【分享】大气和废气监测.知识普及

二、大气污染对人和生物的危害
大气污染对人体健康的危害可分为急性作用和慢性作用。急性作用是指
人体受到污染的空气侵袭后，在短时间内即表现出不适或中毒症状的现象。
历史上曾发生过数起急性危害事件，例如，伦敦烟雾事件，造成空气中二氧
化硫高达3.5mg/m3，总悬浮颗粒物达4.5mg/m3，一周雾期内伦敦地区死亡
4703 人；洛杉矶光化学烟雾事件是由于空气中碳氢化合物和氮氧化物急剧增
加，受强烈阳光照射，发生一系列光化学反应，形成臭氧、过氧乙酰硝酸酯
（PAN）和醛类等强氧化剂烟雾造成的，致使许多人喉头发炎，鼻、眼受刺激
红肿，并有不同程度的头痛。慢性作用是指人体在低污染物浓度的空气长期
作用下产生的慢性危害。这种危害往往不易引人注意，而且难于鉴别，其危
害途径是污染物与呼吸道粘膜接触；主要症状是眼、鼻粘膜刺激、慢性支气
管炎、哮喘、肺癌及因生理机能障碍而加重高血压心脏病的病情。实践证明，
美、日、英等工业发达国家近30 年来患呼吸道疾病人数和死亡率不断增加，
就是这种慢性危害的结果。此外，随着工业、交通运输等事业的发展，空气
中致癌物质的种类和数量也在不断增加。根据动物试验结果，能确定有致癌
作用的物质达数十种，如某些多环芳香烃和脂肪烃，砷、镍、铍等金属。近
年世界各国肺癌发病率和死亡率明显上升，特别是工业发达国家增长尤其快，而且城市高于农村；虽然肺癌的病因至今不完全清楚，但大量事实说明
空气污染是重要致病因素之一，且空气污染程度与居民肺癌死亡率之间呈一
定正相关关系。大气污染对动物的危害与对人体的危害情况相似。对植物的危害可分为
急性、慢性和不可见三种。急性危害可导致作物产量显著降低，甚至枯死，
常根据受害初期叶片上出现变色斑点来判断慢性危害会影响植物的正常发
育，但大多数症状不明显，难以判断。不可见危害只造成植物生理上的障碍，
使植物的生长在一定程度上受到抑制，但从外观上一般看不出症状。欲判断
大气污染对植物造成的慢性和不可见危害情况，需采用植物生产力测定、受
害叶片内污染物的分析等方法。三、大气污染物及其存在状态
大气污染物的种类不下数千种，已发现有危害作用而被人们注意到的有
一百多种，其中大部分是有机物。依据大气污染物的形成过程，可将其分为
一次污染物和二次污染物。
一次污染物是直接从各种污染源排放到大气中的有害物质。常见的主要
有二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物、颗粒性物质等。颗粒性物
质中包含苯并（a）芘等强致癌物质、有毒重金属、多种有机和无机化合物等。
二次污染物是一次污染物在大气中相互作用或它们与大气中的正常组分
发生反应所产生的新污染物。这些新污染物与一次污染物的化学、物理性质
完全不同，多为气溶胶，具有颗粒小、毒性一般比一次污染物大等特点。常
见的二次污染物有硫酸盐、硝酸盐、臭氧、醛类（乙醛和丙烯醛等）、过氧
乙酰硝酸酯（PAN）等。大气中的污染物质的存在状态是由其自身的理化性质及形成过程决定
的；气象条件也起一定的作用。一般将它们分为分子状态污染物和粒子状态
污染物两类。
（一）分子状态污染物
某些物质如二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、氯化氢、氯气、臭氧等沸
点都很低，在常温、常压下以气体分子形式分散于大气中。还有些物质如苯、
苯酚等，虽然在常温、常压下是液体或固体，但因其挥发性强，故能以蒸气
态进入大气中。
无论是气体分子还是蒸气分子，都具有运动速度较大、扩散快、在大气
中分布比较均匀的特点。它们的扩散情况与自身的比重有关，比重大者向下
沉降，如汞蒸气等；比重小者向上飘浮，并受气象条件的影响，可随气流扩
散到很远的地方。

