大气环境溯源研究移动实验室监测体系构建研究

赵蔼容 严驰 胡凯璐 黎洁

（1.贵州楚云环保科技有限公司，贵州 贵阳 550081；2.同济大学法学院，上海 200092）

1 引言

空气是人类维持生命不可或缺的物质。随着工业化进程的不断深入，人类开发自然、改造自然的能力在不断提高，全球各国面临的大气污染形势也日趋严峻。目前大气颗粒物（包括PM10，PM2.5等）及挥发性有机物（VOCs）已成为我国大多数城市的首要污染物。2019 年6 月，生态环境部发布了《重点行业挥发性有机物综合治理方案》，旨在强调科学治理VOCs 的重要性；2021 年11 月，工业和信息化部发布的《“十四五”工业绿色发展规划》中提出，要加大重点行业生产过程中的VOCs 清洁改造力度，实现细颗粒物（PM2.5）和O3协同控制；2022 年1 月，工业和信息化部、科学技术部和生态环境部联合印发的《环保装备制造业高质量发展行动计划（2022—2025年）》中再次指出，要加强关键核心技术攻关，在大气污染防治领域，开展低成本高效率的VOCs 收集处理、大气颗粒物净化等装备应用研发。由此可见，如今我国正高度重视长期存在的大气环境污染问题，希望通过采取相关措施和行动，全面强化重点行业的大气颗粒物及VOCs 治理，推进环保产业持续稳定健康发展。大气环境溯源研究移动实验室（以下简称“移动实验室”）的出现及应用，推动了我国环境保护工作的开展。因此，有必要从其具体技术及应用层面出发，加深重点行业对大气环境监测系统的探索与理解，助力“天空长蓝、空气常新”的大气污染防治终极目标的实现。

2 大气颗粒物与VOCs 的危害及影响

VOCs 是主要的大气污染物来源之一，也是PM2.5和O3的前体物，可能会进一步导致城市灰霾、光化学烟雾等复合型大气污染。VOCs 通常都具有毒性、刺激性和致畸性，尤其是其中的苯、甲苯及甲醛等，甚至可能对人体造成较大的致癌风险。

大气颗粒物根据其粒径大小，被吸入并沉积在人体中的部位不同，其产生的危害亦有明显差异。若颗粒物粒径大于10 μm，其大部分会滞留于鼻腔；当颗粒物粒径在2～10 μm 之间时，就有可能通过呼吸进入咽喉并沉积在呼吸道中，其中，约10%会沉积在肺部深处；若颗粒物粒径小于2 μm，则全部会被吸入肺泡，其中粒径大小在0.3～2 μm 之间的粒子会通过肺部进入血液循环，严重影响和破坏人体血液系统，进而引发心血管疾病、呼吸系统疾病、慢性肺源性心脏病等风险。除此之外，大气颗粒物还可能会降低能见度、影响云层变化、加剧大气对流、破坏大气辐射平衡等。如汽车尾气和大气颗粒物在光辐射之下，会产生消光系数极大的二次气溶胶粒子，导致大气能见度明显降低。又如当大气颗粒物作为促进水汽凝结成水滴的凝结核造成降水时，不仅会影响到云的宏微观特征，还容易形成严重的酸雨问题［1］。酸雨对环境的危害极大，会破坏裸露的森林、湖泊、土壤和农作物以及腐蚀建筑物、工业设备和名胜古迹等，在造成巨大经济损失的同时，也威胁着人类的生存和发展。

3 大气环境溯源研究移动实验室监测体系概述

3.1 监测体系基本架构

理想中的大气污染溯源监测体系应当是“地（地面空气监测设备）—空（激光雷达）—天（卫星遥感监测）”三位一体的监测系统，“由点到线及面”地实现对环境中大气污染物质浓度变化的实时网格化监控。基于此目标建立的移动实验室监测体系包括决策层、应用层、数据层、传输层、巡查层5 个层级［2］，具体如图1 所示。在微观层面，移动实验室不仅能够实时监测TSP，PM10，PM2.5，SO2，O3，CO，VOCs，NOX等的浓度指标，还能测量GRS 信息、温度、湿度、风速、风向、压力等重要数据；在宏观层面，移动实验室可以通过对实时采集到的数据的录入、统计、分析和管理，进行自动化、智能化的应急预警、行政干预、减排评估、污染纠纷处置、生态规划指导等决策指导。

