一、項目背景

一直以來(lái)，大氣顆粒物引起的環(huán)境空氣污染受到民眾和zheng府的廣泛關(guān)注和高度重視，機動(dòng)車(chē)尾氣的排放、化石燃料的燃燒、金屬的冶煉、礦山的開(kāi)采、石材的加工、沙塵暴的發(fā)生等過(guò)程均能產(chǎn)生大量的大氣顆粒物，對環(huán)境質(zhì)量和人類(lèi)健康造成很大的影響。近年來(lái)，隨著(zhù)環(huán)保認識不斷加深，人們已經(jīng)不再滿(mǎn)足于僅僅知道PM2.5的濃度，而是希望對PM2.5中所含有各類(lèi)有毒物質(zhì)深入了解。

經(jīng)過(guò)多年分析調查，在眾多有毒物質(zhì)中，作為大氣顆粒物幾大重要成分之一的重金屬污染物一旦侵入人體，吸入超過(guò)一定劑量，就可能誘發(fā)多樣疾病的特性吸引了多數人目光的tou注。對此，國家zheng府及相關(guān)部門(mén)也給予了高度重視，2010年7月份guo務(wù)院正式批復《重金屬污染綜合防治“十二五”規劃》，將Pb、Hg、Cd、Cr和類(lèi)金屬As這五大重金屬污染物作為重金屬防治的對象；2011年底印發(fā)的《國家環(huán)境保護“十二五”規劃》明確要求，提升區域特征污染物監測能力，開(kāi)展重金屬、揮發(fā)性有機物等典型環(huán)境問(wèn)題特征污染因子排放源的監測，鼓勵將特征污染物監測納入地方日常監測范圍；2012年新頒布的《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》首次提出了環(huán)境空氣中Cd、Hg、As、Cr（六價(jià)）的濃度限值，新標準收嚴了Pb的年平均濃度限值和季平均濃度限值。因此，加強大氣顆粒物中重金屬元素的監測早已成為必經(jīng)之路。

二、項目依據

《重金屬污染綜合防治“十二五”規劃》

《大氣污染物綜合排放標準》（GB16297-1996）

《固定汚染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》（GB/T16157-1996）

《固定源廢氣監測技術(shù)規范》（HJ/T397-2007）

《大氣污染物無(wú)組織排放監測技術(shù)導則》（HJ/T55-2000）

《環(huán)境空氣采樣器技術(shù)要求及監測方法》（HJ/T375-2007）

《污染源在線(xiàn)自動(dòng)監控（監測）系統數據傳輸標準》（HJ/T212-2005）

《關(guān)于加強“十三五”環(huán)保規劃編制工作的通知》（環(huán)發(fā)〔2014〕191號）

《大氣污染防治行動(dòng)計劃》（國發(fā)〔2013〕37號）

《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB3095-2012)

《重點(diǎn)區域大氣污染防治“十二五”規劃》(國函〔2012〕146號)

《guo務(wù)院辦公廳關(guān)于加強環(huán)境監管zhi法的通知》（國辦發(fā)〔2014〕56號）

《國家重點(diǎn)監控企業(yè)自行監測及信息公開(kāi)方法（試行）》（環(huán)發(fā)〔2013〕81號）

《大氣顆粒物來(lái)源解析技術(shù)指南（試行）》(環(huán)發(fā)[2013]92號)

《火電廠(chǎng)大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）

《環(huán)境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)連續自動(dòng)監測系統技術(shù)要求及檢測方法》（HJ 653-2013）

