第十一章连续自动监测技术与简易监测方法 重点:了解基本原理以及基本结构、应用前景、发展方向 第一节连续自动监测技术概述 起源与发展 L.I起源:监测结果影响因素——时间、空间、环境条件、污染物排放情况等—一要求提供 动态变化信息以正确评价污染状况,同时为硏究提供依据——国家环境质量监测网、大气质 量监测网、地面水质量监测网、酸雨监测网和环境噪声监测网,国家海洋、放射性、生态监 测网站,进行定点、定时人工采样与监测一一连续自动监测技术的发展 1.2发展:发达国家——如美国、日本、英国、德国、荷兰、瑞典等国家上世纪50年代开 始到70年代初,相继建立起了常年连续工作的大气污染自动监测系统和水质污染自动监测 系统,使环境监测工作向连续自动化方向发展。 我国——80年代开始建立大气自动监测站以及水质连续自动监测系统 落后几十年,且同样的东西水平也落后几十年 二、分类 21按应用范围:大气污染连续自动监测系统、水质污染连续自动监测系统等 22按组成部分:一个中心监测站和若干个固定监测分站组成 子站 子站 子站 L子站(→中心站 子站 f站 回忆:监测步骤及信息过程 步骤:准备一一设计一米集一一保存一一分析一一数据一一评价 信息过程:捕获一一传递一一解析一一综合 变化:由人工转为计算机(包括网络)或者自动监测仪器完成。且头尾相连,形成连续 的过程。提问:哪些过程可通过哪些完成? 全程计算机控制:具体的采集分析过程可通过自动监测仪器完成等 信息传递通过?单片机?网络?电台等? √中心站 组成:计算机系统+通讯装置——信息和数据传输由有线或无线电收发传输系统来完成
1 第十一章 连续自动监测技术与简易监测方法 重点：了解基本原理以及基本结构、应用前景、发展方向 第一节 连续自动监测技术概述 一、起源与发展 1.1 起源：监测结果影响因素——时间、空间、环境条件、污染物排放情况等——要求提供 动态变化信息以正确评价污染状况，同时为研究提供依据——国家环境质量监测网、大气质 量监测网、地面水质量监测网、酸雨监测网和环境噪声监测网，国家海洋、放射性、生态监 测网站，进行定点、定时人工采样与监测——连续自动监测技术的发展 1.2 发展：发达国家——如美国、日本、英国、德国、荷兰、瑞典等国家上世纪 50 年代开 始到 70 年代初，相继建立起了常年连续工作的大气污染自动监测系统和水质污染自动监测 系统，使环境监测工作向连续自动化方向发展。 我国——80 年代开始建立大气自动监测站以及水质连续自动监测系统。 落后几十年，且同样的东西水平也落后几十年 二、分类 2.1 按应用范围：大气污染连续自动监测系统、水质污染连续自动监测系统等 2.2 按组成部分：一个中心监测站和若干个固定监测分站组成 回忆：监测步骤及信息过程 步骤：准备——设计——采集——保存——分析——数据——评价 信息过程：捕获——传递——解析——综合 变化：由人工转为计算机（包括网络）或者自动监测仪器完成。且头尾相连，形成连续 的过程。提问：哪些过程可通过哪些完成？ 全程计算机控制；具体的采集分析过程可通过自动监测仪器完成等。 信息传递通过？单片机？网络？电台等？ ✓ 中心站 组成：计算机系统＋通讯装置——信息和数据传输由有线或无线电收发传输系统来完成
中心站是各个子站的网络指挥中心,又是信息数据中心。它配有功能较齐全、存贮容 量大的计算机系统和用作无线电通讯联络的电台 运行时间:中心站的工作一般是间歇式的,如每隔五天开动一次。 主要任务:按预定的程序通过总站(中心站)电台与各子站联系完成下列工作 1.管理和命令:向各子站发出各种工作指令、管理子站的检测工作:如开机、停机、校对 检测仪器等。 2.收集十数据处理十输出:收集各子站的监测数据,并将汇集到的数据进行数据处理,统 计检验,打印污染指标统计表或绘制污染分布图等。 3.数据储存与管理:分门别类地将各种检测数据贮存到磁盘上建立数据库,以便随时检索 或调用 4.反馈信息:向各有关污染源所在处的行政管理部门发出污染指数或趋近超标的污染警报, 以便采取相应的对策。 √分站(子站)一固定式、半固定式、流动式(综合) 组成:检测仪器+通讯装置——装有测定各种污染物的单项指标和综合指标以及气象参数的 检测仪器和电子计算机及其辅助设备,如打印机、显示器等。同时,还设有作为通讯联络的 无线电台。 运行时间:各子站的工作是常年连续运行的。 主要任务 1.监测:通过电脑按预定的监测时间,监测项目进行定时定点的监测 2.数据采集与处理:按照一定的时间间隔采集和处理检测数据 3.数据输出:将测得的各类数据按不同的需要进行显示、打印、和短期贮存 4.按收并完成指令:通过本(子站)站的无线电接收中心站(总站)的工作指令,并按中心站的 要求向其传送检测数据。 √自动控制系统必备软硬件: 过程: 信息传递 控制装置(电脑十计算机固化程序)—被控对象(检测仪器+无线电台+设备与计算机的 联结器件) 控制装置——电脑十工作程序(总、分站软件)。自动监测系统为实现自动控制就要计算 机按照预期的目的、要求中心站与子站的电脑分别编制所需的工作程序(软件),并将其输入 到相应的电脑内。电脑才能按指令的要求进行工作 被控对象一一电脑以外的硬件包括各种检测仪器、无线电台以及这些设备与计算机之 间的联结器件,如接口扩散器、通道联接器、模数转换器等均属。只有将这些软件与硬件合 理的安排并联结组合起来。(执行机构十控制机构?) 结果:自动监测系统中电脑—智能自控:实现自动控制,完成我们所期望的系列监测 活动,包括采样、检测、数据采集处理、显示、打印、贮存等功能
2 中心站是各个子站的网络指挥中心，又是信息数据中心。它配有功能较齐全、存贮容 量大的计算机系统和用作无线电通讯联络的电台。 运行时间：中心站的工作一般是间歇式的，如每隔五天开动一次。 主要任务：按预定的程序通过总站(中心站)电台与各子站联系完成下列工作： 1．管理和命令：向各子站发出各种工作指令、管理子站的检测工作；如开机、停机、校对 检测仪器等。 2．收集＋数据处理＋输出：收集各子站的监测数据，并将汇集到的数据进行数据处理，统 计检验，打印污染指标统计表或绘制污染分布图等。 3. 数据储存与管理：分门别类地将各种检测数据贮存到磁盘上建立数据库，以便随时检索 或调用。 4．反馈信息：向各有关污染源所在处的行政管理部门发出污染指数或趋近超标的污染警报， 以便采取相应的对策。 ✓ 分站（子站）——固定式、半固定式、流动式（综合） 组成：检测仪器＋通讯装置——装有测定各种污染物的单项指标和综合指标以及气象参数的 检测仪器和电子计算机及其辅助设备，如打印机、显示器等。同时，还设有作为通讯联络的 无线电台。 运行时间：各子站的工作是常年连续运行的。 主要任务： 1．监测：通过电脑按预定的监测时间，监测项目进行定时定点的监测。 2．数据采集与处理：按照一定的时间间隔采集和处理检测数据。 3．数据输出：将测得的各类数据按不同的需要进行显示、打印、和短期贮存 4．接收并完成指令：通过本(子站)站的无线电接收中心站(总站)的工作指令，并按中心站的 要求向其传送检测数据。 ✓ 自动控制系统必备软硬件： 过程： 信息传递 控制装置（电脑＋计算机固化程序）——被控对象（检测仪器＋无线电台＋设备与计算机的 联结器件） 控制装置——电脑＋工作程序(总、分站软件)。自动监测系统为实现自动控制就要计算 机按照预期的目的、要求中心站与子站的电脑分别编制所需的工作程序(软件)，并将其输入 到相应的电脑内。电脑才能按指令的要求进行工作。 被控对象——电脑以外的硬件包括各种检测仪器、无线电台以及这些设备与计算机之 间的联结器件，如接口扩散器、通道联接器、模数转换器等均属。只有将这些软件与硬件合 理的安排并联结组合起来。（执行机构＋控制机构？） 结果：自动监测系统中电脑——智能自控：实现自动控制，完成我们所期望的系列监测 活动，包括采样、检测、数据采集处理、显示、打印、贮存等功能
