近标准空气监测技术

Aeroqual中国

2022/02/24 16:24

简介

近年来，在不断改进的传感器技术与新的测量模式的融合进程中，近标准空气质量监测（Near Reference Air Quality Monitoring，简称“近标准监测”）应运而生。在全球向下一代空气质量监测（NGAM）过渡期间，近标准监测在数据质量和易用性之间提供了很好的平衡。近标准监测以较低的成本提供时空分辨率更高的数据，可以补足传统的政府监管的环境空气监测网络。数据质量也足够高，可用于确定超标情况和发布污染警报。与低成本传感器网络不同，近标准仪器使用标准气体和相应方法进行校准，以确保数据质量符合各国标准。

按照仪器的测量不确定度水平，可以将各种标准和非标准的空气监测仪器大致分为四个不同等级：标准级，近标准级，表征级，民用级。

标准方法监测：很好，但是很贵

空气质量监测的传统方法是建立一个由固定的监管空气站组成的监测网络，配备经认证的仪器，并根据一套严格的监管规程进行运营维护。这种监测网络的安装和运行成本很高，但非常适合进行长期空气质量趋势分析。然而，由于很多原因，新建或首次投用的空气监测网络经常不能达到质量保证规程的严格要求，比如：质量保证和/或技术支持的资源不足，选址的未知因素，以及无法获得可靠的标准气体等。在这些情况下，数据质量更宜描述为近标准级，但仍有难以迁移、占地面积大等固有缺点。

近标准监测：对大多数应用都游刃有余

近标准监测是一种更灵活的方法，仍然要基于出色的仪器性能，但可以利用紧凑、低功耗的测量技术，使部署和操作更容易、更便捷。除了最苛刻的情况外，近标准监测级的仪器在所有情况下都与标准方法仪器的测量性能相当。它占地面积小，可以部署在几乎不需要基础设施的站点，这对于应急监测或短期监测非常重要。近标准监测所用的仪器和标准方法分析仪一样，使用稀释校准器和经认证的标气进行校准，以实现国际参考标准的可追溯性。数据质量通常由用户的运维要求决定，而不受仪器性能的限制。近标准小型空气站非常适合初期投资空气质量网络的机构，因为在大多数情况下，选址是一个关键的未知因素，选用近标准小型空气站的便携性可以有效避免不当的站点选址。

表征级监测：成本较低但应用有限

“表征级”一词通常用于非标准方法设备的所有空气质量监测，但这并不完全正确。表征级是关于环境空气质量监测的欧盟指令2008/50/EC定义的一个类别。它适用于满足低于标准或接近标准的数据质量目标的测量。表征级监测的数据可用于提供有关空气污染物空间分布的信息，但不能用于确定空气质量标准的超标情况或发布警报。目前，除英国环境部发布的《表征级环境颗粒物监测器的性能标准(Performance Standards for Indicative Ambient Particulate Monitors) 》（2015年第三版）外，没有表征级监测的性能测试标准。2013年，欧盟委员会联合研究中心（JRC）发布了一种确定传感器是否能够达到欧盟表征级监测标准的方法，即《采用低成本气体传感器进行空气污染监测的评估和校准协议》(Protocol of evaluation and calibration of low-cost gas sensors for the monitoring of air pollution)，但尚未得到批准。

公民科学级监测：像芯片一样便宜

过去十几年中，低成本传感器和电子设备的可用性得以迅速提升，这使得非专业人士也能够建造和安装设备来收集户外环境数据。这些进展虽然非常有利于激发人们对环境的兴趣和培养相关的技能，但往往产生低质量、难以解释和不可靠的数据。这类设备通常不做校准甚至无法校准。美国EPA等机构提供了很多优秀的资源【Air Sensor Toolbox】帮助解决一些测量中的挑战，如校准、选择性、灵敏度、干扰、数据解释等。但这一类设备应该被视为教育性的，而不是分析性的。

下图中给出了不同类型监测的不确定度水平。不确定度越低，测量的可信度越高。

比较不同类型监测的数据质量（以不确定度表示）

即使是标准级，不同区域、不同参数的标准对不确定度的要求也不一致，以美国EPA标准和欧盟标准为例，不确定度从低到高排列是：美国EPA标准的O3<美国EPA标准的SO2、CO<欧盟标准的O3、CO、NO2<欧盟标准的PM2.5、PM10。

AQS/AQM65小型空气监测站作为典型的近标准级监测站，其不确定度居于美国EPA/欧盟标准级和美国EPA补充监测仪器之间。

在某些情况下，如果现场条件良好，近标准级监测站的数据质量可以达到甚至超过标准级监测的要求；如附近存在多种排放源，或气象变化较大，近标准级监测站的数据质量可能会受到一定的影响，不过标准方法仪器也是如此。

近标准级监测的应用领域不包括国控空气监测站、省控空气监测站这些标准级监测适用范围，所以可以无须严格按照标准级监测进行维护和校准（如每周一次人工校准）。虽然测量不确定度会因此略有增加，但采用可溯源校准的近标准级监测站足以满足许多应用环境的数据质量要求，且可以大幅降低运营成本。短期研究（几个月）显示，在没有现场校准的情况下操作标准方法仪器或近标准级仪器，仍然可以获得良好的数据质量，因为此类仪器的漂移较小。

这可以从下面的图表中看出，这是AQM 65和美国NCore（国家核心污染物监测网）监管站点在一个月内的臭氧小时均值数据。在此期间，AQM 65未进行现场校准，一个月内的相关系数R2为0.986。

AQM 65与美国NCore监管站位于同一地点的臭氧小时平均数据

基于风扇或扩散方式进行气体采样的传感器法仪器无法使用标准的校准设备进行校准，无法达到近标准级的数据质量。但如果其工厂校准能够转移到现场，则可能会达到表征级监测水平。然而，实际应用中，传感器的漂移很快就会影响数据质量。然后，由于无法重新校准，重现较好的测量精度变得非常困难。和标准站点以比对方式对低成本传感器法仪器进行校准是可行的，但需要耗费大量人力。大规模低成本传感器网络的自动数据验证/校正仍处在研究中，尽

管最近取得了一些进展。

总结

近标准监测作为一种新的空气质量测量类别，具备以下特点：

1）测量漂移率低，且可使用标准参考气体进行校准以实现可追溯性；

2）操作比标准级监测仪器更简单；

3）数据质量（不确定性）接近标准方法分析仪，优于环保补充监测和表征级监测；

4）紧凑、低功耗、便于点位调整，适用范围更广；

5）与标准级监测相比，资本和运营成本更低。

Aeroqual能提供什么帮助？

Aeroqual的AQS/AQM65小型空气监测站是典型的近标准级空气监测站。这两种仪器占地面积小，可以部署在几乎不需要基础设施的站点，以较低的仪器投入和运营成本实现高时空分辨率的监测数据，从而补足由标准方法仪器组成的传统环境空气监测网络。

AQS/AQM65小型空气监测站的准确性和便捷性也适用于应急监测、移动监测或者短期监测，如站点选址、环评监测、大型活动等。

Aeroqual提供了易于使用且功能丰富的空气监测软件，与AQS/AQM65小型空气监测站配套使用。Aeroqual Connect是单机版软件，适合工程师现场操作和维护。Aeroqual Cloud云平台则允许您从任何地方远程访问数据、查看污染状况、导出数据和管理空气监测网络。