图1 大气环境溯源研究移动实验室监测体系架构

大气环境溯源移动实验室通过对环境空气质量数据的实时监测、接收、传输、存储、处理及分析，从而能够快速定位污染源，并调取周围国控监测站的数据进行比对。通过分析、对比双点位的数据，对平台中所有站点数据进行排名分析。整体而言，前端仪器实时监测分析，通过互联网将数据传输回服务器进行统计分析工作，从而实现对区域内空气质量多方面、全方位的掌握和把控，为环境空气质量的精准治理和相关决策提供强有力的科技支撑。

3.2 核心组成部分简介

大气环境溯源移动实验室的主要组成部分包括VOCs 走航监测系统、环境空气VOCs 自动监测系统、O3监测激光雷达、空气常规六参数走航分析系统、车载式超声波大气采样系统、数据分析工作站、质控系统、大气预浓缩仪等，以下对其中5 个核心组成部分进行分析介绍。

3.2.1 VOCs 走航监测系统

VOCs 走航监测系统的主要功能体现为在走航过程中对有组织或无组织环境空气污染源的实时区域网格化溯源监测。系统不仅能同时满足多种污染源、不同监测环境的监测要求，还可以在现场进行准确的定性及定量分析，且设备分析方法满足VOCs现场检测标准的要求。通过开展实时走航监测，全面诊断区域内的VOCs 污染整体分布情况，进而精准定位污染来源及区域，从源头出发解决大气污染问题。系统中加入了全自动气相色谱—质谱联用仪，用于环境空气中痕量复杂有机化合物的分离、鉴定和含量确定，使系统具备了现场准确定性定量分析能力。气质联用仪与气相色谱法相比，其具有灵敏度高、样品用量少、分析速度快、分离和分析可同时进行等优点，可以检测更低含量的物质，无需标准品可以快速获得物质的分子量信息。此外，还加入了飞行时间质谱仪模块，通过飞行时间质量分析器的应用，实现了微秒级快速监测和异味因子污染溯源，能够迅速得到全质量范围内的瞬态全谱［3］，可监测苯系物、唾吩类等项目，快速监测醛酮类及部分无机恶臭因子。

3.2.2 环境空气VOCs 自动监测系统

环境空气VOCs 自动监测系统的运行原理如下：首先，是利用深冷预处理装置进行低温去除样品中水分，通过－40 ℃以下的低温三层床填料富集目标VOCs；其次，是控制采样时的除水温度、捕集温度及解吸温度，进行高温热脱附，再采用无需柱箱的低热容毛细管柱，通过直接电阻加热方式进行色谱柱分离；再次，区分样品种类，低碳类VOCs 样品使用氢火焰离子化检测器进行检测，高碳类VOCs 样品则使用质谱检测器进行检测；最终，得到大气中VOCs样品准确的分析结果［4］。监测过程中所有温度、压力、气体、流量、时间等参数均可通过电脑上的软件程序进行控制，屏幕上会实时显示各种数据，并对其进行加密存储。此外，电脑上的数据分析软件还具有参数控制、数据处理、输出报告等多项功能。最重要的是，能够进行关联性分析，提供相应的污染防治方案。如研究PM2.5和O3形成机制，筛选对O3、二次有机气溶胶贡献较大的VOCs 物种，识别VOCs 污染来源，对VOCs 来源特征进行在线解析等。

3.2.3 O3监测激光雷达

O3监测激光雷达集成了多种核心技术，可用于实时监测大气中O3浓度的分布、O3传输特征监测、O3转换监测分析等，其主要运行原理是基于差分吸收技术，利用O3的差分吸收特性测量大气O3浓度的时空分布。一开始雷达系统会以高重复脉冲频率向大气发射两束波长极为接近的激光束，两束激光的波长分别位于待测气体吸收较强和吸收较弱或无吸收的两个位置。通过扩束器发射至大气中与O3、气溶胶等发生相互作用，O3和气溶胶对两束激光的消光系数和后向散射作用基本相同，在得到2 个波长的回波信号后，进一步通过算法反演确定共同路径上的待测气体分子浓度，从而确定区域内的O3污染传输路径，以评价区域内的光化学污染程度。

