干散貨碼頭PM2.5監(jiān)測(cè)方法對(duì)比分析

林宇，劉長(zhǎng)兵，楊瑩，李美玲

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所水路交通環(huán)境保護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

干散貨碼頭PM2.5監(jiān)測(cè)方法對(duì)比分析

林宇，劉長(zhǎng)兵，楊瑩，李美玲

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所水路交通環(huán)境保護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

文章根據(jù)交通運(yùn)輸部天科院在天津港干散貨碼頭開展PM2.5環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)目前通用的重量法、β射線法、光散射法等PM2.5監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行梳理比較，結(jié)合干散貨碼頭區(qū)域環(huán)境空氣PM2.5濃度高的特點(diǎn)，討論適用于干散貨碼頭的PM2.5監(jiān)測(cè)分析方法。

PM2.5；環(huán)境監(jiān)測(cè)；干散貨碼頭

近年來(lái)，PM2.5的污染問(wèn)題越來(lái)越受到重視。以煤炭為代表的干散貨碼頭是港口所在地PM2.5的主要來(lái)源之一，相關(guān)部門和社會(huì)公眾越來(lái)越關(guān)注干散貨碼頭的PM2.5排放問(wèn)題。開展散貨碼頭PM2.5排放及控制研究，最重要的基礎(chǔ)工作就是開展PM2.5的濃度監(jiān)測(cè)。目前常見的PM2.5濃度監(jiān)測(cè)方法包括重量法、β射線法、光散射法、壓電晶體頻差法和微量振蕩天平法等，幾種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。交通運(yùn)輸部天科院在天津港干散貨碼頭區(qū)域采用重量法（濾膜稱重法）、β射線法和光散射法等多種監(jiān)測(cè)方法，開展了大量的PM2.5監(jiān)測(cè)工作。根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)情況，就各種監(jiān)測(cè)方法對(duì)干散貨碼頭PM2.5濃度監(jiān)測(cè)的適用性進(jìn)行對(duì)比分析。

1 干散貨碼頭PM2.5濃度主要監(jiān)測(cè)方法

（1）重量法（濾膜稱重法）。重量法，亦稱濾膜稱重法或手工法，為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分析方法。其工作原理是：通過(guò)采樣器以恒定速度抽取一定量體積空氣，將空氣中的微顆粒物截留在濾膜上，再用天平對(duì)濾膜進(jìn)行稱重得到采樣前后其重量變化，結(jié)合采樣空氣體積，計(jì)算出濃度。該方法對(duì)細(xì)小顆粒物截留效率高，測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確，被認(rèn)為是最直接、最可靠的測(cè)試方法，并作為驗(yàn)證其他測(cè)量方法的結(jié)果是否準(zhǔn)確的參比［1-5］。

根據(jù)環(huán)境保護(hù)部2013年8月發(fā)布的《環(huán)境空氣顆粒物（PM2.5）手工監(jiān)測(cè)方法（重量法）技術(shù)規(guī)范》（HJ656-2013），重量法監(jiān)測(cè)PM2.5有著非常嚴(yán)格的操作規(guī)程，包括采樣器的流量、濾膜前后稱重的恒溫恒濕過(guò)程和分析天平的精度等。

（2）β射線法。β射線法的工作原理是：隨著儀器的采樣系統(tǒng)在濾膜上收集的顆粒物增多，顆粒物質(zhì)量也將增加，此時(shí)β射線檢測(cè)器所檢測(cè)到的射線強(qiáng)度會(huì)相對(duì)應(yīng)地減弱。即β射線檢測(cè)器的輸出信號(hào)與顆粒物的質(zhì)量變化存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。將換算后測(cè)得的一定時(shí)段內(nèi)采集的顆粒物質(zhì)量，結(jié)合同時(shí)段內(nèi)所采集的樣品體積進(jìn)行計(jì)算，可獲得該時(shí)段的顆粒物濃度。但采用該法監(jiān)測(cè)時(shí)，空氣中水分（濕度）對(duì)濾膜、顆粒物吸附的影響較大，因此采樣管通常須加載相應(yīng)的動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)，以維持待測(cè)樣的濕度，使其穩(wěn)定于適宜測(cè)量的濕度值，保證測(cè)量效果［2-5］。

