TVOC 排放超标预警自动采样留样系统架构及前景研究

李根利 周冰* 刘大喜 何笑迪

（1.河北省生态环境监测中心，河北石家庄 050000；2.河北科技大学环境科学与工程学院，河北石家庄 050030；3.河北东讯科技有限公司，河北石家庄 050035）

1 引言

国内外研究表明，VOCs（volatile organic compounds）是PM2.5和O3的共同前体物［1］，其来源众多，其中工业源VOCs 占我国VOCs 排放量的35.6%。工业源VOCs 的治理效果和总量减排将在一定程度上影响京津冀生态环境支撑区大气污染治理目标的实现。VOCs 作为含碳有机物，也会进一步影响京津冀“碳达峰碳中和”目标的实现进程。此外，河北省在生态环境监测和生态环境保护“十四五”规划中明确指出，要实现污染源专项监测，全力发挥监测支撑保障作用，以及探索VOCs 有组织、无组织超标排放自动留样监测，建立健全监测预警监控体系，强化自动监测数据的执法应用。

环境监测预警技术是在工业化进程中生态环境问题日益突出及计算机技术快速发展的背景下，为有效应对企业污染物超标排放和环境安全事件，于20 世纪80 年代兴起的应急监测技术，其能够为非现场监管提供信息技术支撑，实现远程非现场控制，主要是应用决策树、支持向量机（SVM）、贝叶斯模型等单模型算法对预警信息进行过滤分析［2-3］。因此，为充分实现24 h 全天候对工业源VOCs 治理效果的长期稳定监管和VOCs 总量减排成果的维护，亟须研究和应用可提供多行业非现场执法监管依据的VOCs 自动监测预警技术［4］。为了确保监测数据的科学、合理性，适应“十四五”期间非现场监管执法要求，本文对总VOCs（TVOC）排放超标预警自动采样留样系统的架构和应用前景进行了分析。TVOC 排放超标预警自动采样留样系统不仅安装简单，且可以对固定污染源有组织和无组织TVOC 浓度水平进行实时连续监测，同时可使用气袋自动进行采样和储存，以节约现场采样成本，其留存在气袋中的样品可在实验室进行二次检测分析，进而再次核实监测数值，确保数据的准确性，以期作为非现场监管执法的依据。

2 TVOC 排放超标预警自动采样留样系统的设计目标

2.1 监测预警设备的比较

当前，涉TVOC 企业常用的预警监测设备是单一的光离子化检测器（PID）或氢火焰离子化检测器（FID）监测预警设备、气相色谱—氢火焰离子化联用（GC－FID）监测预警设备，表1 对比了这两类常用监测设备在企业中布设的情况。

表1 不同监测预警设备对比分析

PID/FID 监测预警设备应用范围广，但其预警结果不能完全代表企业VOCs 组分且预警结果并不能用于环保执法；GC-FID 监测预警设备的预警值可用于环境执法，但其设备的体型较大，不仅安装不便，而且单次投入成本较高，企业的适用性低。

2.2 设计目标

为满足生态环境执法部门非现场监管执法改革需要，亟须研制适用于各类型VOCs 监测，且体型小、便于维护和操作的设备。本文拟对研制的TVOC排放超标预警自动采样留样系统架构和前景进行说明，该系统包括设备端和平台端，设备端可实现报警和采样留样协同控制，进而确保检测结果的真实、可靠；根据行业特点设定的（有组织和无组织）报警值，其样品检测结果可用于环境执法，可有效规范企业的TVOC 排放。设计目标具体如下：

（1）确保监测数据的准确性和可信度。在超标时段内，对TVOC 进行自动采集和保存，确保样品采样的及时性、准确性，减少人工采样的繁琐和不确定性。

（2）实时预警报警。对TVOC 排放企业连续监测、预警和报警，保证对监控对象的不间断实时在线监测。

（3）报警自动采样留样。通过控制单元设定报警值，当检测到TVOC 超过报警值时，声光报警单元即会发出声光报警，同时向自动气袋采样器发送信号，自动采集保存样品。

（4）超标报警推送和断电推送。系统可实现在TVOC 超标时，将企业报警设备信息以短信的形式向用户接收终端远程发送，及时告知用户。并在系统出现异常断电情况时，同样以短信的形式将系统状态信息发送给手机、平板等可接收短信的用户终端。

