PM2.5概述及監(jiān)測技術(shù)

1、一.PM2.5概述二.PM2.5監(jiān)測技術(shù)三.部分監(jiān)測數(shù)據(jù)與分析四.展望 PM2.5中文名細(xì)顆粒物，英文全稱fine particulate matter?？茖W(xué)家用PM2.5表示每立方米空氣中這種顆粒的含量，其單位為gm-3（微克每立方米），這個值越高，就代表空氣污染越嚴(yán)重。 細(xì)顆粒物又稱細(xì)粒、細(xì)顆粒。大氣中粒徑小于或等于2m（有時用小于2.5m，即PM2.5）的顆粒物（準(zhǔn)確的PM2.5定義要在“直徑”之前加一個修飾語“空氣動力學(xué)”） 。 2012年2月，國務(wù)院同意發(fā)布新修訂的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)增加了細(xì)顆粒物監(jiān)測指標(biāo)。2013年2月28日，全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會稱PM2.5擬正式命名為“細(xì)顆粒

2、物”。 在氣流中，如果所研究的不規(guī)則形狀粒子與單位密度直徑為Dp球形粒子的空氣動力學(xué)效應(yīng)相同，則定義Dp為所研究粒子的動力學(xué)等效直徑。 與所研究粒子具有相同最終沉降速率且密度為1g/cm3的球體直徑。 反映粒子大小不沉降速率的關(guān)系，可直接表達(dá)出粒子的性質(zhì)和行為。 主要有人為源和自然源，其中以人為源危害較大。 人為源包括固定源和流動源。 固定源包括各種燃料燃燒源 ,如冶金、發(fā)電、石油、化學(xué)、紡織印染等各種工業(yè)過程，供熱、烹調(diào)過程中燃煤與燃?xì)饣蛉加团欧诺臒焿m。 流動源主要是各類交通工具在運行過程中使用燃料時向大氣中排放的尾氣。 自然源包括土壤揚塵、海鹽、植物花粉、孢子、細(xì)菌等。自然界中的災(zāi)害事件，

3、如火山爆發(fā)向大氣中排放了大量的火山灰，森林大火或裸露的煤原大火及塵暴事件都會將大量細(xì)顆粒物輸送到大氣層中。重點污染源流動源（機動車）面源（建筑揚塵、秸稈焚燒等民用，商業(yè)，天然源）固定源（冶金、發(fā)電、石油、化學(xué)、紡織印染）二氧化硫氮氧化物氨氣揮發(fā)性有機物直接排放來 源水溶性粒子有機碳/元素碳元素化學(xué)組成PM2.5細(xì)顆粒物PM2.5的主要成分有碳、有機碳化合物、硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽。其他的常見成分包括各種金屬元素，既有鈉、鎂、鈣、鋁、鐵等地殼中含量豐富的元素，也有鉛、鋅、砷、鎘、銅等源自人類污染的重金屬元素。 物理特性： *動力學(xué)性質(zhì) *光學(xué)特性：散射、吸收 *吸濕性 *電學(xué)性質(zhì) 化學(xué)特性： *無

4、機組成：離子 元素 EC *有機組成： OC WSOC 有機顆粒物分子組成化學(xué)光學(xué)粒徑動力學(xué)電學(xué)吸濕性 一般認(rèn)為，粒徑在10m以上的顆粒物，會被擋在人的鼻子外面；粒徑在2.510m之間的顆粒物，能夠進入上呼吸道，但部分可通過痰液等排出體外，另外也會被鼻腔內(nèi)部的絨毛阻擋，對人體健康危害相對較小；而粒徑在2.5m以下的細(xì)顆粒物即PM2.5，被吸入人體后會直接進入支氣管， 干擾肺部的氣體交換，引發(fā)包括哮喘、支氣管炎和心血管病等方面的疾病。 與較粗的大氣顆粒物相比，PM2.5粒徑小，富含大量的有毒、有害物質(zhì)且在大氣中的停留時間為1000小時左右、傳輸距離可達(dá)上千公里，因而對人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響

5、更大。 因此，大氣顆粒物對人體的危害程度主要取決于其成分、濃度和粒徑。 世界衛(wèi)生組織對PM2.5的標(biāo)準(zhǔn) 每立方米PM2.5小于十微克為安全值 中國對PM2.5的標(biāo)準(zhǔn) 每立方米PM2.5小于75微克為安全值2012年2013年2015年2016年京津冀、長三角、珠三角等重點區(qū)域以及直轄市和省會城市113個環(huán)境保護重點城市和國家環(huán)保模范城市所有地級以上城市全國實施新標(biāo)準(zhǔn) 國內(nèi)的環(huán)境衛(wèi)生專家潘小川教授曾研究了大氣中PM2.5濃度與心血管急診人數(shù)的關(guān)系，在2004年至2006年期間，北京大學(xué)第三醫(yī)院總共接待了8377名 心血管病急診患者（見表1中的急診人數(shù)，以及空氣污染數(shù)據(jù)及天氣情況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)）。 表

6、1中可見，這一時間段的平均SO2和NO2濃度均低于國家“良”級空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限定的最高值（60g/m3和80g/m3），而PM2.5平均濃度為121.58g/m3，遠(yuǎn)高于世衛(wèi)組織認(rèn)定的安全值（10g/m3）。此外，從表1中還可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)觀測點的PM2.5日均濃度增加時，在距觀測點約4公里以外的北京大學(xué)第三醫(yī)院，心血管病急診患者數(shù)量也相應(yīng)增加。雖然PM10和PM2.5都是心血管病發(fā)病的危險因素，但PM2.5的影響顯然更大。在PM2.5污染值最高的一天，心血管病急診患者數(shù)量達(dá)到了最高的26人。 2013年，研究表明PM2.5主要對呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)造成傷害，包括呼吸道受刺激、咳嗽、呼吸困難、降低肺功

7、能、加重哮喘、導(dǎo)致慢性支氣管炎、心律失常、非致命性的心臟病、心肺病患者的過早死。老人、小孩以及心肺疾病患者是PM2.5污染的敏感人群。 如果空氣中PM2.5的濃度長期高于10微克/立方米，死亡風(fēng)險就開始上升。濃度每增加10微克/立方米，總的死亡風(fēng)險就上升4%，得心肺疾病的死亡風(fēng)險上升6%，得肺癌的死亡風(fēng)險上升8% 。 目前幾種主流PM2.5監(jiān)測技術(shù)的基本原理和特點PM2.5測量方法手工法自動法重量法 微量振蕩天平法 射線法C=(m-m0)/V C: 顆粒物質(zhì)量濃度，mg/m3 m：采樣后濾膜重量，mg m0：采樣前濾膜重量，mg V：采樣體積，m3采樣前采樣后 射線原理是根據(jù)顆粒物對C-14釋

8、放的射線的吸收強度進行分析，顆粒物吸附在濾紙帶表面后，蓋革管（閃爍體）計數(shù)器通過測量采樣前射線強度變化來計算吸附顆粒物的濃度。 由于空氣中水分對膜片和吸附顆粒物均有較大的影響，采樣管必須加裝動態(tài)加熱系統(tǒng)，能夠保持受測量氣流的濕度相對穩(wěn)定在合適測量水平。 因此，射線法必須加裝動態(tài)加熱系統(tǒng)來監(jiān)測 PM2.5質(zhì)量濃度，以最大限度減少對顆粒物監(jiān)測的影響。 射線法原理基礎(chǔ)方法的顆粒物濃度計算： m=f（R0/R) f=S/(u/） m 為顆粒物濃度（/m3），R 為采樣后顆粒物過濾器的射線強度（計數(shù)值），R0 為采樣前顆粒物過濾器的射線強度（計數(shù)值），f 為轉(zhuǎn)換系數(shù)（/m3），f 與顆粒物過濾器的采樣截

9、面積以及測量裝置的衰變系數(shù)相關(guān)。 這種方法基于兩個假設(shè)：儀器采樣濾膜帶質(zhì)地均一和環(huán)境空氣中PM2.5粒子物理化學(xué)特性均一，在現(xiàn)實中均不可能全部成立，難以完全達(dá)到理論上的對射線強度衰減率相同的前提，因此該方法儀器測定數(shù)據(jù)存在一些方法學(xué)偏差。 另外，儀器也難以完全避免環(huán)境空氣中的水分對 測量的影響，尤其在較高濕度地區(qū)和濕度短期變 化幅度較大的時候，該方法儀器測定數(shù)據(jù)也容易 出現(xiàn)偏差。 這種方法儀器對采樣濾膜帶有較高的要求，在潮 濕高溫區(qū)域故障率也較高。 微量振蕩天平方法是基于石英振蕩桿上的膜片負(fù)重改變而導(dǎo)致振蕩頻率變化的原理來測量顆粒物的質(zhì)量濃度。 由于空氣中水分對膜片稱重有較大的影響，所以 采樣

