国产PM2.5监测设备的崛起之路
来源： 阅读：3562 更新时间：2013-02-18 13:51题记：新年伊始，我国中东部各地陆续出现大范围和长时间雾霾天气，从华北到中部乃至黄淮、江南地区，都出现了不同程度的污染天气，多地PM2.5“爆表”，空气质量持续六级“严重污染”，这些都对监测仪器提出了更高要求。
近日由项目牵头单位河北先河环保科技股份有限公司和第一技术支持单位中国环境监测总站组织，在北京召开了国家重大科学仪器设备开发专项《环境大气中细粒子（PM2.5）监测设备开发与应用》项目启动工作会，将研发具有自主知识产权PM2.5监测仪器及采样成套设备。环保部科技标准司刘志全副司长、牵头单位河北先河环保科技股份有限公司李玉国总裁、第一技术支持单位中国环境监测总站傅德黔副站长、项目技术专家、财务专家、用户委员会成员及各任务承担单位的主要负责人和技术骨干参加了会议。
（一）监测并控制PM2.5污染任重而道远(项目背景、意义)
大气复合污染日趋严重 灰霾天气频发不容忽视
由于经济规模的迅速扩大和城市化进程的加快，大气复合污染日趋严重，导致能见度恶化事件越来越多，原来少见的天气现象“霾”成为一种常见现象，对空气质量、人体健康、交通运输等与人民群众生产生活息息相关的领域产生了严重的影响。大气细粒子（PM2.5）是导致复合型大气污染问题的主要原因，其大量吸附空气中重金属及气态污染物等，并作为病毒和细菌的载体推波助澜呼吸道疾病的传染，从而极大危害了人体健康。同时，PM2.5也严重影响了空气能见度，致使灰霾天气频发，因此PM2.5的研究是目前的热点。
控制PM2.5污染 要监测先行
美国及欧盟等国家很早就以PM2.5来描述大气细粒子：美国环境保护署（USA-EPA）于1997年提出了PM2.5环境空气质量标准，欧盟也明确提出将削减PM2.5浓度作为削减PM10浓度的总体规划的一部分。我国一直以来以PM10作为环境空气质量的评价标准，只在一些科研单位、高校和部分省市环境监测站开展了对PM2.5的相关研究。
2012年3月2日，国务院发布《环境空气质量标准》，首次增设了PM2.5平均浓度限值，并将于2016年全面实施。《国家环境保护“十二五”规划》指出，针对复合型大气污染等突出环境问题，实施多种大气污染物综合控制，深化颗粒物污染控制，在重点地区实施细颗粒物监测；《国家环境保护“十二五”科技发展规划》指出，要研究颗粒物分物种的定量源解析技术；2011年12月20日，中共中央政治局常委、国务院副总理李克强在第七次全国环境保护大会中指出：抓紧做好增加PM2.5监测指标的准备，鼓励各地根据污染特征、经济发展水平等分期实施，逐步与国际标准接轨。环境保护部部长周生贤在十一届全国人大常委会第二十三次会议上做了关于环境保护工作情况的报告，列举了当前中国环境保护所面临的诸多挑战，其中大气污染问题尤为引人关注。因此，监测并控制PM2.5污染是我国目前乃至未来很长一段时间内都将面临的重要任务之一，任重而道远。
（二）突破PM2.5监测技术瓶颈
各种高质量大气细粒子监测设备和技术手段的研制和开发，是有效治理细粒子污染的前提和重要保障。欧美国家在细粒子监测仪器设备方面发展较早，许多方面值得我国环保部门和仪器设备厂商借鉴，但其因存在技术壁垒和高昂的价格并不适合于在我国大面积推广应用。
因此，研制和开发拥有自主知识产权的大气细粒子监测仪器和技术手段是我国环保工作发展的重中之重，对环保部门控制污染排放以及相关政策的提出，以及对颗粒物的科学评价具有重要意义。
（三）“环境大气中细粒子（PM2.5）监测设备开发与应用”项目将解决哪些问题？
“环境大气中细粒子（PM2.5）监测设备开发与应用”项目由河北先河牵头、科研院所和企事业单位共16家参与，项目总经费8888万元，其中国家重大仪器设备开发专项资金4088万元。
项目开发并产业化成套PM2.5监测仪，并制定适用于PM2.5监测的相关指标和技术规范，形成国产PM2.5监测的全程序质控体系及系列化的标准分析方法和PM2.5监测体系。项目基于自主研制开发基于β射线法、振荡天平法以及光散射法的PM2.5连续自动监测仪/粒径谱仪，PM2.5切割器/采样器，实现对细粒子的连续采样及其质量浓度的实时准确监测，为我国开展PM2.5环境管理提供有力的技术支持。
（四）专家观点：PM2.5监测到底有哪些难点？
难点一、解决国外仪器在污染浓度过高及浓度变化快时数值不稳的问题
