某工業(yè)園區(qū)VOCs監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)研究與應(yīng)用

方鏡堯，童頌穎，張 林，鮑雅莉，沈盼盼，翁興彪，顧海濤

（聚光科技（杭州）股份有限公司，浙江 杭州 310052）

0 引言

從1979年我國(guó)首個(gè)工業(yè)園區(qū)——深圳蛇口工業(yè)區(qū)設(shè)立至今，工業(yè)園區(qū)經(jīng)歷了從無(wú)到有，從弱到強(qiáng)的蛻變，截止到2018年全國(guó)各類工業(yè)園區(qū)22 000余家，成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要引擎，在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用[1-3]。但工業(yè)園在產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，其VOCs 污染防治問題也日益突出。有資料顯示，工業(yè)園區(qū)VOCs 排放量占人為源VOCs 排放總量的39% ～ 47%[4-5]。VOCs 排放濃度較高、成分復(fù)雜，易導(dǎo)致局部光化學(xué)污染和霧霾污染，嚴(yán)重影響空氣環(huán)境質(zhì)量[6-9]。苯乙烯、甲硫醇、甲硫醚等是工業(yè)園區(qū)惡臭的主要來(lái)源，對(duì)周邊居民有較大的健康危害風(fēng)險(xiǎn)，投訴事件頻發(fā)，嚴(yán)重影響園區(qū)和當(dāng)?shù)卣墓残蜗骩10-11]。因此，開展工業(yè)園區(qū)VOCs監(jiān)測(cè)預(yù)警體系建設(shè)研究十分必要和迫切。

國(guó)內(nèi)基于物聯(lián)網(wǎng)的大氣污染物監(jiān)測(cè)預(yù)警管理系統(tǒng)的研究已有不少，江蘇[12]、上海[13]、浙江[14]、山東[15]等地對(duì)工業(yè)園區(qū)都進(jìn)行了大氣污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的探索，為將物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)管理工作提供了必要依據(jù)。但總體而言，我國(guó)預(yù)警管理系統(tǒng)的發(fā)展起較晚，目前部分預(yù)警信息平臺(tái)存在系統(tǒng)性規(guī)劃不足、監(jiān)測(cè)因子缺乏代表性、預(yù)警閾值濃度標(biāo)準(zhǔn)不一致等問題，導(dǎo)致平臺(tái)存在報(bào)警準(zhǔn)確性不高、報(bào)警產(chǎn)生后無(wú)響應(yīng)流程或響應(yīng)速度過(guò)慢，無(wú)法達(dá)到預(yù)期的污染監(jiān)管作用。

本研究針對(duì)某工業(yè)園區(qū)大氣污染特征、污染監(jiān)管現(xiàn)狀和監(jiān)管需求，通過(guò)篩選優(yōu)控污染物，優(yōu)化污染物預(yù)警閾值，結(jié)合覆蓋“點(diǎn)”“面”“域”的大氣立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建系統(tǒng)化、專業(yè)化和自動(dòng)化VOCs 監(jiān)測(cè)預(yù)警管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)園區(qū)VOCs 全方位監(jiān)測(cè)預(yù)警及風(fēng)險(xiǎn)防控，遏制環(huán)境污染和風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生，提升園區(qū)整體預(yù)警能力與監(jiān)管能力。

1 研究區(qū)域概況

該工業(yè)園區(qū)位于我國(guó)東部沿海地區(qū)，屬典型的海洋性季風(fēng)氣候，全年平均氣溫14.9 ℃，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南偏東。該園區(qū)占地12 km2，屬于精細(xì)化產(chǎn)業(yè)園區(qū)，內(nèi)有企業(yè)100 多家，主要涉及基礎(chǔ)化學(xué)原料制造、醫(yī)藥制造、農(nóng)藥制造、涂料制造和橡膠制造等。由于園區(qū)規(guī)模龐大、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、管理職責(zé)重大等特點(diǎn)，園區(qū)環(huán)保管理存在一些難點(diǎn)，園區(qū)污染源多且密、中小企業(yè)迭代頻繁、部分企業(yè)偷排漏排現(xiàn)象嚴(yán)重、周邊居民信訪投訴事件時(shí)有發(fā)生。園區(qū)目前已建有多個(gè)超級(jí)站和傳感器，有一定的監(jiān)測(cè)能力基礎(chǔ)，需建立一套完整且有效的污染物監(jiān)測(cè)預(yù)警管理系統(tǒng)對(duì)污染物進(jìn)行監(jiān)測(cè)、溯源和綜合管控，使工業(yè)園區(qū)在促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，降低對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境的危害。

