轻工业企业TSP在线粉尘监测仪研究

刘文凯 高芳 李志伟

（河北省生态环境监测中心，河北石家庄 050000）

颗粒物粒径小于100 μm的称为总悬浮物颗粒物（TSP）；粒径小于10 μm的称为可吸入颗粒物（PM10）；粒径小于2.5 μm的称为细颗粒物（PM2.5）。大气中TSP的组成非常复杂，而且变化大[1,2]。TSP是大气环境中主要污染物，中国环境空气质量标准按不同功能区分为3级，规定了TSP年平均浓度限值和日平均浓度限值。TSP的来源分为人为源和自然源，人为源主要为燃煤、燃油、工业生产过程等人为活动排放出来的；自然源主要为土壤、扬尘、沙尘经风力的作用输送到空气中形成的。TSP对人体的危害程度主要取决定于颗粒物粒度大小及化学组成，粒径越小的颗粒物对人体危害越大，粒径超过10 μm的颗粒物可被鼻毛吸留，也会随气流附着皮肤引起皮肤炎，或进入眼睛引发眼结膜炎或造成角膜损伤。而粒径小于10 μm的可吸入颗粒物可随人的呼吸沉积在肺部，甚至可以进入肺泡、血液[3]。粒径为1 μm左右的颗粒物可在肺泡上沉积下来，引起肺组织的慢性纤维化，导致肺心病，加重哮喘病，引起慢性鼻咽炎、慢性支气管炎等一系列病变，严重的可危及生命。鉴于大气颗粒物监测的必要性和紧迫性，准确地采集大气颗粒物十分重要。了解当今大气颗粒物的监测方法和手段，有助于大气环境科学更快更好地发展。

1 TSP在线粉尘监测仪工作原理

按检测原理分类，轻工业企业主流TSP在线粉尘监测仪（以下简称TSP监测仪）主要分为两种，分别为激光散射法和β射线吸收法。基于光散射原理的TSP 粉尘在线监测仪受环境温度、颗粒物大小形状、密度及成分等因素的影响较大，使其不适合用于质量浓度检测（适用于颗粒物粒径检测）[4]。

1.1 激光散射法（后散射）

激光散射法（后散射）TSP监测仪工作原理是当光照射在空气中悬浮的颗粒物上时产生散射光，在颗粒物性质一定的条件下，颗粒物的散射光强度与其质量浓度成正比，通过测量散射光强度，求得颗粒物质量浓度[5]。

1.2 β射线吸收法TSP监测仪工作原理

β射线吸收法TSP监测仪的工作原理为采用低活度14C放射源自然衰变放射的β射线电子流，当它穿过颗粒物时部分能量被颗粒物吸收导致强度衰减[6]。低能量β射线的衰减量大小仅与吸收物质的质量有关，而与吸收物质的其他物理特性（如颗粒物分散度、颜色、光泽、形状等）无关，通过测量β射线的衰减量大小来计算大气中颗粒物的质量浓度。

2 两种TSP在线粉尘监测仪相关规定概述

针对不同型号TSP在线粉尘监测仪的监测原理，相关标准对其做了不同的规定，本文从计量标准、环境标准、地方标准三方面进行分析。

2.1 计量标准的规定

JJG 846-2015《粉尘浓度测量仪检定规程》的适用范围为光散射式数字粉尘测量仪及其他原理的粉尘浓度测量仪。即光散射法监测仪、β射线法监测仪均适用于本检定规程。标准规定示值误差应不超过20%；示值重复性应不大于10%，对光学原理的粉尘仪，若采用标准透光膜板测试，其示值重复性应不大于2%。

2.2 环境标准的规定

HJ653-2013《环境空气颗粒物（PM10和PM2.5）连续自动监测系统技术要求及检测方法》，规定其所配备监测仪器的测量方法为β射线吸收法或者微量震荡天平法。由于TSP和PM10、PM2.5同属于大气颗粒物，β射线吸收法TSP监测仪参考此方法标准。标准对环境空气颗粒物（PM10和PM2.5）连续自动监测系统的技术要求、性能指标和检测方法都作了详细的规定（如表1所示），通过与参比方法测试结果的斜率、截距和相关性对性能指标进行规范，可在较大程度上保证数据的可靠性。