（3）光散射法。光散射法主要是結(jié)合Mie散射理論和顆粒物的相關(guān)參數(shù)來(lái)反推顆粒物質(zhì)量濃度，當(dāng)光照射在空氣中懸浮的細(xì)顆粒物上時(shí)，產(chǎn)生散射光。在顆粒物性質(zhì)保持一定的前提下，顆粒物的散射光強(qiáng)度和其自身的質(zhì)量濃度存在正比關(guān)系，利用質(zhì)量濃度的轉(zhuǎn)換系數(shù)（K值）就可最終獲得顆粒物的質(zhì)量濃度。該方法也可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線的非接觸監(jiān)測(cè)，直接得到測(cè)量數(shù)據(jù)，但實(shí)際應(yīng)用中顆粒物重疊、形狀、攜帶電荷等許多相關(guān)因素會(huì)引起測(cè)量結(jié)果誤差，此外，監(jiān)測(cè)結(jié)果也易受顆粒物粒徑、組成和結(jié)構(gòu)、折射性等影響［2-3，5］。

2 不同監(jiān)測(cè)方法獲得的干散貨碼頭PM2.5濃度數(shù)據(jù)分析

（1）天津港干散貨碼頭重量法（濾膜稱重法）PM2.5監(jiān)測(cè)結(jié)果分析。

交通運(yùn)輸部天科院使用中流量采樣器（型號(hào)TH?150F）對(duì)不同天氣條件下的天津港干散貨碼頭、濱海新區(qū)城區(qū)等不同污染特征的區(qū)域采樣后進(jìn)行重量法PM2.5監(jiān)測(cè)分析，同時(shí)將獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與地方環(huán)境監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，多組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明：無(wú)論在較清潔的濱海新區(qū)城區(qū)，還是在相對(duì)污染較重的干散貨碼頭堆場(chǎng)區(qū)域，同一地點(diǎn)、同一時(shí)段的多臺(tái)TH?150F采樣樣品由重量法獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有較好的一致性；在相對(duì)較清潔的濱海新區(qū)城區(qū)，重量法獲得PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與地方環(huán)境監(jiān)測(cè)站發(fā)布的公開數(shù)據(jù)符合性較好（交通運(yùn)輸部天科院重量法監(jiān)測(cè)點(diǎn)與濱海新區(qū)開發(fā)區(qū)四大街公開數(shù)據(jù)比較），差值在+1%～+25%之間浮動(dòng)；大風(fēng)天氣、粉塵污染較重的碼頭滿負(fù)荷作業(yè)時(shí)段等特殊監(jiān)測(cè)條件下獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同步性（同一地點(diǎn)多臺(tái)機(jī)器）和規(guī)律性（監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與污染源距離變化相關(guān)性等）均表現(xiàn)正常。

（2）天津港干散貨碼頭β射線法PM2.5監(jiān)測(cè)結(jié)果分析。

交通運(yùn)輸部天科院使用國(guó)內(nèi)常用的TH?β10便攜式顆粒物監(jiān)測(cè)儀，對(duì)不同天氣條件下的天津港干散貨碼頭、濱海新區(qū)城區(qū)等不同污染特征區(qū)域開展了PM2.5濃度監(jiān)測(cè)。該監(jiān)測(cè)儀根據(jù)β射線吸收原理設(shè)計(jì)，顆粒物濃度測(cè)量范圍0.02～10 mg/m3，采樣流量10 L/min，采樣斑點(diǎn)面積0.5 cm2。多組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明：在較清潔的濱海新區(qū)城區(qū)和干散貨碼頭較清潔時(shí)段（未裝卸、僅有靜態(tài)起塵時(shí)），TH?β10的監(jiān)測(cè)結(jié)果有較好的同步性（同一地點(diǎn)多臺(tái)機(jī)器）和規(guī)律性（監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與污染源距離變化相關(guān)性等）；與地方環(huán)境監(jiān)測(cè)站發(fā)布的公開數(shù)據(jù)比較，差值在+5%～+40%（β射線法略高）；與同步開展的重量法監(jiān)測(cè)值比較，β射線法的監(jiān)測(cè)結(jié)果偏高（最大差值接近+25%）；在干散貨碼頭大風(fēng)天氣、粉塵污染較重時(shí)段等監(jiān)測(cè)條件下，TH?β10監(jiān)測(cè)效果不佳。

