环境监测及其在大气污染治理中应用研究

周金凤

（江苏新测检测科技有限公司 江苏徐州 221000）

引言

根据《中国生态环境状况公报》（2020 年）公布的数据显示，2020 年全国337 个地级及以上城市中，有135 个城市环境空气超标，占总监测城市的40.1%，虽然较2019 年城市环境空气超标量降低了13.3 个百分点，但城市大气环境污染整体状况依然较为严峻。从337 个城市大气环境监测结果来看，严重污染的天数达345 天，重度污染为1152 天，大气环境中的PM2.5、O3、PM10、NO2、SO2和CO 六项污染物超标天数分别为6.8%、4.9%、2.6%、0.4%、不足0.1%和不足0.1%。

从表1 可知，近年来，随着城市大气环境治理力度的加大，城市大气中PM2.5、O3、PM10、NO2、SO2和CO六项污染物浓度分别为：33μg/m3、138μg/m3、56μg/m3、24μg/m3、10μg/m3、1.3mg/m3，较2019 年均呈现出较大幅度的下降态势，分别下降了8.3%、6.8%、11.1%、11.1%、9.1%和7.1%，城市大气环境质量持续向好。

表1 2020年337个城市六项污染物各级别城市比例

1 大气污染成分及危害

（1）颗粒物。随着工业化、城市化快速发展，燃煤排放、工业企业废气、机动车尾气排放等污染物排放到空气，造成以颗粒物（PM2.5、PM10）为主要污染物的大气重污染事件频发，极大地影响到人们的日常生产生活和健康[1]。当大气颗粒物进入人体，会损害心肺功能，增加呼吸系统疾病发生几率。如细颗粒物穿过呼吸道进入人体，将破坏神经系统、免疫系统，增加患心血管疾病风险。空气中的细颗粒物长期漂浮在高湿静态等气象条件下，极易导致雾霾及重污染天气。从表2可知，城市大气中的细颗粒物主要来自燃煤、汽车尾气、气候变化、建筑施工及扬尘等，其中，燃煤和汽车尾气是城市大气细颗粒物污染的主要成因。

表2 某城市大气细颗粒物污染成因

（2）臭氧。臭氧具有强氧化性，可在较低温度下发生氧化反应，随着人类活动的加剧，城市大气环境中的臭氧污染程度也有所加重，影响人体健康，破坏生态环境。生活在臭氧污染物浓度较高的环境中，臭氧污染物经呼吸道进入人体，可能导致头疼、胸闷、咽喉肿痛，诱发呼吸系统疾病，破坏免疫系统功能；加速皮肤衰老；臭氧会降低土壤营养物质，破坏农作物生长，影响农作物产量[2]。此外，臭氧与多种有机化合物发生化学反应，导致建筑材料颜料褪色、加速汽车轮胎老化等。

（3）氮氧化物。大气环境中的氮氧化物包括一氧化氮和二氧化氮，主要来自城市工业生产中的化石燃料燃烧所致。大气环境中的氮氧化物超标会直接影响居民身体健康。一氧化氮与人体中的血液细胞中高氧血红蛋白相互作用，发生反应会减少血液中氧气，导致肌体缺氧。此外，一氧化氮还具有一定致癌作用，影响人体正常细胞分裂。空气中的一氧化氮可与氧气发生缓慢氧化作用，生成二氧化氮，二氧化氮在紫外线照射下产生臭氧、光化学烟雾，进入呼吸系统可直接感染呼吸道，以及其他肺部病变。

（4）二氧化硫。二氧化硫无色，具有强刺激性气味，经呼吸道粘液，诱发呼吸道感染、肺部炎症等多种疾病，对人体的伤害极大。二氧化硫在大气环境中易形成硫酸盐气溶胶，硫酸盐气溶胶将会增加人类死亡率。二氧化硫不仅伤害人体，也会对动植物造成伤害，大气环境中高浓度二氧化硫可导致植物叶片枯萎脱落。此外，还会加剧建筑物钢材的腐蚀速度，加剧建筑物安全隐患。大气环境中的二氧化硫也会诱发酸雾、酸雨等，其会加快建筑物、古文物等腐蚀速度。

