環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展動(dòng)態(tài)
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時(shí)間：2013-08-05
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目前，我國(guó)重點(diǎn)城市已在利用建立的環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)展環(huán)境空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)或預(yù)報(bào)工作。2000年，開(kāi)始實(shí)施130個(gè)城市的環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)項(xiàng)目。與此同時(shí)，隨著污染物排放總量制度的實(shí)施，各地相繼開(kāi)始建設(shè)污染源在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(重點(diǎn)廢氣排放源和重點(diǎn)污水排放源)。自1999年以來(lái)，國(guó)家已先后在七大水系的十個(gè)重點(diǎn)流域建成了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成了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)保總局正利用世行貸款啟動(dòng)重點(diǎn)流域30個(gè)地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(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)是一套自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器為核心的自動(dòng)“測(cè)-控”系統(tǒng)。空氣質(zhì)量的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般采用濕法和干法兩種方式。濕法的測(cè)量原理是庫(kù)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(wèn)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(cè)量方法中增加了干式測(cè)量原理，濕法現(xiàn)已處于淘汰階段。
干法基于物理光學(xué)測(cè)量原理，使樣品始終保持在氣體狀態(tài)，沒(méi)有試劑的損耗，維護(hù)量較小。干法以歐美國(guó)家為主，代表了目前的發(fā)展趨勢(shì)。
2.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
干法監(jiān)測(cè)子站主要由樣品采集、空氣自動(dòng)分析儀、氣象參數(shù)傳感器、動(dòng)態(tài)自動(dòng)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(dòng)分析儀
SO2自動(dòng)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(shí)，發(fā)出特征熒光，由光電倍增管將熒光強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)電壓/頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)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(shí)，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(duì)測(cè)量的干擾。
NOx自動(dòng)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(shí)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(guò)鉬催化還原反應(yīng)(315℃)將NO2轉(zhuǎn)換成NO后進(jìn)行測(cè)量。如果樣氣通過(guò)鉬轉(zhuǎn)換器進(jìn)入反應(yīng)管，則測(cè)量的是NOx，NOx與NO濃度之差即為NO2。
O3自動(dòng)分析儀：利用O3分子吸收射入中空玻璃管的254nm的紫外光，測(cè)量樣氣的出射光強(qiáng)。通過(guò)電磁閥的切換，測(cè)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(dòng)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(jì)數(shù)器之間的濾紙表面，抽氣前后蓋革計(jì)數(shù)器計(jì)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(duì)自動(dòng)分析儀的自動(dòng)校準(zhǔn)通過(guò)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)儀、零氣發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)氣源。
目前，我國(guó)尚未出臺(tái)各主要大氣自動(dòng)分析儀的技術(shù)條件要求，表1是中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站驗(yàn)收DASIBI公司產(chǎn)品時(shí)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)EPA對(duì)自動(dòng)分析儀的性能指標(biāo)要求(40CFRPART53)見(jiàn)表2。
表1DASIBI公司產(chǎn)品的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn) 
表2美國(guó)EPA對(duì)大氣自動(dòng)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(bào)警及診斷功能、遠(yuǎn)程測(cè)控功能、可擴(kuò)展性等。
2.2國(guó)內(nèi)運(yùn)行的環(huán)境空氣自動(dòng)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)主要為以干法儀器為主，一臺(tái)設(shè)備測(cè)量一個(gè)或最多兩個(gè)參數(shù)的引進(jìn)設(shè)備。安裝形式主要有兩類(lèi)：固定站房式和車(chē)載式。主要供貨商包括：(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(如：重慶市)和法國(guó)SERES公司；(7)個(gè)別城市(如：貴陽(yáng)市)采用日本DDK公司、HORIBA公司、島津公司的產(chǎn)品。
國(guó)內(nèi)大部分空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本上采用傳統(tǒng)的專(zhuān)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(cè)量空氣中的污染物，測(cè)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(guó)DASIBI公司采用)、6002系統(tǒng)(TE公司采用)、SAM32系統(tǒng)(法國(guó)ESA公司采用)。數(shù)據(jù)采集器對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)保存，中心站的微機(jī)通過(guò)調(diào)制解調(diào)器(MODEM)用撥號(hào)方式與子站連通并下載采集器中的數(shù)據(jù)，利用報(bào)表軟件對(duì)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(jiǎn)單、造價(jià)低(約50萬(wàn)元/子站)，但可擴(kuò)展性和測(cè)控能力有限。如：校準(zhǔn)只能通過(guò)內(nèi)標(biāo)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)。
美國(guó)API公司比較完整的能夠進(jìn)行多點(diǎn)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(cè)量與變換器(風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度、氣壓)，動(dòng)態(tài)多點(diǎn)校準(zhǔn)儀(700系統(tǒng))，采樣系統(tǒng)，進(jìn)樣閥門(mén)切換控制系統(tǒng)，O3、SO2、NOx、CO、THC-CH4等測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)，PM10測(cè)量系統(tǒng)，記錄儀等。系統(tǒng)控制器為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)，國(guó)內(nèi)部分城市引進(jìn)了瑞典OPSIS公司、美國(guó)TE公司或法國(guó)ESA公司的基于差分光譜法(也稱(chēng)長(zhǎng)光程法)原理的設(shè)備來(lái)代替SO2、NO2、O3等參數(shù)的測(cè)量。這類(lèi)設(shè)備由于除了一臺(tái)設(shè)備能夠分時(shí)測(cè)量以上三個(gè)主要參數(shù)外還能測(cè)量如：THC、CH4、n-MHC、BTX等有機(jī)污染參數(shù)，因此受到一些用戶(hù)的青睞。
DOAS大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(DifferentialOpticalAbsorptionSpectroscopy)是一種長(zhǎng)光程空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)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(guò)100m甚至1,000m的長(zhǎng)光程，由接收端拋物反射鏡將光匯聚耦合進(jìn)入光纖，通過(guò)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(cè)，得到吸收光譜。吸收光譜包含了大量來(lái)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(guò)對(duì)吸收光譜進(jìn)行高階多項(xiàng)式擬合，用原吸收光譜除以多項(xiàng)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(shí)驗(yàn)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(jì)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(diǎn)式有較大的改善，方法于90年代初開(kāi)始用于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)，目前在歐洲得到了較廣泛的應(yīng)用。
八十年代以來(lái)，美國(guó)、德國(guó)、瑞典、法國(guó)等國(guó)均研制成功了基于常規(guī)光源的長(zhǎng)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(cè)中。由于DOAS監(jiān)測(cè)方法采用線采樣，樣品的代表性明顯提高，有利于對(duì)空氣質(zhì)量的表征。利用差分技術(shù)可消除大氣湍流對(duì)信號(hào)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(jí)簡(jiǎn)便快速，系統(tǒng)軟件操作方便，能夠滿(mǎn)足連續(xù)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)處理的要求；通過(guò)Enviman或Report軟件方便地進(jìn)行小時(shí)均值、日均值、月均值和年均值的統(tǒng)計(jì)分析和監(jiān)測(cè)報(bào)告，整個(gè)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(shí)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(fèi)用低。
評(píng)論