城市環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)與質(zhì)量控制應(yīng)用研究

吳紅敏

(上海市市容環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測中心,上海 200085)

近年來,公眾對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的要求越來越高,政府及相關(guān)部門對(duì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量越來越重視。目前環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測已成為城市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測的主要手段,對(duì)城市環(huán)境空氣質(zhì)量的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)均來自于自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)24 h不間斷運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)了環(huán)境空氣監(jiān)測的實(shí)時(shí)性和連續(xù)性,加強(qiáng)了城市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測能力建設(shè),同時(shí)為揭示環(huán)境空氣質(zhì)量現(xiàn)狀及變化趨勢提供了數(shù)據(jù),為管理部門的科學(xué)決策提供了依據(jù),自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量至關(guān)重要。因此,在系統(tǒng)運(yùn)行期間應(yīng)采取有效的質(zhì)量控制手段,確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)由空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測子站、中心計(jì)算機(jī)室、質(zhì)量保證實(shí)驗(yàn)室和系統(tǒng)支持實(shí)驗(yàn)室構(gòu)成。空氣質(zhì)量監(jiān)測子站主要由子站站房、采樣裝置、監(jiān)測儀器、校準(zhǔn)設(shè)備、數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備、輔助設(shè)備等組成[1-6]。

1.1 布點(diǎn)及站房建設(shè)

城市環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測站點(diǎn)位布設(shè)應(yīng)按照《環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ 664—2013)進(jìn)行選址建設(shè),點(diǎn)位應(yīng)具有代表性、可比性、整體性、前瞻性和穩(wěn)定性,點(diǎn)位應(yīng)位于城市的建成區(qū)內(nèi),數(shù)量應(yīng)根據(jù)城市建成區(qū)人口數(shù)量和建成區(qū)面積確定,并相對(duì)均勻分布,覆蓋全部建成區(qū)[7]。

站房建設(shè)應(yīng)滿足《環(huán)境空氣氣態(tài)污染物(SO2、NO2、O3、CO)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)安裝驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》(HJ 193—2013)和《環(huán)境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)安裝驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》(HJ 655—2013)中對(duì)于站房基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)、面積、配電、防火、防雷等的相關(guān)要求,站房內(nèi)應(yīng)配置空調(diào)、穩(wěn)壓電源、防雷、防火、視頻監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)等附屬設(shè)備[1-2],確保站房內(nèi)溫濕度適宜、環(huán)境穩(wěn)定,配套設(shè)施健全,以提供監(jiān)測設(shè)備安全、穩(wěn)定、有效的工作環(huán)境。

1.2 監(jiān)測項(xiàng)目

按照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)要求配備SO2、NO2、CO、O3、PM10和PM2.5六項(xiàng)基本監(jiān)測設(shè)備,監(jiān)測設(shè)備分析方法應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,其中PM10和PM2.5采用β射線法或微量振蕩天平法,O3采用紫外熒光法、化學(xué)發(fā)光法或差分吸收光譜法,SO2采用紫外熒光法或差分吸收光譜法,NO2采用化學(xué)發(fā)光法或差分吸收光譜法,CO采用氣體濾波相關(guān)紅外吸收法或非分散紅外吸收法[8-9]。也可根據(jù)實(shí)際工作需求,增加總懸浮顆粒物、鉛、有機(jī)物、溫室氣體、顆粒物組分等特征污染物監(jiān)測設(shè)備。

1.3 校準(zhǔn)系統(tǒng)