2 大气环境监测内容

（1）颗粒物监测。大气环境监测中的颗粒物监测主要是指悬浮颗粒物，其中，可吸入颗粒物、可呼吸性颗粒物是大气污染物的主要组成部分，也是大气环境监测中的重要内容。通过监测大气环境中悬浮颗粒物数量，以判断大气环境污染程度[3]。利用专门的大气环境监测仪器，收集、分析空气中悬浮颗粒物数量，了解和掌握大气环境中颗粒物总降尘量、化学成分、主要分布点位及其实际浓度等。

（2）有害气体监测。二氧化硫、氮氧化物等排放量居高不下，是导致大气环境污染加剧、酸雨频发的重要原因。机动车尾气排放、含硫燃煤燃烧、工业锅炉废气排放等，是大气环境中二氧化硫、氮氧化物等有害气体主要来源，也是城市大气环境污染的重要因素。通过化学法、电解法、分光光度法、仪器法等，监测二氧化硫、氮氧化物在大气环境中的浓度值，为城市大气环境治理提供参考。

（3）挥发性有机化合物监测。挥发性有机化合物能够在大气环境中发生化学反应，挥发性有机化合物具有较强的活跃性、危害性，也是目前城市大气环境监测的重要对象。涂装印刷、建筑装饰、化工生成、家具家电等行业均是产生挥发性有机化合物的主要行业，不仅会刺激呼吸道、皮肤，还具有致癌性。因此，需要采取相应的监测技术及时发现大气环境中挥发性有机化合物污染源和污染程度。

3 大气环境监测常见类型

3.1 细颗粒物监测方法

2012 年起，我国主要城市开展了细颗粒物监测，目前主要的监测方法有重量法、微量振荡天平法和β射线法三种。（1）重量法，是利用天平称重采集到细颗粒物空气的滤膜重量，这是 《环境空气质量标准》（GB3095-2012）中建议的细颗粒物监测标准方法，准确性高是重量法的优势，但其不足之处便是该方法无法实现自动监测。（2）微量振荡天平法监测细颗粒物，是利用物体的固有振动频率与其质量间的关系测定细颗粒物重量[4]。微量振荡天平法监测的优势在于其明确定量关系，但不足是无法解决样品挥发性及半挥发性物质的损耗，因此，监测的结果与实际相比偏低，因此，微量振荡天平法监测不适用于细颗粒物污染严重的城市，以及潮湿的南方城市。（3）β 射线法监测细颗粒物是通过测定β 射线穿过滤膜与颗粒物后的衰减，从而测定细颗粒物重量。β 射线法在干燥、干净环境下监测故障率低，在高温潮湿地区监测故障率高。

3.2 臭氧监测方法

目前，臭氧浓度监测主要包括化学测量和仪器测量。仪器测量法，则是利用监测仪器，对高浓度臭氧进行监测，包括液体内臭氧测量和大气中臭氧浓度测量；化学测量，则是利用化学方式将臭氧转化为氧气，利用质量守恒定律，获得氧元素质量，再根据臭氧原子结构分析获得整个臭氧浓度。目前，化学法臭氧监测主要包括紫外线吸收分光光度法和化学发光法两种方法。（1）紫外线吸收分光光度法，则是利用臭氧的吸收光谱来进行监测，根据臭氧光学性质与收集到的光谱进行比较。紫外线吸收分光光度法易受到天气状况影响，当监测时光线太差的状况下将无法有效对臭氧含量进行监测。（2）化学发光法。化学发光法监测臭氧，是利用对臭氧分子发生光线进行监测对比，不同物质的分子组成及分子数量不同，运用化学发光法可对其收集到的不同光线进行强度标识，可有效鉴别臭氧含量。化学发光法包括生物化学分析法、电致化学分析法、普通化学分析法等，目前使用最多的是普通化学分析法。但不论何种化学监测方法，都应用到一些化学试剂，会对大气环境产生不利影响。

