工業區惡臭污染自動監控體系設計

高 松，高宗江，伏晴艷，楊 勇，吳詩劍，徐 捷，金 丹

上海市環境監測中心，上海 200235

惡臭污染物是指一切刺激嗅覺器官引起人們不愉快及損害生活環境的氣體物質。人們對生活環境的要求越來越高，越來越不能容忍各種異味。惡臭作為一種擾民和危害人體健康的污染，日益成為嚴重的社會及環境問題[1]。在發達國家，因惡臭引發的環境投訴越來越多，在美國占全部空氣污染投訴的50%以上，在澳大利亞投訴比例高達90%，在日本僅次于噪聲居第2位[2-3]。

中國工業區的快速發展，在帶來巨大經濟收益的同時，其污染問題成為各級相關部門的棘手工作。典型工業區(如石油煉制和化工園區、圍繞垃圾填埋的靜脈產業園區等)均存在大量的惡臭污染排放源。工業區惡臭污染排放具有如下特點：①突發性污染排放時有發生，易形成局部污染累積；②污染因子中部分為有毒有害物，威脅人民健康和安全[4]。因此，在企業規模較大、工藝類別復雜多樣的石化園區，附近居民信訪投訴常居高不下，以惡臭和異味投訴占比最高；據統計，上海市大型石化園區的年度異味投訴達到400次以上，可見工業區惡臭影響逐日凸顯。

目前，惡臭污染監測多以鋼罐或氣袋手工采樣，實驗室GC-MS分析為主，一年監測頻次為1～2次[5]。上述方法的采樣代表性欠缺，無法有效表征工業區惡臭污染易變化的特征，僅能獲得區域背景濃度。居民投訴或環境事故多為已發事件，難以采集有效樣品。目前，已有大型工業區配置了相關惡臭污染在線監測儀[6]，但是由于管理分散、應用缺乏，發揮的作用有限，其存在的主要問題有①網絡建設缺乏系統規劃；②監測因子缺乏代表性；③監測質量和規范化不完善；④重建設而輕運行，導致儀器運轉狀態差，監測數據有效率低；⑤信息系統有待統一建立和管理。

因此在識別工業區惡臭污染特征的基礎上，圍繞管理需求分析，提出惡臭污染在線監控體系構建思路，進而，開展惡臭污染監測技術研究，并通過組網技術和系統集成，智能化監控惡臭污染，為環境管理提供基礎數據和科學依據，預防和減輕工業區惡臭污染引起的廠群矛盾。

1 工業區惡臭污染特征及監控難點

1.1 惡臭物質排放特征

以某石化園區為例，在其主要下風向邊界處設置Synspec GC-955 VOCs在線分析儀(包括615/810/815系列，分別用于C6～C12、C2～C5和有機硫化物的定性和定量)監測76種有機污染物，TE-42i自動分析儀和TE-43i自動分析儀分別用于測定NH3和H2S，可獲得重要的30種惡臭物質的監測結果。隨機選取2016年3月15—30日的數據進行統計分析，具體物質如表1所示。

表1 石化園區主要惡臭物質及其嗅閾值[7]

圖1是觀測期間的惡臭物質總濃度和H2S濃度。可以看出，惡臭物質總濃度(30種惡臭物質濃度之和)和H2S(典型惡臭污染物)濃度在觀測期間均出現高值，且時間不同，由此可以看出工業區惡臭污染具有如下特征：①易突發，在短時間內集聚形成高濃度的惡臭；②瞬時性和不定時的排放特征，物種間差異大，可能是由于不同惡臭物質來源于不同排放環節。

圖1 觀測期間惡臭總濃度和H2S濃度Fig.1 Total odor and H2S concentration during the observation period

圖2是觀測期間甲硫醇、H2S、NH3和甲苯主要4種惡臭物質的日變化特征。由圖2可知，4種惡臭物質的日濃度最高值均出現在夜間，但高值出現的具體時間各不相同。可以看出，工業區惡臭物質存在明顯的夜間高污染現象，排放標準配套的手工監測難以發現，給環境管理帶來難度，也進一步說明工業區惡臭在線監測網絡構建的必要性。

