TVOC 排放超標預警自動采樣留樣系統架構及前景研究

李根利 周冰* 劉大喜 何笑迪

（1.河北省生態環境監測中心，河北石家莊 050000；2.河北科技大學環境科學與工程學院，河北石家莊 050030；3.河北東訊科技有限公司，河北石家莊 050035）

1 引言

國內外研究表明，VOCs（volatile organic compounds）是PM2.5和O3的共同前體物［1］，其來源眾多，其中工業源VOCs 占我國VOCs 排放量的35.6%。工業源VOCs 的治理效果和總量減排將在一定程度上影響京津冀生態環境支撐區大氣污染治理目標的實現。VOCs 作為含碳有機物，也會進一步影響京津冀“碳達峰碳中和”目標的實現進程。此外，河北省在生態環境監測和生態環境保護“十四五”規劃中明確指出，要實現污染源專項監測，全力發揮監測支撐保障作用，以及探索VOCs 有組織、無組織超標排放自動留樣監測，建立健全監測預警監控體系，強化自動監測數據的執法應用。

環境監測預警技術是在工業化進程中生態環境問題日益突出及計算機技術快速發展的背景下，為有效應對企業污染物超標排放和環境安全事件，于20 世紀80 年代興起的應急監測技術，其能夠為非現場監管提供信息技術支撐，實現遠程非現場控制，主要是應用決策樹、支持向量機（SVM）、貝葉斯模型等單模型算法對預警信息進行過濾分析［2-3］。因此，為充分實現24 h 全天候對工業源VOCs 治理效果的長期穩定監管和VOCs 總量減排成果的維護，亟須研究和應用可提供多行業非現場執法監管依據的VOCs 自動監測預警技術［4］。為了確保監測數據的科學、合理性，適應“十四五”期間非現場監管執法要求，本文對總VOCs（TVOC）排放超標預警自動采樣留樣系統的架構和應用前景進行了分析。TVOC 排放超標預警自動采樣留樣系統不僅安裝簡單，且可以對固定污染源有組織和無組織TVOC 濃度水平進行實時連續監測，同時可使用氣袋自動進行采樣和儲存，以節約現場采樣成本，其留存在氣袋中的樣品可在實驗室進行二次檢測分析，進而再次核實監測數值，確保數據的準確性，以期作為非現場監管執法的依據。

2 TVOC 排放超標預警自動采樣留樣系統的設計目標

2.1 監測預警設備的比較

當前，涉TVOC 企業常用的預警監測設備是單一的光離子化檢測器（PID）或氫火焰離子化檢測器（FID）監測預警設備、氣相色譜—氫火焰離子化聯用（GC－FID）監測預警設備，表1 對比了這兩類常用監測設備在企業中布設的情況。

表1 不同監測預警設備對比分析

PID/FID 監測預警設備應用范圍廣，但其預警結果不能完全代表企業VOCs 組分且預警結果并不能用于環保執法；GC-FID 監測預警設備的預警值可用于環境執法，但其設備的體型較大，不僅安裝不便，而且單次投入成本較高，企業的適用性低。

2.2 設計目標

為滿足生態環境執法部門非現場監管執法改革需要，亟須研制適用于各類型VOCs 監測，且體型小、便于維護和操作的設備。本文擬對研制的TVOC排放超標預警自動采樣留樣系統架構和前景進行說明，該系統包括設備端和平臺端，設備端可實現報警和采樣留樣協同控制，進而確保檢測結果的真實、可靠；根據行業特點設定的（有組織和無組織）報警值，其樣品檢測結果可用于環境執法，可有效規范企業的TVOC 排放。設計目標具體如下：

（1）確保監測數據的準確性和可信度。在超標時段內，對TVOC 進行自動采集和保存，確保樣品采樣的及時性、準確性，減少人工采樣的繁瑣和不確定性。

（2）實時預警報警。對TVOC 排放企業連續監測、預警和報警，保證對監控對象的不間斷實時在線監測。

（3）報警自動采樣留樣。通過控制單元設定報警值，當檢測到TVOC 超過報警值時，聲光報警單元即會發出聲光報警，同時向自動氣袋采樣器發送信號，自動采集保存樣品。

（4）超標報警推送和斷電推送。系統可實現在TVOC 超標時，將企業報警設備信息以短信的形式向用戶接收終端遠程發送，及時告知用戶。并在系統出現異常斷電情況時，同樣以短信的形式將系統狀態信息發送給手機、平板等可接收短信的用戶終端。

