空气质量监测系统(AQMS)的进展

空气质量监测系统（AQMS）的进展 (The Development of the Air Quality Monitoring System)杭州市环境监测中心站 王晓熊 邮编 310007摘 要：从上世纪80年代到现在，空气质量监测系统在我国内地发展得很快，不仅数量从无到有，从少到多；而且质量也跟上了国际先进水平。本文比较了三代空气质量监测系统的优劣，重点讨论了监测仪器，并展望了空气质量监测系统的发展趋势。 关键词：空气质量监测系统（AQMS） 监测仪器 进展 一、概况 自从上世纪80年代以来，我国内地的空气质量监测系统AQMS(Air Quality Monitoring System)经历了一个从无到有，从少到多的过程。1983年北京市从美国TE公司引进了AQMS，接着广州和上海也相继引进了同类型的AQMS，80年代的中期至90年代是AQMS在中国内地迅速发展的时期，各省会城市、计划单列市以及其他的环保重点城市都相继有了AQMS。至今内地约有200多个AQMS在运转。从2000年以来，AQMS的发展重点已转向各中小城市，特别是在我国东南部经济发达地区，AQMS的发展更快一些。如浙江的富阳市，虽然是个县级市，却已经从瑞典OPSIS公司引进了2套先进的DOAS系统组成了AQMS。浙江临安市的AQMS也正在筹建之中。 二、AQMS的进展 1、AQMS的硬件 AQMS的硬件主要集中在子站，中心站的硬件就是一台电脑（控制机）及用于和子站联络的通信设备。 一个子站的硬件又可以分为采样系统、监测仪器（一次仪表）、校准设备，数据处理设备、通信设备、支持设备等。其中监测仪器是最重要的，也是本文讨论的重点。（1）监测仪器 总的来说，气体污染物的监测仪器的发展经历了第一代湿法仪器（上世纪50年代90年代），第二代干法仪器（上世纪60年代现在），第三代DOAS（Differential Optical Absorption Spectroscopy，差分吸收光谱仪，上世纪80年代现在）这么一个过程。 湿法仪器因其传感器采用了库仑池，需要大量溶液和试剂而得名。湿法仪器的基本原理是化学法和电化学法。日本Horiba公司、荷兰Philips公司和美国Beckman公司是湿法仪器的主要生产厂家。日本使用湿法仪器的历史较长，但到上世纪80年代中期，湿法仪器也逐渐被干法仪器所取代。干法仪器的基本原理是物理法和物理化学气相测量法，因为不需要溶液而被称为干法仪器。美国、法国和德国是干法仪器的主要生产国，欧美国家大多使用干法仪器。在中国，北京分析仪器厂在上世纪70年代后期和80年代初期曾研制和生产了一批湿法仪器，沈阳分析仪器厂、天津第三分析仪器厂也生产过一些湿法仪器。上世纪80年代，中国很多城市都想组建AQMS，但根据当时的经济发展水平，只有少数大城市有条件从国外直接引进先进的监测仪器，大多数中小城市只能购买国产监测仪器或国内厂家组装的进口监测仪器。再说，对于AQMS这个新事物，当时人们的认识水平还很有限。所以在上世纪80年代初期到中期，以北京分析仪器厂生产的DK系列产品为主的湿法仪器被很多省会城市用于AQMS。但这些湿法仪器少则1-2年，多则4-5就运转不下去了。使用湿法仪器在5年及5年以上的地方有西安（用的是天津第三分析仪器厂生产的湿法仪器）和南京（用的是日本Horiba公司生产的湿法仪器）。杭州在1980年-1983年曾用北京分析仪器厂生产的DK系列湿法仪器组成了第一代AQMS，规模是1个中心站1个子站，地点在杨公堤的卧龙桥边。后来杭州在1987年采用了美国ML的干法仪器组成了第二代AQMS，规模是1个中心站5个子站。西安和南京也在90年代分别采用了美国DASIBI公司和美国ML公司的干法仪器取代了湿法仪器。 相对于使用库仑池（对溶液有较高要求）的湿法仪器，基于物理原理的干法仪器在仪器的各项性能指标、如检出限、漂移、线性、重现性、精度等方面均优于湿法仪器，维护和修理更方便，更适用于无人值守的子站或流动监测车。 上世纪70年代未，DOAS被瑞典学者研制成功，瑞典OPSIS公司于上世纪80年代将DOAS作为商品推向市场，例如用于环境空气监测的AR500 、AR510和用于污染源监测的AR600、 AR610。AR500工作在紫外-可见光区域，可测NO、NH3、O3、SO2、NO2、Hg、Cl2、ClO2、HNO2、Ben、Tol、oXy、pXy、mXy等。