基于ELPI＋测量的上海市区大气可吸入颗粒物粒径分布

时超林，潘卫国，陶邦彦，郭瑞堂，丁红蕾

（1.上海电力学院上海发电环保工程技术研究中心，上海 200090；2.上海发电设备成套设计研究院，上海 200240）

1 空气污染程度和空气质量状况

自2013年以来京津冀、长三角等地频频爆发颗粒物污染，大气颗粒物中可吸入颗粒物已成为我国城市空气的首要污染物［1］，并且将维持相当长的一段时间。可吸入颗粒物（IP）是指空气动力学粒径小于10μm的大气颗粒物，其中粒径小于2.5μm的颗粒物称为可入肺颗粒物（RPM）［2］。细颗粒物的来源可分为自然源和人工源，显然大气颗粒物污染是由人类活动引起的。2013年12月2日，由绿色和平与英国利兹大学研究团队在北京发布的《雾霾真相—京津冀地区PM2.5污染解析及减排策略研究》指出：煤炭燃烧排放出的大气污染物是整个京津冀地区雾霾的最大根源。

2012年6月，上海PM2.5监测数据试点发布点位从最初的2个监控点增加到10个监控点，并发布全市可吸入颗粒物的平均浓度。这标志着上海对大气可吸入颗粒物的监测进入了实质性阶段。从2013年11月底到12月初，上海持续雾霾天气，空气质量级别均为中度以上，空气污染指数与质量等级如表1所示。空气污染指数（API）就是将常规监测的几种空气污染物浓度简化成为单一的概念性指数值的形式，分级表征空气污染程度和空气质量状况，以此表示城市的短期空气质量状况和变化趋势。

表1 空气污染指数等级

空气污染指数涉及的常规污染物有：烟尘、总悬浮颗粒物、可吸入悬浮颗粒物（浮尘）、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、臭氧、挥发性有机化合物等。环保机构只发布颗粒物浓度状况，并没有发布详细的颗粒物粒径分布情况，为了检测出雾霾空气中可吸入颗粒物的浓度及其颗粒粒径分布情况，可使用电称低压撞击器（ELPI＋）测量。

2 ELPI＋工作原理

ELPI＋测量大气颗粒物原理如图1所示。在图1中，含有细颗粒的空气首先进入单极电晕充电室进行充电，带电的颗粒物被气流运送到装有绝缘收集层的串级低压撞击器上，精密电子测量计对进入每个层面的带电颗粒物的电荷量进行实时电量测量，测量后将电荷量信号转化为颗粒物的粒径分布。

每一级撞击器上由于带电颗粒连续沉积所产生的电荷量由一个多通道静电计测得，电荷量与颗粒数量浓度的关系为［4］：

图1 ELPI＋测量大气颗粒物原理

式中：N为颗粒数量浓度；I为校正电流；P为颗粒通过电晕的比率；n为颗粒的基本电荷数；e为基本电荷电量；Q为可吸入颗粒物流量（10L／min）。

3 ELPI＋的测量过程与测量结果

3.1 测量过程

基于ELPI＋测量的实验在2013年12月4日7：40至10：00进行，地点位于上海市杨浦区河间路的上海电力学院校园内。由于校园内无车辆扬尘以及汽车尾气，有利于精确测量空气中的可吸入颗粒物。实验设置ELPI＋每隔10s记录一个数据，共记录了840组数据。

3.2 测量结果及分析

3.2.1 测量时间段内数量浓度与质量浓度的变化曲线与误差分析

在测试的140min内，可吸入颗粒物的数量浓度和质量浓度变化曲线如图2和图3所示。根据测量的结果显示，这短时间内的可吸入颗粒物PM10的平均数量浓度为27 955个／cm3，质量浓度为270μg／m3，其中PM2.5的平均数量浓度为27 660个／cm3，质量浓度为141.8μg／m3。而上海市监测点当天发布的PM2.5的质量浓度为143μg／m3，PM10的质量浓度286μg／m3，与测量数据基本吻合。

通过分析发现，引起测量数据误差的主要因素如下。

1）环保部门所用的大气颗粒物的测量仪器多为β射线法颗粒物监测仪、微振荡天平等，由于所使用的仪器不同，造成的测量数据会有细微差别。

2）颗粒物具有迁移的特性，并且受环境大气压力、温度、风速、空气相对湿度以及测量地点的影响。

3）环保部门发布的数据为8h或24h内的颗粒物时均质量浓度，比本次测量的时间更长。

3.2.2 数量浓度与质量浓度粒径分布与分析

在采样的140min内，各级采样粒径范围内的数量浓度与质量浓度的时均值如表2所示。

图2 测量时间内可吸入颗粒物数量浓度变化图

图3 测量时间内可吸入颗粒物质量浓度变化图

表2 可吸入颗粒物粒径分布

根据表2数据可吸入颗粒物数量浓度粒径分布图如图4所示。值得注意的是ELPI的测量最小值是0.006μm，而颗粒物的数量集中分布在2.500μm以下，因此为了使图形不拥挤难辨，对粒径大小取对数后作为横坐标。

图4 可吸入颗粒物数量浓度粒径分布图

由图4可知，在上海市的大气可吸入颗粒物中，粒径在1μm以下的颗粒物占99%，具体分布见表3。这说明上海的雾霾空气中的大气颗粒物绝大部分为可吸入肺颗粒物。若颗粒物上富集重金属、多环芳香烃、多环苯类、细菌、病毒等，会诱发心脑血管疾病、呼吸道疾病甚至癌症等，严重危及到人们的身体健康［5］。可吸入颗粒物质量浓度粒径分布如图5所示。

图5 可吸入颗粒物质量浓度粒径分布

由可吸入颗粒物的粒径分布表2与图4、图5可知，在上海的雾霾天气中，可入肺颗粒物PM2.5数量占PM10的99%以上，其中亚微米颗粒数量更是高达89.76%，PM2.5的质量百分比可达到52.5%。由此可见，上海雾霾大气颗粒物中PM2.5是主要颗粒污染物，是降低上海市大气可见度的主要因素。

4 结论

1）本次测量实验结果中颗粒物的质量浓度与环保部门发布的数据高度吻合，具有参考价值和依据。

2）本次测量结果显示，上海市的雾霾空气中的颗粒物绝大部分为PM2.5，因此遇到雾霾天气应当尽量减少户外活动，敏感人群应当采取相关的保护措施。

3）近日雾霾污染频频发生应当引起政府和环保机构的重视。治理雾霾污染不能只依靠大气的自我净化，还需要合理规划经济发展，取缔高污染的小企业，鼓励并重视新能源与可再生能源的开发等。此外，提高人们的环保意识，降低公共交通成本，鼓励绿色出行，提高机动车的燃油质量等也是切实可行的措施。

4）我国的发电高度依赖燃煤电厂，在煤炭地位暂时不可取代的情况下，有必要开发精除尘设备，以减少燃煤电厂的细颗粒物的排放。

［1］阚海东，陈秉衡，汪宏.上海市城区大气颗粒物污染对居民健康危害的经济学评价［J］.中国卫生经济，2004，23（2）：8－11.

［2］Gibbs A R，Pooley F D.Occupational lung disease：3－analysis and interpretation of inorganic mineral particles in“lung”tissues［J］.Thorax，1996，51（3）：327－334.

［3］刘双喜，陈杰峰.ELPI在重型车车载PM测试中的应用研究［J］.汽车工程，2007，29（7）：21－24.

［4］王波，韩秀坤，何超.ELPI在柴油发动机微粒排放测试上的应用［J］.车辆与动力技术，2008，29（7）：582－585.

［5］The World Bank and the Chinese State Environment Protection Agency.Cost of pollution in China：economic estimates of physical damages［C］／／Call for a Green China Beijing，China，2007.