3 TVOC 排放超标预警自动采样留样系统的架构

3.1 逻辑架构

逻辑架构紧扣当前TVOC 污染源排放监测需求，综合利用PID 监控器、气袋自动采样器以及时空大数据融合等技术实现系统构建设计。根据采集和使用方式可将系统分为用户层、中心处理层、网络传输层和超标预警自动采样留样层，如图1 所示。用户层主要是各级生态环境领导、生态环境监测用户、应急指挥人员、系统管理员等。中心处理层主要是TVOC 污染源排放智能监测平台软件和时空大数据融合平台及其运行依赖的软件环境和服务器、存储、智能分析、网络、大屏及控制等硬件设备。网络传输层是前端监测感知设备与中心处理的桥梁，应满足TVOC 污染源排放监测数据的信息传输需求［8-11］。结合TVOC 污染源排放监测站点的现场环境，传输网络以无线为主，以有线为辅。超标预警自动采样留样层主要面向涉TVOC 企业的TVOC 污染源排放监测设备，包括TVOC 有组织排放超标预警自动采样留样系统、TVOC 无组织排放超标预警自动采样留样系统等，能够全天候采集TVOC 污染源的排放数据，并回传到中心处理平台。

图1 逻辑架构

3.2 部署架构

系统需要部署平台软件、平台服务器、存储、智能分析、应用操作终端、前端智能监测、网络、防火墙等软硬件设备。部署内容包括TVOC 排放超标预警自动采样留样系统配套软硬件、时空大数据融合平台配套软硬件。其中，TVOC 排放超标预警自动采样留样系统配套软硬件包括TVOC 排放超标预警自动采样留样系统、系统内置显示处理软件、存储设备、智能分析设备和操作终端。时空大数据融合平台配套软硬件包括数据显示平台、大屏智能管理平台、服务器、大屏、操作电脑、移动设备等。

3.3 平台架构

平台秉承模块化、框架化、集群化、服务化的设计理念，采用微服务架构和组件化技术进行设计，其架构见图2。

图2 TVOC 污染源排放监测平台架构

功能应用层可全视角查看TVOC 的监测预警设备的分布，通过应用支撑平台的国家及行业标准，对TVOC 的检测结果进行数据分析和趋势变化分析。将GPS 信号传输终端与手机连接，进而实现设备的远程监控及操作，确保设备的正常运行。该系统采用的大屏终端具有显示性能卓越、布局设计优良、设备应用合理、界面友好简便、功能有序实用、升级扩展性好等特点，满足大气环境大屏幕图像和数据显示的需求，在TVOC 污染源排放综合管理、分析研判、应急指挥和展示汇报等场景发挥作用显著。

3.4 设备功能架构

设备的操作系统是超标预警自动采样留样设备数据展现的重要载体，采用结构化的程序设计方法，自上而下地进行设计，逐步细化、模块化程序，便于系统开发的整体管理和控制以及系统问题和缺陷的诊断与排查［12］。系统软件采用模块化功能设计，主要包括系统主界面、样品提取、采样设置、实时和历史曲线分析、系统参数设计。操作界面功能设计模块如图3 所示。

图3 操作界面功能模块

4 TVOC 排放超标预警自动采样留样系统的产品化

4.1 系统组成

TVOC 排放超标预警自动采样留样系统由系统保护箱、气体预处理系统、气体控制系统、TVOC 监测系统、TVOC 控制系统、采样留样系统和气体采样袋7 部分组成。其中，系统保护箱具有防水、防腐、防尘、防静电等保护作用；气体预处理系统主要作用于气体样品，具有管路自动化升温、过滤等预处理作用；气体控制系统具有样品的管理和溯源、系统状态监测、数据联网、数据传输、位置移动、断电报警、远程操作设备等作用；TVOC 监测系统的主要作用是监测TVOC 浓度，其核心组件为PID 检测器，满足HJ 1010—2018《环境空气 挥发性有机物气相色谱连续监测系统技术要求及检测方法》和HJ 1013—2018《固定污染源废气 非甲烷总烃连续监测系统技术要求及检测方法》24 h 连续监测的采样要求；TVOC 控制系统具有TVOC 超标报警、自动采样留样、手动采样留样、标定PID 报警值等动作控制功能；采样留样系统可以根据需求实时自动、手动一次完成至多4 个样品的采集；气体采样袋是由氟袋（体积1～5 L）和特氟龙气嘴组成，其可对采集的样品进行采集和保存。