表1 标准对环境空气颗粒物连续自动监测系统所作规定

2.3 地方标准的规定

目前，河北省扬尘在线监测仪执行的相关标准为DB13/T 2935-2019《扬尘在线监测系统建设及运行技术规范》。该标准规定的扬尘在线监测仪包含符合HJ 653的β射线法监测仪及光散射法监测仪两类，但其中对相关系数和平行性的要求等方面，光散射法监测仪要低于β射线法监测仪，如表2所示。

表2 两种原理监测仪的技术指标

3 市场情况调研

3.1 部分轻工业企业TSP在线粉尘监测仪选用情况调研

通过对河北省内24家轻工业企业TSP在线粉尘监测仪选用情况进行调研，18家选用柏美迪康环境科技股份有限公司生产的激光粉尘仪；3家选用天津易智时代科技发展有限公司生产的TSP粉尘仪；3家选用河北先河环保科技股份有限公司生产的TSP粉尘仪。以上轻工业企业选用的TSP粉尘仪以光散射原理为主。柏美迪康环境科技股份有限公司在线粉尘监测设备在河北省轻工业企业中市场份额占比较大。

同时调研了全国其他相关单位采购的TSP在线粉尘仪性能情况，选用的TSP粉尘仪也是以光散射原理为主，本文将不同设备厂家TSP粉尘在线检测仪的基本特点进行了汇总，如表3所示。

表3 无组织TSP粉尘在线检测仪性能调研

3.2 结果分析

通过查阅相关文献及现有标准、进行市场调研，对光散射法及β射线吸收法TSP粉尘在线监测仪的检测原理、测量精度、价格区间、综合性能等方面进行对比，总结出5点内容。

（1）调研可知现阶段安装无组织TSP粉尘在线监测仪的分析原理以光散射（激光后散射）原理为主，少部分设备分析原理为β射线吸收法。但查阅相关文献发现光散射法易受颗粒物性质、现场环境温度、湿度等参数影响较大，测量精度较低，只能反映环境中颗粒物浓度变化趋势[7-9]；β射线吸收法作为环境空气自动监测站国标分析方法之一，测量精度相对较高，误差一般在5%～10%之间，较为准确。

（2）TSP粉尘在线监测仪分析量程可以根据客户选择进行配置，一般分为（0～10）mg/m3、（0～30）mg/m3、（0～50）mg/m3、（0～100）mg/m3。

（3）β射线吸收法原理TSP粉尘在线监测仪价格高于光散射原理设备，一般品牌的光散射原理设备约1万元～2万元每台，知名品牌的约2万～3万每台；β射线吸收法原理设备3万～4万元每台。

（4）每台设备均可联网至企业内部无组织排放管控治一体化平台和手机App客户端，实时查看设备运行情况和监测数据。

（5）目前大部分企业安装的TSP粉尘在线监测仪由企业自主管理运行，还没有委托有资质第三方运维公司进行运维，仪器运维质控和数据质量无法保障。

4 结束语

本文通过研究常用的两种TSP在线监测仪激光散射法和β射线吸收法的原理、性能及市场使用情况，通过比较不同TSP在线监测仪的优缺点，对TSP在线粉尘监测及监测仪的选择提出如下建议。

（1）建立统一数据监管平台，将TSP粉尘在线监测仪联网，通过在线平台监督发现环境问题，远程指挥第一时间整改，并限期将现场整改情况进行反馈；

（2）制定TSP粉尘在线监测仪运维管理机制，鼓励企业将TSP粉尘在线监测仪委托给第三方运维公司进行运维管理；

（3）基于光散射原理的TSP粉尘在线监测仪会受环境湿度、颗粒物大小、形状、密度及成分等因素影响，使其不适合用于质量浓度检测，尤其不适于大于10 μm以上的大颗粒检测[10,11]。该方法用于TSP监测时，数据干扰因素较多，偏差较大，不能真实反映颗粒物浓度。

目前国控点和省控点的环境空气质量评价采用μg/m3的质量浓度为评价标准，为了明确河北省的有组织及无组织颗粒物排放对环境空气评价的影响，建议使用与国控和省控站一致的β射线吸收法原理TSP粉尘在线监测仪，保证数据可比性，有利于实现有组织及无组织颗粒物排放的精准管控。