城市环境空气质量自动监测系统与质量控制应用研究

吴红敏

(上海市市容环境质量监测中心,上海 200085)

近年来,公众对生态环境质量的要求越来越高,政府及相关部门对环境监测数据质量越来越重视。目前环境空气质量自动监测已成为城市环境空气质量监测的主要手段,对城市环境空气质量的评价数据均来自于自动监测系统。环境空气质量自动监测系统24 h不间断运行,实现了环境空气监测的实时性和连续性,加强了城市生态环境监测能力建设,同时为揭示环境空气质量现状及变化趋势提供了数据,为管理部门的科学决策提供了依据,自动监测数据质量至关重要。因此,在系统运行期间应采取有效的质量控制手段,确保监测数据的准确性和可靠性。

1 环境空气自动监测系统构成

环境空气自动监测系统由空气质量自动监测子站、中心计算机室、质量保证实验室和系统支持实验室构成。空气质量监测子站主要由子站站房、采样装置、监测仪器、校准设备、数据采集与传输设备、辅助设备等组成[1-6]。

1.1 布点及站房建设

城市环境空气质量自动监测站点位布设应按照《环境空气质量监测点位布设技术规范(试行)》(HJ 664—2013)进行选址建设,点位应具有代表性、可比性、整体性、前瞻性和稳定性,点位应位于城市的建成区内,数量应根据城市建成区人口数量和建成区面积确定,并相对均匀分布,覆盖全部建成区[7]。

站房建设应满足《环境空气气态污染物(SO2、NO2、O3、CO)连续自动监测系统安装验收技术规范》(HJ 193—2013)和《环境空气颗粒物(PM10和PM2.5)连续自动监测系统安装验收技术规范》(HJ 655—2013)中对于站房基础、结构、面积、配电、防火、防雷等的相关要求,站房内应配置空调、稳压电源、防雷、防火、视频监控、网络等附属设备[1-2],确保站房内温湿度适宜、环境稳定,配套设施健全,以提供监测设备安全、稳定、有效的工作环境。

1.2 监测项目

按照《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)要求配备SO2、NO2、CO、O3、PM10和PM2.5六项基本监测设备,监测设备分析方法应满足标准要求,其中PM10和PM2.5采用β射线法或微量振荡天平法,O3采用紫外荧光法、化学发光法或差分吸收光谱法,SO2采用紫外荧光法或差分吸收光谱法,NO2采用化学发光法或差分吸收光谱法,CO采用气体滤波相关红外吸收法或非分散红外吸收法[8-9]。也可根据实际工作需求,增加总悬浮颗粒物、铅、有机物、温室气体、颗粒物组分等特征污染物监测设备。

1.3 校准系统

监测设备在运行过程中需要进行定期的校准以保证准确性。环境空气质量自动监测系统中校准系统主要包括校准设备、标准气体和校准膜等。其中校准设备主要包括动态校准仪、零气发生器、臭氧校准仪、流量计、气压计、温度计等,动态校准仪和零气发生器主要是用来配置一定浓度的标准气体,对SO2、NO2、CO、O3气态分析仪进行校准,臭氧校准仪主要是对动态校准仪中的臭氧发生器进行量值传递,以保证子站O3能够溯源到国家标准。流量计、气压计和温度计主要是用来检查和校准监测设备的流量、气压和温度等,所使用的校准器具均应在计量检定有效期内。标准气体主要包括SO2、NO、CO气体,主要用来检查和校准气态分析仪的响应,标准气体均应在有效期内使用。颗粒物校准膜主要用来检查和校准颗粒物分析仪的浓度响应。

2 环境空气自动监测质量控制措施

2.1 制度体系建设

环境空气自动监测质量控制需建立质量管理体系文件,体系文件内容主要包括站点建设及验收、设备管理、自动监测系统操作和使用制度、日常巡检制度、定期维护制度、定期检查和校准制度、易耗品定期检查和更换制度、标准物质使用和管理制度以及监测数据审核、人员培训及考核制度等,上述体系文件应依据环境空气质量自动监测相关标准规范及主管部门的管理规定编制,可作为环境空气质量自动监测工作和相关质量管理活动的依据,为监测系统正常运行提供质量保障。