2 VOCs 監(jiān)測(cè)預(yù)警管理系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 技術(shù)路線

通過(guò)調(diào)研園區(qū)現(xiàn)狀、行業(yè)類型分布以及企業(yè)污染物排放特征，梳理和統(tǒng)計(jì)園區(qū)企業(yè)排放的VOCs特征因子庫(kù)，基于嗅閾值、臭氧生成潛勢(shì)（OFP）、二次有機(jī)氣溶膠生成潛勢(shì)（SOAFP）、存儲(chǔ)量、毒性等級(jí)、潛在危害指數(shù)等指標(biāo)作為篩選參數(shù)，篩選出優(yōu)控VOCs 物種；在合理的布點(diǎn)監(jiān)測(cè)和預(yù)警閾值研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建工業(yè)園區(qū)VOCs 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警管理系統(tǒng)。技術(shù)路線見圖1。當(dāng)發(fā)生污染物超標(biāo)報(bào)警或居民投訴事件時(shí)，系統(tǒng)將檢索排放該污染物的企業(yè)并繪制出近期污染物排放量時(shí)序圖，進(jìn)而輔助和指導(dǎo)管理者識(shí)別可疑企業(yè)，完成預(yù)警處置、預(yù)警解除和整理歸檔等工作。

圖1 某工業(yè)園區(qū)VOCs 監(jiān)測(cè)預(yù)警管理系統(tǒng)示意

2.2 VOCs 優(yōu)控因子篩選

篩選識(shí)別園區(qū)內(nèi)重點(diǎn)管控的VOCs 物種，是確定監(jiān)測(cè)技術(shù)、監(jiān)測(cè)設(shè)備以及部署立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)的基礎(chǔ)。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開展了較多的大氣污染物名錄的篩選研究[16]，篩選環(huán)境優(yōu)先污染物的方法有層次分析法、模糊評(píng)價(jià)法、潛在危害指數(shù)法、綜合評(píng)分法等，其研究機(jī)理為結(jié)合污染物毒性分析、風(fēng)險(xiǎn)表征、嗅閾值、存儲(chǔ)量、最大反應(yīng)活性等因子確定初篩污染物，然后通過(guò)定量評(píng)分系統(tǒng)和半定量評(píng)分系統(tǒng)對(duì)污染物進(jìn)行綜合評(píng)定，確定最終優(yōu)控污染物質(zhì)名單[16-18]。

優(yōu)控污染物的篩選步驟如下：

（1）依據(jù)園區(qū)資料，包括入園企業(yè)名單、企業(yè)環(huán)評(píng)報(bào)告和竣工環(huán)保驗(yàn)收監(jiān)測(cè)報(bào)告等，統(tǒng)計(jì)園區(qū)各企業(yè)所屬行業(yè)、原輔料、工藝流程及最終產(chǎn)品等涉及的VOCs 物種，建立各企業(yè)排放的VOCs 特征因子庫(kù)。

（2）結(jié)合有毒有害大氣污染名錄、行業(yè)地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)、歷史環(huán)境事件中出現(xiàn)的大氣污染物以及上述調(diào)研的VOCs 因子庫(kù)，形成工業(yè)園區(qū)優(yōu)控因子初篩名單。

（3）結(jié)合離線檢測(cè)、源譜構(gòu)建和排放量估算等方法進(jìn)行研究，計(jì)算園區(qū)各VOCs 物種排放量和存儲(chǔ)量。

（4）基于各VOCs 物種的嗅閾值、臭氧生成潛勢(shì)（OFP）、二次有機(jī)氣溶膠生成潛勢(shì)（SOAFP）、存儲(chǔ)量、毒性等級(jí)、潛在危害指數(shù)等指標(biāo)作為篩選參數(shù)，建立評(píng)分指標(biāo)體系。