（3）天津港干散貨碼頭光散射法PM2.5監(jiān)測(cè)結(jié)果分析。

交通運(yùn)輸部天科院針對(duì)PM2.5的監(jiān)測(cè)中，使用了國(guó)內(nèi)比較常見的LD?5C型微電腦激光粉塵儀。該儀器工作原理為光散射法，內(nèi)置濾膜采樣器，符合《空氣中粉塵濃度的光散射式測(cè)定法》（勞動(dòng)部LD98-1996）以及《鐵路作業(yè)場(chǎng)所空氣中粉塵測(cè)定相對(duì)質(zhì)量濃度與質(zhì)量濃度的轉(zhuǎn)換方法》（鐵道部TB/T2323-92）等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。儀器的測(cè)量范圍為0.01～100 mg/m3或0.001～10 mg/m3，對(duì)應(yīng)的靈敏度分別為0.01 mg/m3和0.001 mg/m3。

交通運(yùn)輸部天科院使用LD?5C粉塵儀對(duì)不同天氣條件下的天津港干散貨碼頭、濱海新區(qū)城區(qū)、交通干道兩側(cè)等不同污染特征的區(qū)域開展了監(jiān)測(cè)。多組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果提示：在相對(duì)較清潔的濱海新區(qū)城區(qū)，LD?5C粉塵儀的監(jiān)測(cè)結(jié)果與地方監(jiān)測(cè)站公布的監(jiān)測(cè)結(jié)果比較差值在+20%～+50%之間浮動(dòng)，與同步開展的重量法監(jiān)測(cè)結(jié)果比較監(jiān)測(cè)數(shù)值明顯偏高（最大差值接近+40%）；LD?5C對(duì)交通干線兩側(cè)的PM2.5濃度監(jiān)測(cè)效果略好于重量法，能夠反映出交通干線兩側(cè)不同距離PM2.5濃度的變化；在天津港干散貨碼頭利用LD?5C粉塵儀開展監(jiān)測(cè)時(shí)獲得的數(shù)據(jù)規(guī)律性較差，大風(fēng)天氣、粉塵污染較重時(shí)段等監(jiān)測(cè)條件下LD?5C的監(jiān)測(cè)結(jié)果基本無(wú)法使用。綜合分析表明：LD?5C粉塵儀粒子計(jì)數(shù)的工作原理，決定了一般情況下其監(jiān)測(cè)值大于重量法獲得的監(jiān)測(cè)結(jié)果，更適用于汽車尾氣、光化學(xué)污染物等PM2.5污染物粒數(shù)濃度較低時(shí)的測(cè)量；LD?5C粉塵儀在高濃度區(qū)間、大風(fēng)等不利天氣條件下使用效果不佳。

3 適合干散貨碼頭的PM2.5濃度監(jiān)測(cè)方法

針對(duì)散貨碼頭開展的PM2.5監(jiān)測(cè)工作有以下特點(diǎn)：

（1）散貨港口的作業(yè)區(qū)域有嚴(yán)格的安全生產(chǎn)管理要求，不能隨意接電架設(shè)采樣儀器；碼頭和堆場(chǎng)的裝卸工藝也決定了很多區(qū)域不能設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。因此需要外接電源、對(duì)機(jī)器采樣動(dòng)力要求較高（大于100 L/min）的重量法采樣儀器會(huì)有諸多掣肘之處，雖然可以利用蓄電池供電，也因電池供電時(shí)間有限使在港口區(qū)域利用重量法長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)PM2.5濃度較難實(shí)現(xiàn)。β射線法和光散射法PM2.5監(jiān)測(cè)儀器的采樣動(dòng)力要求相對(duì)較低（10L/min或更多）、同等條件下自帶電池的使用時(shí)間較長(zhǎng)，因此布設(shè)點(diǎn)位的靈活度和采樣時(shí)長(zhǎng)的表現(xiàn)都優(yōu)于重量法。

