空气中颗粒物检测方案(颗粒物监测仪)

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大气细颗粒物PM2.5在线源解析技术方案 大气细颗粒物PM2.5在线源解析技术方案 器仪信禾州广 广州禾信仪器股份有限公司 2020年 .目录 一、背景. 二、目的和意义 三、PM2.5在线源解析质谱监测系统..... 2 3.1产品名称 .3.2系统介绍 2 3.2.1单颗粒气溶胶质谱仪.... 3 3.2.2污染源谱库. 4 3.2.3“指纹”比对模型...... .6 .3.3技术特点...... 6 五、精细化源解析1..... 8 六、技术服务. 11 一、背景 面对严重的灰霾污染，各地区环境管理部门把大气污染防治作为关系到科技民生的大项目来抓，采取综合措施治理大气污染，制定大气污染防治总体实施方案。然而大气污染的治理，不仅要“说得清”空气污染多严重，还要“说得清”是什么、从哪里来，这就需要开展准确而及时的实时动态源解析工作。 二、目的和意义 ◇ 为了摸清楚城市大气的 PM2.5来源组成，，以及主要污染来源，为城市的大气污染精准管控、靶向治理提供技术支撑。PM2.5在线源解析该系统可以发挥如下作用： I(1)空气质量达标规划和总量减排目标 ①指明污染治理的方向，做到靶向治理，最大限度保证经济正常发展。 ②为动态调控、精细化总量减排提供依据。通过污染源动态信息获取，判断颗粒物浓度变化主因，从而实现精确控制，明确精细化减排方案。 ③结合各点位产业结构特色，为产业结构的调整提供科学数据； ④快速评估治理措施的成效，及时调整治理方向和措施，降低治理成本。 (2)重污染天气应急监测 重污染过程监测和快速源解析。通过在线源解析，可持续观测整个重污染天气过程，分析重污染天气发生前、中、后期污染来源构成及贡献率随时间变化趋势等，获取高时间分辨率(最快可达1小时)的源解析结果，以最快的速度向环境管理部门反馈重污染天气发生的可能原因，从而采取有效针对措施进行应急处理，降低重污染天气的影响； (3)环境应急、污染投诉事件处理 ①环境应急事件的迅速响应。血铅、重金属大气污染等应急事件发生时，利用源解析结果和指纹谱库及时锁定污染源，及时消除不良社会影响，保证人民生命安全； ②异常排放快速判识，污染投诉排查时迅速找到污染源。通过持续监测，可 发现特殊污染物(如有毒有害物)的异常排放，进一步结合源解析结果，锁定肇事单位。 三、PM2.5在线源解析质谱监测系统 3.1产品名称 大气细颗粒物(PM2.5)在线源解析质谱监测系统(Single Particle Aerosol MassSpectrometer，简称 SPAMS) 3.2系统介绍 PM2.5在线源解析质谱监测系统可以实现大气环境中细颗粒物(PM2.5)实时在线监测，得到细颗粒物(PM2.5)污染源来源解析饼图和各污染源占比随时间变化趋势，从而为大气污染治理指明方向，做到靶向治理，并可以实现大气重污染过程监测和快速源解析。 PM2.5在线源解析质谱监测系统包括三部分：单颗粒气溶胶质谱仪(简称SPAMS)、污染源谱库和“指纹”比对模型。在线源解析的基础在于指纹特征差异化的污染源谱库，比如：机动车尾气、燃煤、工艺工业等的谱图，这些谱图相当于每一个污染源的“指纹”，当仪器在某地进行监测时，与仪器配套的模型比对系统会自动将实时测到的每个颗粒物特征与谱库中的谱图进行比对，即：：“指纹”比对，及时判断出颗粒物的来源。 3.2.1单颗粒气溶胶质谱仪 单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS)是基于质谱技术的在线源解析产品，是目前国内首台 PM2.5在线源解析监测设备，产品外观见图1。 图1 SPAMS 外观 单颗粒气溶胶质谱仪主要包含进样系统、测径系统、电离系统和质谱分析系统，如图2所示。基本原理为：气溶胶颗粒通过进样管进入仪器，在三级差动真空条件下，不同颗粒由于粒径的不同导致不同的速度，然后颗粒在空气动力学透镜的作用下聚焦成为准直颗粒束，在离开空气动力学透镜后进入测径区，在测径区颗粒连续经过两束 532nm测径激光器发射的激光束，产生的散射光分别被椭 球面镜反射聚焦到光电倍增管(PMT)上得以检测，通过时序电路测量两个 PMT信号的时间间隔，就可以计算颗粒的飞行速度，进而换算出颗粒的空气动力学直径，另外颗粒的速度还用来控制当颗粒到达电离区中心的时候电离激光出射激光将颗粒电离。