AR510工作在可见光-红外区域，可测CO、CH4、H2O、HF等。DOAS的主要生产厂家还有美国TE公司和法国ESA公司等。DOAS最初在欧洲用得较多，继而被世界各国所广泛采用，近年来DOAS在世界各地的用户迅速增加。DOAS因其监测距离长而且是开放式的，所以有的文献称DOAS为长光程（long-path）光谱仪或开放式光程（open-path）光谱仪。相对于DOAS，干法仪器常被称为点式仪器（point analyser）或传统仪器（conventional instrument）。在中国，香港特别行政区和台湾地区是最早使用DOAS的地方，时间在上世纪90年代。内地最早使用DOAS的是深圳，以后厦门、杭州、宁波、拉萨、福州、海口、沈阳、辽阳、鞍山、富阳等地相继在AQMS中采用了DOAS。比起第一代的湿法仪器和第二代的干法仪器，第三代的DOAS的优点是非常显著的。以下就几个主要方面作一对比。 无论是湿法仪器还是干法仪器，其传感器和样气是直接接触的。对于湿法仪器，库仑池中的溶液在和样气接触后，用不了多久就得更换溶液。对于干法仪器来说，传感器内的光学元件（如透镜、反射镜、滤光片等）会受到气溶胶一类污染物的污染而蒙上污垢。使仪器的整体性能逐渐下降。一般2-3年后，需要将传感器部分拆开清洗，甚至大修。而这个过程若在工厂进行，仪器的性能还能得到恢复，但往往无法送回工厂而在现场就进行拆洗或大修，之后装配和调试的质量无法按制造厂的要求受控，一般在大修后仪器的整机性能会下降。而DOAS是非接触性仪器，和样气接触的是由发射端发射的光，各污染物的吸收光谱是通过接收端会聚后由光导纤维传导到仪器内部的传感器去的，这就确保DOAS内部的分光计（Spectroscopy）不受样气的污染从而保证其仪器性能不致下降。 湿法仪器和干法仪器都需要采样系统把样气导入仪器。采样系统的各个环节多多少少会造成被测物质的损失。有时候这种损失会比较大，例如夏天由于室外温度高，室内开空调而使采样管道容易形成水珠（在湿度大时尤其如此）这种情况对各污染物（尤其是SO2）的监测结果影响较大。而DOAS无需采样系统，不存在类似问题。 在校零问题上，DOAS更胜一筹。对监测仪器的质控来说，校零是一项重要的工作。然而在国内、各级计量部门并不提供商品零气。少数大城市可以从国外进品零气，大多数用户只能使用仪器供应商提供的零气发生器来作为零气源或购买高纯度的惰性气体（例如氮气或氩气）来作为零气。由于买不到由计量部门提供的零气，用由零气发生器提供的零气或高纯氮来校零是无法溯源的，而且肯定会有误差。所以干法仪器在校零后有时会出现负值，通常的处理办法是微调仪器上的校零旋钮或在仪器上设置一个估计的修正值。对于DOAS来说，其校准装置为一个长1米的校准池，在对仪器校零时，可以在校准池中通零气（零气发生器产生的零气或高纯氮，在现场污染物浓度较低时，可以直接使用现场空气），由于DOAS一般的监测距离为300米左右，所以零气在1米校准池上产生的误差对监测结果的影响是该误差的三百分之一，这样就很好地解决了监测仪器校零不准的难题。 漂移问题。对于监测仪器来说，漂移（零漂和标漂）是个重要的指标。湿法仪器的漂移较大，需要经常校准。干法仪器在仪器状态好的时候，漂移是不大的，但每月至少校准1-2次，如果仪器状态不佳或仪器经过大修，它的漂移就会比较大。不但影响测量结果，而且校准频次增加，而DOAS在一年或更长的时间里的漂移是非常小的。 代表性。干法仪器有时也被称为点式仪器，因为它在一个点上采集样气。而DOAS的监测距离为数百米，可以认为DOAS的监测范围大于干法仪器的监测范围，因而有更好的代表性。 异常值的识别。在仪器输出的污染物浓度数据中，如果连续3个或4个以上的小时均值为一样时，一般认为是出现了异常值。对于DOAS来说，可以通过观察污染物浓度数据对应的光强及偏差是否正常来判断，而对于干法仪器来说，只能硬性规定连续的3个还是4个数据相同应判为异常数据。 在空气污染物水平低时，DOAS更显优势。无论是湿法仪器还是干法仪器，其监测的污染物浓度在其量程的20%-80%时，其线性较好，监测数据较为准确。但一旦空气非常干净，污染物浓度在仪器量程的20%附近或以下时，干法仪器的监测数据基本上变化不大，近似于一条直线，其原因是此时仪器的线性不好，而且此时污染物在采样系统上的损失已不能忽略不计。而对于DOAS来说，在污染物浓度很低时照样给出有变化的曲线。 