大气质量环境监测系统方案剖析.doc

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1、 大气质量环境监测系统方案一、 前言随着生活水平的提高，人们对健康越来越关注，对我们生活的环境也越来越关心，特别是一些对人体有危害的气体物质，并逐步在进行有效的监控和治理。环境空气质量监测是伴随着日益严重的大气污染而发展起来的，环境空气质量自动监测系统近年来在我国得到普遍的应用。二、 我国环境空气质量自动监测概况1 基本概念环境空气质量自动监测系统是一套自动监测仪器为核心的自动“测-控”系统。空气质量的自动监测系统一般采用湿法和干法两种方式。湿法的测量原理是库仑法和电导法等，需要大量试剂，存在试剂调整和废液处理等问题，操作繁琐，故障率高，维护量大。干法基于物理光学测量原理，利用定电位电解传感器

2、原理，结合国际上成熟的电子技术和网络通讯技术研制、开发出的最新科技产品。使样品始终保持在气体状态，没有试剂的损耗，维护量较小，具有较强的实用性和理想的性能价格比。2 我国空气质量自动监测工作现状随着工业化进程的加快，科技的不断进步，环境空气监测从传统的事后的大气污染调查监测，事中大气染源监督发展到对大气的实时监测，据不完全统计，现阶段在我国空气质量监测工作的已经基本覆盖1800多个市、县，2000年，47个环保重点城市中只有25个城市建立了空气自动监测站,总数仅为109，,创建24小时连续自动采样系统的监测站为22个，多个城市共同建立了一个空气自动监测站的情况，大大降低了空气监测的准确性。20

3、04年, 42 个城市待建，除此之外的很多城市，因为城市和地区必要的仪器设备和专业人才的缺失,只能采用“五日法”监测，监测的项目具有局限性，监测常规指标为SO2 、NO2 、PM10和气象5参数，监测特异指标为CO2 、CH4 、H2O、NH3 、总烃、苯、二甲苯等。观察我国环境空气监测工作现状，普遍化、自动化、标准化较世界先进水平都具有一定差距，为了更好地保证监测数据代表性、准确性、精密性和完整性，一方面应当抓紧空气自动监测站的普及，另一方面也要在监测技术上有所突破。3 空气质量自动监测系统的发展空气质量自动监测系统的硬件主要集中在子站，而子站的硬件又主要包括采样系统、监测仪器、校准设备，通

4、信设备、数据处理设备等。其中监测仪器是最重要的仪器。空气质量监测仪器经历了第一代湿法仪器，第二代干法仪器，近年来，国内部分城市引进了瑞典OPSIS公司、美国TE公司或法国ESA公司的基于差分光谱法（也称长光程法）原理的监测仪器来代替SO2、NO2、O3等参数的测量，主要是利用长光程空气质量监测技术，能够分时测量以上三个主要参数外还能测量如：THC、CH4、n-MHC、BTX等有机污染参数，开启了空气监测仪器的第三个时代，在国内采用此类设备的空气自动监测系统即为DOAS大气环境质量监测系统，与第一代的湿法仪器和第二代的干法仪器相比，第三代的DOAS监测仪器的有点主要表现在以下几个方面，第一，传感

5、器的使用率上，湿法仪器和干法仪器都无法避免其传感器和样气的直接接触，这样一来，湿法仪器就要经常更换库仑池中的溶液，而干法仪器传感器内中的光学元件会在受到气溶胶一类污染物的污染导致性能下降。而第三代DOAS监测仪和样气接触的是由发射端发射的光，传感器不会跟样气直接接触，各污染物的吸收光谱是通过接收端会聚后由光导纤维传导到仪器内部的传感器去的，确保了DOAS内部的分光计不受样气中污染物的污染，从而可以有效保证传感器的使用效率。 第二，在校零问题上，校零对于监测仪器的质控来说是一项重要的工作。但是在零气的购买商，国内缺少正规严格的零气购买途径，各级计量部门并不提供商品零气，致使除少数城市国外进口零气

6、之外，购买高纯度的惰性气体来作为零气，可能会导致干法仪器在校零后出现负值的情况，只能通过微调仪器上的校零旋钮或在仪器上设置一个估计的修正值来解决误差问题。但是对于DOAS监测器而言，其校准装置为一个长1米的校准池，在对仪器校零时，可以在校准池中通零气，由于DOAS一般的监测距离为300米左右，所以零气误差对监测结果的影响是该误差的三百分之一，能够很好地解决校零误差的问题。 第三，代表性，由于干法仪器的监测距离很短，在采集样气的时候是在一个点上，因此干法仪器也被称为点式仪器，这样一来所采集的样气范围较小，其代表性也较低，需要进行多点采集，还要进行数据分析才能得出较为具有代表性的监测结果。在这一点

7、上，DOAS监测仪的工作原理是利用光线反射，经过100 m甚至1,000 m的长光程来收集数据，这样一来其监测距离为数百米，监测范围相较于干法仪器的监测范围而言，大大增加了，因而有更好的代表性。 第四，异常值的识别。在对污染物浓度的数据进行计算时，如果3个或4个小时连续出现的小时均值为统一数值，一般认为是出现了异常值，如果是干法仪器，整个相同的数值就会被认为是异常数据，但是对于DOAS监测仪来说，在可能出现异常数据情况下，还可以辅以通观察污染物浓度数据对应的光强及偏差来进行进一步的判断，以确定是否属于异常数值。第五，污染物敏感度上，无论是湿法仪器还是干法仪器，要保证其监测数据准确度的最佳状态，

8、需要污染物浓度在其量程的20%-80%且其线性较好的前提条件，监测数据较为准确。如果空气本身受污染不严重，污染物浓度在仪器量程的20%左右及以下时，鉴于此时仪器线性不好，监测数据基本上变化不大，近似于一条直线，而且此时污染物在采样系统上的损失已不能忽略不计。在这一点上，DOAS的污染物敏感度很高，线形较强，即使污染物浓度很低，也会出现有变化的曲线。最后，在设备的维护上，DOAS的日常维护比干法仪器简单，没有试剂的损耗，备件较少，维护运转费用较低，具有较高性价比和安全度。4 环境空气质量自动监测系统的发展趋势近年来，在对监测仪的研究上，国外还在致力于发展灵敏度更高的长光程吸收光谱仪，区别于DOA

9、S，这种仪器是基于激光光源进行监测，但目前尚处于试验阶段，而且激光雷达技术在环境监测中的应用在国际范围内也受到了广泛的重视，日本通产省已着手研制能观测三维大气中物质密度和组分的环境监测用激光雷达，以测量都市上空的NOx、SOx、O3、甲烷等气体的三维立体分布。成为空气质量自动监测系统发展的新方向。目前，德国、美国、意大利和瑞典等国已分别研制成功了车载式差分吸收激光雷达样机，并正在进行实用性试验。但是差分吸收激光雷达的技术复杂、造价昂贵、并且对于操作人员专业技术素质要求较高，估计近期内推广使用有困难。但是，拉曼激光雷达技术，虽然探测灵敏度较差，但结构简单、造价较低、性能可靠，使用维护方便，在对城

10、市大气污染源的流动监测方面可以发挥优势，究其原因是激光雷达本身具有距离分辨率高和实时测量范围较大的特点，再加上一方面利用的是待测气体的吸收和大气（包括气体分子和气溶胶）弹性后向散射的原理，保证了较大的气体吸收截面，另一方面，由于大气气体的弹性后向散射截面也很大，较大的回波强度便于自动监测系统的接收测量。这两方面的结合，形成差分吸收方法测量的高灵敏度，使的激光雷达成为测量气体分子浓度空间分布的一种有力工具。但是对于国内而言，造价仍显昂贵，但是可以作为以后的发展方向，实现设备的国际化接轨。最后，空气质量自动监测系统的硬件主要集中在子站，在子站管理模式上，我国空气质量自动监测子站将会实现普及，但是随

11、着监测设备的不断进化，监测子站越来越多，因此，监测人员的规范管理和技术培训工作应进一步加强，子站的管理模式也应当从自管和托管两个方式入手，实现子站管理方式的规范化和科学化，这样一来才能更好地保证我国空气质量自动监测工作的进一步开展。三、 空气质量检测标准1 国家、国际标准室内空气污染限量标准GB50325-2001民用建筑工程室内环境污染控制规范中有关空气质量验收标准如下：污染物类民用建筑工程类民用建筑工程氡（Bq/m3）200400甲醛（mg/ m3）0.080.12苯（mg/ m3）0.090.09氨（mg/ m3）0.20.5TVOC（mg/ m3）0.50.6其中：类民用建筑工程包括：

12、住宅、医院病房、老年建筑、幼儿园、学校教室等建筑工程；类民用建筑工程包括：办公室、旅店、文化娱乐场所、书店、图书馆、展览馆、体育馆、商场（店）、公共交通工具等候室、医院候诊室、饭店（馆）、理发店等公共建筑。美国、欧洲等国家和香港特区空气中挥发性有害有机气体限量标准污染物水平指标（mg/m3）水平指标（ppmv）测量标准国家或地区醛酮类甲醛0.120.10限量,适用于居民住宅和学校建筑物澳大利亚0.10.0830分钟平均值欧洲0.0300.024卓越级香港0.1000.081良好级目标水平：0.060； 行动水平：0.120目标水平：0.05；行动水平：0.10长期暴露量加拿大0.1200.09

13、6短期暴露量0.060.058小时均值美国0.050.04产生气味的阈值是0.05-1.0ppm美,德克萨斯州丙酮62.7268h均值美,德克萨斯州烷烃类异丁烷8.23.48h均值美,德克萨斯州正己烷21.50.6癸烷7.201.22汽油（0.9苯）/0.83卤代烃或卤代芳烃类二氯甲烷30.84924小时欧洲2.1200.68h均值美,德克萨斯州氯仿（三氯甲烷）0.1630.033良好级香港四氯化碳0.1030.0161,1,1-三氯乙烷7.7711.4三氯乙烯4.310-100.78710-10UR/终生欧洲0.7700.143良好级香港0.9560.1758h均值美,德克萨斯州四氯乙烯0.

14、250.036一年欧洲0.2500.037良好级香港1.380.28h均值美,德克萨斯州苯系物苯610-91.85UR/终生欧洲0.01610.005良好级香港0.1620.058h均值美,德克萨斯州甲苯0.260.068一星期欧洲1.0920.290良好级香港3.818h均值美,德克萨斯州乙苯3.241.014-364天的暴露水平美,德克萨斯州1.4470.333良好级香港二甲苯（邻、间、对）1.4470.333良好级香港4.418h均值美,德克萨斯州苯乙烯0.26 mg/m30.06一星期欧洲0.260.06365天和更长时间暴露水平美,德克萨斯州总挥发性有机化合物(TVOCs)0.500

15、0.2151h均值，其中单一的化合物值不得超出总数的50澳大利亚0.2000.087卓越级香港0.6000.261良好级30.64美国0.2000.085高于室外空气浓度美,北卡罗来纳表1 室内空气质量标准（GB/T 188832002）序号参数类别参 数单位标准值备 注1物理性温度22-28夏季空调16-24冬季采暖2相对湿度%40-80夏季空调30-60冬季采暖3空气流速m/s0.3夏季空调0.2冬季采暖4新风量m3/h人30 a5化学性二氧化硫SO2mg/m30.501h均值6过氧化氮NO2mg/m30.241h均值7一氧化碳COmg/m3101h均值8二氧化碳CO2%0.10日平均值9

16、氨NH3mg/m30.201h均值10臭氧O3mg/m330.161h均值11甲醛HCHOmg/m30.101h均值12苯C6H6mg/m30.111h均值13甲苯C7H8mg/m30.201h均值14二甲苯C8H10mg/m30.201h均值15苯并芘BPng/m31.0日平均值16可吸入颗粒PM10mg/m30.15日平均值17总挥发性有机TVOCmg/m30.608h均值18生物性菌落总数cfu/m32500依据仪器定b19放射性氡222RnBq/m3400年平均值(行动水平c)a 新风量要求不小于标准值，除温度、相对湿度外的其它参数要求不大于标准值。b 见室内空气中菌落总数检验方法。c

17、 行动水平即达到此水平建议采取干预行动以降低室内氡浓度。2 对人体的危害2.1 对婴幼儿及儿童的影响儿童的身体正在发育中，免疫系统比较脆弱，另外儿童呼吸量按体重比比成年人高50%，这就使他们更容易受到室内空气污染的危害。无论从儿童的身体还是智力发育看，室内空气环境污染对儿童的危害不容忽视！室内空气污染会对儿童构成下述三大威胁：诱发儿童的血液性疾病（如白血病）；增加儿童哮喘病的发病率（据统计，我国儿童哮喘患病率为25%，其中15岁儿童患病率高达85%）； 影响儿童的身高和智力健康发育。在中国的中小学及幼儿园教室里，普遍人均空间较小，而教师和学生在教室里学习的时间又长达68小时。由于人多并普遍存在

18、通风欠佳的情况，不少教室的CO2浓度都会在2000ppm以上，在冬季CO2浓度会更高，直接影响到教职员工和学生的身体健康和学习效率，处于成长期的少年儿童抵抗力比成人低，所以更容易受到不良空气的危害。2.2 对办公室白领的影响 白领们长期工作在相对封闭的空调写字楼中，且不论装修、家俱的污染无法彻底散发，就是人员自身产生的污染，也会导致室内空气质量不好。据中国疾病预防控制中心专家调查，由于办公室空间相对密闭，空气不流通，空气污浊，氧气含量低，容易导致肌体和大脑新陈代谢能力降低。所以现在已有越来越多的白领和职员抱怨办公室空气污浊，感到呼吸不畅，注意力不集中，导致工作效率下降；还有一些体弱的人会出现头

19、晕、胸闷、乏力等亚健康症状。 除以上人群外，在室内环境中，特别是在通风不良、人员拥挤的环境中，一些致病微生物容易通过空气传播，使易感人群发生感染。一些常见的病毒、细菌引起的疾病如流感、麻疹、结核等呼吸道传染病都会借助空气在室内传播。非典病毒肆虐的事实也充分说明，室内生物污染不可轻视！要改善这种情况，最经济可行的方法就是实时监测、保证良好的通风状况。3 防治措施时时监测室内的空气品质，做到科学有效地开窗通风，保持室内空气流通，保证室内新风量，最大幅度地减小室内空气污染对人体造成地危害；采光。是指住宅内能够得到的自然光线，一般窗户的有效面积和房间地面面积之比应大于1:15。太阳光可以杀来空气中的微

20、生物，提高机体的免疫力。专家认为，为了维护人体健康和正常发育，居室日照时间每天必须在2小时以上；室内净高最好高于2.8米。这个标准是“民用建筑设计定额”规定的。对居住者而言，适宜的净高给人以良好的空间感，净高过低会使人感到压抑。微小气候的改善。要使居室卫生保持良好的状况，一般要求冬天室温不低于12摄氏度，夏天不高于30摄氏度。室内相对温度不大于65%，夏天风速不少于0.15米秒，冬天不大于0.3米秒。四、 空气质量自动检测系统设计方案1 系统概述空气质量自动监测系统是在这种基础上逐渐发展起来的，必测项目有：SO2、NOX、PM10、CO、O3，且根据使用方式不同可分为路边站、点式固定站、车载式

21、。城市级大气环境监测系统通过在城市均布点设置子站（子站数量根据当地情况而定），安装在线式环境监测设备。监测数据实时传送到当地环保监控中心；中心可通过系统实时监测终端监测辖区内分布的各点在线监测设备的实时动态数据，并及时记录；建立监测系统数据库，根据历史记录数据和分析结果预测、预报辖区环境污染状况及发展趋势，为有效控制辖区内环境状况提供科学依据。系统将在环保局监控中心安装一个视频显示屏及建立一个显示控制系统，该系统可满足环保局政务公示及辖区环境监测数据、信息实时发布的需要。 环境空气质量自动监测系统是以自动监测仪器为核心的自动“测-控”系统。系列环境空气自动监测系统是基于干法仪器的生产技术，利用

22、定电位电解传感器原理，结合国际上成熟的电子技术和网络通讯技术研制、开发出来的最新科技产品。该系统符合国家对城市环境空气自动监测系统的各项技术指标要求，国产化程度高，具有较强的实用性和理想的性能价格比，可替代同类进口产品，是开展城市环境空气自动监测的理想仪环境空气自动监测系统由一个中心站和若干个子站构成（子站数量根据当地情况而定），安装在线式环境监测设备。因此系统软件将由中心站软件和子站软件两大部分组成，两者有机结合，协调整个监测系统的运行，完成对各种监测仪器的数据采集和远程通讯控制及数据处理，并形成报告。2 系统组成大气污染物: NO2（NO、NOx）监测仪、臭氧监测仪、二氧化碳监测仪、一氧化

23、碳监测仪、PM10监测仪等气象系统： 可测量风速、风向、温度、湿度、大气压力。现场校准系统： 包括多种标准气体、一套气体标定装置。中心站及子站系统： 可连续自动采集大气污染监测仪、气象仪、现场校准的数据及状态信息等。并进行预处理和贮存，等待中心计算机轮询或指令。采样系统： 由采样头、总管、支路接头、抽气风机、排气口等组成。数据采集系统（即远程数据通讯设备）：直接使用无线PC卡（支持GPRS）。条件保证设备： 站房等其它硬件 系统组成图系统工作流程图3 系统硬件环境空气自动监测系统利用了先进的光电技术，符合国家对城市环境空气自动监测系统的各项技术指标要求，具有较强的实用性和可靠性，是开展城市环境