監(jiān)測設(shè)備在運(yùn)行過程中需要進(jìn)行定期的校準(zhǔn)以保證準(zhǔn)確性。環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)中校準(zhǔn)系統(tǒng)主要包括校準(zhǔn)設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)氣體和校準(zhǔn)膜等。其中校準(zhǔn)設(shè)備主要包括動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀、零氣發(fā)生器、臭氧校準(zhǔn)儀、流量計(jì)、氣壓計(jì)、溫度計(jì)等,動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀和零氣發(fā)生器主要是用來配置一定濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體,對(duì)SO2、NO2、CO、O3氣態(tài)分析儀進(jìn)行校準(zhǔn),臭氧校準(zhǔn)儀主要是對(duì)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀中的臭氧發(fā)生器進(jìn)行量值傳遞,以保證子站O3能夠溯源到國家標(biāo)準(zhǔn)。流量計(jì)、氣壓計(jì)和溫度計(jì)主要是用來檢查和校準(zhǔn)監(jiān)測設(shè)備的流量、氣壓和溫度等,所使用的校準(zhǔn)器具均應(yīng)在計(jì)量檢定有效期內(nèi)。標(biāo)準(zhǔn)氣體主要包括SO2、NO、CO氣體,主要用來檢查和校準(zhǔn)氣態(tài)分析儀的響應(yīng),標(biāo)準(zhǔn)氣體均應(yīng)在有效期內(nèi)使用。顆粒物校準(zhǔn)膜主要用來檢查和校準(zhǔn)顆粒物分析儀的濃度響應(yīng)。

2 環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測質(zhì)量控制措施

2.1 制度體系建設(shè)

環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測質(zhì)量控制需建立質(zhì)量管理體系文件,體系文件內(nèi)容主要包括站點(diǎn)建設(shè)及驗(yàn)收、設(shè)備管理、自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)操作和使用制度、日常巡檢制度、定期維護(hù)制度、定期檢查和校準(zhǔn)制度、易耗品定期檢查和更換制度、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)使用和管理制度以及監(jiān)測數(shù)據(jù)審核、人員培訓(xùn)及考核制度等,上述體系文件應(yīng)依據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及主管部門的管理規(guī)定編制,可作為環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測工作和相關(guān)質(zhì)量管理活動(dòng)的依據(jù),為監(jiān)測系統(tǒng)正常運(yùn)行提供質(zhì)量保障。

2.2 質(zhì)量控制措施

2.2.1 監(jiān)測設(shè)備質(zhì)量控制

監(jiān)測設(shè)備質(zhì)量控制主要包括日常維護(hù)、校準(zhǔn)和性能審核等[5-6]。

2.2.1.1 日常維護(hù)

日常維護(hù)包括對(duì)子站站房、監(jiān)測設(shè)備、中心計(jì)算機(jī)以及實(shí)驗(yàn)室的日常檢查和維護(hù),保證環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測儀器全年連續(xù)正常運(yùn)行。

1)子站日常巡檢:子站日常巡檢每周至少1次,檢查站房內(nèi)溫濕度、采樣系統(tǒng)、排風(fēng)排氣系統(tǒng)、標(biāo)氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)以及各種輔助設(shè)備等,保證子站正常運(yùn)行環(huán)境。

2)監(jiān)測設(shè)備日常維護(hù):監(jiān)測設(shè)備日常維護(hù)包括定期檢查更換儀器內(nèi)部關(guān)鍵零部件、采樣紙帶/濾膜等耗材等,清潔過濾裝置、采樣頭和采樣管路等,保證監(jiān)測設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

3)中心計(jì)算機(jī)日常檢查:中心計(jì)算機(jī)日常檢查包括數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與備份情況等。

4)實(shí)驗(yàn)室日常檢查:實(shí)驗(yàn)室日常檢查包括實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件、校準(zhǔn)設(shè)備及器具工作狀態(tài)、備用監(jiān)測儀器工作狀態(tài)、耗材備件使用情況以及輔助設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等。

日常維護(hù)是一種預(yù)防性質(zhì)量控制手段,確保監(jiān)測儀器具有良好的監(jiān)測環(huán)境,保持較好的工作狀態(tài),保證監(jiān)測儀器連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2.1.2 校準(zhǔn)檢查