3 TVOC 排放超標預警自動采樣留樣系統的架構

3.1 邏輯架構

邏輯架構緊扣當前TVOC 污染源排放監測需求，綜合利用PID 監控器、氣袋自動采樣器以及時空大數據融合等技術實現系統構建設計。根據采集和使用方式可將系統分為用戶層、中心處理層、網絡傳輸層和超標預警自動采樣留樣層，如圖1 所示。用戶層主要是各級生態環境領導、生態環境監測用戶、應急指揮人員、系統管理員等。中心處理層主要是TVOC 污染源排放智能監測平臺軟件和時空大數據融合平臺及其運行依賴的軟件環境和服務器、存儲、智能分析、網絡、大屏及控制等硬件設備。網絡傳輸層是前端監測感知設備與中心處理的橋梁，應滿足TVOC 污染源排放監測數據的信息傳輸需求［8-11］。結合TVOC 污染源排放監測站點的現場環境，傳輸網絡以無線為主，以有線為輔。超標預警自動采樣留樣層主要面向涉TVOC 企業的TVOC 污染源排放監測設備，包括TVOC 有組織排放超標預警自動采樣留樣系統、TVOC 無組織排放超標預警自動采樣留樣系統等，能夠全天候采集TVOC 污染源的排放數據，并回傳到中心處理平臺。

圖1 邏輯架構

3.2 部署架構

系統需要部署平臺軟件、平臺服務器、存儲、智能分析、應用操作終端、前端智能監測、網絡、防火墻等軟硬件設備。部署內容包括TVOC 排放超標預警自動采樣留樣系統配套軟硬件、時空大數據融合平臺配套軟硬件。其中，TVOC 排放超標預警自動采樣留樣系統配套軟硬件包括TVOC 排放超標預警自動采樣留樣系統、系統內置顯示處理軟件、存儲設備、智能分析設備和操作終端。時空大數據融合平臺配套軟硬件包括數據顯示平臺、大屏智能管理平臺、服務器、大屏、操作電腦、移動設備等。

3.3 平臺架構

平臺秉承模塊化、框架化、集群化、服務化的設計理念，采用微服務架構和組件化技術進行設計，其架構見圖2。

圖2 TVOC 污染源排放監測平臺架構

功能應用層可全視角查看TVOC 的監測預警設備的分布，通過應用支撐平臺的國家及行業標準，對TVOC 的檢測結果進行數據分析和趨勢變化分析。將GPS 信號傳輸終端與手機連接，進而實現設備的遠程監控及操作，確保設備的正常運行。該系統采用的大屏終端具有顯示性能卓越、布局設計優良、設備應用合理、界面友好簡便、功能有序實用、升級擴展性好等特點，滿足大氣環境大屏幕圖像和數據顯示的需求，在TVOC 污染源排放綜合管理、分析研判、應急指揮和展示匯報等場景發揮作用顯著。

3.4 設備功能架構

設備的操作系統是超標預警自動采樣留樣設備數據展現的重要載體，采用結構化的程序設計方法，自上而下地進行設計，逐步細化、模塊化程序，便于系統開發的整體管理和控制以及系統問題和缺陷的診斷與排查［12］。系統軟件采用模塊化功能設計，主要包括系統主界面、樣品提取、采樣設置、實時和歷史曲線分析、系統參數設計。操作界面功能設計模塊如圖3 所示。

圖3 操作界面功能模塊

4 TVOC 排放超標預警自動采樣留樣系統的產品化

4.1 系統組成

TVOC 排放超標預警自動采樣留樣系統由系統保護箱、氣體預處理系統、氣體控制系統、TVOC 監測系統、TVOC 控制系統、采樣留樣系統和氣體采樣袋7 部分組成。其中，系統保護箱具有防水、防腐、防塵、防靜電等保護作用；氣體預處理系統主要作用于氣體樣品，具有管路自動化升溫、過濾等預處理作用；氣體控制系統具有樣品的管理和溯源、系統狀態監測、數據聯網、數據傳輸、位置移動、斷電報警、遠程操作設備等作用；TVOC 監測系統的主要作用是監測TVOC 濃度，其核心組件為PID 檢測器，滿足HJ 1010—2018《環境空氣 揮發性有機物氣相色譜連續監測系統技術要求及檢測方法》和HJ 1013—2018《固定污染源廢氣 非甲烷總烴連續監測系統技術要求及檢測方法》24 h 連續監測的采樣要求；TVOC 控制系統具有TVOC 超標報警、自動采樣留樣、手動采樣留樣、標定PID 報警值等動作控制功能；采樣留樣系統可以根據需求實時自動、手動一次完成至多4 個樣品的采集；氣體采樣袋是由氟袋（體積1～5 L）和特氟龍氣嘴組成，其可對采集的樣品進行采集和保存。

