大氣環境溯源研究移動實驗室監測體系構建研究

趙藹容 嚴馳 胡凱璐 黎潔

（1.貴州楚云環?？萍加邢薰?，貴州 貴陽 550081；2.同濟大學法學院，上海 200092）

1 引言

空氣是人類維持生命不可或缺的物質。隨著工業化進程的不斷深入，人類開發自然、改造自然的能力在不斷提高，全球各國面臨的大氣污染形勢也日趨嚴峻。目前大氣顆粒物（包括PM10，PM2.5等）及揮發性有機物（VOCs）已成為我國大多數城市的首要污染物。2019 年6 月，生態環境部發布了《重點行業揮發性有機物綜合治理方案》，旨在強調科學治理VOCs 的重要性；2021 年11 月，工業和信息化部發布的《“十四五”工業綠色發展規劃》中提出，要加大重點行業生產過程中的VOCs 清潔改造力度，實現細顆粒物（PM2.5）和O3協同控制；2022 年1 月，工業和信息化部、科學技術部和生態環境部聯合印發的《環保裝備制造業高質量發展行動計劃（2022—2025年）》中再次指出，要加強關鍵核心技術攻關，在大氣污染防治領域，開展低成本高效率的VOCs 收集處理、大氣顆粒物凈化等裝備應用研發。由此可見，如今我國正高度重視長期存在的大氣環境污染問題，希望通過采取相關措施和行動，全面強化重點行業的大氣顆粒物及VOCs 治理，推進環保產業持續穩定健康發展。大氣環境溯源研究移動實驗室（以下簡稱“移動實驗室”）的出現及應用，推動了我國環境保護工作的開展。因此，有必要從其具體技術及應用層面出發，加深重點行業對大氣環境監測系統的探索與理解，助力“天空長藍、空氣常新”的大氣污染防治終極目標的實現。

2 大氣顆粒物與VOCs 的危害及影響

VOCs 是主要的大氣污染物來源之一，也是PM2.5和O3的前體物，可能會進一步導致城市灰霾、光化學煙霧等復合型大氣污染。VOCs 通常都具有毒性、刺激性和致畸性，尤其是其中的苯、甲苯及甲醛等，甚至可能對人體造成較大的致癌風險。

大氣顆粒物根據其粒徑大小，被吸入并沉積在人體中的部位不同，其產生的危害亦有明顯差異。若顆粒物粒徑大于10 μm，其大部分會滯留于鼻腔；當顆粒物粒徑在2～10 μm 之間時，就有可能通過呼吸進入咽喉并沉積在呼吸道中，其中，約10%會沉積在肺部深處；若顆粒物粒徑小于2 μm，則全部會被吸入肺泡，其中粒徑大小在0.3～2 μm 之間的粒子會通過肺部進入血液循環，嚴重影響和破壞人體血液系統，進而引發心血管疾病、呼吸系統疾病、慢性肺源性心臟病等風險。除此之外，大氣顆粒物還可能會降低能見度、影響云層變化、加劇大氣對流、破壞大氣輻射平衡等。如汽車尾氣和大氣顆粒物在光輻射之下，會產生消光系數極大的二次氣溶膠粒子，導致大氣能見度明顯降低。又如當大氣顆粒物作為促進水汽凝結成水滴的凝結核造成降水時，不僅會影響到云的宏微觀特征，還容易形成嚴重的酸雨問題［1］。酸雨對環境的危害極大，會破壞裸露的森林、湖泊、土壤和農作物以及腐蝕建筑物、工業設備和名勝古跡等，在造成巨大經濟損失的同時，也威脅著人類的生存和發展。

3 大氣環境溯源研究移動實驗室監測體系概述

3.1 監測體系基本架構

理想中的大氣污染溯源監測體系應當是“地（地面空氣監測設備）—空（激光雷達）—天（衛星遙感監測）”三位一體的監測系統，“由點到線及面”地實現對環境中大氣污染物質濃度變化的實時網格化監控?；诖四繕私⒌囊苿訉嶒炇冶O測體系包括決策層、應用層、數據層、傳輸層、巡查層5 個層級［2］，具體如圖1 所示。在微觀層面，移動實驗室不僅能夠實時監測TSP，PM10，PM2.5，SO2，O3，CO，VOCs，NOX等的濃度指標，還能測量GRS 信息、溫度、濕度、風速、風向、壓力等重要數據；在宏觀層面，移動實驗室可以通過對實時采集到的數據的錄入、統計、分析和管理，進行自動化、智能化的應急預警、行政干預、減排評估、污染糾紛處置、生態規劃指導等決策指導。