扰 反馈通道 测定元件 自动控制系统图 第一节连续自动监测技术分论 监测对象:大气、水、酸雨、气象条件等等 总站程序:监测方案设计需要考虑的因素+自动检测实现要求 子站布设:代表性、可比性(标准化、统一化)、实时、无障碍、其他物质条件 差别:监测项目不同、仪器设备不同、要求不同等 大气自动监测系统 1.现状:美国有6000个监测站点,其中250个是国家级的,其余为州县级的。荷兰国家大 气自动监测网点250个站:日本的神奈川县建有7个监测站。 2.监测项目:监测指标及环境参数指标。包括二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、总悬浮颗 粒物或飘尘、臭氧、硫化氢、总碳氢化合物、甲烷、非甲烷烃、气象参数等(必测、选测) 3.大气自动监测的布点方法及站点类型 3.1依据:污染扩散是排放量(排放浓度)与时间、空间的函数 3.2特点:大范围的,受季节、气候、地形、地物等因素的强烈影响,随时间的推移而变化 33不同级别: 国家级:国家级或大区域,网格布点法。一般各点(站)距28km。 城市级别:为掌握城市不同污染源对其功能区的影响,常采用功能区布点法,分区一般为工 业区、交通繁杂区、商业繁华区、居民稠密区、公园游览区等。 组成:国外大气污染自动监侧系统中的各站点,多数为固定站,但有时还设有若干流 动监测站、垂宜监测站、排放源监测站、邏测监测站与固定站配合(互相补充)成为一个完整 的系统 如日本大阪府的大气自动监测系统,国家城市网的常设站有固定站44个,流动站3个(当 固定点站出事故可替补)。垂直站1个,掌握垂直变化,结合气象高塔设置的,可获得与污 染有关的不同高度的气象参数。发现并预报逆温层,监测不同高度的污染浓度,提供远距离 污染迁移情报 工厂级别: 以排放源为中心的同心圆布点法,分别为4、10、20、40km为半径园环,设4、6、8 10点,结合常年主导风向布点。此法易于绘污染分布规律图,研究污染数学模式 组成:厂矿企业的监测网站,一般设排放源监测站和遥测监测站 功能 排放源监测站:可宜接监测污染源烟囱的排放量,获得环境污染与排放源之间的关系, 监测数据遥传到中心站。并可接受中心站的警报指令,监测各排放源排放超标时是否采取了 措施及治理后的削减率。 遥测监测站:是用来遥测污染派排放总量的,用激光拉曼或相关光谱等遥测大气中污 染物总携载量及排放总量:;同时可弥补固定站对各小污染源跑、冒、滴、漏污染事故等不致 漏测。 4.大气自动监测组成与仪器(子站)
3 自动控制系统图 第一节 连续自动监测技术分论 监测对象：大气、水、酸雨、气象条件等等 总站程序：监测方案设计需要考虑的因素＋自动检测实现要求 子站布设：代表性、可比性（标准化、统一化）、实时、无障碍、其他物质条件 差别：监测项目不同、仪器设备不同、要求不同等 一、大气自动监测系统 1. 现状：美国有 6000 个监测站点，其中 250 个是国家级的，其余为州县级的。荷兰国家大 气自动监测网点 250 个站；日本的神奈川县建有 7 个监测站。 2. 监测项目：监测指标及环境参数指标。包括二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、总悬浮颗 粒物或飘尘、臭氧、硫化氢、总碳氢化合物、甲烷、非甲烷烃、气象参数等（必测、选测） 3. 大气自动监测的布点方法及站点类型 3.1 依据：污染扩散是排放量(排放浓度)与时间、空间的函数 3.2 特点：大范围的，受季节、气候、地形、地物等因素的强烈影响，随时间的推移而变化。 3.3 不同级别： 国家级：国家级或大区域，网格布点法。一般各点(站)距 28km。 城市级别：为掌握城市不同污染源对其功能区的影响，常采用功能区布点法，分区一般为工 业区、交通繁杂区、商业繁华区、居民稠密区、公园游览区等。 组成：国外大气污染自动监侧系统中的各站点，多数为固定站，但有时还设有若干流 动监测站、垂直监测站、排放源监测站、遥测监测站与固定站配合(互相补充)成为一个完整 的系统。 如日本大阪府的大气自动监测系统，国家城市网的常设站有固定站 44 个，流动站3 个(当 固定点站出事故可替补)。垂直站 1 个，掌握垂直变化，结合气象高塔设置的，可获得与污 染有关的不同高度的气象参数。