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中国将购20亿PM2.5监测设备 但机器标准却缺席  

2012-02-28 19:55:18|  分类: 中国环境污染地理 |  标签: |举报 |字号 订阅

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核心提示:根据环保部初步估算,全国388个地级以上城市在PM2.5监测设备上的总投入需20多亿元,但国内监测设备采购标准缺席,针对市面上有的3种监测技术标准,中国还没有确认一个合适的种类;而且中国幅员辽阔,南北气候差异大,用怎样的标准和技术也都应因地选择。


21世纪经济报道讯 随着新晋空气监测指标PM2.5纳入新国标,原本沉寂的PM2.5监测行业成为众所注目的“蓝海”。

本报获悉,中国环境监测总站已调集了国内外主要PM2.5监测厂商的产品,着手进行PM2.5自动监测方法适用性比对测试工作,对不同厂家、不同原理的环境空气自动监测仪进行单机比对测试,以全面了解PM2.5监测中各种自动监测方法与手工标准监测方法之间的差异。

“比对的结果将成为未来PM2.5监测技术路线确定、监测技术规范编制的重要参考。”一位地方环保官员对本报表示,而不同监测技术路线背后的不同产业,也正在紧张地进行着博弈,以期在未来占据更大的市场份额。

根据环保部初步估算,全国388个地级以上城市在PM2.5监测设备上的总投入需20多亿元。在此背景下,日前媒体的一则报道特别引人注目。该报道指出,振荡天平法监测结果较β射线法偏低15%-17%,这也是去年北京环保局比美国大使馆监测数据低的原因之一(北京市环保局监测仪器采用振荡天平法,美国大使馆监测仪器采用β射线法)。

显然,过亿的“污染生意”即将开启,但PM2.5监测数据的“打架”,势必倒逼国内监测设备采购标准出台。这也将影响到采取不同技术路线的企业商业利益。

本报获悉,环保部正在起草有关PM2.5监测仪器的采购和使用指导意见,并有望于3月发布。

1.数字玄机背后的技术路径争议

PM2.5事件的持续升温,让原本复杂的PM2.5监测技术进入公众视野。

PM2.5的自动监测方法,环保部环境监测司副司长朱建平曾公开表示,从专业角度来说,有三种国际认可的方法,一个是振荡天平法,一个是β射线法,还有一个是光谱法(又称光散射法)。

“第三种方法是主要测量PM2.5的数量浓度,关注的是M2.5的个数,因此主要用于气象部门的能见度监测研究。”中国科学院大气物理研究所研究员、中国生态系统研究网络(CERN)大气科学分中心主任王跃思对本报记者表示,而如果将数量浓度转化为环保部门所需的质量浓度,其准确度将会大幅下降。因此,环保部门很少采用这种方法,而主要采用前两种方法。

资料显示,所谓振荡天平法,又称微量石英振荡天平法。该方法是在质量传感器内使用一个石英空心锥形管,在空心锥形管振荡端上安放可更换的滤膜,振荡频率取决于石英锥形管特性和它的质量。当采样气流通过滤膜,其中的颗粒物沉积在滤膜上,滤膜质量变化导致振荡频率变化,通过测量振荡频率的变化计算出沉积在滤膜上颗粒物的质量,再根据采样流量、采样现场环境温度和气压计算出该时段的颗粒物标态质量浓度。

“这种技术的优点是定量关系明确,缺点是目前的技术无法解决样品加热后挥发性和半挥发性物质的损失,导致测定结果被认为偏低,也正因为如此该技术需要加装膜动态测量系统(Filter Dynamic Measurement System,以下简称FDMS)对偏低的结果进行校准。”王跃思对本报记者分析。

在振荡天平法之外,另一种称之为β射线法,其基本原理是利用堆积在石英滤膜上的颗粒物对碳-14释放的β射线衰减量的变化检测大气颗粒物质量的变化。环境空气由采样泵经切割器吸入采样管,经过滤膜后排出。颗粒物沉淀在条状石英滤膜上,当β射线通过沉积着颗粒物的滤膜时,β射线强度发生衰减,通过对衰减量的测定计算出颗粒物的浓度。

“这一方法是基于两个假设,其一是仪器的石英采样滤膜条带均一,其二是采集下来的PM2.5粒子物理特性均一,对β射线强度衰减率相同。而上述两个在现实条件下,假设往往并不成立,因此测定数据一般被认为也存在偏差。”王跃思表示,这种检测方法在相对干净和干燥的地区故障率低,在潮湿高温区域故障率也很高。

对此,中国气象科学研究院的一个专家对本报指出,无论是振荡天平法还是β射线法在实践中都各有优劣,其使用必须与标准称重法(又称滤膜称重法)进行校准。

根据王跃思的介绍,所谓标准称重法只需要一个PM2.5切割头、一台泵和膜架及其滤膜,采集24小时样品后,取下滤膜称重即可,必要时可以平行采集3个样品,经恒温恒湿后再称重。

“从科学的角度讲,这种方法也有缺点,气流长时间不断通过采样滤膜,滤膜上采集到的物质随着气流和温度的变化也会造成挥发性和半挥发性物质的损失,同时一些极细小的颗粒还是能穿过滤膜造成结果偏低;相反,气态物质也可能被滤膜吸附,造成结果偏高。”王跃思指出,但这种方法经济成本低,容易实施。

2.β射线法PK振荡天平法?