（2）散貨港口環(huán)境空氣中的PM2.5有著濃度值波動(dòng)較大的特點(diǎn)，低濃度時(shí)段可能接近地區(qū)背景值，高峰時(shí)段出現(xiàn)過(guò)10倍于地區(qū)背景值的極端情況。對(duì)于重量法來(lái)說(shuō)，由于采集的是較長(zhǎng)時(shí)段的污染物，并且收集的污染物質(zhì)量越大越有利于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制，因此該特點(diǎn)基本不會(huì)影響重量法的監(jiān)測(cè)精度。而光散射法PM2.5監(jiān)測(cè)儀器由于儀器反應(yīng)有一定的滯后性和單位時(shí)間采氣量較小，受該特點(diǎn)的影響較大，港口區(qū)域劇烈波動(dòng)的PM2.5濃度經(jīng)常會(huì)使光散射法PM2.5監(jiān)測(cè)儀器應(yīng)接不暇進(jìn)而無(wú)所適從。交通運(yùn)輸部天科院在天津港煤炭碼頭作業(yè)和非作業(yè)時(shí)段交錯(cuò)、碼頭區(qū)域風(fēng)速時(shí)有變化等PM2.5濃度頻繁變動(dòng)時(shí)段，同步利用光散射法PM2.5監(jiān)測(cè)儀器（國(guó)產(chǎn)LD?5C激光粉塵儀）和重量法（采樣儀TH?150F）開展監(jiān)測(cè)，獲得的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明，光散射法的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)明顯質(zhì)量較差，甚至出現(xiàn)理應(yīng)污染較輕的區(qū)域監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)明顯大于污染較重區(qū)域的情況。天科院在同樣條件下，同步利用β射線法監(jiān)測(cè)儀器（TH?β10粉塵監(jiān)測(cè)儀）和重量法（采樣儀TH?150F）開展比對(duì)監(jiān)測(cè)，兩套監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的差異明顯小于重量法與光散射法監(jiān)測(cè)結(jié)果的差異，說(shuō)明與光散射法比較，β射線法受PM2.5濃度值波動(dòng)的影響相對(duì)較小。但在港區(qū)環(huán)境空氣中PM2.5濃度過(guò)高時(shí)，β射線法監(jiān)測(cè)值與重量法的差異逐漸明顯，β射線法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性也趨差。

如前所述，散貨港口環(huán)境空氣中會(huì)出現(xiàn)PM2.5濃度較高的情況，此時(shí)β射線法監(jiān)測(cè)儀器的表現(xiàn)會(huì)趨于不穩(wěn)定。分析該種情況出現(xiàn)的原因，可能是局部時(shí)段PM2.5濃度過(guò)高的情況下，由于TH?β10粉塵監(jiān)測(cè)儀的單位時(shí)間進(jìn)氣量較小，采集氣體量（對(duì)應(yīng)著污染物質(zhì)量）不能完全反映高濃度時(shí)段環(huán)境空氣的特質(zhì)，并且采樣斑點(diǎn)面積也遠(yuǎn)小于重量法的采樣膜面積，獲得的分析對(duì)象質(zhì)量較小，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)誤差較大。在高濃度的條件下，該種誤差愈加凸顯。

（3）散貨港口環(huán)境空氣中的PM2.5污染物與其他區(qū)域的PM2.5污染物構(gòu)成有明顯區(qū)別，除大的區(qū)域性污染物（鍋爐煙氣、汽車尾氣、TVOC等）來(lái)源外，重要的組成是煤炭等干散貨的起塵。以煤塵或礦粉等塵粒子為主要組分的散貨港口PM2.5污染物，不同于光化學(xué)反應(yīng)等形成的其他類型PM2.5污染物，有著質(zhì)量濃度和粒子濃度關(guān)系較穩(wěn)定的特點(diǎn)，即不會(huì)由于重量法操作中的恒重環(huán)節(jié)造成水分、易揮發(fā)組分蒸發(fā)等較大比例的重量損失進(jìn)而導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果的較大誤差。由于這一特點(diǎn)，光散射法監(jiān)測(cè)儀器可以相對(duì)更加準(zhǔn)確地反映PM2.5粒子濃度的特點(diǎn)在散貨港口的PM2.5監(jiān)測(cè)中基本沒有用武之地，反而是重量法及本質(zhì)上為間接形式重量法的β射線法工作原理更加貼近散貨港口PM2.5污染物的特性。這應(yīng)該也是天科院開展的多次監(jiān)測(cè)中，光散射法儀器的表現(xiàn)明顯劣于其他兩種方法的原因之一。

結(jié)合散貨港口PM2.5污染物特點(diǎn)、監(jiān)測(cè)條件限制及交通運(yùn)輸部天科院已開展的監(jiān)測(cè)實(shí)踐工作分析，3種監(jiān)測(cè)方法的適用性和局限性總結(jié)如下：

（1）重量法：適應(yīng)干散貨碼頭區(qū)域PM2.5濃度高污染、高波動(dòng)等要求，監(jiān)測(cè)結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，但使用過(guò)程中受碼頭現(xiàn)場(chǎng)工作條件、實(shí)驗(yàn)條件等限制較多。

（2）β射線法：對(duì)干散貨碼頭區(qū)域PM2.5濃度變化的適應(yīng)性稍差，不能完全反映高濃度時(shí)段環(huán)境空氣的特點(diǎn)。但因不需要接交流電，布點(diǎn)比較靈活，受碼頭工況限制較少。在要求獲取大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)時(shí)，為提高監(jiān)測(cè)工作效率，可以充分利用β射線法快速監(jiān)測(cè)儀器，但需要配合重量法進(jìn)行校準(zhǔn)。

