某工業園區VOCs監測預警系統研究與應用

方鏡堯，童頌穎，張 林，鮑雅莉，沈盼盼，翁興彪，顧海濤

（聚光科技（杭州）股份有限公司，浙江 杭州 310052）

0 引言

從1979年我國首個工業園區——深圳蛇口工業區設立至今，工業園區經歷了從無到有，從弱到強的蛻變，截止到2018年全國各類工業園區22 000余家，成為我國經濟社會發展的重要引擎，在促進經濟發展方面發揮了重要作用[1-3]。但工業園在產生巨大經濟效益的同時，其VOCs 污染防治問題也日益突出。有資料顯示，工業園區VOCs 排放量占人為源VOCs 排放總量的39% ～ 47%[4-5]。VOCs 排放濃度較高、成分復雜，易導致局部光化學污染和霧霾污染，嚴重影響空氣環境質量[6-9]。苯乙烯、甲硫醇、甲硫醚等是工業園區惡臭的主要來源，對周邊居民有較大的健康危害風險，投訴事件頻發，嚴重影響園區和當地政府的公共形象[10-11]。因此，開展工業園區VOCs監測預警體系建設研究十分必要和迫切。

國內基于物聯網的大氣污染物監測預警管理系統的研究已有不少，江蘇[12]、上海[13]、浙江[14]、山東[15]等地對工業園區都進行了大氣污染監測系統的探索，為將物聯網和大數據技術應用于環境監測管理工作提供了必要依據。但總體而言，我國預警管理系統的發展起較晚，目前部分預警信息平臺存在系統性規劃不足、監測因子缺乏代表性、預警閾值濃度標準不一致等問題，導致平臺存在報警準確性不高、報警產生后無響應流程或響應速度過慢，無法達到預期的污染監管作用。

本研究針對某工業園區大氣污染特征、污染監管現狀和監管需求，通過篩選優控污染物，優化污染物預警閾值，結合覆蓋“點”“面”“域”的大氣立體監測網絡，構建系統化、專業化和自動化VOCs 監測預警管理系統，實現園區VOCs 全方位監測預警及風險防控，遏制環境污染和風險事故的發生，提升園區整體預警能力與監管能力。

1 研究區域概況

該工業園區位于我國東部沿海地區，屬典型的海洋性季風氣候，全年平均氣溫14.9 ℃，主導風向為東南偏東。該園區占地12 km2，屬于精細化產業園區，內有企業100 多家，主要涉及基礎化學原料制造、醫藥制造、農藥制造、涂料制造和橡膠制造等。由于園區規模龐大、產業結構復雜、管理職責重大等特點，園區環保管理存在一些難點，園區污染源多且密、中小企業迭代頻繁、部分企業偷排漏排現象嚴重、周邊居民信訪投訴事件時有發生。園區目前已建有多個超級站和傳感器，有一定的監測能力基礎，需建立一套完整且有效的污染物監測預警管理系統對污染物進行監測、溯源和綜合管控，使工業園區在促進區域經濟發展的同時，降低對周邊生態環境的危害。

2 VOCs 監測預警管理系統的構建

2.1 技術路線

通過調研園區現狀、行業類型分布以及企業污染物排放特征，梳理和統計園區企業排放的VOCs特征因子庫，基于嗅閾值、臭氧生成潛勢（OFP）、二次有機氣溶膠生成潛勢（SOAFP）、存儲量、毒性等級、潛在危害指數等指標作為篩選參數，篩選出優控VOCs 物種；在合理的布點監測和預警閾值研究的基礎上，構建工業園區VOCs 實時監測預警管理系統。技術路線見圖1。當發生污染物超標報警或居民投訴事件時，系統將檢索排放該污染物的企業并繪制出近期污染物排放量時序圖，進而輔助和指導管理者識別可疑企業，完成預警處置、預警解除和整理歸檔等工作。

圖1 某工業園區VOCs 監測預警管理系統示意

2.2 VOCs 優控因子篩選

篩選識別園區內重點管控的VOCs 物種，是確定監測技術、監測設備以及部署立體監測網的基礎。目前國內外已經開展了較多的大氣污染物名錄的篩選研究[16]，篩選環境優先污染物的方法有層次分析法、模糊評價法、潛在危害指數法、綜合評分法等，其研究機理為結合污染物毒性分析、風險表征、嗅閾值、存儲量、最大反應活性等因子確定初篩污染物，然后通過定量評分系統和半定量評分系統對污染物進行綜合評定，確定最終優控污染物質名單[16-18]。