圖1 大氣環境溯源研究移動實驗室監測體系架構

大氣環境溯源移動實驗室通過對環境空氣質量數據的實時監測、接收、傳輸、存儲、處理及分析，從而能夠快速定位污染源，并調取周圍國控監測站的數據進行比對。通過分析、對比雙點位的數據，對平臺中所有站點數據進行排名分析。整體而言，前端儀器實時監測分析，通過互聯網將數據傳輸回服務器進行統計分析工作，從而實現對區域內空氣質量多方面、全方位的掌握和把控，為環境空氣質量的精準治理和相關決策提供強有力的科技支撐。

3.2 核心組成部分簡介

大氣環境溯源移動實驗室的主要組成部分包括VOCs 走航監測系統、環境空氣VOCs 自動監測系統、O3監測激光雷達、空氣常規六參數走航分析系統、車載式超聲波大氣采樣系統、數據分析工作站、質控系統、大氣預濃縮儀等，以下對其中5 個核心組成部分進行分析介紹。

3.2.1 VOCs 走航監測系統

VOCs 走航監測系統的主要功能體現為在走航過程中對有組織或無組織環境空氣污染源的實時區域網格化溯源監測。系統不僅能同時滿足多種污染源、不同監測環境的監測要求，還可以在現場進行準確的定性及定量分析，且設備分析方法滿足VOCs現場檢測標準的要求。通過開展實時走航監測，全面診斷區域內的VOCs 污染整體分布情況，進而精準定位污染來源及區域，從源頭出發解決大氣污染問題。系統中加入了全自動氣相色譜—質譜聯用儀，用于環境空氣中痕量復雜有機化合物的分離、鑒定和含量確定，使系統具備了現場準確定性定量分析能力。氣質聯用儀與氣相色譜法相比，其具有靈敏度高、樣品用量少、分析速度快、分離和分析可同時進行等優點，可以檢測更低含量的物質，無需標準品可以快速獲得物質的分子量信息。此外，還加入了飛行時間質譜儀模塊，通過飛行時間質量分析器的應用，實現了微秒級快速監測和異味因子污染溯源，能夠迅速得到全質量范圍內的瞬態全譜［3］，可監測苯系物、唾吩類等項目，快速監測醛酮類及部分無機惡臭因子。

3.2.2 環境空氣VOCs 自動監測系統

環境空氣VOCs 自動監測系統的運行原理如下：首先，是利用深冷預處理裝置進行低溫去除樣品中水分，通過－40 ℃以下的低溫三層床填料富集目標VOCs；其次，是控制采樣時的除水溫度、捕集溫度及解吸溫度，進行高溫熱脫附，再采用無需柱箱的低熱容毛細管柱，通過直接電阻加熱方式進行色譜柱分離；再次，區分樣品種類，低碳類VOCs 樣品使用氫火焰離子化檢測器進行檢測，高碳類VOCs 樣品則使用質譜檢測器進行檢測；最終，得到大氣中VOCs樣品準確的分析結果［4］。監測過程中所有溫度、壓力、氣體、流量、時間等參數均可通過電腦上的軟件程序進行控制，屏幕上會實時顯示各種數據，并對其進行加密存儲。此外，電腦上的數據分析軟件還具有參數控制、數據處理、輸出報告等多項功能。最重要的是，能夠進行關聯性分析，提供相應的污染防治方案。如研究PM2.5和O3形成機制，篩選對O3、二次有機氣溶膠貢獻較大的VOCs 物種，識別VOCs 污染來源，對VOCs 來源特征進行在線解析等。

3.2.3 O3監測激光雷達

O3監測激光雷達集成了多種核心技術，可用于實時監測大氣中O3濃度的分布、O3傳輸特征監測、O3轉換監測分析等，其主要運行原理是基于差分吸收技術，利用O3的差分吸收特性測量大氣O3濃度的時空分布。一開始雷達系統會以高重復脈沖頻率向大氣發射兩束波長極為接近的激光束，兩束激光的波長分別位于待測氣體吸收較強和吸收較弱或無吸收的兩個位置。通過擴束器發射至大氣中與O3、氣溶膠等發生相互作用，O3和氣溶膠對兩束激光的消光系數和后向散射作用基本相同，在得到2 個波長的回波信號后，進一步通過算法反演確定共同路徑上的待測氣體分子濃度，從而確定區域內的O3污染傳輸路徑，以評價區域內的光化學污染程度。