《關(guān)于加強重金屬污染防治工作的指導意見(jiàn)》

三、項目方案

★監測內容

監測空氣顆粒物質(zhì)量濃度，并對顆粒物中元素成分進(jìn)行定量分析

★測量方法

X射線(xiàn)熒光（XRF）無(wú)損檢測技術(shù)、β射線(xiàn)吸收檢測技術(shù)與空氣顆粒物自動(dòng)富集技術(shù)*結合；

顆粒物濃度監測方法：β射線(xiàn)吸收法

顆粒物中元素成分定性定量分析：X射線(xiàn)熒光（XRF）法

四、系統概況

4.1重金屬污染在線(xiàn)監測系統概況

大氣重金屬在線(xiàn)分析儀將X射線(xiàn)熒光（XRF）無(wú)損檢測技術(shù)、β射線(xiàn)吸收檢測技術(shù)與空氣顆粒物自動(dòng)富集技術(shù)*結合，不僅可以監測空氣顆粒物質(zhì)量濃度，還可以同時(shí)對顆粒物中元素成分進(jìn)行定量分析。該儀器具有pg/m3量級的檢出限，處于世界*進(jìn)水平，廣泛應用于空氣質(zhì)量監測、污染溯源及源解析、環(huán)境評價(jià)等領(lǐng)域。

大氣重金屬在線(xiàn)分析儀圖片
（從左到右分別為儀器主機、站房機柜上的儀器和車(chē)載儀器）

儀器以恒定的工況流量將空氣吸入顆粒物切割器中，以PM2.5為例，動(dòng)力學(xué)直徑在2.5um附近及以下的顆粒污染物進(jìn)入到儀器的富集系統中。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的富集后，富集系統自動(dòng)切換成β射線(xiàn)分析系統，利用β射線(xiàn)的衰減與顆粒物的質(zhì)量濃度成指數的關(guān)系，對顆粒物的質(zhì)量濃度進(jìn)行分析。然后卷膜系統精確地將富集有空氣顆粒物的濾紙移動(dòng)到X射線(xiàn)熒光分析系統，分別利用X射線(xiàn)熒光的能量和強度對顆粒物中的元素成分進(jìn)行定性和定量的分析。

大氣重金屬監測示意圖

大氣重金屬在線(xiàn)監測——X射線(xiàn)熒光光譜技術(shù)（XRF）的原理見(jiàn)下圖所示，可以直接檢測固體或液體樣品中ppm量級的元素成分。采用富集后再檢測的辦法，使得XRF技術(shù)對空氣顆粒物中的重金屬成分的檢測限優(yōu)于0.001ug/m3。而常規實(shí)驗室的檢測技術(shù)，由于預處理消解過(guò)程中需要將微克量級的樣品溶解到幾十克的液體中，而使得濃度被稀釋百萬(wàn)倍，從而多數儀器（譬如ICP-AES、或原子吸收光譜儀）無(wú)法檢出元素含量低于10ug/m3量級的空氣顆粒物樣品。

X射線(xiàn)熒光光譜技術(shù)原理圖

4.2重金屬污染在線(xiàn)監測系統功能特點(diǎn)

（1）空氣顆粒物濃度、大氣重金屬濃度一體式協(xié)同測量，為污染溯源及源解析提供更精準數據；
（2）TSP、PM10、PM2.5三種切割器可供用戶(hù)選擇，應用于不同的環(huán)境評價(jià)場(chǎng)合；
（3）鉛、鎘、砷等30多種重金屬含量精確測量，最低檢出限在pg/m3量級；

4.3系統優(yōu)勢

4.3.1及時(shí)獲知大氣顆粒物有害金屬濃度，確保公眾知情權

正如十年前我們認識中的大氣顆粒物只有PM10和TSP而*沒(méi)有PM2.5的概念一樣，現如今我們也僅僅是簡(jiǎn)單地關(guān)注PM2.5的濃度值，而忽視PM2.5中具體的有毒有害物質(zhì)是什么，有多少?！恫耢o霧霾調查：穹頂之下》中多次強調控制PM2.5中重金屬元素濃度的必要性，“PM2.5顆粒物進(jìn)入人體后，巨噬細胞難以消化大氣顆粒物中的重金屬，使得巨噬細胞破裂而死，從而降低了人們的免疫力”。通過(guò)大氣重金屬在線(xiàn)分析，能夠快速有效的了解當地的PM2.5中所含有的重金屬和非重金屬物質(zhì)的種類(lèi)和濃度，就像如今實(shí)時(shí)獲取PM2.5的濃度一樣，公眾可以及時(shí)知道居住地的大氣重金屬濃度值，合理安排自己的工作生活，及時(shí)采取措施保護自身受到污染傷害。