3.3 氮氧化物监测方法

大气中氮氧化物监测方法有原电池库伦滴定法、盐酸萘乙二胺分光光度法、压电石英传感器法、应用光电技术等，其中，应用光电技术在自动化和在线监测方面具有其特定优势。应用光电技术又分为：（1）激光诱导荧光法。用特定波长激光束，激发氮氧分子到较高能级，处于高能级氮氧离子跃迂回基态，以光子发射形式释放能量，荧光强度与其浓度成正比，由光电强度判定氮氧化物浓度。具有灵敏度高、监测效率高，但造价高，尚未大规模商用。（2）光纤传感技术。由光源发出光，经光纤传感到监测点，外界被测参量对光信号进行调制，再经光纤传至光电探测器，基于朗伯-比尔定律测定其浓度。该方法监测具有体积小，更高的选择性、灵敏度和准确性，但稳定性差。（3）激光雷达探测法。利用待测气体分子吸收特性测量其浓度。该工艺技术成为大范围快速监测大气环境中的氮氧化物技术。

3.4 二氧化硫监测方法

二氧化硫（化学式SO2）是大气主要污染物之一，也是最常见、刺激性硫氧化物。监测方法主要有碘量法、定电位电解法、非分散红外吸收法和紫外吸收法。（1）碘量法。氨基磺酸铵混合液吸收烟气中二氧化硫，用碘标准溶液滴定，并根据滴定量测算二氧化硫浓度。碘量法监测二氧化硫监测范围广、精度高，不足之处是需要丰富的监测经验，监测周期长，目前使用较少。（2）定电位电解法。烟气中二氧化硫扩散通过传感器渗透膜，进入电解槽，在恒电位工作电极发生氧化反应。定电位电解法的推荐方法为《固定污染源废气 二氧化硫的测定 定电位电解法》（HJ 57-2017），该方法监测二氧化硫具有监测范围广、误差小、可现场直接读数记录等特点，但不足之处是易受到氟化氢、氯化氢、氨等影响，传感器易因颗粒物、水分等在渗透膜表面凝结而损坏。（3）非分散红外吸收法。二氧化硫气体在6.82-9μm红外光谱中具有选择性吸收性，一束恒定波长7.3μm红外光通过二氧化硫气体，其光通量衰减与二氧化硫浓度符合朗伯-比尔定律。非分散红外吸收法监测二氧化硫监测范围广，可现场直接读数记录，易操作；不足之处是一定浓度下含水量或水蒸气等影响监测结果，需要对监测气体进行除湿处理；浓度反应慢、预热时间长等。（4）紫外吸收法。利用二氧化硫吸收紫外光区内特征波长（190-230nm、280-320nm）的光具有选择性吸收特点，由朗伯-比尔定律定量监测大气中的二氧化硫浓度。该监测工艺技术的优点在于检出下限低，交叉干扰少，监测数据准确，监测范围广等。

4 环境监测在大气污染治理中的应用

（1）提高监测数据质量。环境监测中会收集到大量第一手监测数据，提高大气环境监测数据质量，为大气污染治理提供精准指导和数据信息支撑。目前，积极运用大数据、云计算技术能够有效缩短环境监测数据分析周期，提高大气环境监测质量[5]。利用第三方检测机构的专业技术、专业检测力量，利用LIMS 先进管理系统，借助数据库及在线监测系统，实现监测数据信息互联互通、共建共享。

（2）构建监测网管体系。网络管理是现代大气环境监测的一项主要体现方式，利用网络管理体系可强化对大气生态环境治理的标准化、规范化，积极利用城市大气环境管理体系中的网络管理体系，实现大气环境实时在线自动监测，运用网络技术、质控中心，根据网络管理体系实现在线监测数据监管，利用现代智能化监管手段，加大大气生态环境违法打击力度，及时发现违法行为，不断提高大气环境治理能力。

（3）增强监测技术水平。积极利用现代环境监测技术，强化大气环境监测能力和水平，提高大气环境监测结果的准确性，为大气生态环境治理提供可靠技术保障。面对复杂而严峻的生态环境治理现状，需要进一步革新传统的大气环境监测技术，利用自动化实时监测技术，加强氮氧化物、二氧化硫、臭氧、颗粒物等污染物在线自动监测，提升现代监测技术能力和水平。

结语

环境监测是掌握城市大气污染现状的第一手资料，也是污染防治的重要举措，需要把握大气环境监测的主要内容及其监测的方法，合理选用监测技术，充分发挥出环境监测在城市大气污染治理中的应有价值功能，为城市大气环境污染防治提供有力技术支撑。