PM2.5监测技术及防控措施研究

陶巍巍，许晓楠，华海宁

(长安大学 汽车学院，陕西西安 710064)

1 PM2.5污染现状

PM2.5是指空气动力学当量直径≤2.5 μm的大气颗粒物，或可入肺颗粒物。PM2.5的污染主要表现在对大气环境和人类健康影响方面，其中对大气影响主要是空气质量和可见度等方面[1-2]。

1.1 对大气环境的影响

近几年，我国多数大中城市出现连续多日的严重雾霾天气，造成这种现状的主要原因是大气颗粒物PM2.5，市区的多个国控空气质量监测点位所在地一度陷入严重污染。相关研究表明，PM2.5的总量与该地区的工业化程度和经济发展程度有较大关系。

2013年1月，长沙市多日被雾霾笼罩，市区的能见度急剧降低，给交通等带来极大安全隐患。据长沙市环境监测中心站介绍，长沙市自2013年元旦实施空气质量新国标，全市PM2.5日均为285 μg/m3，单个站点最高为308 μg/m3。2013-01-01—01-20，空气质量仅有3 d达标，PM2.5监测结果更是超标2～3倍。当地气象局已经连续拉响大雾警报[3]。2013-01-06，西安市环保局的环境空气质量实时*发布系统上显示，13个监测站点的PM2.5数据均为重度污染。其中数据最高的碑林区，高达700 μg/m3，超过文献[4]中规定的最高值的9倍。

1.2 对人体健康的影响

PM2.5给人体健康带来的危害不是单一的，会引发人体的呼吸系统、心血管系统和中枢神经系统等方面的炎症或病变[5]。PM2.5颗粒的直径很小，能逃避鼻腔、鼻粘膜等呼吸道的过滤作用，直接由人体的呼吸道到达肺泡。这些微小的颗粒物能够长期存留在肺部深处，给正常的气体交换造成严重影响，可诱发多种肺部疾病，甚至可以诱发肺癌等疾病。这些大气微粒物还能通过人体的支气管和肺气泡，进入人体的血液循环，使有害气体、有毒重金属等间接溶解在血液中，对人造成更大伤害。同时PM2.5还可以载着病毒、细菌等进入人体，这样对人类尤其是婴幼儿造成极大的危害。

文献[6]建立了居民短期接触PM2.5污染的暴露反应关系，并得到结论：大气PM2.5浓度每升高100 μg/m3，居民死亡发生率增加12.07%。

2 PM2.5监测措施

目前几种主流的监测方法是重量法、微量振荡天平法和β射线法。表1是大气颗粒物的分类及分析方法。

表1 大气颗粒物的分类及分析方法

2.1 重量法

目前，我国测定大气颗粒物最主要的方法是重量法。重量法是通过具有特定切割性质的采样设备，以恒定的抽气速度取得一定体积的空气，使PM2.5和PM10都沉积在具有一定质量的滤膜上，通过采样前后滤膜的质量差和采样体积，计算出PM2.5和PM10的浓度。

采样测量时需要注意测量的条件。气体体积应该是标准工况下(0 ℃、101.3 kPa)的，应将实况下的体积换算成标准工况下的体积。采样环境及采样频率都要严格按照文献[7]中的要求进行。

2.2 微量振荡天平法

微量振荡天平法是在一个质量传感器中安装一个空心振荡锥形瓶管，振荡的一段预先安装好一个可以更换的滤膜。振荡天平法的振荡频率取决于锥形管的特性和质量。在样品气流经过滤膜时，空气中的颗粒物将截留在滤膜上。振荡频率根据滤膜质量的变化而发生变化，根据振荡频率的变化计算出颗粒物的质量，进而得出进气样中该颗粒物的质量浓度。

颗粒检测微量振荡天平法的主要仪器设备是采样头、切割刀、过滤膜动态测量系统、采样泵等。采样的一般流程是，将流量控制在1 m3/h，当采样气经过采样头和切割刀后变成符合技术要求的标准颗粒物样品。标准样品进入过滤膜动态测量系统中，样品流经滤膜后颗粒物沉积在滤膜上。这样滤膜上颗粒物的质量使振荡频率发生变化，通过准确检测频率的变化来确定颗粒物的质量。最后，根据样品体积，得出样品的浓度。

2.3 β射线法

空气样品被泵入采样管中，经过滤膜后，颗粒物被截留在滤膜上，而β射线会随着颗粒物的增多而衰减，β射线的吸收量与粉尘粒子的质量成正比，所以由颗粒物吸收的β射线的量就可以测量出颗粒物的质量浓度。

这种监测方法需要附加一个前提条件，假设仪器校准时的标准滤膜与采集微粒物的成分相同，这样根据β射线吸收的量可得到最终数据结果。由于在实际监测条件下，很难做到标准滤膜的成分与采样成分一致，测量的准确性就受到影响，而且还受到采样流量及采样颗粒物成分的影响。但是这种监测方法可以实现连续自动测量，测量结果较振荡天平法更高，所以得到国内外环境监测部门的一致认可。