颗粒进入电离区后，被 266nm Nd：YAG 紫外脉冲激光电离产生正负离子，然后离子被双极型飞行时间质量分析器检测，可同时得到颗粒物的正负离子信息。 图2 SPAMS 内部结构图 寸3.2.2污染源谱库 不同污染源具有不同的指纹特征信息，如扬尘源谱图中主要含有常见的地壳元素，如镁、铝、钙、铁及硅酸盐等，见图3；生物质燃烧源谱图中重要为富离子和左旋葡聚糖等特征峰；；机动车尾气源中主要是黑碳颗粒(Ci+~C10*，Ci~C5)、重金属和亚磷酸盐等，见图4；：燃煤中主要的特征峰为元素碳有机碳颗粒(C2H3*/C3H*/C5H*/C5H2*/C5H3*等)的特征峰；工业工艺源谱图中主要为重金属(Fe*、Cu*、Zn*、Pb*等)及高分子有机物等特征峰。 图3扬尘源谱图 图4机动车尾气谱图 典型排放源特征谱图包括扬尘、生物质燃烧、机动车尾气、燃煤、餐饮和工业工艺源。各种污染源具体采集对象见表1。 表1各种污染源采集对象 序号 源类 具体采集对象 1 机动车尾气源 汽油车、柴油车、重型卡车、轮船等 2 燃煤源 燃煤电厂、燃煤锅炉等 3 扬尘源 降尘、道路尘、建筑尘、堆场尘等 4 工业工艺源 水泥、钢铁、塑料、树脂等 5 餐饮源 餐厨油烟等 6 生物质燃烧源 生物质成型燃料燃烧、秸秆焚烧等 7 3.2.3“指纹”比对模型 “指纹”比对模型基于示踪离子法或共振网络神经算法(ART-2a)，将监测到的单个颗粒质谱信息与污染源谱库进行对比，从而将该颗粒算作来自某个污染源，经过一段时间的统计分析，即可得出该监测点位大气细颗粒物来源解析饼图，见图5，图中清楚的显示每类污染源对大气的贡献比例。并可获取每类污染源贡献比例随时间变化趋势(如图6)，在重污染天气情况下，可明确知道污染源的变化趋势。 图5大气细颗粒物来源解析饼图 图6每类污染源贡献比例随时间变化趋势 3.3技术特点 单机运行模式下即可同时提供无机元素和有机物种的信息，并且能够发现单个颗粒物上各化学物种之间的联系，无需前处理，可实现大气颗粒物的实时采样和分析，具有极高时间分辨率(小时级别)，能够发现污染源的细微变化特征，机动性好(监测车车载，￥可移动至关注点位)，因此在重污染天气下的颗粒物源 解析应急响应、措施评估、污染成因分析，以及精细化管理上有独特优势。 四、城市在线源解析工作流程 图7城市在线源解析工作流程 图7所示为城市在线源解析工作流程，包括了五个步骤，每一步的具体操作为： 1)“1+N’监测方案的确定 为了实时在线获取大气污染源谱信息、及时更新原有源谱信息以及满足应急需求，需要设置1个车载移动监测站(“1”)；为了获得市/区内全面的 PM2.5源组成以及源解析的动态变化，需要选定多个固定监测点(“N”)以获取长期的源解析数据； 2)监测布点设置 固定监测点的布置建议考虑市/区内主要的居住区、敏感区域及大气背景点位； 3)源谱采集 源谱采集由移动采样与离线采样相结合：可利用车载移动监测站直接对重点排污企业进行在线监测，也可利用采样袋采集企业排放口处颗粒物，再由仪器检测，从而获取市/区的 PM2.5源谱信息； 4)谱库修正及建立 将步骤3)中“源谱采集”工作中的各类源的质谱特征信息更新到现有的谱库中，实现对谱库的修正及建立。 5) PM2.5在线源解析系统结果输出 将源谱库内嵌入在线采集软件中，得到各监测点位 PM2.5在线源解析结果以数据输出形式。 PM2.5在线源解析质谱监测系统可最快每小时得到一个 PM2.5污染源贡献比例饼图，图中清楚的显示每类污染源对大气的贡献比例，并可获取每类污染源贡献比例随时间变化趋势，在重污染天气情况下，可明确知道污染源的变化趋势。 五、精细化源解析 1)精细化源解析技术简介 精细化源解析的发展是基于精细化管理的需求，精细化管理是建立在常规管理的基础上，并将常规管理引向深入的基本思想和管理模式，是一种以最大限度地减少管理所占用的资源和降低管理成本为主要目标的管理方式。通过精细化管理，力求充分发挥国家资源，，以达到低投入、、1快成效、高水平的治理目标。 