4.3.2有利于研究部門(mén)分析大氣重金屬日變化趨勢

常規大氣重金屬監測手段只監測重金屬元素的日平均濃度的測量，但是大氣重金屬隨著(zhù)氣象參數與溫度在每天的不同時(shí)間段有著(zhù)較大的變化，日平均濃度無(wú)法反應這些變化。大氣重金屬實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測可以實(shí)現每天重金屬濃度的小時(shí)值測定，有利于分析總結大氣重金屬和非重金屬元素的日變化規律。

大氣重金屬監測儀監測重金屬污染物的小時(shí)變化圖

4.3.3為監管部門(mén)提供污染源解析數據，助力決策制定

通過(guò)主成分分析與相關(guān)性分析等模型處理，可以告訴政策制訂者污染來(lái)自哪里、貢獻比率，為源解析工作提供輔助成果。

為了進(jìn)一步研究PM2.5與大氣重金屬之間的關(guān)聯(lián)，并為PM2.5的控制提供方向，我們通過(guò)已經(jīng)劃分的三個(gè)組分與大氣PM2.5濃度進(jìn)行相關(guān)性分析。結果如下圖所示，發(fā)現該地區主要影響PM2.5的污染源為組分2（冶金工業(yè)廢氣）。

大氣重金屬監測儀監測數據各組分與PM2.5的相關(guān)性

圖例中顏色的深淺表示相關(guān)性數值的大小。組分2與PM2.5的相關(guān)性zui強，這說(shuō)明影響該地區PM2.5濃度的主要污染源為冶金工業(yè)廢氣。

通過(guò)風(fēng)向與PM2.5中三組分的關(guān)系圖可以確定各組分污染物的來(lái)源方向，如下圖顯示：

大氣重金屬監測儀監測數據PM2.5中元素主成分分析得到的各組分與風(fēng)向關(guān)系圖

圖A是組分1（工業(yè)、生活燃料燃燒）的濃度與風(fēng)向關(guān)系圖，從圖中可以看出組分1主要來(lái)源于監測點(diǎn)位的西南方向（深色區域）；圖B是組分2（冶金工業(yè)廢氣）的濃度與風(fēng)向關(guān)系圖，從圖中可以看出組分2來(lái)源于監測點(diǎn)自身范圍內（深色區域）；圖C是組分3（揚塵）的濃度與風(fēng)向關(guān)系圖，從圖中可以看出組分3主要來(lái)源于監測點(diǎn)位的東方及北方（深色區域）。圖中顏色深淺由淺到深代表污染的程度由小到大。

4.3.4實(shí)時(shí)監測大氣重金屬濃度，提高監測人員工作效率

現有的常規大氣重金屬監測手段還是原始的手工采樣+實(shí)驗室分析方法，工作量大且效率低。由于常規實(shí)驗室分析技術(shù)重金屬濃度檢測需要樣品預處理消解，從樣品稱(chēng)量到樣品消解完成大約需要花費2個(gè)小時(shí)。而XRF技術(shù)無(wú)需樣品預處理，每個(gè)樣品重金屬濃度檢測可以在10分鐘以?xún)韧瓿?，同時(shí)還可以實(shí)現無(wú)人值守、24小時(shí)實(shí)時(shí)監測大氣中的30種重金屬元素，節省了大量的人力成本，且相對實(shí)驗室測量方法而言，耗材少價(jià)格低，維護量低，無(wú)二次污染。

綜上所述，通過(guò)大氣重金屬監測儀不僅可以準確監測大氣顆粒物濃度，還可以實(shí)現大氣顆粒物中重金屬元素濃度的監測，為大氣顆粒物重金屬元素的污染監測和控制提供科學(xué)依據。