環境監測及其在大氣污染治理中應用研究

周金鳳

（江蘇新測檢測科技有限公司 江蘇徐州 221000）

引言

根據《中國生態環境狀況公報》（2020 年）公布的數據顯示，2020 年全國337 個地級及以上城市中，有135 個城市環境空氣超標，占總監測城市的40.1%，雖然較2019 年城市環境空氣超標量降低了13.3 個百分點，但城市大氣環境污染整體狀況依然較為嚴峻。從337 個城市大氣環境監測結果來看，嚴重污染的天數達345 天，重度污染為1152 天，大氣環境中的PM2.5、O3、PM10、NO2、SO2和CO 六項污染物超標天數分別為6.8%、4.9%、2.6%、0.4%、不足0.1%和不足0.1%。

從表1 可知，近年來，隨著城市大氣環境治理力度的加大，城市大氣中PM2.5、O3、PM10、NO2、SO2和CO六項污染物濃度分別為：33μg/m3、138μg/m3、56μg/m3、24μg/m3、10μg/m3、1.3mg/m3，較2019 年均呈現出較大幅度的下降態勢，分別下降了8.3%、6.8%、11.1%、11.1%、9.1%和7.1%，城市大氣環境質量持續向好。

表1 2020年337個城市六項污染物各級別城市比例

1 大氣污染成分及危害

（1）顆粒物。隨著工業化、城市化快速發展，燃煤排放、工業企業廢氣、機動車尾氣排放等污染物排放到空氣，造成以顆粒物（PM2.5、PM10）為主要污染物的大氣重污染事件頻發，極大地影響到人們的日常生產生活和健康[1]。當大氣顆粒物進入人體，會損害心肺功能，增加呼吸系統疾病發生幾率。如細顆粒物穿過呼吸道進入人體，將破壞神經系統、免疫系統，增加患心血管疾病風險。空氣中的細顆粒物長期漂浮在高濕靜態等氣象條件下，極易導致霧霾及重污染天氣。從表2可知，城市大氣中的細顆粒物主要來自燃煤、汽車尾氣、氣候變化、建筑施工及揚塵等，其中，燃煤和汽車尾氣是城市大氣細顆粒物污染的主要成因。

表2 某城市大氣細顆粒物污染成因

（2）臭氧。臭氧具有強氧化性，可在較低溫度下發生氧化反應，隨著人類活動的加劇，城市大氣環境中的臭氧污染程度也有所加重，影響人體健康，破壞生態環境。生活在臭氧污染物濃度較高的環境中，臭氧污染物經呼吸道進入人體，可能導致頭疼、胸悶、咽喉腫痛，誘發呼吸系統疾病，破壞免疫系統功能；加速皮膚衰老；臭氧會降低土壤營養物質，破壞農作物生長，影響農作物產量[2]。此外，臭氧與多種有機化合物發生化學反應，導致建筑材料顏料褪色、加速汽車輪胎老化等。

（3）氮氧化物。大氣環境中的氮氧化物包括一氧化氮和二氧化氮，主要來自城市工業生產中的化石燃料燃燒所致。大氣環境中的氮氧化物超標會直接影響居民身體健康。一氧化氮與人體中的血液細胞中高氧血紅蛋白相互作用，發生反應會減少血液中氧氣，導致肌體缺氧。此外，一氧化氮還具有一定致癌作用，影響人體正常細胞分裂。空氣中的一氧化氮可與氧氣發生緩慢氧化作用，生成二氧化氮，二氧化氮在紫外線照射下產生臭氧、光化學煙霧，進入呼吸系統可直接感染呼吸道，以及其他肺部病變。

（4）二氧化硫。二氧化硫無色，具有強刺激性氣味，經呼吸道粘液，誘發呼吸道感染、肺部炎癥等多種疾病，對人體的傷害極大。二氧化硫在大氣環境中易形成硫酸鹽氣溶膠，硫酸鹽氣溶膠將會增加人類死亡率。二氧化硫不僅傷害人體，也會對動植物造成傷害，大氣環境中高濃度二氧化硫可導致植物葉片枯萎脫落。此外，還會加劇建筑物鋼材的腐蝕速度，加劇建筑物安全隱患。大氣環境中的二氧化硫也會誘發酸霧、酸雨等，其會加快建筑物、古文物等腐蝕速度。