圖2 觀測期間主要惡臭物質日變化特征

1.2 惡臭物質監控難點

1.2.1 物質種類多

已有研究表明，工業區惡臭物質的數量多達上千種[8]。表2為工業區主要排放的惡臭物質。

表2 工業區惡臭污染主要物質

注：“*”表示這些物質是《惡臭污染物排放標準》中的物質[9]。

工業區主要排放的惡臭物質中有機物包括烴類、含氧有機物、含硫有機物、含氮有機物和含鹵素有機物；無機物包括氨和硫化氫等，其中有8種是中國現行的惡臭控制物質。

惡臭物質數量眾多給在線監測增加了較大的難度。市場上的惡臭在線監測設備無法同步監測所有惡臭物質，方法間差異大，增加了監測數據在環境管理中應用的不確定度和難度。

1.2.2 組分性質各異

各類惡臭物質在嗅閾值和理化特性等方面均有較大差異，主要體現在：①在大氣中不穩定，易轉化(如醛、酮和甲硫醇等在空氣中易發生聚合反應，烯烴類物質在大氣中光化學活性較強)；②嗅閾值差異較大，嗅閾值較低的含硫化合物在工業區大氣中濃度一般較低，而嗅閾值較高的烴類物質一般濃度較高，導致人類雖然可以感覺到惡臭，但監測分析仍然較為困難[10]。

1.2.3 監測難度高

惡臭物質的監測難點主要包括：①由于其物種眾多，極性差異大，全組分分析對儀器要求較高，可能需要多種分析手段同時使用；②各組分濃度和性質差異較大，要求分析方法具有較寬范圍和較低檢出限。

以最為典型的含硫有機物為例，其是工業區排放和國家《惡臭污染排放標準》的主要惡臭物質，目前含硫有機物的在線監測存在較大的難度。根據已有監測儀器使用GC-PID監測方法，在分析含硫有機物的過程中存在的問題主要有：①甲硫醇不易捕集，前處理要求高；②在PID中的響應較低；③含硫化合物使用GC-PID分析時，易受到其他有機物干擾，測定準確度偏低。

2 工業區惡臭污染自動監控體系構建

2.1 框架設計

工業區惡臭污染自動監測網絡整體設計思路如圖3所示。

圖3 工業區惡臭自動監測網絡框架設計

通過借鑒國內外經驗,根據工業區惡臭特征污染問題現狀和管理需求，將在惡臭污染排放特征分析基礎上，篩選優控污染物，優選適用的在線監測技術，建設專業化和自動化的大氣特征污染監測系統，實現超標報警，開展“測質量、溯來源”，與空氣質量和污染源在線共同組成區域惡臭污染預警監測體系，為工業區空氣特征污染監管提供技術支持。

主要原則如下：

1)污染排放與環境監控相結合

根據工業區地理位置和污染源空間分布特征，結合區域常年主導風向、信訪投訴分布和大氣污染傳輸規律，沿污染擴散路徑分層次設置點位。從工業區的源排放對周邊環境影響考慮，設置園區監測點、邊界監測點和周邊監測點3類代表性監測點，建設自動監測站。

2)聚焦工業區惡臭污染特征，優選監測點位和監測技術

根據工業區大氣惡臭污染排放特征和周邊環境分析，經現場踏勘，確定監測點位。在儀器調研的基礎上，選擇最佳適用自動監測技術，并盡可能提高特征污染監測因子的覆蓋面。

3)統一規劃，分步實施

針對工業區空氣特征污染，進行統籌規劃，設計監測網絡，確定重點監控因子，配置自動監測儀器與設備；統一設計信息化平臺，建立數據傳輸、審核和管理系統，分級分類開展數據應用，并實現區域內數據共享。

2.2 關鍵技術

惡臭自動監測網絡體系主要包括前端數據采集系統和信息平臺2個部分。前端數據采集系統由固定站、可移動站和移動實驗室幾種類型構成，完成對工業區惡臭污染參數的自動采集，向信息平臺實時報送監測結果，并接收信息平臺下發的控制指令完成相應的質量保證和質量控制任務。信息平臺主要實現分散式監測數據的集成，通過數據庫進行統一管理、信息展示和綜合分析，并對外提供數據共享和信息發布服務[11-12]。

惡臭自動監測體系構建的關鍵技術包括4個方面：重點監控區域及點位篩選、優控污染因子篩選、監測技術優選和信息平臺搭建。

2.2.1 重點監控區域及點位選取

根據大氣污染傳輸規律，從源(園區)、邊界和敏感點3個層面，選擇重點區域，設點監控。在污染源排放量分析、風險源識別和評估的基礎上，根據排放量、毒性和風險程度等，確定需要重點監控的工業區內部區域；根據盛行風向和周邊人口集中區分布，確定重點輸送斷面即監控邊界；根據環評敏感區篩選、信訪和投訴資料統計，確定工業區周邊敏感點位。