1)氣態(tài)分析儀日常校準(zhǔn)檢查:氣態(tài)分析儀日常校準(zhǔn)檢查主要包含零點(diǎn)和跨度以及多點(diǎn)校準(zhǔn)檢查,具備自動(dòng)校準(zhǔn)條件的氣態(tài)分析儀,每天進(jìn)行一次零點(diǎn)和跨度檢查,不具備自動(dòng)校準(zhǔn)條件的監(jiān)測設(shè)備,每周開展一次零點(diǎn)、跨度檢查,其中跨度檢查一般使用的標(biāo)氣濃度為80%量程對(duì)應(yīng)的濃度,當(dāng)發(fā)現(xiàn)零點(diǎn)和跨度漂移超過儀器調(diào)節(jié)控制限時(shí),應(yīng)及時(shí)對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)(控制限見圖1)。同時(shí)應(yīng)至少每半年對(duì)監(jiān)測儀器進(jìn)行一次多點(diǎn)檢查,除此之外,還需要對(duì)監(jiān)測設(shè)備每月開展采樣流量檢查和校準(zhǔn),對(duì)采用化學(xué)發(fā)光法的NO2監(jiān)測儀器,要每半年檢查一次二氧化氮轉(zhuǎn)化爐(鉬爐)的轉(zhuǎn)換效率,轉(zhuǎn)換效率應(yīng)≥96%。

圖1 質(zhì)量控制圖

2)顆粒物分析儀日常校準(zhǔn)檢查:顆粒物分析儀日常校準(zhǔn)檢查主要包含采樣流量和標(biāo)準(zhǔn)膜/校準(zhǔn)常數(shù)檢查校準(zhǔn),每月使用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)對(duì)采樣流量進(jìn)行檢查,若實(shí)測流量與設(shè)定流量超出±5%范圍內(nèi),則須對(duì)流量進(jìn)行校準(zhǔn)。對(duì)于β射線法監(jiān)測儀器,每半年使用外置校準(zhǔn)膜進(jìn)行一次標(biāo)準(zhǔn)膜檢查,檢查結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)膜值的誤差應(yīng)在±2%范圍內(nèi),否則進(jìn)行校準(zhǔn)。對(duì)于振蕩天平法監(jiān)測儀器,每半年用標(biāo)準(zhǔn)膜進(jìn)行檢查,實(shí)測校準(zhǔn)常數(shù)與出廠校準(zhǔn)常數(shù)的誤差應(yīng)在±2.5%范圍內(nèi),否則進(jìn)行校準(zhǔn)。除此之外,顆粒物監(jiān)測儀器每季度應(yīng)使用經(jīng)過計(jì)量的溫度計(jì)和氣壓計(jì)進(jìn)行檢查,儀器顯示溫度與實(shí)測溫度應(yīng)在±2 ℃范圍內(nèi),顯示氣壓與實(shí)測氣壓應(yīng)在±1 kPa范圍內(nèi),否則應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.2.1.3 性能審核

精密度表示測量的重復(fù)性,測試結(jié)果隨機(jī)誤差越小,儀器精密度結(jié)果越高。準(zhǔn)確度表示測量的準(zhǔn)確性,指多次測定的平均值與真值相符合的程度。氣態(tài)污染物分析物性能審核包括精密度和準(zhǔn)確度審核,顆粒物分析儀性能審核為準(zhǔn)確度審核,監(jiān)測儀器進(jìn)行性能審核之前,不能改動(dòng)監(jiān)測儀器的任何參數(shù),如果和氣態(tài)分析儀器零/跨調(diào)節(jié)一起進(jìn)行的話,精密度和準(zhǔn)確度審核應(yīng)在零跨調(diào)節(jié)之前進(jìn)行。