DOAS还能同时监测有机污染物，而干法仪器一般要另外再增加仪器，有的测总烃的干法仪器用FID作为检测器，则需配备氢气钢瓶，增加不安全因素。 DOAS的日常维护比干法仪器简单，需要的消耗品和备件较少，维护运转费用较低。关于颗粒物的监测仪器此文不进行讨论，另外撰文讨论。 （2）采样系统。采样系统的作用是让样气不受损失地以恒定的流速稳定地流过采样管道。近期的采样管道比早期的采样管道增加了加热装置和除水装置。 （3）校准设备 校准设备包括标准物质（渗透管、钢瓶气或O3发生器等）零气发生器、动态校准仪等，用于对监测仪器作单点校准或多点校准。早期的动态校准仪用转子流量计来控制和显示流量，误差较大，近期的动态校准仪用质流计代替了原来的转子流量计，可以把流量控制得较为精确，从而使动态配气较为精确。 （4）数据处理设备 数据处理设备负责数据输入/输出、A/D转换、数据存贮、数据运算等，早期的数据处理设备是一个微处理器或单板机，近期的数据处理设备是台电脑，电脑的性能也在逐年提高。早期的数据处理设备仅处理污染物的浓度数据，而且处理的手段也比较简单。近期的数据处理设备有强大的数据处理功能。在处理污染物的浓度数据方面，可以对浓度数据进行各种运算、统计、分析，编制各种报表，绘制各种图形（折线图、饼图、柱状图等），用自定的表达式设置数据过滤器，自动剔除异常数据；此外还可以处理各监测仪器输出的状态参数，有的还配有故障诊断软件，使人们可以在中心站监控各监测仪器的工作是否正常，一旦发现问题可以及时得到针对性的处理。 （5）通信设备 人们在中心站调用子站采集到的数据或对子站进行遥控操作是通过通信设备进行的。早期的通信设备有无线和有线二种。无线通信易受干扰，近年来基本上都采用通过电话线的有线通信了。数据通信时要用到调制解调器（modem），早期的modem较简陋，近期的modem好的要上千元，如3com公司的产品，采用美国德州仪器公司的芯片，质量非常不错。 （6）支持设备 支持设备最重要的是电源的分路配置和稳压设备。子站的交流输入应为三相电，对监测仪器、数据处理设备、采样泵及空调器要分相使用。可以搞双路供电或配备能坚持8小时以上的不间断电源(UPS)，这在经常要拉闸限电的地区尤为重要。稳压设备应采用比较稳定的磁饱和稳压器。其他还应配置保证恒温恒湿的装置如空调器和除湿器等，监测仪器应配置正规的仪器架。此外还应在子站备有消耗品、备件及维护修理仪器用的工具。2、AQMS的软件 AQMS的软件包括二部分，子站的电脑里存有一部分，更主要的软件是中心站的系统软件。可以说，有了软件，所有监测仪器才能组成一个完整有效的监测系统。 中心站软件的核心是实时数据采集系统。早期的软件运行在DOS平台上，功能比较简单，也无法汉化。近期的软件功能强大。如瑞典OPSIS公司提供的软件包EnviMan是一个功能非常强大的系统软件，它由许多模块组成，其核心模块ComVisioner是一个实时数据采集和数据处理模块，可以提供强大的数据采集和数据处理功能，并可以实时监控子站各仪器的工作状态。其他可供选择的模块有污染预报模块，数据统计分析模块，污染源跟踪模块等等。 三、AQMS的发展趋势 监测仪器的发展方向是提供监测更精确、使用和维护更方便、故障率更小的仪器。仪器的核心部分不和样气接触是一个很大的进步，减少仪器的运动部件则是另一个发展方向。使用实践证明，长期不停地运转的运动部件是仪器故障的主要来源。以瑞典OPSIS公司的DOAS为例，其内部的分光系统（受步进马达控制的精密光栅）和高速旋转圆盘是主要运动部件，也是主要的故障来源。目前，瑞典OPSIS公司已推出使用激光二极管作为光源、测NH3/HF/H2O的DOAS（LD500)，去掉了分光系统，使仪器工作更可靠。从理论上说，可以研制出监测各种污染物的、以激光作为光源的DOAS，但目前在可见光范围内（例如NO2）做出了用于DOAS的激光器，工作在紫外区（例如NO）的激光器的还在研制中。此外可连续调谐的激光器也在研制中。使用激光光源的DOAS更有利于长距离监测，考虑到对人眼视网膜的安全，对激光束的功率密度是有限制的。 近年来出现的差分吸收激光雷达DIAL（Differential Absorption Lidar technique）是目前最先进的监测仪器。在环境监测中的应用在国际上受到了相当的重视。美国、德国、英国、加拿大、日本等发达国家都建有用于大气污染测量的激光雷达系统，并在环境监测中发挥着重要的作用。日本通产省已着手研制能观测三维大气中物质密度和组分的环境监测用激光雷达，以测量都市上空的NOx、SOx、O3、甲烷等气体的三维立体分布。