10、管系統(tǒng)必須加熱以維持一個較為穩(wěn)定的稱重 濕度環(huán)境，這樣會造成受測量空氣中揮發(fā)性和半 揮發(fā)性顆粒物的損失， 因此，微量振蕩天平方法必須加裝膜動態(tài)測量系 統(tǒng)來監(jiān)測PM2.5質(zhì)量濃度，以校正測量偏差。其聯(lián)用方法簡要通過兩個階段的測量來實現(xiàn)。第一階段，環(huán)境空氣通過膜動態(tài)測量系統(tǒng)的進樣管的加熱干燥后進入監(jiān)測儀，通過設(shè)定一段時間的連續(xù)采樣后，足夠的空氣中顆粒物沉積在微量振蕩天平監(jiān)測儀濾膜上，測定濾膜上的顆粒物重量，計算出顆粒物的質(zhì)量濃度。第二階段，通過膜動態(tài)測量系統(tǒng)的切換閥，環(huán)境空氣進入膜動態(tài)測量系統(tǒng)中的冷凝器，空氣中的顆粒物包括揮發(fā)性和半揮發(fā)性等組分（有機物和酸性成分等）被冷凝并被膜動態(tài)測量系統(tǒng)過濾膜截

11、留，通過冷凝器之后的純凈氣流再進入微量振蕩天平的監(jiān)測儀測量。由于此時氣樣不含顆粒物，因此微量振蕩天平的監(jiān)測儀濾膜不會增重，反而因濾膜上半揮發(fā)性顆粒物的持續(xù)揮發(fā)，而造成濾膜質(zhì)量減輕，減輕的質(zhì)量即為揮發(fā)性和半揮發(fā)性顆粒物損失的質(zhì)量。假設(shè)在第一和第二階段兩次相同時間的測量過程中，微量振蕩天平的監(jiān)測儀濾膜上損失的質(zhì)量相等，將第一階段測得的顆粒物質(zhì)量濃度加上第二階段測得的揮發(fā)性和半揮發(fā)性顆粒物的損失量，即獲得校正后的顆粒物質(zhì)量濃度。 膜動態(tài)測量系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是滲透膜標(biāo)準(zhǔn)件，這個部件的功能是提供冷凝并將采樣空氣中的水分通過滲透膜分離出去。 由于國內(nèi)很多城市細(xì)粒子濃度較高，較多的細(xì)粒子容易導(dǎo)致滲透膜標(biāo)準(zhǔn)件的

12、透水膜微孔較快被細(xì)粒子堵塞，從而使其使用壽命加快降低，約23個月需更換一次。 同樣，在高濕度的地區(qū)，由于冷凝水汽分離工作負(fù)載量大，滲透膜標(biāo)準(zhǔn)件的滲透膜的工作效率和壽命也會加快降低，約3個月或更短時間需更換一次。 這一方法儀器的特點與射線法加動態(tài)加熱系統(tǒng)方法儀器基本相同。 缺點也相同。 但由于光散射方法的使用，這類儀器的數(shù)據(jù)時間分辨率得到很大的提高，可以獲得更高分鐘水平的監(jiān)測數(shù)據(jù)。 該類型儀器精確度水平處在微量振蕩天平加膜動態(tài)測量系統(tǒng)儀器與射線法加動態(tài)加熱系統(tǒng)儀器之間，檢出限和精度理論上均接近微量振蕩天平加膜動態(tài)測量系統(tǒng)方法儀器。 光散射法測量質(zhì)量濃度的原理是建立在微粒的Mie散射理論基礎(chǔ)上的。

13、當(dāng)光照射在空氣中懸浮的顆粒物上時，產(chǎn)生散射光。 在顆粒物性質(zhì)一定的條件下，顆粒物的散射光強度與其質(zhì)量濃度成正比。通過測量散射光強度，應(yīng)用轉(zhuǎn)換系數(shù)，求得顆粒物質(zhì)量濃度。 光通過顆粒物質(zhì)時，對于數(shù)量級與使用光波長相等或較大的顆粒，光散射是光能衰減的主要形式。1000個點位，247套通過EPA認(rèn)證自動監(jiān)測儀，方法201套，TEOM+FDMS方法46套。 （from US-EPA，2010 ）27歐盟成員國，518個監(jiān)測點位，方法186個，TEOM方法56個，TEOM+FDMS方法105個。（from EU，2008） 為了解決“十二五”PM2.5監(jiān)測能力建設(shè)所需要的技術(shù)指標(biāo)要求問題。 在北京、上海、