氣態(tài)污染物分析儀精密度審核方法為連續(xù)多次向分析儀通入同一濃度的標(biāo)氣,標(biāo)氣濃度一般為滿量程的20%,每次待儀器讀數(shù)穩(wěn)定后記錄儀器示值,計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差,來確定儀器的精密度。準(zhǔn)確度審核方法為向分析儀通入一系列濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體,標(biāo)氣濃度一般為儀器滿量程的10%,20%,40%,60%和80%等5個(gè)濃度點(diǎn),待儀器穩(wěn)定后記錄各濃度下儀器示值,計(jì)算示值與標(biāo)氣濃度的平均相對(duì)誤差,來確定儀器的準(zhǔn)確度。

顆粒物分析儀準(zhǔn)確度審核包含流量審核、氣溫審核、氣壓審核、濕度審核以及參比方法審核。其中流量審核中實(shí)測流量與設(shè)定流量誤差應(yīng)在±5%范圍內(nèi),與示值流量誤差在±2%范圍內(nèi);氣溫審核中儀器顯示溫度與實(shí)測溫度的誤差應(yīng)在±2 ℃范圍內(nèi);氣壓審核中顯示氣壓與實(shí)測氣壓的誤差應(yīng)在±1 kPa范圍內(nèi);濕度審核中儀器顯示濕度與實(shí)測濕度的誤差應(yīng)在±4%范圍內(nèi)。參比方法審核是使用經(jīng)審核后的采樣器與顆粒物自動(dòng)監(jiān)測儀器同時(shí)段進(jìn)行采樣,且每日有效采樣時(shí)間不少于20 h,每次獲取不少于5個(gè)日均值,將自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)與手工監(jiān)測數(shù)據(jù)的日均值進(jìn)行比對(duì)分析,每日自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)與手工監(jiān)測數(shù)據(jù)的相對(duì)偏差應(yīng)達(dá)到數(shù)據(jù)質(zhì)量目標(biāo),若偏離,則應(yīng)對(duì)自動(dòng)監(jiān)測儀器進(jìn)行檢查與維修后再進(jìn)行比對(duì)分析,直到滿足準(zhǔn)確度審核要求。

根據(jù)技術(shù)規(guī)范要求,監(jiān)測儀器至少每季度進(jìn)行1次精密度審核,每年至少進(jìn)行1次準(zhǔn)確度審核。精密度和準(zhǔn)確度審核均用于對(duì)環(huán)境空氣連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的外部質(zhì)量控制,是監(jiān)測儀器質(zhì)量控制的關(guān)鍵手段。

2.2.2 量值溯源與傳遞

2.2.2.1 計(jì)量器具量值溯源

用于量值傳遞的計(jì)量器具,如流量計(jì)、氣壓表、壓力計(jì)、真空表、溫度計(jì)、分析天平等,應(yīng)按計(jì)量檢定的要求每年進(jìn)行一次計(jì)量檢定。

2.2.2.2 氣態(tài)污染物分析儀量值溯源

氣態(tài)污染物分析儀器使用標(biāo)準(zhǔn)氣體或校準(zhǔn)儀進(jìn)行量值溯源,其中SO2、NO2和CO分析儀使用標(biāo)準(zhǔn)氣體,其中標(biāo)準(zhǔn)氣體要在有效期內(nèi)使用。O3分析儀使用O3校準(zhǔn)儀或者動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀中的O3發(fā)生器產(chǎn)生特定濃度的O3標(biāo)準(zhǔn)氣體,O3校準(zhǔn)儀和動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀中的O3發(fā)生器要定期進(jìn)行量值傳遞,其中配有光度計(jì)的校準(zhǔn)儀至少每半年使用傳遞標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行1次量值傳遞,未配備光度計(jì)的校準(zhǔn)儀至少三個(gè)月使用傳遞標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行1次量值傳遞,確保在傳遞有效期內(nèi)使用。

2.2.2.3 顆粒物分析儀量值溯源

顆粒物分析儀無標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),因此對(duì)顆粒物分析儀的量值溯源主要是對(duì)用于量值傳遞的計(jì)量器具每年進(jìn)行一次檢定,同時(shí)按質(zhì)量控制要求使用計(jì)量器具對(duì)顆粒物分析儀流量、氣壓、壓力以及溫濕度進(jìn)行檢查和校準(zhǔn)。