3.2.4 空氣常規六參數走航分析系統

空氣常規六參數走航分析系統集成了“四氣兩塵”智能型氣體傳感模塊，內部配置一個微型真空泵，電源帶動微型氣泵對待測區域氣體進行抽氣采樣，氣體先經過過濾器除塵除濕，然后經氣體分流器一分為四進入不同的傳感器進行檢測，傳感器所產生的信號等經處理后，同時保存數據且通過RS485串口送至數據中心。

3.2.5 數據采集及傳輸系統

數據采集及傳輸系統內置多種通訊協議，全面支持網絡通訊，兼容各類環境監測分析儀器，通過與分析儀器連接并采集儀器的測量結果及工作狀態。數據上傳采用握手機制與斷點續傳機制，支持監測站點多通道監測數據上傳，確保設備監測數據的保存安全。同時，系統可以靈活設置多種報警方式，如遠程顯示現場工作狀態、異常值自動報警等，并能將報警信號自動發送給責任人員，做到及時預警預報。系統還可存儲、保存1 年以上的實時數據及小時均值，實現數據溯源。系統可對報警信息、監測數據進行自動審核和有效性判斷，自動對無效數據進行標注，實現數據的前端一級審核。此外，系統具備測量數據及實時狀態的查詢功能，數據采集器可正確顯示分析儀測定的資料。

4 大氣環境溯源研究移動實驗室監測體系的構建

構建大氣環境溯源研究移動實驗室監測體系需要多部門高效聯動，實現產業發展和綠色發展的結合［5］。其中的關鍵環節（如圖2 所示）包括：（1）大氣環境污染調研及敏感點識別。采用“綜合調查分析法”，建立區域大氣污染因子數據庫［6］。（2）大氣環境自動監控網絡構建。創新VOCs 監測模式，實現片區優控VOCs 的廣覆蓋、快響應、準監測。（3）大氣污染精準防控預警平臺建設。通過溯源模型以及“人機結合”排查機制的建立，實現科學預警、精準溯源。（4）異常污染物排查溯源。組建專業團隊，保障污染問題的精確診斷。（5）靶向治理及整改評估；明確排污主體，督促整改進展。構建大氣環境溯源研究移動實驗室監測體系的具體流程見圖2。

圖2 構建大氣環境溯源研究移動實驗室監測體系的具體流程

構建大氣環境溯源研究移動實驗室監測體系過程中，應注意以下幾個方面：

（1）挖掘歷史數據價值，科學選擇走航路線。通過對不同點位歷史數據分析，繪制區域污染物特征地圖，從范圍、時間和時長等方面著手，進行大范圍與小區域結合的“地毯式”篩查，將敏感點與重點源走航等有機結合，擴大走航的時間和空間覆蓋率，明確選取走航路線及其頻次與周期符合要求，全力保證采集樣品的真實性和可靠性。

（2）控制監測數據質量，優化安全準確運維方案。結合設備原理，借鑒現行標準，完善質控方法，保證數據真實有效。環境監測部門應結合采樣現場的實際情況，有選擇性地選取、配置恰當的采樣設備。明確保存樣品所需條件，全力保證采集樣品無污染、不變質。工作人員應當對采樣的流量進行校準，若采樣體積存在較大的偏差，大氣監測準確度將受到嚴重影響，試驗人員在對樣品開展試驗時要注意將儀器清洗干凈、準確校正測量儀器，以保證試驗結果準確可靠。此外，還應培養專業的運維團隊，負責走航儀器的日常巡檢、定期維護、確保校準、耗材更換、故障檢修等工作，確保儀器設備正常運行并及時傳輸數據。

（3）緊跟國家政策方針，建立創新支持體系。2022 年11 月發布的《“十四五”生態環境領域科技創新專項規劃》中明確提出，強化生態環境監測監管科技創新，重點開展細顆粒物和O3協同防治。構建大氣環境監測移動實驗室監測體系應緊跟國家要求、響應國家號召。在高校與研究機構中設立環境科學項目，提供資金和設備支持，促進科研項目開展。支持環?？萍紕撔氯瞬艆⑴c國際合作項目與標準制定，提升移動實驗室的國際影響力。

（4）完善溯源排查聯動，建立示范項目案例。通過及時感知和排查溯源，督促相關企業落實整改，從源頭改善區域環境質量。在實踐中通過多重手段進一步完善異常溯源排查機制，保障溯源后的企業污染整治。通過多樣化的分析手段，探討、挖掘異常排放線索。積極宣傳項目的成果和經驗，提高公眾對大氣環境監測的重視程度。向相關部門推廣示范項目的經驗和做法，促進大氣環境監測技術的推廣應用，提高大氣環境監測水平，為大氣污染治理提供科學依據和技術支持，推動環境保護工作的進一步開展。