3 PM2.5控制途径和防控措施

3.1 控制途径

PM2.5对环境和人类都存在着极大的危害，但是防治和控制PM2.5的难度极大，主要原因是不仅要控制一次粒子排放，更要控制二次粒子排放，而二次粒子排放的前体物NOx、SO2等的形成是多方面的，控制起来会更加困难。

1)控制一次粒子

人为增加空气湿度和采用先进的吸尘装置都是较好的控制途径。人为的增加空气湿度，在室外可以采用洒水车增大空气湿度，在室内可以使用空气加湿器，潮湿的空气可以有效控制颗粒物的扩散和对人体造成的危害。另外，国内外有些凝并技术也很有帮助，这些凝并技术的主要原理是使细颗粒物相互碰撞结合成较大的颗粒物，常用的凝并技术有电动凝并、磁凝并、化学凝并等[8]。

2)控制二次粒子

最关键是控制二次粒子的前提物质。这些前提物质主要是来自燃料的燃烧、生产工艺等。对于氮氧化合物，主要是通过控制燃料中氮的含量，燃烧之前需进行脱氮处理，同时改善燃烧效率和对燃烧后的产物进行脱硝。对于氧化硫的控制，主要是对燃烧产物进行去除硫化物的工艺，用碱性物与其反应转化成固体的硫酸盐。

3.2 防控措施

1)控制污染源

将可控制的污染源净化处理，提高净化效率或采用清洁能源，从根本上有效降低PM2.5的排放量。实验检测结果证明，桑塔纳轿车使用M15甲醇汽油比使用93#汽油HC排放降低28.5%；M15甲醇柴油(YC6105玉柴)NOx降低31.3%。根据PM2.5的不同排放来源，采取不同的控制措施。提高燃料的净化效率、改善燃烧、强化汽车尾气的催化氧化均能有效降低PM2.5二次粒子排放。实验得知，使用三元催化后氮氧化合物的转化率可达79.6%[9]。

2)加快PM2.5排放标准应用

我国的PM2.5排放标准起步较晚，因此需要进一步加快完善PM2.5标准在各种检测与评价中的应用[10]。2013年，北京市淘汰高排放老旧机动车约18万辆，减少挥发性有机物排放5 000 t以上，二氧化硫、氮氧化物排放量同比均降低2%。文献[11]中增加了细颗粒物PM2.5和臭氧8 h浓度限值监测指标，严格控制污染物的浓度限值，将有效数据要求由原来的50%～75%提高至75%～90%。

3)切断传播途径

增加空气湿度，或者使用先进的凝并技术，使<2.5 μm的微粒物被阻断或变成粒径较大的颗粒物，降低危害。同时，增大城市绿化面积，植物是天然的“吸尘器”和“加湿器”，即使是极细小的颗粒物也能被枝叶吸附和截留，从而阻断传播。一般采用高质量的高效过滤网的空气净化器，对PM2.5净化效率可达99%。近日多市纷纷出台政策加强植被覆盖率，旨在控制PM2.5。佛山市将新增3.43万亩森林，长沙市引进吸尘树新增绿地350万公顷。

4 结语

从对PM2.5监测技术的原理入手，有针对性的提出了降低PM2.5的途径和根本措施。从根本上解决PM2.5危害的措施和技术还需要进一步探究和研究。本文提出的切断传播途径中的增大绿化程度，目前还没有以植树造林为绿化建设对PM2.5治理效用的定性分析，绿化建设采用怎么样的模式才更好的治理PM2.5等一系列问题都亟待研究。

参考文献：

[1]王玮，汤大钢，刘纪森，等.中国PM2.5污染状况和污染特征的研究[J].环境科学研究，2000，13(1)：1-5.

[2]余学春，贺克斌，乌永亮，等.北京市PM2.5水溶性有机物污染特性[J].中国环境科学，2004，24(1)：53-57.

[3]龙弘涛.霾伏长沙城[N].人民日报，2013-1-21(3).

[4]国家环保总局.GB3095—2012 环境空气质量标准[S].北京：中国环境出版社，2012

[5]董雪玲.大气可吸入颗粒物对环境和人体健康的危害[J].资源产业，2004,6(5):50-53.

[6]钱孝琳,阚海东,宋为民,等.大气微粒物污染与居民每日死亡关系的Meta分析[J].环境与健康杂志，2005,22(4):246-248.

[7]国家环保总局.HJ/T194—2005 环境空气质量手工监测技术规范[S].北京：中国环境科学出版社，2006.

[8]张婷婷.PM2.5污染危害分析及防控措施研究[J].中国环境管理，2012(3)：19-23.

[9]尹航,郝春晓,葛蕴珊,等.不同掺混比例甲醇汽油车的排放特性[J].环境科学研究，2011，24(8)：917-924.

[10]张学敏,庄马展.厦门市大气颗粒物PM2.5源解析的研究[J].厦门科技，2007(3):41-43.

[11]全国气象防灾减灾标准化技术委员会.QX/T113—2010 霾的观测和预报等级[S].北京：气象出版社,2010.