2.2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量保證

監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量保證主要是通過數(shù)據(jù)審核來完成的,數(shù)據(jù)審核主要是判斷數(shù)據(jù)的有效性,剔除無效數(shù)據(jù),保留有效數(shù)據(jù)的過程。對(duì)于缺失和判斷為無效的數(shù)據(jù)均應(yīng)注明原因,并保留原始記錄。

2.2.3.1 有效數(shù)據(jù)

有效數(shù)據(jù)為監(jiān)測系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的所有監(jiān)測數(shù)據(jù),應(yīng)全部參與統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)。

2.2.3.2 無效數(shù)據(jù)

1)對(duì)儀器進(jìn)行檢查、校準(zhǔn)、維護(hù)保養(yǎng)或儀器出現(xiàn)故障等非正常監(jiān)測期間的數(shù)據(jù),儀器啟動(dòng)至預(yù)熱完成時(shí)段內(nèi)的數(shù)據(jù);

2)氣態(tài)污染物零點(diǎn)漂移或跨度漂移超出控制限時(shí),從發(fā)現(xiàn)超出控制限的時(shí)刻到儀器恢復(fù)至控制限以下時(shí)段內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.2.3.3 零值/負(fù)值

1)在低質(zhì)量濃度環(huán)境條件下,儀器零點(diǎn)漂移控制限內(nèi)的零值或負(fù)值,應(yīng)進(jìn)行修正,其中氣態(tài)污染物SO2修正為3 μg/m3、NO2修正為2 μg/m3、CO修正為0.3 mg/m3、O3修正為2 μg/m3,顆粒物PM10和PM2.5修正為2 μg/m3。

2)儀器故障、運(yùn)行不穩(wěn)定或不受控情況下出現(xiàn)的零值或負(fù)值為無效數(shù)據(jù),不參加統(tǒng)計(jì)[5-6]。

2.2.4 監(jiān)測人員

監(jiān)測人員是指與自動(dòng)監(jiān)測活動(dòng)和質(zhì)量管理有直接關(guān)聯(lián)的人員,在質(zhì)量控制工作中起到關(guān)鍵作用,因此參與自動(dòng)監(jiān)測的人員應(yīng)具備監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行維護(hù)、質(zhì)量保證與質(zhì)量控制、儀器維修、儀器校準(zhǔn)、異常情況上報(bào)、監(jiān)測數(shù)據(jù)初步審核以及監(jiān)測系統(tǒng)管理的能力,同時(shí)應(yīng)不斷學(xué)習(xí),定期參加相關(guān)的技術(shù)培訓(xùn),學(xué)習(xí)新的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,參加培訓(xùn)考核,通過環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測人員上崗證考核。監(jiān)測人員需確保上崗證在有效期內(nèi),方可從事相應(yīng)的監(jiān)測工作,若未取得上崗證,必須在持證人員指導(dǎo)下開展工作,并在一定期限內(nèi)盡快取得上崗證[10]。

3 結(jié)論與建議

綜上所述,城市環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)為大氣污染控制提供了數(shù)據(jù)支撐,助力了環(huán)境空氣質(zhì)量的改善,推動(dòng)了生態(tài)文明建設(shè)工作。其中質(zhì)量控制是環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)工作中的關(guān)鍵一環(huán),是確保監(jiān)測數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確的重要手段,因此,在自動(dòng)監(jiān)測工作中,要高度重視質(zhì)量控制工作,加強(qiáng)監(jiān)測人員培訓(xùn)和學(xué)習(xí),提升專業(yè)技術(shù)水平,嚴(yán)格按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范開展質(zhì)量控制工作,完善環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)工作,進(jìn)一步提高環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測工作的科學(xué)性、規(guī)范性,使監(jiān)測數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠。