基于ELPI＋測量的上海市區大氣可吸入顆粒物粒徑分布

時超林，潘衛國，陶邦彥，郭瑞堂，丁紅蕾

（1.上海電力學院上海發電環保工程技術研究中心，上海 200090；2.上海發電設備成套設計研究院，上海 200240）

1 空氣污染程度和空氣質量狀況

自2013年以來京津冀、長三角等地頻頻爆發顆粒物污染，大氣顆粒物中可吸入顆粒物已成為我國城市空氣的首要污染物［1］，并且將維持相當長的一段時間。可吸入顆粒物（IP）是指空氣動力學粒徑小于10μm的大氣顆粒物，其中粒徑小于2.5μm的顆粒物稱為可入肺顆粒物（RPM）［2］。細顆粒物的來源可分為自然源和人工源，顯然大氣顆粒物污染是由人類活動引起的。2013年12月2日，由綠色和平與英國利茲大學研究團隊在北京發布的《霧霾真相—京津冀地區PM2.5污染解析及減排策略研究》指出：煤炭燃燒排放出的大氣污染物是整個京津冀地區霧霾的最大根源。

2012年6月，上海PM2.5監測數據試點發布點位從最初的2個監控點增加到10個監控點，并發布全市可吸入顆粒物的平均濃度。這標志著上海對大氣可吸入顆粒物的監測進入了實質性階段。從2013年11月底到12月初，上海持續霧霾天氣，空氣質量級別均為中度以上，空氣污染指數與質量等級如表1所示。空氣污染指數（API）就是將常規監測的幾種空氣污染物濃度簡化成為單一的概念性指數值的形式，分級表征空氣污染程度和空氣質量狀況，以此表示城市的短期空氣質量狀況和變化趨勢。

表1 空氣污染指數等級

空氣污染指數涉及的常規污染物有：煙塵、總懸浮顆粒物、可吸入懸浮顆粒物（浮塵）、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、臭氧、揮發性有機化合物等。環保機構只發布顆粒物濃度狀況，并沒有發布詳細的顆粒物粒徑分布情況，為了檢測出霧霾空氣中可吸入顆粒物的濃度及其顆粒粒徑分布情況，可使用電稱低壓撞擊器（ELPI＋）測量。

2 ELPI＋工作原理

ELPI＋測量大氣顆粒物原理如圖1所示。在圖1中，含有細顆粒的空氣首先進入單極電暈充電室進行充電，帶電的顆粒物被氣流運送到裝有絕緣收集層的串級低壓撞擊器上，精密電子測量計對進入每個層面的帶電顆粒物的電荷量進行實時電量測量，測量后將電荷量信號轉化為顆粒物的粒徑分布。

每一級撞擊器上由于帶電顆粒連續沉積所產生的電荷量由一個多通道靜電計測得，電荷量與顆粒數量濃度的關系為［4］：

圖1 ELPI＋測量大氣顆粒物原理

式中：N為顆粒數量濃度；I為校正電流；P為顆粒通過電暈的比率；n為顆粒的基本電荷數；e為基本電荷電量；Q為可吸入顆粒物流量（10L／min）。

3 ELPI＋的測量過程與測量結果

3.1 測量過程

基于ELPI＋測量的實驗在2013年12月4日7：40至10：00進行，地點位于上海市楊浦區河間路的上海電力學院校園內。由于校園內無車輛揚塵以及汽車尾氣，有利于精確測量空氣中的可吸入顆粒物。實驗設置ELPI＋每隔10s記錄一個數據，共記錄了840組數據。

3.2 測量結果及分析

3.2.1 測量時間段內數量濃度與質量濃度的變化曲線與誤差分析

在測試的140min內，可吸入顆粒物的數量濃度和質量濃度變化曲線如圖2和圖3所示。根據測量的結果顯示，這短時間內的可吸入顆粒物PM10的平均數量濃度為27 955個／cm3，質量濃度為270μg／m3，其中PM2.5的平均數量濃度為27 660個／cm3，質量濃度為141.8μg／m3。而上海市監測點當天發布的PM2.5的質量濃度為143μg／m3，PM10的質量濃度286μg／m3，與測量數據基本吻合。

通過分析發現，引起測量數據誤差的主要因素如下。

1）環保部門所用的大氣顆粒物的測量儀器多為β射線法顆粒物監測儀、微振蕩天平等，由于所使用的儀器不同，造成的測量數據會有細微差別。

2）顆粒物具有遷移的特性，并且受環境大氣壓力、溫度、風速、空氣相對濕度以及測量地點的影響。

3）環保部門發布的數據為8h或24h內的顆粒物時均質量濃度，比本次測量的時間更長。

3.2.2 數量濃度與質量濃度粒徑分布與分析

在采樣的140min內，各級采樣粒徑范圍內的數量濃度與質量濃度的時均值如表2所示。

圖2 測量時間內可吸入顆粒物數量濃度變化圖

圖3 測量時間內可吸入顆粒物質量濃度變化圖

表2 可吸入顆粒物粒徑分布

根據表2數據可吸入顆粒物數量濃度粒徑分布圖如圖4所示。值得注意的是ELPI的測量最小值是0.006μm，而顆粒物的數量集中分布在2.500μm以下，因此為了使圖形不擁擠難辨，對粒徑大小取對數后作為橫坐標。

圖4 可吸入顆粒物數量濃度粒徑分布圖

由圖4可知，在上海市的大氣可吸入顆粒物中，粒徑在1μm以下的顆粒物占99%，具體分布見表3。這說明上海的霧霾空氣中的大氣顆粒物絕大部分為可吸入肺顆粒物。若顆粒物上富集重金屬、多環芳香烴、多環苯類、細菌、病毒等，會誘發心腦血管疾病、呼吸道疾病甚至癌癥等，嚴重危及到人們的身體健康［5］。可吸入顆粒物質量濃度粒徑分布如圖5所示。

圖5 可吸入顆粒物質量濃度粒徑分布

由可吸入顆粒物的粒徑分布表2與圖4、圖5可知，在上海的霧霾天氣中，可入肺顆粒物PM2.5數量占PM10的99%以上，其中亞微米顆粒數量更是高達89.76%，PM2.5的質量百分比可達到52.5%。由此可見，上海霧霾大氣顆粒物中PM2.5是主要顆粒污染物，是降低上海市大氣可見度的主要因素。

4 結論

1）本次測量實驗結果中顆粒物的質量濃度與環保部門發布的數據高度吻合，具有參考價值和依據。

2）本次測量結果顯示，上海市的霧霾空氣中的顆粒物絕大部分為PM2.5，因此遇到霧霾天氣應當盡量減少戶外活動，敏感人群應當采取相關的保護措施。

3）近日霧霾污染頻頻發生應當引起政府和環保機構的重視。治理霧霾污染不能只依靠大氣的自我凈化，還需要合理規劃經濟發展，取締高污染的小企業，鼓勵并重視新能源與可再生能源的開發等。此外，提高人們的環保意識，降低公共交通成本，鼓勵綠色出行，提高機動車的燃油質量等也是切實可行的措施。

4）我國的發電高度依賴燃煤電廠，在煤炭地位暫時不可取代的情況下，有必要開發精除塵設備，以減少燃煤電廠的細顆粒物的排放。

［1］闞海東，陳秉衡，汪宏.上海市城區大氣顆粒物污染對居民健康危害的經濟學評價［J］.中國衛生經濟，2004，23（2）：8－11.

［2］Gibbs A R，Pooley F D.Occupational lung disease：3－analysis and interpretation of inorganic mineral particles in“lung”tissues［J］.Thorax，1996，51（3）：327－334.

［3］劉雙喜，陳杰峰.ELPI在重型車車載PM測試中的應用研究［J］.汽車工程，2007，29（7）：21－24.

［4］王波，韓秀坤，何超.ELPI在柴油發動機微粒排放測試上的應用［J］.車輛與動力技術，2008，29（7）：582－585.

［5］The World Bank and the Chinese State Environment Protection Agency.Cost of pollution in China：economic estimates of physical damages［C］／／Call for a Green China Beijing，China，2007.