（二）粒子状态污染物
粒子状态污染物（或颗粒物）是分散在大气中的微小液体和固体颗粒，
粒径多在0.01—100μm 之间，是一个复杂的非均匀体系。通常根据颗粒物在
重力作用下的沉降特性将其分为降尘和飘尘。粒径大于10μm 的颗粒物能较
快地沉降到地面上，称为降尘；粒径小于10μm 的颗粒物可长期飘浮在大气
中，称为飘尘。
飘尘具有胶体性质，故又称气溶胶，它易随呼吸进入人体肺脏，在肺泡
内积累，并可进入血液输往全身，对人体健康危害大，因此也称可吸入颗粒
物（IP）。通常所说的烟（Smoke）、雾（Fog）、灰尘（Dust）也是用来描
述飘尘存在形式的。
某些固体物质在高温下由于蒸发或升华作用变成气体逸散于大气中，遇
冷后又凝聚成微小的固体颗粒悬浮于大气中构成烟。例如，高温熔融的铅、
锌，可迅速挥发并氧化成氧化铅和氧化锌的微小固体颗粒。烟的粒径一般在0.01—1μm 之间。
雾是由悬浮在大气中微小液滴构成的气溶胶。按其形成方式可分为分散
型气溶胶和凝聚型气溶胶。常温状态下的液体，由于飞溅、喷射等原因被雾
化而形成微小雾滴分散在大气中，构成分散型气溶胶。液体因加热变成蒸气
逸散到大气中，遇冷后又凝集成微小液滴形成凝聚型气溶胶。雾的粒径一般
在10μm 以下。
通常所说的烟雾是烟和雾同时构成的固、液混合态气溶胶，如硫酸烟雾、
光化学烟雾等。硫酸烟雾主要是由燃煤产生的高浓度二氧化硫和煤烟形成
的，而二氧化硫经氧化剂、紫外光等因素的作用被氧化成三氧化硫，三氧化
硫与水蒸气结合形成硫酸烟雾。当汽车污染源排放到大气中的氮氧化物、一
氧化碳、碳氢化合物达到一定浓度后，在强烈阳光照射下，经发生一系列光
化学反应，形成臭氧、PAN 和醛类等物质悬浮于大气中而构成光化学烟雾。
尘是分散在大气中的固体微粒，如交通车辆行驶时所带起的扬尘，粉碎
固体物料时所产生的粉尘。燃煤烟气中的含碳颗粒物等。
大气中各种颗粒物大小的界限很难截然划分，为便于说明它们相对分布
情况，人为地规定了一些界限。见图3－1。

四、大气污染物的时空分布特点
与其他环境要素中的污染物质相比较，大气中的污染物质具有随时间、
空间变化大的特点。了解该特点，对于获得正确反映大气污染实况的监测结
果有重要意义。
大气污染物的时空分布及其浓度与污染物排放源的分布、排放量及地
形、地貌、气象等条件密切相关。
气象条件如风向、风速、大气湍流、大气稳定度总在不停地改变，故污
染物的稀释与扩散情况也不断地变化。同一污染源对同一地点在不同时间所
造成的地面空气污染浓度往往相差数倍至数十倍；同一时间不同地点也相差
甚大。一次污染物和二次污染物浓度在一天之内也不断地变化。一次污染物
因受逆温层及气温、气压等限制，清晨和黄昏浓度较高，中午较低；二次污
染物如光化学烟雾，因在阳光照射下才能形成，故中午浓度较高，清晨和夜
晚浓度低。风速大，大气不稳定，则污染物稀释扩散速度快，浓度变化也快；
反之，稀释扩散慢，浓度变化也慢。
污染源的类型、排放规律及污染物的性质不同，其空间分布特点也不同。
图3－2 是我国北方某城市大气中SO2 浓度的时间分布曲线。由图可见，因污
染源排放规律的变化，导致空气中SO2 浓度随时间变化情况。在一年内，1、
2、11、12 月属采暖期，SO2 浓度比其他几个月高；在一天之内，6—10 时和18—21 时为供热高峰时间，空气中SO2 浓度比其他时间高。一个点污染源（如
烟囱）或线污染源（如交通道路）排放的污染物可形成一个较小的污染气团
或污染线。局部地方污染浓度变化较大，涉及范围较小的污染，称为小尺度
空间污染或局地污染。大量地面小污染源，如工业区炉窑、分散供热锅炉及
千家万户的炊炉，则会给一个城市或一个地区形成面污染源，使地面空气中
污染物浓度比较均匀，并随气象条件变化有较强的规律性。这种面源所造成
的污染称中尺度空间污染或区域污染。就污染物自身性质而言，质量轻的分
子态或气溶胶态污染物高度分散在大气中，易被扩散和稀释，随时空变化快；质量较重的尘、汞蒸气等，扩散能力差，影响范围较小。
为反映污染物浓度随时间变化，在大气污染监测中提出时间分辨率的概
念，要求在规定的时间内反映出污染物浓度变化。例如，了解污染物对人体
的急性危害，要求分辨率为3min；了解化学烟雾对呼吸道的刺激反应，要求
分辨率为10min。在《大气环境质量标准》中，要求测定污染物的瞬时最大
浓度及日平均、月平均、年平均浓度，也是为了反映污染物随时间变化情况。