（3）光散射法：現(xiàn)階段使用國(guó)內(nèi)光散射法快速監(jiān)測(cè)儀器得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果重復(fù)性差、系統(tǒng)誤差較大，由于筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)尚未能利用進(jìn)口光散射法監(jiān)測(cè)儀器（如美國(guó)產(chǎn)DustTrak DRX Desktop 8530系列）開展散貨港口的PM2.5相關(guān)監(jiān)測(cè)，光散射法監(jiān)測(cè)散貨港口PM2.5濃度的可行性尚需進(jìn)一步討論。

綜上所述，碼頭現(xiàn)場(chǎng)工作條件許可的情況下，推薦使用重量法開展PM2.5監(jiān)測(cè)；如碼頭現(xiàn)場(chǎng)不具備接電等試驗(yàn)條件，可利用自帶電源的β射線法快速監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。暫不推薦干散貨碼頭區(qū)域PM2.5監(jiān)測(cè)使用LD?5C等同類光散射法監(jiān)測(cè)儀器。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)現(xiàn)階段開展的PM2.5環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)踐工作，對(duì)幾種監(jiān)測(cè)方法在散貨港口PM2.5監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用效果進(jìn)行的初步梳理分析，有很多不確定因素存在，同時(shí)還有一些監(jiān)測(cè)方法（微量振蕩天平法等）和儀器尚無(wú)條件開展實(shí)測(cè)工作。包括散貨港口在內(nèi)的PM2.5監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范化是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，需要長(zhǎng)期的環(huán)境監(jiān)測(cè)工作和大量的數(shù)據(jù)分析，并且配合源解析等其他研究手段，才有可能得出較科學(xué)的結(jié)論。后期交通運(yùn)輸部天科院會(huì)繼續(xù)開展大規(guī)模的監(jiān)測(cè)與比對(duì)分析實(shí)驗(yàn)，以期得到更加科學(xué)準(zhǔn)確的結(jié)果。

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Comparative analysis of PM2.5monitoring method in dry bulk cargo terminal

LIN Yu,LIU Chang?bing,YANG Ying,LI Mei?ling
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Environmental Protection Technology on Water Transport Engineering,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

In this paper,according to the practice experience of PM2.5monitoring in Tianjin dry bulk cargo ter?minal acquired by Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering of Ministry of Transport,the present general PM2.5monitoring methods including gravimetric method,β?ray method and light scattering method were ana?lyzed.Combined with the high concentration of PM2.5in dry bulk cargo terminal region,the monitoring methods of PM2.5for dry bulk cargo terminal were discussed.

PM2.5；environmental monitoring；dry bulk cargo terminal

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1005-8443（2014）06-0629-04

連云港港30萬(wàn)噸級(jí)航道二期將于2015年開建

2013-11-13；

2014-07-11

林宇（1973-），女，天津市人，高級(jí)工程師，主要從事交通行業(yè)環(huán)境保護(hù)研究。

Biography：LIN Yu（1973-），female，senior engineer.

本刊從連云港獲悉，交通運(yùn)輸部和江蘇省重點(diǎn)工程連云港港30萬(wàn)t級(jí)航道二期工程將于2015年上半年開工建設(shè)。據(jù)悉，連云港港30萬(wàn)t級(jí)航道二期工程計(jì)劃建設(shè)30萬(wàn)t級(jí)連云港區(qū)和徐圩港區(qū)航道、錨地及配套圍堤工程等，初步估算工程總投資約75億元，疏浚航道約70.5 km。作為徐圩港區(qū)建設(shè)的前提和關(guān)鍵，總長(zhǎng)21.78 km的防波堤工程進(jìn)展順利，截至11月底，累計(jì)完成投資22億元，占總投資的47%。據(jù)了解，連云港港30萬(wàn)t級(jí)航道一期工程于2013年10月完工并通過(guò)交工驗(yàn)收。航道的開通使得連云港港具備接納25～28萬(wàn)t級(jí)散貨船的能力，有效緩解了建成多年的30萬(wàn)t級(jí)礦石碼頭“有力使不出”的問(wèn)題。截至11月底，共有186艘次25萬(wàn)t級(jí)及以上船舶進(jìn)出，世界最大的40萬(wàn)t礦砂船“淡水河谷·馬來(lái)西亞”號(hào)輪順利進(jìn)港裝卸。（殷缶，梅深）