2 大氣環境監測內容

（1）顆粒物監測。大氣環境監測中的顆粒物監測主要是指懸浮顆粒物，其中，可吸入顆粒物、可呼吸性顆粒物是大氣污染物的主要組成部分，也是大氣環境監測中的重要內容。通過監測大氣環境中懸浮顆粒物數量，以判斷大氣環境污染程度[3]。利用專門的大氣環境監測儀器，收集、分析空氣中懸浮顆粒物數量，了解和掌握大氣環境中顆粒物總降塵量、化學成分、主要分布點位及其實際濃度等。

（2）有害氣體監測。二氧化硫、氮氧化物等排放量居高不下，是導致大氣環境污染加劇、酸雨頻發的重要原因。機動車尾氣排放、含硫燃煤燃燒、工業鍋爐廢氣排放等，是大氣環境中二氧化硫、氮氧化物等有害氣體主要來源，也是城市大氣環境污染的重要因素。通過化學法、電解法、分光光度法、儀器法等，監測二氧化硫、氮氧化物在大氣環境中的濃度值，為城市大氣環境治理提供參考。

（3）揮發性有機化合物監測。揮發性有機化合物能夠在大氣環境中發生化學反應，揮發性有機化合物具有較強的活躍性、危害性，也是目前城市大氣環境監測的重要對象。涂裝印刷、建筑裝飾、化工生成、家具家電等行業均是產生揮發性有機化合物的主要行業，不僅會刺激呼吸道、皮膚，還具有致癌性。因此，需要采取相應的監測技術及時發現大氣環境中揮發性有機化合物污染源和污染程度。

3 大氣環境監測常見類型

3.1 細顆粒物監測方法

2012 年起，我國主要城市開展了細顆粒物監測，目前主要的監測方法有重量法、微量振蕩天平法和β射線法三種。（1）重量法，是利用天平稱重采集到細顆粒物空氣的濾膜重量，這是 《環境空氣質量標準》（GB3095-2012）中建議的細顆粒物監測標準方法，準確性高是重量法的優勢，但其不足之處便是該方法無法實現自動監測。（2）微量振蕩天平法監測細顆粒物，是利用物體的固有振動頻率與其質量間的關系測定細顆粒物重量[4]。微量振蕩天平法監測的優勢在于其明確定量關系，但不足是無法解決樣品揮發性及半揮發性物質的損耗，因此，監測的結果與實際相比偏低，因此，微量振蕩天平法監測不適用于細顆粒物污染嚴重的城市，以及潮濕的南方城市。（3）β 射線法監測細顆粒物是通過測定β 射線穿過濾膜與顆粒物后的衰減，從而測定細顆粒物重量。β 射線法在干燥、干凈環境下監測故障率低，在高溫潮濕地區監測故障率高。

3.2 臭氧監測方法

目前，臭氧濃度監測主要包括化學測量和儀器測量。儀器測量法，則是利用監測儀器，對高濃度臭氧進行監測，包括液體內臭氧測量和大氣中臭氧濃度測量；化學測量，則是利用化學方式將臭氧轉化為氧氣，利用質量守恒定律，獲得氧元素質量，再根據臭氧原子結構分析獲得整個臭氧濃度。目前，化學法臭氧監測主要包括紫外線吸收分光光度法和化學發光法兩種方法。（1）紫外線吸收分光光度法，則是利用臭氧的吸收光譜來進行監測，根據臭氧光學性質與收集到的光譜進行比較。紫外線吸收分光光度法易受到天氣狀況影響，當監測時光線太差的狀況下將無法有效對臭氧含量進行監測。（2）化學發光法。化學發光法監測臭氧，是利用對臭氧分子發生光線進行監測對比，不同物質的分子組成及分子數量不同，運用化學發光法可對其收集到的不同光線進行強度標識，可有效鑒別臭氧含量。化學發光法包括生物化學分析法、電致化學分析法、普通化學分析法等，目前使用最多的是普通化學分析法。但不論何種化學監測方法，都應用到一些化學試劑，會對大氣環境產生不利影響。

3.3 氮氧化物監測方法

大氣中氮氧化物監測方法有原電池庫倫滴定法、鹽酸萘乙二胺分光光度法、壓電石英傳感器法、應用光電技術等，其中，應用光電技術在自動化和在線監測方面具有其特定優勢。應用光電技術又分為：（1）激光誘導熒光法。用特定波長激光束，激發氮氧分子到較高能級，處于高能級氮氧離子躍迂回基態，以光子發射形式釋放能量，熒光強度與其濃度成正比，由光電強度判定氮氧化物濃度。具有靈敏度高、監測效率高，但造價高，尚未大規模商用。（2）光纖傳感技術。由光源發出光，經光纖傳感到監測點，外界被測參量對光信號進行調制，再經光纖傳至光電探測器，基于朗伯-比爾定律測定其濃度。該方法監測具有體積小，更高的選擇性、靈敏度和準確性，但穩定性差。（3）激光雷達探測法。利用待測氣體分子吸收特性測量其濃度。該工藝技術成為大范圍快速監測大氣環境中的氮氧化物技術。

3.4 二氧化硫監測方法

二氧化硫（化學式SO2）是大氣主要污染物之一，也是最常見、刺激性硫氧化物。監測方法主要有碘量法、定電位電解法、非分散紅外吸收法和紫外吸收法。（1）碘量法。氨基磺酸銨混合液吸收煙氣中二氧化硫，用碘標準溶液滴定，并根據滴定量測算二氧化硫濃度。碘量法監測二氧化硫監測范圍廣、精度高，不足之處是需要豐富的監測經驗，監測周期長，目前使用較少。（2）定電位電解法。煙氣中二氧化硫擴散通過傳感器滲透膜，進入電解槽，在恒電位工作電極發生氧化反應。定電位電解法的推薦方法為《固定污染源廢氣 二氧化硫的測定 定電位電解法》（HJ 57-2017），該方法監測二氧化硫具有監測范圍廣、誤差小、可現場直接讀數記錄等特點，但不足之處是易受到氟化氫、氯化氫、氨等影響，傳感器易因顆粒物、水分等在滲透膜表面凝結而損壞。（3）非分散紅外吸收法。二氧化硫氣體在6.82-9μm紅外光譜中具有選擇性吸收性，一束恒定波長7.3μm紅外光通過二氧化硫氣體，其光通量衰減與二氧化硫濃度符合朗伯-比爾定律。非分散紅外吸收法監測二氧化硫監測范圍廣，可現場直接讀數記錄，易操作；不足之處是一定濃度下含水量或水蒸氣等影響監測結果，需要對監測氣體進行除濕處理；濃度反應慢、預熱時間長等。（4）紫外吸收法。利用二氧化硫吸收紫外光區內特征波長（190-230nm、280-320nm）的光具有選擇性吸收特點，由朗伯-比爾定律定量監測大氣中的二氧化硫濃度。該監測工藝技術的優點在于檢出下限低，交叉干擾少，監測數據準確，監測范圍廣等。

4 環境監測在大氣污染治理中的應用

（1）提高監測數據質量。環境監測中會收集到大量第一手監測數據，提高大氣環境監測數據質量，為大氣污染治理提供精準指導和數據信息支撐。目前，積極運用大數據、云計算技術能夠有效縮短環境監測數據分析周期，提高大氣環境監測質量[5]。利用第三方檢測機構的專業技術、專業檢測力量，利用LIMS 先進管理系統，借助數據庫及在線監測系統，實現監測數據信息互聯互通、共建共享。

（2）構建監測網管體系。網絡管理是現代大氣環境監測的一項主要體現方式，利用網絡管理體系可強化對大氣生態環境治理的標準化、規范化，積極利用城市大氣環境管理體系中的網絡管理體系，實現大氣環境實時在線自動監測，運用網絡技術、質控中心，根據網絡管理體系實現在線監測數據監管，利用現代智能化監管手段，加大大氣生態環境違法打擊力度，及時發現違法行為，不斷提高大氣環境治理能力。

（3）增強監測技術水平。積極利用現代環境監測技術，強化大氣環境監測能力和水平，提高大氣環境監測結果的準確性，為大氣生態環境治理提供可靠技術保障。面對復雜而嚴峻的生態環境治理現狀，需要進一步革新傳統的大氣環境監測技術，利用自動化實時監測技術，加強氮氧化物、二氧化硫、臭氧、顆粒物等污染物在線自動監測，提升現代監測技術能力和水平。

結語

環境監測是掌握城市大氣污染現狀的第一手資料，也是污染防治的重要舉措，需要把握大氣環境監測的主要內容及其監測的方法，合理選用監測技術，充分發揮出環境監測在城市大氣污染治理中的應有價值功能，為城市大氣環境污染防治提供有力技術支撐。