发现并预报逆温层，监测不同高度的污染浓度，提供远距离 污染迁移情报。 工厂级别： 以排放源为中心的同心圆布点法，分别为 4、10、20、40km 为半径园环，设 4、6、8、 10 点，结合常年主导风向布点。此法易于绘污染分布规律图，研究污染数学模式。 组成：厂矿企业的监测网站，一般设排放源监测站和遥测监测站。 功能 排放源监测站：可直接监测污染源烟囱的排放量，获得环境污染与排放源之间的关系， 监测数据遥传到中心站。并可接受中心站的警报指令，监测各排放源排放超标时是否采取了 措施及治理后的削减率。 遥测监测站：是用来遥测污染派排放总量的，用激光拉曼或相关光谱等遥测大气中污 染物总携载量及排放总量；同时可弥补固定站对各小污染源跑、冒、滴、漏污染事故等不致 漏测。 4. 大气自动监测组成与仪器（子站）
组成:四部分—取样装置、污染监测仪器、数据传递系统及数据处理 (-)取样装置 由采样管线和列管组成(玻璃系统),列管直径为50mm,各监测仪器从列管内抽取样 品,样品的流量应大于各监测仪器从列管内取样总量的3-6倍(为什么?代表性)。有时 在采样系统中加一混合室(为什么?均匀性) (二)监测仪器 仪器一—项目——目的或要求 有的高达40项 表81部分国家地区大气自动监测项目与方法 监测乐日美苏里州日4本神余川县荷兰家网国法兰克福 CP(FPD) 色谐法 溶液电导法 动态库仑滴定溶液电导法 NO 化学发光法 分光光度法 化学发光法电化学法 六 化学发光法 分光光度法 化学发光法 (乙烯)(中性K溶液吸收比色)(罗丹明B) 色谱法(甲谱转化)非分散红外吸收法劲态库仑滴定非分散红外吸收法 GC(FID 气相色谱法 气相色谱法 气相色谱法气相色谱法 标准大容量重量法 IP 光散射法 β线吸收法 β线吸收法 采样器 风旗式两段滑线电 风向 风旗式 风旗式 风旗式 四 位器 项风速风杯式光电转换 风杯式转换电压 风杯式 风杯式 象 新图 热敏电阻 铂电阻转换电压 热敏电阻 湿度自动光敏冷凝触点 毛发湿度计 毛发湿度计 湿度计 其它 举例:二氧化硫连续监测仪器 (1)溶液电导法(EC):其原理是利用酸性过氧化氢溶液吸收大气中的SO2。反应式为: H2O2十SO2--H2SO4
4 组成：四部分——取样装置、污染监测仪器、数据传递系统及数据处理。 (一)取样装置 由采样管线和列管组成(玻璃系统)，列管直径为 50mm，各监测仪器从列管内抽取样 品，样品的流量应大于各监测仪器从列管内取样总量的 3—6 倍（为什么？代表性）。有时 在采样系统中加一混合室（为什么？均匀性）。 (二)监测仪器 仪器——项目——目的或要求。 有的高达 40 项。 举例：二氧化硫连续监测仪器 (1) 溶液电导法(EC)：其原理是利用酸性过氧化氢溶液吸收大气中的 SO2。反应式为： H2O2 十 SO2——H2SO4
由测定溶液电导率的变化求出大气中SO2的含量 仪器操作简便,费用低、响应快,但线性较差、干扰多 最近一些厂家对电导法仪器作了很大改进,如日本DDK公司的GRH一72型,采取了 自动调零的方式消除CO2的干扰 首先在反应液中加入1×105M硫酸氨作为本底,降低CO2的溶解度,空气一般含300 400ppm的CO2,可在1.25s达到吸收饱和,仪器通气1.25s后自动调零,即可避免CO2 干扰,采用草酸选择性过滤器除去NH2的负干扰。采用响应快的热敏电阻进行温度补偿, 使测量结果稳定可靠仪器设计每小时一个测量周期,每一个测量周期的测量、排液、洗涤、 计量加液、量程转换、零点校正等程序均可自动控制,测量结果以锯齿波图形显示,并于周 期终点指示周期的平均浓度,最小检出量可达0.25pb,适用大气污染自动监测系统 (2动态库仑法(Cou):通常采用三电极动态库仑滴定法,一对Pt电极.外加一个恒电流, 当S02气进入库仑池时由于: SO4 t Br2 t 2H20=H2SO4t2HBr 破坏了电极反应平衡,阴极电流降低,降低的部分从第三个活性碳参考电极流出,测定 参考电极电流即可求出与之成正比例的SO2含量。 (3)色谱火焰光度法(FPD):空气中的硫化物进入富氢火焰时,在还原焰中形成的硫原子结合 成激发态的硫分子,当它返回到基态 e+2=22322+pn=30时发射出光子 用光电倍增管经一窄带滤光片接收总硫的特征光谱即可求出空气中的总硫含量。若空气 进入火焰光度鉴定器前先经色谱柱分离,即可分别测出二氧化硫、氮氧化物、硫化氢、总碳 氢化合物。该方法已用于大气污染自动监测系统连续测定肋z,操作简便、响应快、选择性 好,最小检出量可达5pPb。其缺点时需用氢气源,故要增加安全措施 5.数据传输—计算机十电台:有线或无线(参数与计算机配套) 数据处理——软件 6.其他一一气象观测仪器十大气污染监测车(流动监测) 7.注意事项:清洗、维护、防干扰 全国47个环保重点城市实时监测表明山东烟台空气北方第 2004-0226 作为全国47个环保重点城市,上周山东烟台市环境空气质量在全国47个城市中排名 第六,空气质量(罗马数字1、2)等级天数比例达100%,排在我国北方城市第一位,在全 国打出了烟台“蓝天碧海、北方第一”的品牌。 据烟台市环境监测站介绍,为保证对空气质量的监测,从1998年起,监测站投资460 多万元建起6个空气质量自动监测站。对全市空气中主要污染物进行全天候监测,分分秒 秒地将实时采集的监测数据传输到监测站的总库
5 由测定溶液电导率的变化求出大气中 SO2 的含量。 仪器操作简便，费用低、响应快，但线性较差、干扰多。 最近一些厂家对电导法仪器作了很大改进，如日本 DDK 公司的 GRH 一 72 型，采取了 自动调零的方式消除 CO2 的干扰。 首先在反应液中加入 1×10-5M 硫酸氨作为本底，降低 CO2 的溶解度，空气一般含 300 一 400ppm 的 CO2，可在 1．25s 达到吸收饱和，仪器通气 1.25s 后自动调零，即可避免 CO2 干扰，采用草酸选择性过滤器除去 NH2 的负干扰。采用响应快的热敏电阻进行温度补偿， 使测量结果稳定可靠仪器设计每小时一个测量周期，每一个测量周期的测量、排液、洗涤、 计量加液、量程转换、零点校正等程序均可自动控制，测量结果以锯齿波图形显示，并于周 期终点指示周期的平均浓度，最小检出量可达 0.25ppb，适用大气污染自动监测系统。 ” (2)动态库仑法(Coul)：通常采用三电极动态库仑滴定法，一对 Pt 电极．外加一个恒电流， 当 S02 气进入库仑池时由于： SO4 十 Br2 十 2H20＝H2SO4 十 2HBr 破坏了电极反应平衡，阴极电流降低，降低的部分从第三个活性碳参考电极流出，测定 参考电极电流即可求出与之成正比例的 S02 含量。 (3)色谱火焰光度法(FPD)：空气中的硫化物进入富氢火焰时，在还原焰中形成的硫原子结合 成激发态的硫分子，当它返回到基态 时发射出光子： 用光电倍增管经一窄带滤光片接收总硫的特征光谱即可求出空气中的总硫含量。若空气 进入火焰光度鉴定器前先经色谱柱分离，即可分别测出二氧化硫、氮氧化物、硫化氢、总碳 氢化合物。该方法已用于大气污染自动监测系统连续测定肋 z，操作简便、响应快、选择性 好，最小检出量可达 5pPb。其缺点时需用氢气源，故要增加安全措施。 5. 数据传输——计算机＋电台：有线或无线（参数与计算机配套） 数据处理——软件 6. 其他——气象观测仪器＋大气污染监测车（流动监测） 7. 注意事项：清洗、维护、防干扰 全国 47 个环保重点城市实时监测表明 山东烟台空气北方第一 2004-02-26 作为全国 47 个环保重点城市，上周山东烟台市环境空气质量在全国 47 个城市中排名 第六，空气质量（罗马数字 1、2）等级天数比例达 100%，排在我国北方城市第一位，在全 国打出了烟台“蓝天碧海、北方第一”的品牌。 据烟台市环境监测站介绍，为保证对空气质量的监测，从 1998 年起，监测站投资 460 多万元建起 6 个空气质量自动监测站。对全市空气中主要污染物进行全天候监测，分分秒 秒地将实时采集的监测数据传输到监测站的总库