（5）對(duì)各篩選參數(shù)引入權(quán)重系數(shù)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，結(jié)合污染控制技術(shù)可達(dá)性以及監(jiān)測(cè)能力，確定最終優(yōu)控因子名單。在加權(quán)計(jì)算過(guò)程中，采用專家論證方法進(jìn)行賦值，取嗅閾值權(quán)重指數(shù)r1=0.15，臭氧生成潛勢(shì)權(quán)重指數(shù)r2=0.15，二次有機(jī)氣溶膠生成潛勢(shì)權(quán)重指數(shù)r3=0.1，存儲(chǔ)量權(quán)重指數(shù)r4=0.15，毒性等級(jí)權(quán)重指數(shù)r5=0.25，潛在危害指數(shù)權(quán)重指數(shù)r6=0.2，根據(jù)j=r1a1j+r2a2j+r3a3j+r4a4j+r5a5j+r6a6j計(jì)算綜合評(píng)分，其中aij為第j 種物質(zhì)第i 個(gè)指標(biāo)所得的分值；bj為第j 種物質(zhì)的綜合評(píng)分。

通過(guò)上述加權(quán)計(jì)算方法，篩選出前20 位的優(yōu)控因子清單，詳見表1。

表1 某化工園區(qū)優(yōu)控因子清單

2.3 VOCs 立體監(jiān)測(cè)體系搭建

依據(jù)可比性、整體性、前瞻性、代表性和穩(wěn)定性的布點(diǎn)原則，參考國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，采用多目標(biāo)規(guī)劃的優(yōu)化布點(diǎn)方法，對(duì)園區(qū)中有組織排放過(guò)程、無(wú)組織排放區(qū)域，以及廠界路邊站和敏感點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行布點(diǎn)監(jiān)測(cè)。結(jié)合園區(qū)現(xiàn)狀、地域特點(diǎn)及優(yōu)控因子，全面分析氣相色譜法、光譜法和質(zhì)譜法等主流監(jiān)測(cè)技術(shù)的適用性及局限性，選取適用于園區(qū)優(yōu)控因子的監(jiān)控技術(shù)和方法，布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，構(gòu)建“點(diǎn)”“面”“域”立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

“點(diǎn)”監(jiān)測(cè)主要為污染源排口監(jiān)測(cè)（包括非甲烷總烴、苯系物等）、治理設(shè)施工況監(jiān)控、泄漏檢測(cè)與修復(fù)（LDAR）和企業(yè)內(nèi)無(wú)組織有毒有害氣體監(jiān)測(cè)（報(bào)警儀）等，全面覆蓋各企業(yè)生產(chǎn)、存儲(chǔ)過(guò)程中污染物有組織和無(wú)組織排放過(guò)程；“面” 監(jiān)測(cè)主要為對(duì)園區(qū)重點(diǎn)污染企業(yè)低架源污染擴(kuò)散及在生產(chǎn)操作過(guò)程中導(dǎo)致的污染逸散，通過(guò)20 個(gè)廠界路邊站（高精度微型氣站）進(jìn)行加密監(jiān)測(cè)，對(duì)污染擴(kuò)散情況的實(shí)時(shí)追蹤；“域”監(jiān)測(cè)主要為園區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)向處和2 個(gè)居民區(qū)交界處各布設(shè)1 套超級(jí)空氣站，監(jiān)測(cè)因子為甲烷、非甲烷總烴及園區(qū)優(yōu)控VOCs 物種。此外，采用便攜式監(jiān)測(cè)設(shè)備輔助支持大氣污染的預(yù)警工作。