加拿大和德国也都推出了DIAL产品。除了价格昂贵之外，目前DIAL对污染物的的最低检出限还很不理想，对人眼视网膜的安全问题也需要加以考虑，因此DIAL现在仅用于科研部门，要在AQMS中采用DIAL还有待时日。在AQMS的软件方面，早期的AQMS的软件以实时数据采集为主要功能。后来AQMS的软件又增加了实时控制功能，并增强了数据处理功能。今后AQMS的软件会给用户提供更强大的数据处理功能，特别是数据的统计分析功能会非常强，最新的地理信息系统（GIS）、最新的空气质量信息系统会应用到AQMS的系统软件，形成一个庞大的软件包。那时的软件会显示各污染物的历史的或实时的二维分布或三维分布，显示各污染物在空气中的扩散过程，显示各主要污染源对当前空气质量的贡献率，显示各主要污染物源强的变化。这样的AQMS软件会为空气污染的预报、预警及控制提供更有力的手段。 附表表1 杭州市第一代空气自动监测系统配置情况（1980-1983）仪器名称仪器型号工作原理生产厂家SO2分析仪DK-6301库仑法北京分析仪器厂NO/NO2分析仪DK-9001库仑法北京分析仪器厂O3分析仪DK-5201库仑法北京分析仪器厂飘尘分析仪TC-1石英晶体振荡法北京分析仪器厂CO分析仪QGS-08非色散红外吸收法北京分析仪器厂 表2 杭州市第二代空气自动监测系统配置情况（1987-1999）仪器名称仪器型号工作原理生产厂家SO2分析仪ML8850紫外荧光法美国Monitor Labs公司NO/NO2/NOx分析仪ML8840化学发光法美国Monitor Labs公司CO分析仪QGS-08非色散红外吸收法北京分析仪器厂引进德国Maihak公司关键部件和技术飘尘监测仪XJC-1射线吸收法北京地质仪器厂TSP大流量采样器ZC-1000GTH-1000CCD-重量法上海红宇电子仪器厂武汉天虹智能仪表厂浙江苍南三维仪表有限公司动态标准仪ML-8550用零气稀释高浓度标气对仪器作多点标准美国Monitor Labs公司零气发生器TE111清除干扰物质输出零气美国TE公司数据采集仪EVL2000数据采集、A/D转换、数据存贮美国Monitor Labs公司气象仪器HD-1使用风向、风速、气压、温度、湿度传感器中美宁加公司引进美国Handa公司传感器和关键技术组成。 表3 杭州市第三代空气自动监测系统配置情况（1999-现在）仪器名称仪器型号工作原理生产厂家差分式吸收光谱仪(DOAS)AR500差分吸收光谱法瑞典OPSIS公司颗粒物监测仪TEOM RP1400FH62C14微量振荡天平法射线吸收法美国RP公司美国TE公司CO分析仪TE48C气体滤波相关红外吸收法法美国TE公司动态校准仪TE146用零气稀释高浓度标气对仪器作多点标准美国TE公司零气发生器TE111清除干扰物质输出零气美国TE公司气象仪器MetOne使用风向、风速、气压、温度、湿度传感器美国TE公司 表4 三代空气监测仪器的技术性能比较（以SO2监测仪为例） 仪器型号性能参数北分DK6301（湿法）ML8850（早期干法）TE43C（近期干法）OPSIS AR500(DOAS)量程00.5 mg/m300.5 ppm00.5 ppm01000ug/m3零漂10ppb/24h2ppb/24 h1ppb/24 h2 ug/m3 /月标漂（80%量程处）5%/24 h1%/24 h1%/24 h4%/年线性误差（不大于量程的）5%2%1%1%响应时间不大于5分钟不大于2分钟不大于2分钟不大于1分钟检出限25 ug/m31 ppb1 ppb0.5 ppb噪声5 ppb1 ppb0. 5 ppb0.5 ppb 参 考 文 献 1胡春华、郑玲哲，SO2、NOX测定技术的最新进展，环境科学和技术, 1999 ,22(2):46-492万本太等，中国环境监测技术路线研究， 湖南,湖南科学技术出版社, 2003:16-61.3齐文启、孙宗光、边归国等，环境监测新技术，北京，化学工业出版社，2004.：383-431.4E.D.欣克利，大气激光监测，北京，科学出版社,1984:24-27,107-113.5荒木 峻、高橋 昭，大気污染自動分析，京都,日本, 化学同人,1974:5-57.6Stevens et al.，Evaluation of a Differential Optical Absorption Spectrometer as an A