主要點位應包括源(園區)和邊界監控點。通過系統監控，了解污染動態變化特征，與邊界點污染超標情況和變化規律進行結合，借助模型，能夠實現惡臭污染來源解析、預報預警和風險評估的目標。通過監測網的有效監控，為處理周邊居民投訴、突發性污染事故預警及源追蹤等環境管理工作提供技術依據；也為摸清工業區排放對環境質量的影響和產業園區環境綜合整治的效果評估提供技術支撐。

2.2.2 優控因子篩選

根據管理要求，以人為本，確定惡臭類物質的優控污染物篩選原則為嗅閾值、標準受控物質，異味投訴熱點等指標。根據污染物的社會影響、排放量、檢出頻次、污染濃度、風險程度和毒性, 確定每個工業區的優控污染因子。

惡臭污染因子的主要篩選方法是通過調查工業區惡臭特征污染物排放信息，收集工業區各工業企業的相關資料，梳理工業區各主要大氣特征惡臭污染源和風險源，匯總惡臭特征污染排放因子，建立工業區重點源惡臭特征污染物排放信息。

以上海某化工區為例，選取H2S、NH3、有機硫以及工業區特征排放的PAMS和TO15因子。

2.2.3 監測技術優選

針對工業區排放的惡臭污染物，國內外科研機構已經研發了多種自動監控技術，實時監測污染動態變化。目前，可知的在線監控技術中，較為成熟的有色譜技術(與相關檢測器聯用)、傳感器技術、質譜技術、光學技術等[13]，技術特點如表3所示。針對惡臭污染物，各方法間優勢互補，可聯合使用。

表3 不同惡臭物質監測技術對比

色譜技術(GC)通過色譜進行物種分離，與各類不同的檢測器聯用，包括質譜檢測器(MS)、氫火焰離子化檢測器(FID)、光電離檢測器(PID)、電子捕獲檢測器(ECD)、火焰光度檢測器(FPD)等，實現對惡臭物質定性定量分析，由于工業區間惡臭物種存在較大差異，檢測器的選擇需要因地制宜，強調針對性。目前，市場上常用的是在線GC-MS、GC-FID/PID等[14]，已有研究表明，在線GC與傳統方法測量結果具有一定的可比性[15]。

傳感器技術(Sensor)是一種較為簡便的監測技術，常用的有電化學、金屬氧化物和PID。該技術因價格低廉和安裝方便等特點，逐步得到廣泛應用。目前市場上應用較廣的 “電子鼻”監測儀，是由一個或多個傳感器陣列形式存在的電化學傳感系統，以及一個神經網絡形式(典型模式)的模式識別系統，共同組成的高級傳感器系統，可以長時間、連續和實時監測特定位置的氣味狀況。

質譜技術(MS)是在高真空系統中測定樣品的分子離子及碎片離子質量，以實現物質定性定量的分析方法。目前，在惡臭領域應用較為廣泛的質譜類儀主要有3類：選擇性離子流管質譜(SIFT-MS)、飛行時間質譜(TOFMS)和快速反應質譜儀(IMR-MS)。

光學技術(Optical Technique)是近幾年發展最快的測定大氣中痕量揮發性有機物和有毒有害物的先進技術。由于其響應快，分辨率不斷提高，以及逐步提升的自動判讀能力，已經在國內外工業區的污染監控中發揮了作用。國內外目前可知的有傅立葉變換紅外光譜技術(FTIR)、調諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)和差分光譜分析儀(DOAS)。美國環保署研究人員在清潔空氣法案(CAA)調查工作中使用了開放光路(Open-Path Monitoring)的監測方式，在化工企業邊界開展監測，每個化工企業至少使用一臺監測設備，監測其排放對周邊的影響[16-17]。

實際應用中，需進行監測技術篩選，主要通過總結已建站應用經驗，優先考慮應用廣泛的自動在線監測儀器，通過儀器適用性分析和評價，選擇最佳適用監測技術，并盡可能提高特征污染監測覆蓋面。以上海某化工區為例，主要配置了H2S監測儀(紫外熒光法)、NH3監測儀(化學發光法或DOAS)、電子鼻(傳感器)和在線色譜儀(GC-FID)，重要點位配置了在線MS或GC-MS、開放光路的光學設備(DOAS和FTIR)。