2.2 质量控制措施

2.2.1 监测设备质量控制

监测设备质量控制主要包括日常维护、校准和性能审核等[5-6]。

2.2.1.1 日常维护

日常维护包括对子站站房、监测设备、中心计算机以及实验室的日常检查和维护,保证环境空气自动监测仪器全年连续正常运行。

1)子站日常巡检:子站日常巡检每周至少1次,检查站房内温湿度、采样系统、排风排气系统、标气系统、数据采集与传输系统以及各种辅助设备等,保证子站正常运行环境。

2)监测设备日常维护:监测设备日常维护包括定期检查更换仪器内部关键零部件、采样纸带/滤膜等耗材等,清洁过滤装置、采样头和采样管路等,保证监测设备稳定运行。

3)中心计算机日常检查:中心计算机日常检查包括数据传输、数据存储与备份情况等。

4)实验室日常检查:实验室日常检查包括实验室环境条件、校准设备及器具工作状态、备用监测仪器工作状态、耗材备件使用情况以及辅助设备运行状态等。

日常维护是一种预防性质量控制手段,确保监测仪器具有良好的监测环境,保持较好的工作状态,保证监测仪器连续稳定运行。

2.2.1.2 校准检查

1)气态分析仪日常校准检查:气态分析仪日常校准检查主要包含零点和跨度以及多点校准检查,具备自动校准条件的气态分析仪,每天进行一次零点和跨度检查,不具备自动校准条件的监测设备,每周开展一次零点、跨度检查,其中跨度检查一般使用的标气浓度为80%量程对应的浓度,当发现零点和跨度漂移超过仪器调节控制限时,应及时对仪器进行校准(控制限见图1)。同时应至少每半年对监测仪器进行一次多点检查,除此之外,还需要对监测设备每月开展采样流量检查和校准,对采用化学发光法的NO2监测仪器,要每半年检查一次二氧化氮转化炉(钼炉)的转换效率,转换效率应≥96%。

图1 质量控制图

2)颗粒物分析仪日常校准检查:颗粒物分析仪日常校准检查主要包含采样流量和标准膜/校准常数检查校准,每月使用标准流量计对采样流量进行检查,若实测流量与设定流量超出±5%范围内,则须对流量进行校准。对于β射线法监测仪器,每半年使用外置校准膜进行一次标准膜检查,检查结果与标准膜值的误差应在±2%范围内,否则进行校准。对于振荡天平法监测仪器,每半年用标准膜进行检查,实测校准常数与出厂校准常数的误差应在±2.5%范围内,否则进行校准。除此之外,颗粒物监测仪器每季度应使用经过计量的温度计和气压计进行检查,仪器显示温度与实测温度应在±2 ℃范围内,显示气压与实测气压应在±1 kPa范围内,否则应进行校准。

2.2.1.3 性能审核

精密度表示测量的重复性,测试结果随机误差越小,仪器精密度结果越高。准确度表示测量的准确性,指多次测定的平均值与真值相符合的程度。气态污染物分析物性能审核包括精密度和准确度审核,颗粒物分析仪性能审核为准确度审核,监测仪器进行性能审核之前,不能改动监测仪器的任何参数,如果和气态分析仪器零/跨调节一起进行的话,精密度和准确度审核应在零跨调节之前进行。

气态污染物分析仪精密度审核方法为连续多次向分析仪通入同一浓度的标气,标气浓度一般为满量程的20%,每次待仪器读数稳定后记录仪器示值,计算相对标准偏差,来确定仪器的精密度。准确度审核方法为向分析仪通入一系列浓度的标准气体,标气浓度一般为仪器满量程的10%,20%,40%,60%和80%等5个浓度点,待仪器稳定后记录各浓度下仪器示值,计算示值与标气浓度的平均相对误差,来确定仪器的准确度。

颗粒物分析仪准确度审核包含流量审核、气温审核、气压审核、湿度审核以及参比方法审核。其中流量审核中实测流量与设定流量误差应在±5%范围内,与示值流量误差在±2%范围内;气温审核中仪器显示温度与实测温度的误差应在±2 ℃范围内;气压审核中显示气压与实测气压的误差应在±1 kPa范围内;湿度审核中仪器显示湿度与实测湿度的误差应在±4%范围内。参比方法审核是使用经审核后的采样器与颗粒物自动监测仪器同时段进行采样,且每日有效采样时间不少于20 h,每次获取不少于5个日均值,将自动监测数据与手工监测数据的日均值进行比对分析,每日自动监测数据与手工监测数据的相对偏差应达到数据质量目标,若偏离,则应对自动监测仪器进行检查与维修后再进行比对分析,直到满足准确度审核要求。