3.2.4 空气常规六参数走航分析系统

空气常规六参数走航分析系统集成了“四气两尘”智能型气体传感模块，内部配置一个微型真空泵，电源带动微型气泵对待测区域气体进行抽气采样，气体先经过过滤器除尘除湿，然后经气体分流器一分为四进入不同的传感器进行检测，传感器所产生的信号等经处理后，同时保存数据且通过RS485串口送至数据中心。

3.2.5 数据采集及传输系统

数据采集及传输系统内置多种通讯协议，全面支持网络通讯，兼容各类环境监测分析仪器，通过与分析仪器连接并采集仪器的测量结果及工作状态。数据上传采用握手机制与断点续传机制，支持监测站点多通道监测数据上传，确保设备监测数据的保存安全。同时，系统可以灵活设置多种报警方式，如远程显示现场工作状态、异常值自动报警等，并能将报警信号自动发送给责任人员，做到及时预警预报。系统还可存储、保存1 年以上的实时数据及小时均值，实现数据溯源。系统可对报警信息、监测数据进行自动审核和有效性判断，自动对无效数据进行标注，实现数据的前端一级审核。此外，系统具备测量数据及实时状态的查询功能，数据采集器可正确显示分析仪测定的资料。

4 大气环境溯源研究移动实验室监测体系的构建

构建大气环境溯源研究移动实验室监测体系需要多部门高效联动，实现产业发展和绿色发展的结合［5］。其中的关键环节（如图2 所示）包括：（1）大气环境污染调研及敏感点识别。采用“综合调查分析法”，建立区域大气污染因子数据库［6］。（2）大气环境自动监控网络构建。创新VOCs 监测模式，实现片区优控VOCs 的广覆盖、快响应、准监测。（3）大气污染精准防控预警平台建设。通过溯源模型以及“人机结合”排查机制的建立，实现科学预警、精准溯源。（4）异常污染物排查溯源。组建专业团队，保障污染问题的精确诊断。（5）靶向治理及整改评估；明确排污主体，督促整改进展。构建大气环境溯源研究移动实验室监测体系的具体流程见图2。

图2 构建大气环境溯源研究移动实验室监测体系的具体流程

构建大气环境溯源研究移动实验室监测体系过程中，应注意以下几个方面：

（1）挖掘历史数据价值，科学选择走航路线。通过对不同点位历史数据分析，绘制区域污染物特征地图，从范围、时间和时长等方面着手，进行大范围与小区域结合的“地毯式”筛查，将敏感点与重点源走航等有机结合，扩大走航的时间和空间覆盖率，明确选取走航路线及其频次与周期符合要求，全力保证采集样品的真实性和可靠性。

（2）控制监测数据质量，优化安全准确运维方案。结合设备原理，借鉴现行标准，完善质控方法，保证数据真实有效。环境监测部门应结合采样现场的实际情况，有选择性地选取、配置恰当的采样设备。明确保存样品所需条件，全力保证采集样品无污染、不变质。工作人员应当对采样的流量进行校准，若采样体积存在较大的偏差，大气监测准确度将受到严重影响，试验人员在对样品开展试验时要注意将仪器清洗干净、准确校正测量仪器，以保证试验结果准确可靠。此外，还应培养专业的运维团队，负责走航仪器的日常巡检、定期维护、确保校准、耗材更换、故障检修等工作，确保仪器设备正常运行并及时传输数据。

（3）紧跟国家政策方针，建立创新支持体系。2022 年11 月发布的《“十四五”生态环境领域科技创新专项规划》中明确提出，强化生态环境监测监管科技创新，重点开展细颗粒物和O3协同防治。构建大气环境监测移动实验室监测体系应紧跟国家要求、响应国家号召。在高校与研究机构中设立环境科学项目，提供资金和设备支持，促进科研项目开展。支持环保科技创新人才参与国际合作项目与标准制定，提升移动实验室的国际影响力。

（4）完善溯源排查联动，建立示范项目案例。通过及时感知和排查溯源，督促相关企业落实整改，从源头改善区域环境质量。在实践中通过多重手段进一步完善异常溯源排查机制，保障溯源后的企业污染整治。通过多样化的分析手段，探讨、挖掘异常排放线索。积极宣传项目的成果和经验，提高公众对大气环境监测的重视程度。向相关部门推广示范项目的经验和做法，促进大气环境监测技术的推广应用，提高大气环境监测水平，为大气污染治理提供科学依据和技术支持，推动环境保护工作的进一步开展。