2.3 運行管理機制

工業區惡臭監測網絡的運行管理架構如圖4所示。

圖4 工業區惡臭污染自動監測運行管理機制

由市環境監測中心負責技術牽頭：①提出建設方案、招標指南和驗收規范；②制定統一的通訊傳輸技術規范，供工業區建站聯網使用；③全程參與實際建設過程，協助審核招投技術參數，協助業主方組織技術專家參與驗收等。在建設和運行期間，由市環境監測中心牽頭制定管理辦法，逐步建立全市統一的監測網絡質量管理要求。在建設期間全面規范建設過程；審核建設主體上報的招標、建設和驗收等工作方案，技術把關；在運行期間，對自動站進行不定期檢查和現場培訓，確保監測質量，數據可比[18]。

業主單位負責所轄站網的數據質量，包括運行維護、數據審核、數據應用，定期上報數據匯總和情況匯報；遇數據異常變化，及時上報。

3 系統集成與平臺應用

基于以上惡臭污染自動監控體系的構建思路與運行機制，上海市篩選了10個典型工業區，初步建立了工業區惡臭在線監控體系并有效運行。計劃建設三大類54個以典型惡臭污染監控為主的空氣自動站。

通過系統集成和平臺建設，實現十大功能：①數據傳輸和集成，將采集到的數據與狀態等信息自動定時上傳至上位機平臺；②實時展示，能實時顯示當前最新的空氣污染物濃度值、氣象數據和實時的設備工作狀態等信息；③數據查詢，顯示選擇點位的有關數據，結合圖表，直觀形象；④數據導出，生成并存儲基本統計報表；⑤儀器反控，現場監測儀器和周邊設備具備接收外部信號時進行外部控制；⑥監控報警，當污染監測數據超出系統設定的范圍時，系統能夠自動發出報警信息，報警信息可以短信、郵件、聲音方式通知不同人員，可對報警記錄進行統計分析；⑦各類特征污染分析儀的接入；⑧快速分析，整合常用軟件和數據分析方法，在平臺實現數據快速展示和趨勢變化圖形自動生成；⑨污染源溯源分析，根據環境評價及污染源數據，使用多種方法進行污染源鎖定；⑩環境地理信息，整合基礎地理信息數據、環境專題空間數據及關聯的各類環境管理業務數據，實現業務數據與地理空間信息關聯展示及分析[19]。

圖5是2016年1月1日—3月31日某石化園區4個周邊點位的在線GC(Synspec GC-955)連續觀測76種有機惡臭氣體的濃度、報警次數和投訴量的變化圖。

圖5 某石化園區周邊點位惡臭污染連續觀測結果

由圖5可以看出，有機惡臭氣體濃度高值污染時段、投訴量和報警次數基本呈同步升高的趨勢，工業區惡臭污染監測網絡初步實現以下功能：①大氣惡臭污染狀況及環境影響識別；②工業區事故影響及預警監測；③信訪投訴趨勢變化的匹配和實際應對。基本滿足了管理部門和業務部門的不同需求，為后續工業區惡臭污染數據挖掘、量值溯源和污染控制提供數據支持。

4 結論

1)惡臭污染具有物質種類繁多、性質各異和易變化的特點，尤其是有機硫化物，具有難捕集、響應低和易干擾的特征，為在線監測帶來一定的難度，因此在惡臭污染特征分析基礎上，提出篩選優控污染物，集成色譜、傳感器、質譜和光學技術，選擇最佳自動監測技術，建設專業化、自動化大氣特征污染監測系統，是較為實用的監控思路。由于工業區惡臭污染具有突發性、瞬時性和不定時的排放特征，且高值易出現在夜間和周末，集成各類自動監測儀器，優勢互補，對惡臭污染進行實時管控，對環境管理具有重要意義。

2)工業區惡臭污染自動監控網絡建設的目的是通過探索先進的監控方式，實施大氣特征污染無組織排放的監測，構建先進的大氣污染預警監測體系，實現從工業點源排放監控到整個園區特征污染監控的跨越式發展；實施空氣特征污染實時在線監控，實現大氣污染從人防到技防的模式轉換，建立新型環境管理模式。

3)工業區惡臭污染在線監控是環境保護新領域，上海初步實現了無組織排放實時監控，初步建立了 “早發現、早預警、快速響應、科學應急”的在線模式，在產業園區空氣特征污染環境應急響應分級管理中發揮了積極高效的技術支撐作用。后續將在網絡智能化、數據應用和評價、規范和標準制定、排放源“指紋庫”建立等方面進一步研究和推進。

致謝：感謝上海市環境監測中心原副總工魏海萍教授和鄭州大學尹沙沙老師給予研究的幫助。

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