五、大气污染源
大气污染源可分为自然源和人为源两种。自然污染源是由于自然现象造
成的，如火山爆发时喷射出大量粉尘、二氧化硫气体等；森林火灾产生大量
二氧化碳、碳氢化合物、热辐射等。人为污染源是由于人类的生产和生活活
动造成的，是大气污染的主要来源，主要有：
（一）工业企业排放的废气
在工业企业排放的废气中，排放量最大的是以煤和石油为燃料，在燃烧
过程中排放的粉尘、SO2、NOx、CO、CO2 等，其次是工业生产过程中排放的多
种有机和无机污染物质。表3－1 列出各类工业企业向大气中排放的主要污染
物。



（二）家庭炉灶与取暖设备排放的废气
这类污染源数量大、分布广、排放高度低，排放的气体不易扩散，在气
象条件不利的时候往往会造成严重的大气污染，是低空大气污染不可忽视的污染源，排气中的主要污染物是烟尘、SO2、CO、CO2 等。
（三）汽车排放的废气
在交通运输工具中，汽车数量最大，排放的污染物最多，并且集中在城
市，故对大气环境特别是城市大气环境影响大。在一些发达国家，汽车排气
已成为一个严重的大气污染源。如美国的大气污染80％来自汽车的排气；光
化学烟雾在洛杉矶屡有发生就是汽车排气中的污染物与适宜的气象条件相结
合的产物。表3－2 列出有代表性的汽车排气中的化学组分。

第二节 大气污染监测方案的制订
制订大气污染监测方案的程序同制订水质监测方案一样，首先要根据监
测目的进行调查研究，收集必要的基础资料，然后经过综合分析，确定监测
项目，设计布点网络，选定采样频率、采样方法和监测技术，建立质量保证
程序和措施，提出监测结果报告要求及进度计划等。
我国制订的《环境监测技术规范》（大气和废气部分）中，规定了大气
环境污染监测与污染源监测的目的、布点原则、监测项目、采样方法和监测
技术等。下面结合该规范关于大气污染监测方案的基本内容予以展开介绍。
一、监测目的
（1）通过对大气环境中主要污染物质进行定期或连续地监测，判断大气
质量是否符合国家制订的大气质量标准，并为编写大气环境质量状况评价报
告提供数据。
（2）为研究大气质量的变化规律和发展趋势，开展大气污染的预测预报
工作提供依据。
（3）为政府部门执行有关环境保护法规，开展环境质量管理、环境科学
研究及修订大气环境质量标准提供基础资料和依据。二、有关资料的收集
（一）污染源分布及排放情况
通过调查，将监测区域内的污染源类型、数量、位置、排放的主要污染
物及排放量一一弄清楚，同时还应了解所用原料、燃料及消耗量。注意将由
高烟囱排放的较大污染源与由低烟囱排放的小污染源区别开来。因为小污染
源的排放高度低，对周围地区地面大气中污染物浓度影响比大型工业污染源
大。另外，对于交通运输污染较重和有石油化工企业的地区，应区别一次污
染物和由于光化学反应产生的二次污染物。因为二次污染物是在大气中形成
的，其高浓度可能在远离污染源的地方，在布设监测点时应加以考虑。
（二）气象资料
污染物在大气中的扩散、输送和一系列的物理、化学变化在很大程度上
取决于当时当地的气象条件。因此，要收集监测区域的风向、风速、气温、
气压、降水量、日照时间、相对湿度、温度的垂直梯度和逆温层底部高度等
资料。（三）地形资料
地形对当地的风向、风速和大气稳定情况等有影响，因此，是设置监测
网点应当考虑的重要因素。例如，工业区建在河谷地区时，出现逆温层的可
能性大；位于丘陵地区的城市，市区内大气污染物的浓度梯度会相当大；位
于海边的城市会受海、陆风的影响，而位于山区的城市会受山谷风的影响等。
为掌握污染物的实际分布状况，监测区域的地形越复杂，要求布设监测点越
多。
（四）土地利用和功能分区情况
监测区域内土地利用情况及功能区划分也是设置监测网点应考虑的重要
因素之一。不同功能区的污染状况是不同的，如工业区、商业区、混合区、
居民区等。还可以按照建筑物的密度、有无绿化地带等作进一步分类。
（五）人口分布及人群健康情况
环境保护的目的是维护自然环境的生态平衡，保护人群的健康，因此，掌握监测区域的人口分布、居民和动植物受大气污染危害情况及流行性疾病
等资料，对制订监测方案、分析判断监测结果是有益的。
此外，对于监测区域以往的大气监测资料等也应尽量收集，供制订监测
方案参考。
三、监测项目
存在于大气中的污染物质多种多样，应根据优先监测的原则，选择那些
危害大、涉及范围广、已建立成熟的测定方法，并有标准可比的项目进行监
测。美国提出43 种空气优先监测污染物；苏联在《居民区大气中有害物质的
最大允许浓度》中规定了131 种有害物质的限值；我国在《居住区大气中有
害物质最高容许浓度》中规定了34 种有害物质的限值。对于大气环境污染例
行监测项目，各国大同小异，表3－3 和表3－4 列出我国《环境监测技术规
范》中规定的例行监测项目。

四、监测网点的布设
监测网点的布设方法有经验法、统计法和模式法等。在一般监测工作中，
常用经验法。（一）布设采样点的原则和要求
（1）采样点应设在整个监测区域的高、中、低三种不同污染物浓度的地
方。
（2）在污染源比较集中，主导风向比较明显的情况下，应将污染源的下
风向作为主要监测范围，布设较多的采样点；上风向布设少量点作为对照。
（3）工业较密集的城区和工矿区，人口密度及污染物超标地区，要适当
增设采样点；城市郊区和农村，人口密度小及污染物浓度低的地区，可酌情
少设采样点。
（4）采样点的周围应开阔，采样口水平线与周围建筑物高度的夹角应不
大于30°。测点周围无局地污染源，并应避开树木及吸附能力较强的建筑
物。交通密集区的采样点应设在距人行道边缘至少1.5m 远处。
（5）各采样点的设置条件要尽可能一致或标准化，使获得的监测数据具
有可比性。
（6）采样高度根据监测目的而定。研究大气污染对人体的危害，采样口
应在离地面1.5—2m 处；研究大气污染对植物或器物的影响，采样口高度应与植物或器物高度相近。连续采样例行监测采样口高度应距地面3—15m；若
置于屋顶采样，采样口应与基础面有1.5m 以上的相对高度，以减小扬尘的影
响。特殊地形地区可视实际情况选择采样高度。
（二）采样点数目
在一个监测区域内，采样点设置数目是与经济投资和精度要求相应的一
个效益函数，应根据监测范围大小、污染物的空间分布特征、人口分布及密
度、气象、地形及经济条件等因素综合考虑确定。世界卫生组织（WHO）和世
界气象组织（WMO）提出按城市人口多少设置城市大气地面自动监测站（点）
的数目（见表3－5）。我国对大气环境污染例行监测采样点规定的设置数目
列于表3－6。