2.4 VOCs 監(jiān)測(cè)預(yù)警閾值確定

通過(guò)儀器點(diǎn)位監(jiān)測(cè)到的污染濃度值，配合設(shè)定的具體預(yù)警閾值，可在第一時(shí)間發(fā)布報(bào)警信息，啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)與處置措施。根據(jù)國(guó)家、地方相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求以及站點(diǎn)監(jiān)測(cè)目的要求，對(duì)不同類型站點(diǎn)分別設(shè)計(jì)不同的預(yù)警閾值，閾值設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）“點(diǎn)源”監(jiān)測(cè)中的企業(yè)有組織排放源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采取行業(yè)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值作為基礎(chǔ)預(yù)警閾值。

（2）廠界監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，采用國(guó)家、地方標(biāo)準(zhǔn)中的廠界無(wú)組織排放的標(biāo)準(zhǔn)值作為基礎(chǔ)預(yù)警閾值。

（3）靠近居民區(qū)的超級(jí)空氣站觀測(cè)的VOCs 物種，采用國(guó)標(biāo)TJ 36—79 中規(guī)定的濃度限值作為基礎(chǔ)預(yù)警閾值；對(duì)于TJ 36—79 不包含的VOCs 物種，使用工業(yè)場(chǎng)所有毒有害因素職業(yè)接觸限制（OEL），職業(yè)接觸限值考慮到接觸者的容許接觸水平，并給出臨界不良健康效應(yīng)。因涉及的污染物項(xiàng)目較多，須設(shè)置反應(yīng)不同健康影響的3 級(jí)濃度限值，可基本滿足預(yù)警閾值設(shè)立的需求。

除預(yù)設(shè)預(yù)警閾值信息外，為更好地反映監(jiān)測(cè)濃度值變化情況以及儀器聯(lián)網(wǎng)情況，分別設(shè)定濃度值趨勢(shì)預(yù)警和儀器斷線報(bào)警閾值，結(jié)合基礎(chǔ)預(yù)警閾值設(shè)置輕度（1 級(jí)）、中度（2 級(jí)）、重度（3 級(jí)），不同級(jí)別的預(yù)警閾值。

2.5 VOCs 監(jiān)測(cè)預(yù)警管理系統(tǒng)

VOCs 監(jiān)測(cè)預(yù)警管理系統(tǒng)，通過(guò)統(tǒng)一的多維度的預(yù)警判斷規(guī)則，采用多場(chǎng)景任務(wù)處置流程規(guī)則，實(shí)現(xiàn)預(yù)警事件有效識(shí)別及快速響應(yīng)處置，有效保障化工園區(qū)企業(yè)及周邊居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。通過(guò)事件信息管理實(shí)現(xiàn)對(duì)園區(qū)整體預(yù)警形勢(shì)的全面掌握，可結(jié)合歷史預(yù)警數(shù)據(jù)確定重點(diǎn)管控方向，保障化工園區(qū)安全平穩(wěn)運(yùn)行。

結(jié)合園區(qū)監(jiān)測(cè)預(yù)警實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，監(jiān)測(cè)預(yù)警全過(guò)程管控平臺(tái)業(yè)務(wù)邏輯包括：①事前預(yù)警產(chǎn)生，即通過(guò)設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合濃度閾值限值、產(chǎn)生頻次等條件設(shè)定不同等級(jí)預(yù)警；②事中響應(yīng)處置，即通過(guò)平臺(tái)端的流轉(zhuǎn)條件設(shè)定進(jìn)行預(yù)警事件的響應(yīng)，結(jié)合多種通知方式分級(jí)通知不同角色處置人員（運(yùn)維管理人員、企業(yè)負(fù)責(zé)人、管理部門接警人員和管理部門領(lǐng)導(dǎo)等），基于不同報(bào)警級(jí)別分別實(shí)施相對(duì)應(yīng)的報(bào)警處置流程，基于各節(jié)點(diǎn)的人員處置情況進(jìn)行節(jié)點(diǎn)管控，同時(shí)可聯(lián)動(dòng)溯源平臺(tái)分析和指揮調(diào)度，處置完成后解除預(yù)警；③事后歸檔管理，即對(duì)預(yù)警事件的整理歸檔。系統(tǒng)管控流程見圖2。

