大气污染物在线监测技术研究进展

一、引言

大气污染物在线监测通过实时采集、分析大气中污染物浓度（如 PM₂.₅、SO₂ 、 NO_x 等），为污染溯源、预警预报提供数据支撑。我国已建成覆盖全国的大气监测网络，国控站点超 1600 个，实现 PM_2.5 等 6 项指标实时监测，数据发布频率达 1 小时 / 次。但随着复合型污染加剧，臭氧（O₃）、挥发性有机物（VOCs）等二次污染物成为新挑战，传统监测技术存在组分识别能力弱（VOCs物种分辨率不足 50% ）、时空覆盖不均（乡镇级站点覆盖率 <30% ）等问题。新一代在线监测技术可将污染物检测限降至级，时间分辨率提升至分钟级，为精细化治污提供关键数据。在 “双碳” 目标与蓝天保卫战深入推进的背景下，研究大气污染物在线监测技术进展，对提升环境监管能力、改善空气质量具有重要意义。

二、大气污染物在线监测技术的现状与挑战

2.1 现状特征

技术体系多元：主流技术包括 β 射线法（ PM_2.5 ）、紫外荧光法（ SO₂ ）、化学发光法（ NO_x ）等，新型技术如激光雷达、傅里叶变换红外光谱（FTIR）应用占比提升至 20% 。

网络覆盖扩展：形成 “国控 - 省控 - 市控” 三级监测网络，重点工业园区、交通干道实现加密监测，数据传输率达 99% 以上。

智能化初现：部分站点引入自动校准、故障自诊断功能，数据有效率提升至 95% ，较传统人工维护模式提高 15% 。

2.2 主要挑战

微量组分监测难：VOCs 中 C₂-C₁₂ 物种检测覆盖率不足 70% ，恶臭污染物（如硫化氢）在线监测精度偏差 >20% ，难以满足溯源需求。

干扰因素复杂：湿度、温度变化导致 PM_2.5 监测误差超 10% ，交叉干扰（如CO 对 NO_x 检测）使数据准确性下降 15%-20% 。

成本与维护压力：高端在线监测设备单台成本超 100 万元，耗材更换与校准年均费用占设备原值的 15% ，中小城市推广受限。

数据融合不足：不同技术监测数据一致性差（偏差 >15% ），缺乏统一校准标准，跨平台数据整合率 <50% 。

三、大气污染物在线监测的核心技术分类

3.1 常规污染物监测技术

颗粒物监测：β 射线吸收法结合动态加热系统（去除水分影响）， PM_2.5 测量精度 ±5μg/m³ ；振荡微量天平法（TEOM）通过膜动态测量，时间分辨率达5 分钟 / 次。

气态污染物监测： SO₂ 采用紫外荧光法（检测限 0.5pph ）， NO_x 采用化学发光法（响应时间 <20 秒）， O₃ 采用紫外吸收法（测量范围 0-1000ppb ）。

3.2 特征污染物监测技术

VOCs 监测：气相色谱 - 质谱联用（GC-MS）可识别 80 种以上物种，热脱附 - 气相色谱（TD-GC）实现 C₂-C₁₂ 全覆盖，检测限低至 0.1ppb_⨀ 。

恶臭与有毒物质：质子转移反应质谱（PTR-MS）实时监测硫化氢、甲硫醇等，响应时间 <1 秒；差分光学吸收光谱（DOAS）实现苯系物远距离监测，量程达 5 公里。

四、大气污染物在线监测技术的关键进展

4.1 检测性能提升

低浓度检测突破：量子级联激光（QCL）技术将 CO 检测限降至 0.1pph ，较传统红外法提升 10 倍；光腔衰荡光谱（CRDS）实现水汽干扰下 NH₃ 精准测量（误差 <5% ）。

抗干扰能力增强：采用多波长组合算法（如 PM_2.5 监测融合 β 射线与光散射信号），湿度干扰误差降至 5% 以下；选择性吸附预处理技术减少气体交叉干扰，数据准确性提升 20% 。

4.2 智能化与小型化

自动校准系统：内置标准气体自动溯源模块，校准周期缩短至 7 天 / 次，数据有效性达 98% ；机器学习算法识别仪器漂移趋势，提前预警维护需求（准确率 >90% ）。

微型传感器革新：基于纳米材料的电化学传感器体积缩小 60% ，功耗降低至 10W 以下，可实现网格化布点（单平方公里布设 1-2 台），成本仅为传统设备的 1/10

4.3 数据融合技术

多源数据同化：融合地面站点、卫星、移动监测车数据，采用卡尔曼滤波算法优化空间分布反演， PM_2.5 浓度场模拟误差 <8% 。

标准体系完善：建立全国统一的量值溯源体系，不同设备监测数据偏差控制在 10% 以内，数据可比性提升 30% 。

五、大气污染物在线监测技术的应用场景

5.1 环境监管与执法

污染源监控：重点企业废气排放口安装在线监测仪（如 CEMS 系统），数据实时上传监管平台，超标预警响应时间 <30 分钟，执法效率提升 40% 。

区域联防联控：京津冀、长三角等区域建立统一监测网络，实现污染物跨界传输追踪，区域预警准确率 >85% 。

5.2 污染溯源与预警

臭氧成因解析：VOCs 与 NO_x 在线监测数据结合光化学模型，识别臭氧前体物关键来源（如工业涂装、机动车），解析准确率提升至 75% 。

重污染应急：基于 PM_2.5，PM₁₀ 小时浓度数据，提前 24 小时预测重污染过程，预警准确率 >80% ，为应急减排提供依据。

5.3 科研与评估

气候变化研究：长期监测温室气体（ CO₂ 、CH₄）与气溶胶相互作用，数据支撑气候模型优化，参数误差减少 15% 。

治理效果评估：通过监测数据量化减排措施成效（如 PM_2.5 年均浓度下降幅度），评估结果可信度提升至 90% 以上。

六、结论

大气污染物在线监测技术已从单一指标监测向多组分、立体监测升级，检测精度达级，智能化与网络化水平显著提升，为大气污染防治提供了关键数据支撑。当前存在的微量组分监测难、成本较高等问题，可通过技术创新与标准统一逐步解决。未来，随着芯片级传感器、人工智能算法的深度应用，监测技术将向 “高灵敏、低成本、广覆盖” 方向发展，形成天地空一体化监测网络，为精准治污、科学决策提供更有力的技术保障，助力实现空气质量持续改善与“双碳” 目标。