（三）布点方法
1.功能区布点法
按功能区划分布点法多用于区域性常规监测。先将监测区域划分为工业
区、商业区、居住区、工业和居住混合区、交通稠密区、清洁区等，再根据
具体污染情况和人力、物力条件，在各功能区设置一定数量的采样点。各功
能区的采样点数不要求平均，一般在污染较集中的工业区和人口较密集的居
住区多设采样点。
2.网格布点法
这种布点法是将监测区域地面划分成若干均匀网状方格，采样点设在两
条直线的交点处或方格中心（见图3－3）。网格大小视污染源强度、人口分
布及人力、物力条件等确定。若主导风向明显，下风向设点应多一些，一般
约占采样点总数的60％。对于有多个污染源，且污染源分布较均匀的地区，
常采用这种布点方法。它能较好地反映污染物的空间分布；如将网格划分的
足够小，则将监测结果绘制成污染物浓度空间分布图，对指导城市环境规划
和管理具有重要意义。
3.同心圆布点法
这种方法主要用于多个污染源构成污染群，且大污染源较集中的地区。
先找出污染群的中心，以此为圆心在地面上画若干个同心圆，再从圆心作若
干条放射线，将放射线与圆周的交点作为采样点（见图3－4）。不同圆周上
的采样点数目不一定相等或均匀分布，常年主导风向的下风向比上风向多设
一些点。例如，同心圆半径分别取4、10、20、40km，从里向外各圆周上分
别设4、8、8、4 个采样点。
4.扇形布点法
扇形布点法适用于孤立的高架点源，且主导风向明显的地区。以点源所
在位置为顶点，主导风向为轴线，在下风向地面上划出一个扇形区作为布点
范围。扇形的角度一般为45°，也可更大些，但不能超过90°。采样点设在
扇形平面内距点源不同距离的若干弧线上（见图3－5）。每条弧线上设3—4
个采样点，相邻两点与顶点连线的夹角一般取10—20°。在上风向应设对照
点。采用同心圆和扇形布点法时，应考虑高架点源排放污染物的扩散特点。
在不计污染物本底浓度时，点源脚下的污染物浓度为零，随着距离增加，很
快出现浓度最大值，然后按指数规律下降。因此，同心圆或弧线不宜等距离
划分，而是靠近最大浓度值的地方密一些，以免漏测最大浓度的位置。至于
污染物最大浓度出现的位置，与源高、气象条件和地面状况密切相关。例如，
对平坦地面上50m 高的烟囱，污染物最大地面浓度出现的位置与气象条件的
关系列于表3－7。随着烟囱高度的增加，最大地面浓度出现的位置随之增
大，如在大气稳定时，高度为100m 烟囱排放污染物的最大地面浓度出现位置
约在烟囱高度的100 倍处。



在实际工作中，为做到因地制宜，使采样网点布设的完善合理，往往采
用以一种布点方法为主，兼用其他方法的综合布点法。

五、采样时间和采样频率
采样时间系指每次采样从开始到结束所经历的时间，也称采样时段。采
样频率系指在一定时间范围内的采样次数。这两个参数要根据监测目的、污
染物分布特征及人力物力等因素决定。
采样时间短，试样缺乏代表性，监测结果不能反映污染物浓度随时间的
变化，仅适用于事故性污染、初步调查等情况的应急监测。为增加采样时间，
目前采用两种办法，一是增加采样频率，即每隔一定时间采样测定一次，取
多个试样测定结果的平均值为代表值。例如，在一个季度内，每六天或每个
月采样一天，而一天内又间隔等时间采样测定一次（如在2、8、14、20 时采
样分别测定），求出日平均、月平均和季度平均监测结果。这种方法适用于受人力、物力限制而进行人工采样测定的情况，是目前进行大气污染常规监
测、环境质量评价现状监测等广泛采用的方法。若采样频率安排合理、适当，
积累足够多的数据，则具有较好的代表性。
第二种增加采样时间的办法是使用自动采样仪器进行连续自动采样，若
再配用污染组分连续或间歇自动监测仪器，其监测结果能很好地反应污染物
浓度的变化，得到任何一段时间（如1 小时、1 天、1 个月、1 个季度或1 年）
的代表值（平均值），这是最佳采样和测定方式。显然，连续自动采样监测
频率可以选的很高，采样时间很长，如一些发达国家为监测空气质量的长期
变化趋势，要求计算年平均值的积累采样时间在6000 小时以上。我国监测技
术规范对大气污染例行监测规定的采样时间和采样频率列于表3－8。