图8 精细化源解析技术示意图 深度学习是极其学习的一个分支领域，在很多情况下，机器学习几乎成了人工智能的替代概念。通过机器学习算法，使计算机有能力从大量已有数据学习出潜在的规律和特征，以用来对新的样本进行智能识别或者预期未来某件失误的可能性。深度学习本质上是构建含有多隐层的机器学习架构模型，通过大规模数据进行训练，得到大量更具代表性的特征信息。从而对样本进行分类和预测，提高分 类和预测的精度。和人工设计的特征提取方法相比，利用深度模型学习得到的数据特征对大数据的丰富内在信息更有代表性。所以，未来的发展趋势是深度学习模型在大数据分析中将得到更多的关注。 禾信公司独立开发的基于 SPAMS 数据的深度学习神经网络算法，能够在原有传统分类源解析的基础上，进行精细化污染来源分析，从而进一步展开对大气细颗粒物污染治理的精细化管控工作。 图9SPAMS 精细化源解析软件 2)管理功能及意义 掌握城市精细化污染源构成 在未展开源解析工作的城市/地区，通过精细化污染源解析可直接掌握城市的精细化污染源构成；在已做过源解析的城市/地区，可在原有的源解析工作基础上，继续深化源解析工作，持续改善环境空气质量。 给政府提出更精准的管控方向和措施建议 针对精细化源解析的结果，结合监测城市/地区的地理、气候以及社会发展情况，能够提出更准确的管控方向和措施建议，靶向管理。 更精准的评估分析管控措施成效 利用精细化源解析对管控措施的精准评估，有助于更加准确的了解污染源的变化情况，为下一步工作做好扎实的基础。 3)技术路线 通过分析区域近期空气质量状况，掌握区域主要污染物类型和变化规律。利用 SPAMS 的在线监测获取源解析数据，结合现场走访调查，更新颗粒物源谱库，精细化源解析区域的燃煤源和机动车尾气源。分析研判并提出针对性对策建议，区域政府对相应污染源开展专项整治，有效降低区域颗粒物浓度，从而保障区域环境空气质量持续改善，优良天数明显增加。 4)机动车尾气源精细化源解析 在区域机动车尾气源源谱的基础上，把机动车尾气源划分为汽油车和柴油车及其他类别。其中柴油车为柴油发动机排放颗粒物的贡献占比，汽油车为汽油发动机排放颗粒物的贡献占比，其他类别为尾气源中未识别部分。如图将机动车尾气源进行细分，进行精细化源解析。 图10机动车尾源精细化源解析 将区域监测期间的柴油车与汽油车小时贡献率的数据进行整合，把每天1时的贡献率进行平均，得到1时的平均贡献率，如此类推可得到24小的贡献率变化趋势。在不同时间段和地区，行驶车辆的种类多有不同。工业区的大型货车相较市区更多，由于其柴油动力的特性，导致柴油车尾气污染更加严重。同样，市区内的私家车会导致汽油车的尾气污染更为严重。总体而言，机动车尾气源的时空变化与城区功能区分布有关。 5)燃煤源精细化源解析 基于区域燃煤源源谱，，将燃煤源划分为民用散煤和企业燃煤以及其他类别。其中企业燃煤为电厂、供暖以及各类工厂企业的燃煤锅炉排放颗粒物的贡献率，散煤为煤炭散烧排放颗粒物的贡献率，如图所示。区域各污染源占比具有季节性变化的特点，供暖期燃煤源的占比大幅上升。为了确定企业燃煤和民用散煤对污染源季节性变化的影响，需对燃煤源进行供暖期前后的精细化源解析，明确污染责任，从而实施精细化的管控措施。 图11燃煤源精细化源解析 图12散煤源风玫瑰图 通过将精细化源解析的数据与风向风速等气象信息结合，得到燃煤源风玫瑰图，进一步判断三种燃煤源的风向来源规律，如图12所示。其中圆的半径方向代表来源风向，圆的半径大小代表风速高低，颜色从蓝到红代表贡献率的逐步升高。同时，对监测区域进行调研，将风向玫瑰图与区域实况相结合，得出企业燃煤源和民用散煤源的地区分布，了解不同气象条件下污染的扩散趋势。 六、技术服务 目前广州禾信在北京、上海、昆山有多家分支机构，配备专职技术服务团队，专职负责单颗粒气溶胶数据分析与报告编写。可以提供快速的源解析数据处理与分析报告外包服务，其中包括日报、快报、周报、月报等报告的分析编撰工作；当有重污染灰霾天气发生时，也可以出具重污染天气成因分析专报。    禾信研发的以单颗粒气溶胶质谱仪为核心的PM2.5在线源解析系统，能够摸清城市大气的 PM2.5 来源组成，以及主要污染来源，为城市的大气污染精准管控、靶向治理提供技术支撑。