圖2 監(jiān)測(cè)預(yù)警全過(guò)程閉環(huán)管控流程

3 VOCs 監(jiān)測(cè)預(yù)警管理系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 案例描述

2019年4月20日3:00 至6:00，居民區(qū)附近的超級(jí)空氣站產(chǎn)生VOCs 1 級(jí)報(bào)警，報(bào)警物種為丙酮和苯乙烯，報(bào)警時(shí)刻污染物濃度見表2。二者濃度均高于TJ 36—79 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的居住區(qū)大氣中有害物質(zhì)的最高容許濃度限值。

表2 報(bào)警時(shí)刻丙酮和苯乙烯濃度值 mg·m-3

經(jīng)運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)核查，儀器端數(shù)據(jù)正常。報(bào)警期間園區(qū)大氣處于高濕度、穩(wěn)定氣壓和低風(fēng)速的狀態(tài)，大氣穩(wěn)定度較高高。初步分析原因?yàn)榉€(wěn)定的邊界層大氣不利于污染物擴(kuò)散，污染物在工業(yè)園區(qū)下風(fēng)向居民區(qū)得到累積，而該居民區(qū)恰好位于工業(yè)園區(qū)下風(fēng)向。

3.2 污染源排查

（1）基于特征因子的可疑企業(yè)篩選：檢索園區(qū)VOCs 監(jiān)測(cè)預(yù)警管理系統(tǒng)中57 家企業(yè)VOCs 排放特征因子庫(kù)可知，涉及到丙酮排放的企業(yè)為A～F 共6家企業(yè)，涉及到苯乙烯排放的企業(yè)為A，B，E，G，H共5 家企業(yè)，將以上8 家企業(yè)列為可疑企業(yè)。

（2）基于非甲烷總烴排放量的可疑企業(yè)篩選：由于企業(yè)排口處未安裝檢測(cè)丙酮和苯乙烯的監(jiān)測(cè)設(shè)備，無(wú)法核算報(bào)警時(shí)段前后企業(yè)丙酮和苯乙烯的排放量，故采用非甲烷總烴的排放量作為可疑企業(yè)篩選依據(jù)。檢索環(huán)境監(jiān)控預(yù)警平臺(tái)污染源數(shù)據(jù)（2019年4月19日20:00 至2019年4月20日6:00），在報(bào)警前，8 家企業(yè)污染源非甲烷濃度超標(biāo)報(bào)警且有排放量上升趨勢(shì)的企業(yè)有A，E，H 3 家，故將此3家企業(yè)列為最終導(dǎo)致報(bào)警的可疑企業(yè)。3 家企業(yè)的非甲烷總烴濃度時(shí)間序列分析見圖3。

圖3 企業(yè)非甲烷總烴濃度時(shí)間序列

3.3 案例小結(jié)

2019年4月20日3:00 至6:00，居民區(qū)附近的超級(jí)空氣站產(chǎn)生VOCs1 級(jí)報(bào)警，報(bào)警物種為丙酮和苯乙烯。通過(guò)查詢企業(yè)特征因子庫(kù)，確定站點(diǎn)周邊可疑企業(yè)8 家，進(jìn)一步監(jiān)測(cè)上述企業(yè)有組織排口非甲烷總烴排放量信息，確定3 家可疑企業(yè)可能與站點(diǎn)監(jiān)測(cè)因子濃度高值有關(guān)，建議對(duì)該3 家企業(yè)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注和進(jìn)一步排查。

4 結(jié)論

本研究構(gòu)建的工業(yè)園區(qū)VOCs 監(jiān)測(cè)預(yù)警管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了該園區(qū)VOCs 的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警及可疑企業(yè)的篩選，提升了園區(qū)整體預(yù)警能力和監(jiān)管能力。VOCs 預(yù)警閾值的合理設(shè)定、園區(qū)企業(yè)VOCs 特征因子庫(kù)或污染物排放源成分譜的完善，將進(jìn)一步提升VOC 監(jiān)測(cè)預(yù)警管理系統(tǒng)的預(yù)警能力和可疑企業(yè)識(shí)別能力，使該系統(tǒng)發(fā)揮更大效用。