近期空气污染较为严重，PM2.5监测数据频频爆表，北方城市空气污染更为严重，其中的燃煤型污染尤其会导致的PM2.5浓度增高、偏大，如元旦过后华北区域部分城市浓度监测值达到750微克/立方米左右，部分时间浓度峰值上升至1000微克/立方米，国外监测设备在此情况下出现超量程、流量报警、负压超高报警等问题，造成该时间段数据异常。另外国外设备在空气浓度变化快时也会出现数值不稳定的现象。本开发项目立足于设备的稳定性，增大流量的可调节范围空间，从材料的选取到结构的设计、仪器量程与分辨率等要充分考虑到污染浓度高、污染浓度变化快等特定的污染条件。
难点二：中国的环境及大气污染随区域不同有较大差异，不能照搬国外设备
我国幅员辽阔，不同地区温度、湿度、大气压力、颗粒物特征等存在较大差距，PM2.5浓度以及化学组成物特征也存在着极大的差异，尤其是在条件差别较大、污染浓度高、大气压力低的时候，国外设备监测数据存在与手工参比方法差别大的现象，在个别环境条件下仪器不能正常工作，不能满足不同区域及特定条件对设备的要求。
本项目研发具有自主知识产权的国产PM2.5监测设备，实现对PM2.5的连续采样及其质量浓度的实时准确监测，满足在不同区域、不同条件下设备适用性要求，技术水平要超越国外设备。
2012年1月份中国环境监测总站组织PM2.5仪器测试在北京市、上海市、重庆市、济南市、广东省等地的环境监测中心相续展开，组织开展了PM2.5自动监测方法适用性比对测试工作。本次PM2.5开发项目中国环境监测总站、广州市、上海市、重庆市、黑龙江省、甘肃省等六地的监测中心又将共同承担自动监测仪器的质量完善、性能评价研究和应用示范，形成产品的技术要求及检测方法、安装验收、运行与质控、数据处理与传输等技术规范工作，配合设备研发企业做好设备的适应性测试，确保产品能够在不同区域的正常运行，这是我国首次针对环境监测设备进行全国性的适应性测试工作，其难度非常大。
难点三：PM2.5质控体系、标准体系要尽快出台
目前，各地安装情况大部分都以自己的监测要求为准，其采样基准、采购、安装、调试、数据采集质控标准并没有统一，控制条件并未明文约束。国家需要一套质控标准，来保证设备数据准确，本项目以监测总站为首的八个监测中心共同开展基于PM2.5连续自动监测仪和PM2.5采样器的应用示范，形成全程序的质控规范体系，编制安装验收、运行、数据处理与传输等技术规范，并要在相对紧迫的时间内，在全国范围建立统一的体系标准，这也是项目要面对的难题。
难点四、很多技术上的难题需要进行攻克
本项目研制的环境大气中细粒子PM2.5的监测设备主要包含单通道、双通道（同时监测PM10，PM2.5）及与光散射融合技术的自动监测仪,针对不同温度、不同污染条件、不同境因素的PM2.5监测设备进行技术改进。主要包括：
基于β射线检测技术的湿度补偿系统、流量自动控制系统，尤其是双通道流量的控制在不同压力及变化的情况下的恒流设计是需要进行整体突破的难题。
大气湿度与空气中挥发性与半挥发性物质对测量数据的影响，从而重点研究智能加热系统的适应性。
由于空气中存在放射性物质，在不同地区强度不一致，这对β射线检测会造成不同程度的干扰，进而给测量数据造成偏差，如何甄别放射性物质的干扰对于提高仪器检测精度与稳定性有重大意义。
光散射融合技术提高了仪器的时间分辨率，更能实时的检测出空气中颗粒物的浓度，其中光散射测量到的信号与β射线检测到数据如何进行相互补偿修正的数学模型的设计与验证难度较大。
其他需重点突破稳定的高精度检测系统、动态数字滤波、光散射矫正模块、散射光光阱与背景光消除模块、光散射多道分析模块、自动换膜模块等关键技术。
难点五、如何打破国外技术壁垒、价格垄断
由于PM2.5监测技术难度较大，国际上具备PM2.5监测技术的企业较少，一些国外公司利用技术垄断提高产品售价。目前市场上基于振荡天平法的PM2.5监测设备价格最高在35万元，而基于β射线法的PM2.5监测设备价格也都在20万元以上。目前中国各地经济发展不均衡，进口产品高昂的价格及运行费用将使并不富裕的地方经济背上沉重的包袱，急需加强核心部件和关键技术的研究，推出性价比高、质量精良的国产设备。本项目将在国家、环保部门的大力支持下，充分利用项目开发平台安排各方面精干力量进行科技攻关，使国产PM2.5设备在质量、价格上跟国外设备相比具有较强的竞争力。