4.2 系统功能

系统具备多种实用功能。

（1）实时监测：24 h 实时监测TVOC 气体的浓度值；

（2）超标预警：浓度值超过预警值时，系统立即发出声、光报警；

（3）采样留样：发出声、光报警时，自动采样、留样；

（4）远程控制：可在主机和数据中心平台设置参数和手动采样；

（5）数据查询：可在数据中心平台进行系统的实时数据、历史数据、报警记录的数据查询和数据导出、打印；

（6）实时推送：报警时，短信推送至设定手机。

4.3 系统优势

TVOC 排放超标预警自动气袋采样留样系统技术结构组成为PID 连续监控器和自动气袋采样器。

（1）PID 连续监控器包括PID 传感器、数据采集处理单元、控制单元和声光报警单元4 部分，实现对TVOC 排放企业的不间断实时在线监测和报警。

（2）自动气袋采样器包括气袋采样器和自动采样驱动单元两部分。系统通过控制单元设定报警值，当检测到污染物浓度超过预警值时，声光报警单元即会发出声光报警，同时向自动气袋采样器发送信号，进行气袋采样工作，实现了采样的及时性、准确性和代表性。

（3）系统精巧价廉，维护简便，操控简单，安装设置后，一般环保监管人员即可操作，适用于各类型挥发性有机物超标环保监管。

（4）监测数据可进行APP、PC 端、网页端等多平台终端交互。

5 TVOC 排放超标预警自动采样留样系统的应用前景

5.1 布点安装前景

5.1.1 涉TVOC 固定污染源有组织排放的安装

参照HJ/T 397—2007《固定源废气监测技术规范》、DB 13/2322—2016《工业企业挥发性有机物排放控制标准》、生态环境部门的规定以及企业TVOC 排放的实际情况，在有组织排放口（烟囱）处安装TVOC有组织排放超标预警自动采样留样系统，实现对烟囱中TVOC 的监测预警，并在TVOC 排放超过设定值时实现报警，同时自动采集并保存超过设定值的样品。

5.1.2 涉TVOC 固定污染源无组织排放的安装

在企业厂区边界或生产车间边界，参照DB 13/2322—2016《工业企业挥发性有机物排放控制标准》和GB 37822—2019《挥发性有机物无组织排放控制标准》建设TVOC 无组织排放超标预警自动采样留样系统，对企业厂区内及周边污染样品采集按照在厂房门窗或通风口、其他开口（孔）等排放口外1 m，距离地面1.5 m 以上位置处实采。若厂房不完整（如有顶无围墙），则在操作工位下风向1 m、距离地面1.5 m 以上位置处收集。实现对超过无组织排放设定值的时刻进行报警，同时进行无组织样品的采集和保存。

5.2 执法应用前景

文献查阅发现，24 h 内是最佳TVOC 测定时间。对于甲烷（CH4），48 h 内测定低浓度无影响，高浓度24 h 后测定浓度会显著降低。在15 d 后测定时，高浓度的CH4测定浓度会减少1/3，低浓度的CH4会增加1/3［13-14］。TVOC 排放超标预警自动采样留样系统可有效捕捉排污单位有组织和无组织排放源的超标排放信息，在超标时段内，TVOC 样品可进行自动采集和保存，实现了超标污染物采样的及时性、准确性和溯源性，降低了传统监测方法和监管模式的繁琐性和不确定性。系统依据GB 16297—1996《大气污染物综合排放标准》设置4 个气体采样袋，在等时间内采集4 个样品并计算平均值。此外，系统可自动留存超标样品，移送实验室分析以获取可用于执法监管的有效数据，进而实现TVOC 样品超标情况下的实时采样监控，解决了企业在短时间内排放超标执法技术难题，为依法治污、科学治污、精准治污提供了有力依据。

6 结论

（1）与企业常用的PID 监测预警设备和FID 监测预警设备相比，TVOC 排放超标自动采样留样设备不仅将预警和采样留样协同控制，而且其根据行业特点设定（有组织和无组织）预警值，得到的样品检测结果可用于环境执法，进而进一步规范企业涉气排放。

（2）排放超标自动采样留样设备体积小，可安装到企业现场用作实时监测设备。且其自制的自动气袋采样器可将样品留存，一部分用作设备的实时连续性监测，另一部分可转交实验室进行二次监测，进而确保监测数据的准确性。

（3）该系统设计时以多类型终端融合通信为基础，监测数据可进行APP、PC 端、网页端等多平台终端交互，可建设融合通信指挥平台和具备污染溯源分析功能，进而方便各方交流，针对突发TVOC 超标事件进行应急会商和处置调度。

（4）排放超标自动采样留样设备目前只适用于企业有组织和无组织挥发性有机物排放监测。为了进一步强化污染源监测，下一步应构建以入河（湖、库、海）排污口、移动源、面源为监测对象的自动采样留样监测设备。