24、空气自动监测的理想仪器 。环境空气自动监测系统由一个中心站和若干个子站构成，因此系统软件由中心站软件和子站软件两大部分组成，两者有机结合，协调整个监测系统的运行，完成对各种监测仪器的数据采集和远程通讯控制及数据处理，并形成报告。大气污染监测仪：包括SO2、NOX、空气颗粒物PM10(TSP、 PM5、PM2.5)、CO、O3等监测仪。气象仪： 可测量风速、风向、温度、相对湿度、大气压力、辐射（选配）、降雨量（选配）等。现场校准系统：包括多种标准气体、零气发生器、仪器标定动态气体发生器。子站计算机：可连续自动采集大气污染监测仪、气象仪、现场校准的数据及状态信息等。并进行预处理和贮存，等待中心计算

25、机轮询或指令。采样集气管： 由采样头、总管、支路接头、抽气风机、排气口等组成。远程数据通讯设备：由调制解调器和公用电话线路组成，有线调传或直接使用无线PC卡（支持GPRS）。化学发光法氮氧化物分析仪大气颗粒物浓度监测仪大气颗粒物浓度监测仪内部视图臭氧分析仪工作原理图仪器标定零气发生器4 系统软件该系统实现各种在线监测仪器的综合接入，包括空气质量在线监测、烟气在线监测、污水在线监测、一般企业污染设施运行监测等污染源监测等。数据综合接入中心是环保监控系统的核心，负责系统基础数据的采集、集中。因此该中心应该具有接入方式灵活、扩展性强，对已建成系统容易实现集成，对接入点数无限制的特点。4.1 数据接入

26、一、 接入解决方案根据当前接入的性价比及环保监测的特点，使用GPRS/CDMA通讯方式，对个别信号不好的地方采用传统的MODEM通讯做补充，对已经建成的系统提供集成解决方案。数据接入环保局监控中心。 C无线组网接入二、 监控指标空气质量在线监测仪、气象五参数、COD、PH值、污水流量、氨氮为必有指标（根据企业排污具体情况）, 总有机碳是可选项；系统应为污水温度、总磷、总氮、BOD、总悬浮物等预留接口；企业基本信息管理:企业基本信息管理包括企业名称、地理坐标、主要污染物、行政区划、行业信息等企业基本信息，在次基础上可以完成对企业基本信息的添加、修改、查询、打印输出等。三、 数据传输下位机自动维持

27、与中心的通讯链路、数据按规定的数据格式传输，整个过程不需要任何的人工干预。对有新仪器要求支持时间校准，设定测量时间、设定一段时间内的测量频次、测量结束后恢复正常测量。四、 数据显示可以以曲线、柱状图、表格等方式显示实时数据、历史数据。统计报表:能进行数据统计分析、按标准和规范生成报表。五、 报警软件支持在计算机屏幕上标记出污染企业的具体位置，一旦出现超标排放、停运设备等非正常情况的情况，屏幕上相关企业就会由正常的绿色变为报警的红色或黄色，问题企业名称、位置一目了然，提高污染企业排放情况的透明度。报警监控是系统自动完成的对下端仪器监测到的各种报警数据的上报和自动提示功能，并将各种报警项目自动写入

28、系统日志，为之后采取相应治理措施提供依据。六、 报警参数设定对于相同的指标由于监控点的不同可能要求的排放标准不同，所以系统提供了灵活的设置报警参数的功能，方便用户根据实际需要灵活设定每个监控点的任何一个监控指标的报警参数，同时可设置企业COD、污水流量、氨氮的总量排放年计划指标。七、 状态显示能方便显示出在线仪器、不在线仪器、报警仪器等。4.2 数据接入系统一、 系统组成硬件网络平台，系统主要由智能采集终端、无线传输网、中心管理服务器（安装监控管理软件）等四部分组成。智能采集终端采集的污染源等数据打包进行无线传输，经专门组建的无线VPN专网传输的监控中心的管理服务器进行进一步处理。监控管理人员

29、通过监控管理软件，可以对前数据采集仪进行参数进行设定，对污染源的各种监测数据的阀值进行设定和更改，还可以对监控到数据进行存储。二、 无线接入网络图图 硬件网络拓扑结构图4.3 系统平台配置硬件设备主要包括：企业前端数据采集终端设备；中心端CDMA上网MODEM；SIM 卡；两台服务器；（也可以暂时用一台实现）。数据处理主要设备为数据接入服务器和数据处理服务器。其中数据接入服务器主要通过CDMA线路与污染源前端数据采集器连通，获得污染源数据并进行存储，该服务器由于对机器性能要求并不是很明显因此可采用配置较高的台式机来代替。数据处理服务器上需要安装数据库软件及GIS等应用软件，因此需要专门的服务器来实现。建议的数据接入服务器配置为： CPU：P4 3.0G；内存：1G DDR；硬盘：120G建议的数据处理服务器配置为：CPU：Xeon 3.0；内存：2G ；硬盘4*72G