PM2.5監(jiān)測(cè)技術(shù)及防控措施研究

陶巍巍，許曉楠，華海寧

(長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西西安 710064)

1 PM2.5污染現(xiàn)狀

PM2.5是指空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑≤2.5 μm的大氣顆粒物，或可入肺顆粒物。PM2.5的污染主要表現(xiàn)在對(duì)大氣環(huán)境和人類健康影響方面，其中對(duì)大氣影響主要是空氣質(zhì)量和可見度等方面[1-2]。

1.1 對(duì)大氣環(huán)境的影響

近幾年，我國多數(shù)大中城市出現(xiàn)連續(xù)多日的嚴(yán)重霧霾天氣，造成這種現(xiàn)狀的主要原因是大氣顆粒物PM2.5，市區(qū)的多個(gè)國控空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)位所在地一度陷入嚴(yán)重污染。相關(guān)研究表明，PM2.5的總量與該地區(qū)的工業(yè)化程度和經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度有較大關(guān)系。

2013年1月，長沙市多日被霧霾籠罩，市區(qū)的能見度急劇降低，給交通等帶來極大安全隱患。據(jù)長沙市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站介紹，長沙市自2013年元旦實(shí)施空氣質(zhì)量新國標(biāo)，全市PM2.5日均為285 μg/m3，單個(gè)站點(diǎn)最高為308 μg/m3。2013-01-01—01-20，空氣質(zhì)量僅有3 d達(dá)標(biāo)，PM2.5監(jiān)測(cè)結(jié)果更是超標(biāo)2～3倍。當(dāng)?shù)貧庀缶忠呀?jīng)連續(xù)拉響大霧警報(bào)[3]。2013-01-06，西安市環(huán)保局的環(huán)境空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)*發(fā)布系統(tǒng)上顯示，13個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的PM2.5數(shù)據(jù)均為重度污染。其中數(shù)據(jù)最高的碑林區(qū)，高達(dá)700 μg/m3，超過文獻(xiàn)[4]中規(guī)定的最高值的9倍。

1.2 對(duì)人體健康的影響

PM2.5給人體健康帶來的危害不是單一的，會(huì)引發(fā)人體的呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)等方面的炎癥或病變[5]。PM2.5顆粒的直徑很小，能逃避鼻腔、鼻粘膜等呼吸道的過濾作用，直接由人體的呼吸道到達(dá)肺泡。這些微小的顆粒物能夠長期存留在肺部深處，給正常的氣體交換造成嚴(yán)重影響，可誘發(fā)多種肺部疾病，甚至可以誘發(fā)肺癌等疾病。這些大氣微粒物還能通過人體的支氣管和肺氣泡，進(jìn)入人體的血液循環(huán)，使有害氣體、有毒重金屬等間接溶解在血液中，對(duì)人造成更大傷害。同時(shí)PM2.5還可以載著病毒、細(xì)菌等進(jìn)入人體，這樣對(duì)人類尤其是嬰幼兒造成極大的危害。

文獻(xiàn)[6]建立了居民短期接觸PM2.5污染的暴露反應(yīng)關(guān)系，并得到結(jié)論：大氣PM2.5濃度每升高100 μg/m3，居民死亡發(fā)生率增加12.07%。

2 PM2.5監(jiān)測(cè)措施

目前幾種主流的監(jiān)測(cè)方法是重量法、微量振蕩天平法和β射線法。表1是大氣顆粒物的分類及分析方法。

表1 大氣顆粒物的分類及分析方法

2.1 重量法

目前，我國測(cè)定大氣顆粒物最主要的方法是重量法。重量法是通過具有特定切割性質(zhì)的采樣設(shè)備，以恒定的抽氣速度取得一定體積的空氣，使PM2.5和PM10都沉積在具有一定質(zhì)量的濾膜上，通過采樣前后濾膜的質(zhì)量差和采樣體積，計(jì)算出PM2.5和PM10的濃度。

采樣測(cè)量時(shí)需要注意測(cè)量的條件。氣體體積應(yīng)該是標(biāo)準(zhǔn)工況下(0 ℃、101.3 kPa)的，應(yīng)將實(shí)況下的體積換算成標(biāo)準(zhǔn)工況下的體積。采樣環(huán)境及采樣頻率都要嚴(yán)格按照文獻(xiàn)[7]中的要求進(jìn)行。

2.2 微量振蕩天平法

微量振蕩天平法是在一個(gè)質(zhì)量傳感器中安裝一個(gè)空心振蕩錐形瓶管，振蕩的一段預(yù)先安裝好一個(gè)可以更換的濾膜。振蕩天平法的振蕩頻率取決于錐形管的特性和質(zhì)量。在樣品氣流經(jīng)過濾膜時(shí)，空氣中的顆粒物將截留在濾膜上。振蕩頻率根據(jù)濾膜質(zhì)量的變化而發(fā)生變化，根據(jù)振蕩頻率的變化計(jì)算出顆粒物的質(zhì)量，進(jìn)而得出進(jìn)氣樣中該顆粒物的質(zhì)量濃度。

顆粒檢測(cè)微量振蕩天平法的主要儀器設(shè)備是采樣頭、切割刀、過濾膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)、采樣泵等。采樣的一般流程是，將流量控制在1 m3/h，當(dāng)采樣氣經(jīng)過采樣頭和切割刀后變成符合技術(shù)要求的標(biāo)準(zhǔn)顆粒物樣品。標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)入過濾膜動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中，樣品流經(jīng)濾膜后顆粒物沉積在濾膜上。這樣濾膜上顆粒物的質(zhì)量使振蕩頻率發(fā)生變化，通過準(zhǔn)確檢測(cè)頻率的變化來確定顆粒物的質(zhì)量。最后，根據(jù)樣品體積，得出樣品的濃度。

