基于ELPI＋測(cè)量的上海市區(qū)大氣可吸入顆粒物粒徑分布

時(shí)超林，潘衛(wèi)國(guó)，陶邦彥，郭瑞堂，丁紅蕾

（1.上海電力學(xué)院上海發(fā)電環(huán)保工程技術(shù)研究中心，上海 200090；2.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，上海 200240）

1 空氣污染程度和空氣質(zhì)量狀況

自2013年以來(lái)京津冀、長(zhǎng)三角等地頻頻爆發(fā)顆粒物污染，大氣顆粒物中可吸入顆粒物已成為我國(guó)城市空氣的首要污染物［1］，并且將維持相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。可吸入顆粒物（IP）是指空氣動(dòng)力學(xué)粒徑小于10μm的大氣顆粒物，其中粒徑小于2.5μm的顆粒物稱為可入肺顆粒物（RPM）［2］。細(xì)顆粒物的來(lái)源可分為自然源和人工源，顯然大氣顆粒物污染是由人類活動(dòng)引起的。2013年12月2日，由綠色和平與英國(guó)利茲大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在北京發(fā)布的《霧霾真相—京津冀地區(qū)PM2.5污染解析及減排策略研究》指出：煤炭燃燒排放出的大氣污染物是整個(gè)京津冀地區(qū)霧霾的最大根源。

2012年6月，上海PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)試點(diǎn)發(fā)布點(diǎn)位從最初的2個(gè)監(jiān)控點(diǎn)增加到10個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，并發(fā)布全市可吸入顆粒物的平均濃度。這標(biāo)志著上海對(duì)大氣可吸入顆粒物的監(jiān)測(cè)進(jìn)入了實(shí)質(zhì)性階段。從2013年11月底到12月初，上海持續(xù)霧霾天氣，空氣質(zhì)量級(jí)別均為中度以上，空氣污染指數(shù)與質(zhì)量等級(jí)如表1所示?？諝馕廴局笖?shù)（API）就是將常規(guī)監(jiān)測(cè)的幾種空氣污染物濃度簡(jiǎn)化成為單一的概念性指數(shù)值的形式，分級(jí)表征空氣污染程度和空氣質(zhì)量狀況，以此表示城市的短期空氣質(zhì)量狀況和變化趨勢(shì)。

表1 空氣污染指數(shù)等級(jí)

空氣污染指數(shù)涉及的常規(guī)污染物有：煙塵、總懸浮顆粒物、可吸入懸浮顆粒物（浮塵）、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、臭氧、揮發(fā)性有機(jī)化合物等。環(huán)保機(jī)構(gòu)只發(fā)布顆粒物濃度狀況，并沒(méi)有發(fā)布詳細(xì)的顆粒物粒徑分布情況，為了檢測(cè)出霧霾空氣中可吸入顆粒物的濃度及其顆粒粒徑分布情況，可使用電稱低壓撞擊器（ELPI＋）測(cè)量。

2 ELPI＋工作原理

ELPI＋測(cè)量大氣顆粒物原理如圖1所示。在圖1中，含有細(xì)顆粒的空氣首先進(jìn)入單極電暈充電室進(jìn)行充電，帶電的顆粒物被氣流運(yùn)送到裝有絕緣收集層的串級(jí)低壓撞擊器上，精密電子測(cè)量計(jì)對(duì)進(jìn)入每個(gè)層面的帶電顆粒物的電荷量進(jìn)行實(shí)時(shí)電量測(cè)量，測(cè)量后將電荷量信號(hào)轉(zhuǎn)化為顆粒物的粒徑分布。

每一級(jí)撞擊器上由于帶電顆粒連續(xù)沉積所產(chǎn)生的電荷量由一個(gè)多通道靜電計(jì)測(cè)得，電荷量與顆粒數(shù)量濃度的關(guān)系為［4］：

圖1 ELPI＋測(cè)量大氣顆粒物原理

式中：N為顆粒數(shù)量濃度；I為校正電流；P為顆粒通過(guò)電暈的比率；n為顆粒的基本電荷數(shù)；e為基本電荷電量；Q為可吸入顆粒物流量（10L／min）。

3 ELPI＋的測(cè)量過(guò)程與測(cè)量結(jié)果

3.1 測(cè)量過(guò)程

基于ELPI＋測(cè)量的實(shí)驗(yàn)在2013年12月4日7：40至10：00進(jìn)行，地點(diǎn)位于上海市楊浦區(qū)河間路的上海電力學(xué)院校園內(nèi)。由于校園內(nèi)無(wú)車輛揚(yáng)塵以及汽車尾氣，有利于精確測(cè)量空氣中的可吸入顆粒物。實(shí)驗(yàn)設(shè)置ELPI＋每隔10s記錄一個(gè)數(shù)據(jù)，共記錄了840組數(shù)據(jù)。

3.2 測(cè)量結(jié)果及分析

3.2.1 測(cè)量時(shí)間段內(nèi)數(shù)量濃度與質(zhì)量濃度的變化曲線與誤差分析

在測(cè)試的140min內(nèi)，可吸入顆粒物的數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度變化曲線如圖2和圖3所示。根據(jù)測(cè)量的結(jié)果顯示，這短時(shí)間內(nèi)的可吸入顆粒物PM10的平均數(shù)量濃度為27 955個(gè)／cm3，質(zhì)量濃度為270μg／m3，其中PM2.5的平均數(shù)量濃度為27 660個(gè)／cm3，質(zhì)量濃度為141.8μg／m3。而上海市監(jiān)測(cè)點(diǎn)當(dāng)天發(fā)布的PM2.5的質(zhì)量濃度為143μg／m3，PM10的質(zhì)量濃度286μg／m3，與測(cè)量數(shù)據(jù)基本吻合。