尽管专家称上述两种监测方法各有所长,但是一则关于两种方法PK的消息在舆论界传得沸沸扬扬。

中国环境监测总站网站显示,2011年12月14日,在“关于贯彻温总理指示精神抓紧筹划PM2.5监测讨论会”上,监测总站介绍了国内外开展的PM2.5监测方法的比对研究工作时提到,监测总站和上海市环境监测中心开展的研究表明,振荡天平法监测结果较β射线法偏低15%-17%。

正是基于这则消息,有媒体称,这正是美国大使馆与北京市环保局监测结果不同的原因之一,因为美国大使馆使用的是美国METONE生产的β射线法仪器,而北京市环保局使用的则是赛默飞世尔(也被翻译为美国热电公司)生产的振荡天平法仪器。

“从科学原理的角度来看,某项研究结果只能说明当时研究时使用的某些监测仪厂家的某一个型号的产品的情况,其监测结果也与周围的气候环境、操作人员对设备的质量控制和使用规范有关,而不能简单地由此得出不同监测方法之间的比较结论。”中国环境监测总站大气室主任王瑞斌对本报记者解释。

对此,王跃思认为, 振荡天平法与β射线法之间的监测结果比对意义不大,其科学原理和使用规范不同,又各自有自己的缺陷,“如果要进行比对,应该拿两种自动仪器的观测结果与标准称重法进行比对,看有多少误差,相关性有多高。”

上海市环境监测中心总工程师伏晴艳表示,上海刚刚开展PM2.5监测数据的比对,至今还未对外发布相关数据。

“即便真的存在振荡天平法监测结果较β射线法偏低15%-17%这种说法,我们也必须对此做准确理解。”王跃思解释,这个说法并非是一个普遍的结论,因为无论是振荡天平法还是β射线法其不同型号的仪器,在不同季节或者不同地点,其监测结果可能差别较大。

3.缺乏“加装设备”的争论

无论是业内人士还是专家,对于振荡天平法都有一个共识的看法:监测结果较低的一个原因,在于其技术无法解决样品加热后挥发性和半挥发性物质的损失。

这一点也为英国环境食品农业事务部及其下属机构委托BUREAU VERITAS 的2006年的一项研究结果所证明。该研究指出,赛默飞世尔需在基于振荡天平法的PM2.5分析仪基础上增加FDMS(主要用于校正振荡天平法监测仪因半挥发性颗粒物的质量损失引起的测量结果偏差而研发的系统),数据才较为准确。

资料显示,FDMS的工作原理为:气样通过FDMS的进样管干燥后进入监测仪,大气样品中的颗粒物沉积在监测仪的滤膜上,并测定一段时间后滤膜上的颗粒物重量,计算出颗粒物的质量浓度;之后通过FDMS的

切换阀,气样进入FDMS的冷凝器,大气中的颗粒物和有机物等组分被冷凝并被滤膜截留,通过冷凝器之后的纯净气流再进入监测仪测量,由于此时气样不含颗粒物,因此滤膜不会增重,反而因滤膜上的半挥发性颗粒物的持续挥发,而造成滤膜减轻重量,减轻的重量即是半挥发性颗粒物损失的质量;假设在两次相同时间的测量过程中,监测仪滤膜上损失的质量相等,将第一次测得的颗粒物质量浓度加上第二次测得的半挥发性颗粒物的损失量,即得到校正后的颗粒物浓度。

“FDMS在理论上是完美的,我称之为自恋程序,其设计非常完美,但在产品技术上尚未成熟。”王跃思指出,FDMS对环境的要求也较高,适合在干燥和干净的环境下运行。

根据美国环保部(以下简称EPA)2009年的认证,基于振荡天平法的PM2.5监测仪加装FDMS才为联邦认可的等效监测设备。

“美国认证的仪器应加装FDMS,但国内有些这类仪器却没有加装,造成数据偏低。”一位环境监测人士表示。

“EPA对PM2.5监测始于1999年,但在2008年之前,一直使用联邦参比方法(Federal Reference Method,简称FRM)也即手工称重法作为标准方法监测并报送PM2.5数据。”赛默飞世尔环境与过程仪器事业部国内区商务总监周晓斌对本报记者称,从2008年起,EPA开始批准使用联邦等效方法(Federal Equivalent Method,简称FEM),而EPA认证的第一台基于振荡法的PM2.5监测仪是在2009年6月。