4.2 系統功能

系統具備多種實用功能。

（1）實時監測：24 h 實時監測TVOC 氣體的濃度值；

（2）超標預警：濃度值超過預警值時，系統立即發出聲、光報警；

（3）采樣留樣：發出聲、光報警時，自動采樣、留樣；

（4）遠程控制：可在主機和數據中心平臺設置參數和手動采樣；

（5）數據查詢：可在數據中心平臺進行系統的實時數據、歷史數據、報警記錄的數據查詢和數據導出、打印；

（6）實時推送：報警時，短信推送至設定手機。

4.3 系統優勢

TVOC 排放超標預警自動氣袋采樣留樣系統技術結構組成為PID 連續監控器和自動氣袋采樣器。

（1）PID 連續監控器包括PID 傳感器、數據采集處理單元、控制單元和聲光報警單元4 部分，實現對TVOC 排放企業的不間斷實時在線監測和報警。

（2）自動氣袋采樣器包括氣袋采樣器和自動采樣驅動單元兩部分。系統通過控制單元設定報警值，當檢測到污染物濃度超過預警值時，聲光報警單元即會發出聲光報警，同時向自動氣袋采樣器發送信號，進行氣袋采樣工作，實現了采樣的及時性、準確性和代表性。

（3）系統精巧價廉，維護簡便，操控簡單，安裝設置后，一般環保監管人員即可操作，適用于各類型揮發性有機物超標環保監管。

（4）監測數據可進行APP、PC 端、網頁端等多平臺終端交互。

5 TVOC 排放超標預警自動采樣留樣系統的應用前景

5.1 布點安裝前景

5.1.1 涉TVOC 固定污染源有組織排放的安裝

參照HJ/T 397—2007《固定源廢氣監測技術規范》、DB 13/2322—2016《工業企業揮發性有機物排放控制標準》、生態環境部門的規定以及企業TVOC 排放的實際情況，在有組織排放口（煙囪）處安裝TVOC有組織排放超標預警自動采樣留樣系統，實現對煙囪中TVOC 的監測預警，并在TVOC 排放超過設定值時實現報警，同時自動采集并保存超過設定值的樣品。

5.1.2 涉TVOC 固定污染源無組織排放的安裝

在企業廠區邊界或生產車間邊界，參照DB 13/2322—2016《工業企業揮發性有機物排放控制標準》和GB 37822—2019《揮發性有機物無組織排放控制標準》建設TVOC 無組織排放超標預警自動采樣留樣系統，對企業廠區內及周邊污染樣品采集按照在廠房門窗或通風口、其他開口（孔）等排放口外1 m，距離地面1.5 m 以上位置處實采。若廠房不完整（如有頂無圍墻），則在操作工位下風向1 m、距離地面1.5 m 以上位置處收集。實現對超過無組織排放設定值的時刻進行報警，同時進行無組織樣品的采集和保存。

5.2 執法應用前景

文獻查閱發現，24 h 內是最佳TVOC 測定時間。對于甲烷（CH4），48 h 內測定低濃度無影響，高濃度24 h 后測定濃度會顯著降低。在15 d 后測定時，高濃度的CH4測定濃度會減少1/3，低濃度的CH4會增加1/3［13-14］。TVOC 排放超標預警自動采樣留樣系統可有效捕捉排污單位有組織和無組織排放源的超標排放信息，在超標時段內，TVOC 樣品可進行自動采集和保存，實現了超標污染物采樣的及時性、準確性和溯源性，降低了傳統監測方法和監管模式的繁瑣性和不確定性。系統依據GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標準》設置4 個氣體采樣袋，在等時間內采集4 個樣品并計算平均值。此外，系統可自動留存超標樣品，移送實驗室分析以獲取可用于執法監管的有效數據，進而實現TVOC 樣品超標情況下的實時采樣監控，解決了企業在短時間內排放超標執法技術難題，為依法治污、科學治污、精準治污提供了有力依據。

6 結論

（1）與企業常用的PID 監測預警設備和FID 監測預警設備相比，TVOC 排放超標自動采樣留樣設備不僅將預警和采樣留樣協同控制，而且其根據行業特點設定（有組織和無組織）預警值，得到的樣品檢測結果可用于環境執法，進而進一步規范企業涉氣排放。

（2）排放超標自動采樣留樣設備體積小，可安裝到企業現場用作實時監測設備。且其自制的自動氣袋采樣器可將樣品留存，一部分用作設備的實時連續性監測，另一部分可轉交實驗室進行二次監測，進而確保監測數據的準確性。

（3）該系統設計時以多類型終端融合通信為基礎，監測數據可進行APP、PC 端、網頁端等多平臺終端交互，可建設融合通信指揮平臺和具備污染溯源分析功能，進而方便各方交流，針對突發TVOC 超標事件進行應急會商和處置調度。

（4）排放超標自動采樣留樣設備目前只適用于企業有組織和無組織揮發性有機物排放監測。為了進一步強化污染源監測，下一步應構建以入河（湖、庫、海）排污口、移動源、面源為監測對象的自動采樣留樣監測設備。