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，引起測(cè)量數(shù)據(jù)誤差的主要因素如下。

1）環(huán)保部門所用的大氣顆粒物的測(cè)量?jī)x器多為β射線法顆粒物監(jiān)測(cè)儀、微振蕩天平等，由于所使用的儀器不同，造成的測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)有細(xì)微差別。

2）顆粒物具有遷移的特性，并且受環(huán)境大氣壓力、溫度、風(fēng)速、空氣相對(duì)濕度以及測(cè)量地點(diǎn)的影響。

3）環(huán)保部門發(fā)布的數(shù)據(jù)為8h或24h內(nèi)的顆粒物時(shí)均質(zhì)量濃度，比本次測(cè)量的時(shí)間更長(zhǎng)。

3.2.2 數(shù)量濃度與質(zhì)量濃度粒徑分布與分析

在采樣的140min內(nèi)，各級(jí)采樣粒徑范圍內(nèi)的數(shù)量濃度與質(zhì)量濃度的時(shí)均值如表2所示。

圖2 測(cè)量時(shí)間內(nèi)可吸入顆粒物數(shù)量濃度變化圖

圖3 測(cè)量時(shí)間內(nèi)可吸入顆粒物質(zhì)量濃度變化圖

表2 可吸入顆粒物粒徑分布

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可吸入顆粒物數(shù)量濃度粒徑分布圖如圖4所示。值得注意的是ELPI的測(cè)量最小值是0.006μm，而顆粒物的數(shù)量集中分布在2.500μm以下，因此為了使圖形不擁擠難辨，對(duì)粒徑大小取對(duì)數(shù)后作為橫坐標(biāo)。

圖4 可吸入顆粒物數(shù)量濃度粒徑分布圖

由圖4可知，在上海市的大氣可吸入顆粒物中，粒徑在1μm以下的顆粒物占99%，具體分布見表3。這說(shuō)明上海的霧霾空氣中的大氣顆粒物絕大部分為可吸入肺顆粒物。若顆粒物上富集重金屬、多環(huán)芳香烴、多環(huán)苯類、細(xì)菌、病毒等，會(huì)誘發(fā)心腦血管疾病、呼吸道疾病甚至癌癥等，嚴(yán)重危及到人們的身體健康［5］?？晌腩w粒物質(zhì)量濃度粒徑分布如圖5所示。

圖5 可吸入顆粒物質(zhì)量濃度粒徑分布

由可吸入顆粒物的粒徑分布表2與圖4、圖5可知，在上海的霧霾天氣中，可入肺顆粒物PM2.5數(shù)量占PM10的99%以上，其中亞微米顆粒數(shù)量更是高達(dá)89.76%，PM2.5的質(zhì)量百分比可達(dá)到52.5%。由此可見，上海霧霾大氣顆粒物中PM2.5是主要顆粒污染物，是降低上海市大氣可見度的主要因素。

4 結(jié)論

1）本次測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果中顆粒物的質(zhì)量濃度與環(huán)保部門發(fā)布的數(shù)據(jù)高度吻合，具有參考價(jià)值和依據(jù)。

2）本次測(cè)量結(jié)果顯示，上海市的霧霾空氣中的顆粒物絕大部分為PM2.5，因此遇到霧霾天氣應(yīng)當(dāng)盡量減少戶外活動(dòng)，敏感人群應(yīng)當(dāng)采取相關(guān)的保護(hù)措施。

3）近日霧霾污染頻頻發(fā)生應(yīng)當(dāng)引起政府和環(huán)保機(jī)構(gòu)的重視。治理霧霾污染不能只依靠大氣的自我凈化，還需要合理規(guī)劃經(jīng)濟(jì)發(fā)展，取締高污染的小企業(yè)，鼓勵(lì)并重視新能源與可再生能源的開發(fā)等。此外，提高人們的環(huán)保意識(shí)，降低公共交通成本，鼓勵(lì)綠色出行，提高機(jī)動(dòng)車的燃油質(zhì)量等也是切實(shí)可行的措施。

4）我國(guó)的發(fā)電高度依賴燃煤電廠，在煤炭地位暫時(shí)不可取代的情況下，有必要開發(fā)精除塵設(shè)備，以減少燃煤電廠的細(xì)顆粒物的排放。

［1］闞海東，陳秉衡，汪宏.上海市城區(qū)大氣顆粒物污染對(duì)居民健康危害的經(jīng)濟(jì)學(xué)評(píng)價(jià)［J］.中國(guó)衛(wèi)生經(jīng)濟(jì)，2004，23（2）：8－11.

［2］Gibbs A R，Pooley F D.Occupational lung disease：3－analysis and interpretation of inorganic mineral particles in“l(fā)ung”tissues［J］.Thorax，1996，51（3）：327－334.

［3］劉雙喜，陳杰峰.ELPI在重型車車載PM測(cè)試中的應(yīng)用研究［J］.汽車工程，2007，29（7）：21－24.

［4］王波，韓秀坤，何超.ELPI在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)微粒排放測(cè)試上的應(yīng)用［J］.車輛與動(dòng)力技術(shù)，2008，29（7）：582－585.

［5］The World Bank and the Chinese State Environment Protection Agency.Cost of pollution in China：economic estimates of physical damages［C］／／Call for a Green China Beijing，China，2007.