2.3 β射線法

空氣樣品被泵入采樣管中，經(jīng)過濾膜后，顆粒物被截留在濾膜上，而β射線會(huì)隨著顆粒物的增多而衰減，β射線的吸收量與粉塵粒子的質(zhì)量成正比，所以由顆粒物吸收的β射線的量就可以測(cè)量出顆粒物的質(zhì)量濃度。

這種監(jiān)測(cè)方法需要附加一個(gè)前提條件，假設(shè)儀器校準(zhǔn)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)濾膜與采集微粒物的成分相同，這樣根據(jù)β射線吸收的量可得到最終數(shù)據(jù)結(jié)果。由于在實(shí)際監(jiān)測(cè)條件下，很難做到標(biāo)準(zhǔn)濾膜的成分與采樣成分一致，測(cè)量的準(zhǔn)確性就受到影響，而且還受到采樣流量及采樣顆粒物成分的影響。但是這種監(jiān)測(cè)方法可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果較振蕩天平法更高，所以得到國內(nèi)外環(huán)境監(jiān)測(cè)部門的一致認(rèn)可。

3 PM2.5控制途徑和防控措施

3.1 控制途徑

PM2.5對(duì)環(huán)境和人類都存在著極大的危害，但是防治和控制PM2.5的難度極大，主要原因是不僅要控制一次粒子排放，更要控制二次粒子排放，而二次粒子排放的前體物NOx、SO2等的形成是多方面的，控制起來會(huì)更加困難。

1)控制一次粒子

人為增加空氣濕度和采用先進(jìn)的吸塵裝置都是較好的控制途徑。人為的增加空氣濕度，在室外可以采用灑水車增大空氣濕度，在室內(nèi)可以使用空氣加濕器，潮濕的空氣可以有效控制顆粒物的擴(kuò)散和對(duì)人體造成的危害。另外，國內(nèi)外有些凝并技術(shù)也很有幫助，這些凝并技術(shù)的主要原理是使細(xì)顆粒物相互碰撞結(jié)合成較大的顆粒物，常用的凝并技術(shù)有電動(dòng)凝并、磁凝并、化學(xué)凝并等[8]。

2)控制二次粒子

最關(guān)鍵是控制二次粒子的前提物質(zhì)。這些前提物質(zhì)主要是來自燃料的燃燒、生產(chǎn)工藝等。對(duì)于氮氧化合物，主要是通過控制燃料中氮的含量，燃燒之前需進(jìn)行脫氮處理，同時(shí)改善燃燒效率和對(duì)燃燒后的產(chǎn)物進(jìn)行脫硝。對(duì)于氧化硫的控制，主要是對(duì)燃燒產(chǎn)物進(jìn)行去除硫化物的工藝，用堿性物與其反應(yīng)轉(zhuǎn)化成固體的硫酸鹽。

3.2 防控措施

1)控制污染源

將可控制的污染源凈化處理，提高凈化效率或采用清潔能源，從根本上有效降低PM2.5的排放量。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果證明，桑塔納轎車使用M15甲醇汽油比使用93#汽油HC排放降低28.5%；M15甲醇柴油(YC6105玉柴)NOx降低31.3%。根據(jù)PM2.5的不同排放來源，采取不同的控制措施。提高燃料的凈化效率、改善燃燒、強(qiáng)化汽車尾氣的催化氧化均能有效降低PM2.5二次粒子排放。實(shí)驗(yàn)得知，使用三元催化后氮氧化合物的轉(zhuǎn)化率可達(dá)79.6%[9]。

2)加快PM2.5排放標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用

我國的PM2.5排放標(biāo)準(zhǔn)起步較晚，因此需要進(jìn)一步加快完善PM2.5標(biāo)準(zhǔn)在各種檢測(cè)與評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[10]。2013年，北京市淘汰高排放老舊機(jī)動(dòng)車約18萬輛，減少揮發(fā)性有機(jī)物排放5 000 t以上，二氧化硫、氮氧化物排放量同比均降低2%。文獻(xiàn)[11]中增加了細(xì)顆粒物PM2.5和臭氧8 h濃度限值監(jiān)測(cè)指標(biāo)，嚴(yán)格控制污染物的濃度限值，將有效數(shù)據(jù)要求由原來的50%～75%提高至75%～90%。

3)切斷傳播途徑

增加空氣濕度，或者使用先進(jìn)的凝并技術(shù)，使<2.5 μm的微粒物被阻斷或變成粒徑較大的顆粒物，降低危害。同時(shí)，增大城市綠化面積，植物是天然的“吸塵器”和“加濕器”，即使是極細(xì)小的顆粒物也能被枝葉吸附和截留，從而阻斷傳播。一般采用高質(zhì)量的高效過濾網(wǎng)的空氣凈化器，對(duì)PM2.5凈化效率可達(dá)99%。近日多市紛紛出臺(tái)政策加強(qiáng)植被覆蓋率，旨在控制PM2.5。佛山市將新增3.43萬畝森林，長沙市引進(jìn)吸塵樹新增綠地350萬公頃。

4 結(jié)語

從對(duì)PM2.5監(jiān)測(cè)技術(shù)的原理入手，有針對(duì)性的提出了降低PM2.5的途徑和根本措施。從根本上解決PM2.5危害的措施和技術(shù)還需要進(jìn)一步探究和研究。本文提出的切斷傳播途徑中的增大綠化程度，目前還沒有以植樹造林為綠化建設(shè)對(duì)PM2.5治理效用的定性分析，綠化建設(shè)采用怎么樣的模式才更好的治理PM2.5等一系列問題都亟待研究。

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