在《大气环境质量标准》中，要求测定日平均浓度和最大一次浓度。若
采用人工采样测定，应满足下列要求：
（1）应在采样点受污染最严重的时期采样测定。
（2）最高日平均浓度全年至少监测20 天；最大一次浓度样品不得少于
25 个。
（3）每日监测次数不少于3 次。

六、采样方法和仪器
根据大气污染物的存在状态、浓度、物理化学性质及监测方法不同，要
求选用不同的采样方法和仪器，对于这部分内容将在下一节作较详细地介
绍。
七、监测方法
在大气污染监测中，目前应用最多的方法还属分光光度法和气相色谱
法。和水质监测一样，为获得准确和具有可比性的监测结果，监测方法应尽
量统一和规范化，为此，许多国家根据国际标准化组织（ISO）推荐的方法，
结合自己国情制定出本国的大气污染监测方法。我国的《空气和废气监测分
析方法》（1990 年版）包括80 个监测项目，149 个监测方法，并将这些方法
分为国标、推荐和试行三类，是目前我国大气环境污染监测的统一方法。本
章以后几节将陆续介绍典型大气污染物的监测方法和监测仪器。

大气样品的采集方法和采样仪器
采集大气（空气）样品的方法可归纳为直接采样法和富集（浓缩）采样
法两类。
一、直接采样法
当大气中的被测组分浓度较高，或者监测方法灵敏度高时，从大气中直
接采集少量气样即可满足监测分析要求。例如，用非色散红外吸收法测定空
气中的一氧化碳；用紫外荧光法测定空气中的二氧化硫等都用直接采样法。
这种方法测得的结果是瞬时浓度或短时间内的平均浓度，能较快地测知结
果。常用的采样容器有注射器、塑料袋、真空瓶（管）等。
（一）注射器采样
常用100mL 注射器采集有机蒸气样品。采样时，先用现场气体抽洗2—3
次，然后抽取100mL，密封进气口，带回实验室分析。样品存放时间不宜长，
一般应当天分析完。
（二）塑料袋采样
应选择与样气中污染组分既不发生化学反应，也不吸附、不渗漏的塑料
袋。常用的有聚四氟乙烯袋、聚乙烯袋及聚酯袋等。为减小对被测组分的吸
附，可在袋的内壁衬银、铝等金属膜。采样时，先用二联球打进现场气体冲
洗2—3 次，再充满样气，夹封进气口，带回尽快分析。
（三）采气管采样
采气管是两端具有旋塞的管式玻璃容器，其容积为100—500mL（见图3
－6）。采样时，打开两端旋塞，将二联球或抽气泵接在管的一端，迅速抽进
比采气管容积大6—10 倍的欲采气体，使采气管中原有气体被完全置换出，
关上两端旋塞，采气体积即为采气管的容积。
（四）真空瓶采样
真空瓶是一种用耐压玻璃制成的固定容器，容积为500—1000mL（见图3
－7）。采样前，先用抽真空装置（图3－8）将采气瓶（瓶外套有安全保护
套）内抽至剩余压力达1.33kPa 左右；如瓶内预先装入吸水液，可抽至溶液
冒泡为止，关闭旋塞。采样时，打开旋塞，被采空气即充入瓶内，关闭旋塞，
则采样体积为真空采气瓶的容积。如果采气瓶内真空度达不到1.33kPa，实
际采样体积应根据剩余压力进行计算。
当用闭口压力计测量剩余压力时，现场状态下的采样体积按下式计算：
V = V0·
P P
P
B
式中：V——现场状态下的采样体积（L）；
V0——真空采气瓶容积（L）；
P——大气压力（kPa）；
PB——闭管压力计读数（kPa）。
当用开管压力计测量采气瓶内的剩余压力时，现场状态下的采样体积按
下式计算：
V V
P
P
= K

式中：PK——开管压力计读数（kPa）；
其余符号意义和单位同前式。