14、重慶、廣東、濟南地區(qū)開PM2.5自動監(jiān)測儀器適用性測試的情況。 PM2.5是近十年來環(huán)境監(jiān)測的一個新項目。 PM2.5不同于PM10監(jiān)測，揮發(fā)性成分影響顯著，難度較大。 美國1997年頒布標(biāo)準(zhǔn)，1998年開展能力建設(shè)；歐盟2005年前后各成員國逐步開展；日本2007年逐步開展。 國內(nèi)2007年前后各城市試驗性監(jiān)測。 監(jiān)測技術(shù)不是一開始就成熟的方案，是一個探索和發(fā)展的實驗過程。 2008年美國EPA批準(zhǔn)PM2.5監(jiān)測參比方法（手工）和等效方法（自動），2009年開始認(rèn)證通過目前市場主要的國外產(chǎn)品型號，期間歐美PM2.5監(jiān)測設(shè)備通過和未通過認(rèn)證的儀器混雜使用，帶來不少問題。 2011年前國內(nèi)沒有P

15、M2.5自動監(jiān)測生產(chǎn)，國外提供商銷售部分沒有認(rèn)證的設(shè)備。監(jiān)測差別較大規(guī)模不大但是問題已經(jīng)被突出和暴露。 按照國內(nèi)外環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范的要求，對執(zhí)行環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的項目指標(biāo)的監(jiān)測儀器，均需通過環(huán)境管理部門的質(zhì)檢。 對于PM2.5監(jiān)測設(shè)備，美國聯(lián)邦環(huán)保署、歐盟環(huán)境委員會、以及德國、英國、法國、日本等國家已經(jīng)開展儀器的認(rèn)證。 環(huán)境保護部監(jiān)測儀器質(zhì)檢中心（設(shè)在中國環(huán)境監(jiān)測總站）已經(jīng)開展對常規(guī)反應(yīng)性氣體（包括O3和CO）等空氣監(jiān)測設(shè)備的適用性檢測，PM2.5監(jiān)測設(shè)備認(rèn)證還是空白，正在籌措建設(shè)認(rèn)證平臺。 2011年12月環(huán)境保護部頒布環(huán)境空氣PM10和PM2.5的測定 重量法（HJ618-2011）。為P

16、M2.5自動監(jiān)測等效方法儀器提供了基準(zhǔn)的參比方法。 自動方法之間的比對沒有意義，都需要與手工基準(zhǔn)方法比對才能說明問題。與手工基準(zhǔn)方法比對是國際通用的方法，具有權(quán)威性。 只有當(dāng)三臺手工監(jiān)測儀以及待測儀器均有測量結(jié)果，且手工監(jiān)測儀的日均值落在10-400g/m3，且三臺手工監(jiān)測儀測量結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于10%，這一天的手工和自動的比對數(shù)據(jù)才被視為有效數(shù)據(jù)。 采樣場風(fēng)速不超過 8米/秒。 對于感量為0.1mg和0.01mg的分析天平，濾膜上顆粒物負(fù)載量應(yīng)分別大于1mg 和0.1mg，以減少稱量誤差。 從上面三組照片中可以很直觀的反應(yīng)出PM2.5濃度對能見度的影響：濃度俞高，能見度度越低。 自20世

17、紀(jì)70年代以來，大氣顆粒物對能見度的影響就一直是環(huán)保部門關(guān)注的問題之一。盡管在大氣中只占很少的一部分，但顆粒物對城市大氣光學(xué)性質(zhì)的影響可達(dá)99%。大量的研究表明PM2.5 與能見度密切相關(guān)。 大氣能見度主要是由大氣顆粒物對光的散射和吸收決定的。 散射作用：散射作用：空氣分子對光的散射作用很小，其最大的視距（極限能見度）為100300Km（具體數(shù)值與光的波長有關(guān)）。在實際的大氣中由于顆粒物的存在，能見度一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這一數(shù)值：在極干凈的大氣中能見度可達(dá)30Km以上；在城市污染大氣中能見度可在5Km左右甚至更低；在濃霧中能見度只有幾米。在大氣氣溶膠中，主要是粒徑為0.1-1.0微米的顆粒物通過對光的

18、散射而降低物體與背景之間的對比度，從而降低能見度。在這一粒徑范圍的顆粒物中，含有so4-2的粒子和含有NO3-的粒子最易散射可見光。 吸收作用：吸收作用：PM2.5對光的吸收效應(yīng)幾乎全部是由碳黑（也稱元素碳）和含有碳黑的顆粒物造成的。盡管全世界每年排放的碳黑僅占人為顆粒物排放量的0.2-1.0%和全部顆粒物排放量的0.2-1.0%，但其引起的消光效應(yīng)卻要高得多，在某些地方甚至可以使能見度降低一半以上。 下表數(shù)據(jù)來源于國家環(huán)境監(jiān)測總站2013年3月13日到2013年5月13日兩個月的十個認(rèn)證廠家的監(jiān)測數(shù)據(jù)。 地點：北京2013年3-172013年5-62013年4-292013年4-13 在我國，目前