優控污染物的篩選步驟如下：

（1）依據園區資料，包括入園企業名單、企業環評報告和竣工環保驗收監測報告等，統計園區各企業所屬行業、原輔料、工藝流程及最終產品等涉及的VOCs 物種，建立各企業排放的VOCs 特征因子庫。

（2）結合有毒有害大氣污染名錄、行業地方大氣污染物排放標準、歷史環境事件中出現的大氣污染物以及上述調研的VOCs 因子庫，形成工業園區優控因子初篩名單。

（3）結合離線檢測、源譜構建和排放量估算等方法進行研究，計算園區各VOCs 物種排放量和存儲量。

（4）基于各VOCs 物種的嗅閾值、臭氧生成潛勢（OFP）、二次有機氣溶膠生成潛勢（SOAFP）、存儲量、毒性等級、潛在危害指數等指標作為篩選參數，建立評分指標體系。

（5）對各篩選參數引入權重系數進行加權計算，結合污染控制技術可達性以及監測能力，確定最終優控因子名單。在加權計算過程中，采用專家論證方法進行賦值，取嗅閾值權重指數r1=0.15，臭氧生成潛勢權重指數r2=0.15，二次有機氣溶膠生成潛勢權重指數r3=0.1，存儲量權重指數r4=0.15，毒性等級權重指數r5=0.25，潛在危害指數權重指數r6=0.2，根據j=r1a1j+r2a2j+r3a3j+r4a4j+r5a5j+r6a6j計算綜合評分，其中aij為第j 種物質第i 個指標所得的分值；bj為第j 種物質的綜合評分。

通過上述加權計算方法，篩選出前20 位的優控因子清單，詳見表1。

表1 某化工園區優控因子清單

2.3 VOCs 立體監測體系搭建

依據可比性、整體性、前瞻性、代表性和穩定性的布點原則，參考國家相關標準規范，采用多目標規劃的優化布點方法，對園區中有組織排放過程、無組織排放區域，以及廠界路邊站和敏感點區域進行布點監測。結合園區現狀、地域特點及優控因子，全面分析氣相色譜法、光譜法和質譜法等主流監測技術的適用性及局限性，選取適用于園區優控因子的監控技術和方法，布設監測點位，構建“點”“面”“域”立體監測網絡。

“點”監測主要為污染源排口監測（包括非甲烷總烴、苯系物等）、治理設施工況監控、泄漏檢測與修復（LDAR）和企業內無組織有毒有害氣體監測（報警儀）等，全面覆蓋各企業生產、存儲過程中污染物有組織和無組織排放過程；“面” 監測主要為對園區重點污染企業低架源污染擴散及在生產操作過程中導致的污染逸散，通過20 個廠界路邊站（高精度微型氣站）進行加密監測，對污染擴散情況的實時追蹤；“域”監測主要為園區主導風向下風向處和2 個居民區交界處各布設1 套超級空氣站，監測因子為甲烷、非甲烷總烴及園區優控VOCs 物種。此外，采用便攜式監測設備輔助支持大氣污染的預警工作。

2.4 VOCs 監測預警閾值確定

通過儀器點位監測到的污染濃度值，配合設定的具體預警閾值，可在第一時間發布報警信息，啟動應急響應與處置措施。根據國家、地方相關標準要求以及站點監測目的要求，對不同類型站點分別設計不同的預警閾值，閾值設定標準如下：

（1）“點源”監測中的企業有組織排放源監測數據，采取行業的國家標準值作為基礎預警閾值。

（2）廠界監測站點，采用國家、地方標準中的廠界無組織排放的標準值作為基礎預警閾值。

（3）靠近居民區的超級空氣站觀測的VOCs 物種，采用國標TJ 36—79 中規定的濃度限值作為基礎預警閾值；對于TJ 36—79 不包含的VOCs 物種，使用工業場所有毒有害因素職業接觸限制（OEL），職業接觸限值考慮到接觸者的容許接觸水平，并給出臨界不良健康效應。因涉及的污染物項目較多，須設置反應不同健康影響的3 級濃度限值，可基本滿足預警閾值設立的需求。

