hù)方便，耗電少，運(yùn)行費用低。
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