根据技术规范要求,监测仪器至少每季度进行1次精密度审核,每年至少进行1次准确度审核。精密度和准确度审核均用于对环境空气连续自动监测系统的外部质量控制,是监测仪器质量控制的关键手段。

2.2.2 量值溯源与传递

2.2.2.1 计量器具量值溯源

用于量值传递的计量器具,如流量计、气压表、压力计、真空表、温度计、分析天平等,应按计量检定的要求每年进行一次计量检定。

2.2.2.2 气态污染物分析仪量值溯源

气态污染物分析仪器使用标准气体或校准仪进行量值溯源,其中SO2、NO2和CO分析仪使用标准气体,其中标准气体要在有效期内使用。O3分析仪使用O3校准仪或者动态校准仪中的O3发生器产生特定浓度的O3标准气体,O3校准仪和动态校准仪中的O3发生器要定期进行量值传递,其中配有光度计的校准仪至少每半年使用传递标准进行1次量值传递,未配备光度计的校准仪至少三个月使用传递标准进行1次量值传递,确保在传递有效期内使用。

2.2.2.3 颗粒物分析仪量值溯源

颗粒物分析仪无标准物质,因此对颗粒物分析仪的量值溯源主要是对用于量值传递的计量器具每年进行一次检定,同时按质量控制要求使用计量器具对颗粒物分析仪流量、气压、压力以及温湿度进行检查和校准。

2.2.3 监测数据质量保证

监测数据的质量保证主要是通过数据审核来完成的,数据审核主要是判断数据的有效性,剔除无效数据,保留有效数据的过程。对于缺失和判断为无效的数据均应注明原因,并保留原始记录。

2.2.3.1 有效数据

有效数据为监测系统正常运行时的所有监测数据,应全部参与统计评价。

2.2.3.2 无效数据

1)对仪器进行检查、校准、维护保养或仪器出现故障等非正常监测期间的数据,仪器启动至预热完成时段内的数据;

2)气态污染物零点漂移或跨度漂移超出控制限时,从发现超出控制限的时刻到仪器恢复至控制限以下时段内的监测数据。

2.2.3.3 零值/负值

1)在低质量浓度环境条件下,仪器零点漂移控制限内的零值或负值,应进行修正,其中气态污染物SO2修正为3 μg/m3、NO2修正为2 μg/m3、CO修正为0.3 mg/m3、O3修正为2 μg/m3,颗粒物PM10和PM2.5修正为2 μg/m3。

2)仪器故障、运行不稳定或不受控情况下出现的零值或负值为无效数据,不参加统计[5-6]。

2.2.4 监测人员

监测人员是指与自动监测活动和质量管理有直接关联的人员,在质量控制工作中起到关键作用,因此参与自动监测的人员应具备监测设备运行维护、质量保证与质量控制、仪器维修、仪器校准、异常情况上报、监测数据初步审核以及监测系统管理的能力,同时应不断学习,定期参加相关的技术培训,学习新的标准和规范,参加培训考核,通过环境空气自动监测人员上岗证考核。监测人员需确保上岗证在有效期内,方可从事相应的监测工作,若未取得上岗证,必须在持证人员指导下开展工作,并在一定期限内尽快取得上岗证[10]。

3 结论与建议

综上所述,城市环境空气质量自动监测系统为大气污染控制提供了数据支撑,助力了环境空气质量的改善,推动了生态文明建设工作。其中质量控制是环境空气质量自动监测系统工作中的关键一环,是确保监测数据真实准确的重要手段,因此,在自动监测工作中,要高度重视质量控制工作,加强监测人员培训和学习,提升专业技术水平,严格按照相关技术规范开展质量控制工作,完善环境空气质量自动监测系统建设工作,进一步提高环境空气自动监测工作的科学性、规范性,使监测数据更加准确可靠。