除預設預警閾值信息外，為更好地反映監測濃度值變化情況以及儀器聯網情況，分別設定濃度值趨勢預警和儀器斷線報警閾值，結合基礎預警閾值設置輕度（1 級）、中度（2 級）、重度（3 級），不同級別的預警閾值。

2.5 VOCs 監測預警管理系統

VOCs 監測預警管理系統，通過統一的多維度的預警判斷規則，采用多場景任務處置流程規則，實現預警事件有效識別及快速響應處置，有效保障化工園區企業及周邊居民的生命財產安全。通過事件信息管理實現對園區整體預警形勢的全面掌握，可結合歷史預警數據確定重點管控方向，保障化工園區安全平穩運行。

結合園區監測預警實際應用場景，監測預警全過程管控平臺業務邏輯包括：①事前預警產生，即通過設備監測數據，結合濃度閾值限值、產生頻次等條件設定不同等級預警；②事中響應處置，即通過平臺端的流轉條件設定進行預警事件的響應，結合多種通知方式分級通知不同角色處置人員（運維管理人員、企業負責人、管理部門接警人員和管理部門領導等），基于不同報警級別分別實施相對應的報警處置流程，基于各節點的人員處置情況進行節點管控，同時可聯動溯源平臺分析和指揮調度，處置完成后解除預警；③事后歸檔管理，即對預警事件的整理歸檔。系統管控流程見圖2。

圖2 監測預警全過程閉環管控流程

3 VOCs 監測預警管理系統的應用

3.1 案例描述

2019年4月20日3:00 至6:00，居民區附近的超級空氣站產生VOCs 1 級報警，報警物種為丙酮和苯乙烯，報警時刻污染物濃度見表2。二者濃度均高于TJ 36—79 標準中規定的居住區大氣中有害物質的最高容許濃度限值。

表2 報警時刻丙酮和苯乙烯濃度值 mg·m-3

經運維人員現場核查，儀器端數據正常。報警期間園區大氣處于高濕度、穩定氣壓和低風速的狀態，大氣穩定度較高高。初步分析原因為穩定的邊界層大氣不利于污染物擴散，污染物在工業園區下風向居民區得到累積，而該居民區恰好位于工業園區下風向。

3.2 污染源排查

（1）基于特征因子的可疑企業篩選：檢索園區VOCs 監測預警管理系統中57 家企業VOCs 排放特征因子庫可知，涉及到丙酮排放的企業為A～F 共6家企業，涉及到苯乙烯排放的企業為A，B，E，G，H共5 家企業，將以上8 家企業列為可疑企業。

（2）基于非甲烷總烴排放量的可疑企業篩選：由于企業排口處未安裝檢測丙酮和苯乙烯的監測設備，無法核算報警時段前后企業丙酮和苯乙烯的排放量，故采用非甲烷總烴的排放量作為可疑企業篩選依據。檢索環境監控預警平臺污染源數據（2019年4月19日20:00 至2019年4月20日6:00），在報警前，8 家企業污染源非甲烷濃度超標報警且有排放量上升趨勢的企業有A，E，H 3 家，故將此3家企業列為最終導致報警的可疑企業。3 家企業的非甲烷總烴濃度時間序列分析見圖3。

圖3 企業非甲烷總烴濃度時間序列

3.3 案例小結

2019年4月20日3:00 至6:00，居民區附近的超級空氣站產生VOCs1 級報警，報警物種為丙酮和苯乙烯。通過查詢企業特征因子庫，確定站點周邊可疑企業8 家，進一步監測上述企業有組織排口非甲烷總烴排放量信息，確定3 家可疑企業可能與站點監測因子濃度高值有關，建議對該3 家企業進行重點關注和進一步排查。

4 結論

本研究構建的工業園區VOCs 監測預警管理系統，實現了該園區VOCs 的實時監測預警及可疑企業的篩選，提升了園區整體預警能力和監管能力。VOCs 預警閾值的合理設定、園區企業VOCs 特征因子庫或污染物排放源成分譜的完善，將進一步提升VOC 監測預警管理系統的預警能力和可疑企業識別能力，使該系統發揮更大效用。