“的确,认证后的监测仪必须带FDMS,但这一标准并非一般理解的强制标准。”周晓斌称,新上振荡天平发的PM2.5监测仪的州可以选择加装FDMS,加装后的监测结果即被认定为FEM结果,而没有加装FDMS的监测结果则为PRE-FEM的结果,该结果需要与联邦参比方法进行校准。

周晓斌进一步指出,根据美国EPA的认证,FDMS的加装只针对PM2.5的监测仪,而不包括PM10的监测仪,在2008年联邦使用等效方法报送PM2.5之前,美国也有很多州开始使用PM2.5的自动监测仪器,这些仪器都未加装FDMS,在2008之后,这些州也可以自己选择是否加装FDMS,如果选择不加装FDMS的话,那么在发布监测数据的时候,需要进行注明并每周用FRM进行修正。

“在中国由于PM2.5监测仪的认证标准尚未出来,而美国EPA的认证标准为一个较高的标准。”周晓斌介绍,所以在中国的销售一般选择推荐地方加装FDMS,当然地方有一定的选择权。

“需要强调的是,FDMS的应用在中美之间是有差异的。”王跃思指出,美国使用起来问题不大是因为其环境干燥和干净,而中国的环境条件大不一样,导致FDMS在中国有些区域无法正常使用。

王跃思表示,单就干净这一单项条件而言,中国很多城市PM2.5的浓度会超过PM10的现行标准,过高的细粒子导致FDMS透水膜的微孔很快被细粒子堵塞,从而使其使用寿命降低到国外的一半,2-3个月可能就要更换一次。材料成本大约在1000美元,而且需要专业技术人员操作至少半天时间。

“因此FDMS更不适合南方潮湿地区或污染过于严重的城市。”王跃思表示,“由于FDMS技术的不成熟,不但造成成本大幅度增高、操作复杂化,更重要的是仪器经常故障报警,难以得到连续的合格监测数据。”

据一位业内人士透露,天津、南京、广州等三个城市都曾采购赛默飞世尔的PM2.5监测仪,并加装FDMS,但因为故障频发大部分已经拆除。

“也不排除故意的可能,即在中国尚未有监测认证规范的背景下,不少地方可能在采购赛默飞世尔的PM2.5监测仪时,为了让监测值偏低而故意不选择加装FDMS的情况。”前述地方环保官员表示。

4.倒逼监测设备标准“加速”出台?

“上述有关技术路线和监测值高低的争论,其背后还在于不同技术路线之间的公司的利益之争。”前述地方环保官员指出,随着中国环境监测总站对监测结果的比对工作的开始,这种争论可能会更加激烈。

中国环境监测总站网站上显示一则消息称,中国环境监测总站参照美国EPA对PM2.5自动监测仪器的认证方法,以我国手工监测标准方法为标准,对不同厂家、不同原理的环境空气自动监测仪进行单机比对测试,以全面了解PM2.5监测中的β射线方法、β射线方法联用湿度补偿和光散射法、振荡天平方法、振荡天平联用膜动态测量系统(TEOM-FDMS)等国内外主流监测方法与手工标准监测方法之间的差异,为我国“十二五”空气监测工作中PM2.5监测技术路线确定、监测技术规范编制提供技术支持。

中国环境监测总站网站的另一则消息还显示,2012年1月8日起,环境监测总站大气室先后调集了美国赛默飞世尔公司TEOM1405F、TEOM1405、FH62C14、5030-SHARP等型号PM2.5监测仪,美国Met One公司BAM-1020PM2.5监测仪,以及河北先河环保公司XHPM-2000E监测仪、北京中晟泰科公司7201型监测仪、武汉天虹公司TH2000TM监测仪、安徽蓝盾光电子公司振荡天平法监测仪共9种PM2.5自动监测仪器,以及美国赛默飞世尔公司、德国Derenda公司、武汉天虹公司等国内外厂家的4种手工采样监测仪器,着手进行PM2.5自动监测方法适用性比对测试工作。

“这次监测比对将国内外主要厂商的不同技术路线的产品汇集在一起,集中与标准方法进行比对,可以保证比较公正客观。”前述地方环保官员对本报分析,但监测总站比对的结果只对北京适用。

“通常一种自动监测方法与标准方法的比对,在同一个城市,需要在不同的地点,特别是要在不同的季节分别进行比对,才能得出一个相对客观的结论,这个过程不能一蹴而就。”王跃思表示。

对此,王跃思解释,“这是由PM2.5这种污染物的特质决定的。它不同于其他构成相对单一的污染物如SO2或NOx,PM2.5理论上是由近百种元素和上万种分子混合而成的粒子或是粒子束,千差万别的化学成分,随时间和空间的变异都很大,因此需要多站点长时间序列采样分析,才能从统计上减少监测误差。”

根据中国环境监测总站的部署,北京、上海、广州、重庆和济南五个城市都在进行PM2.5自动监测方法适用性比对测试试验。“这五个城市为我国空气污染较为严重的重点区域的代表,覆盖华北、华东、华南、西南四大区域,其监测比对结果对制定全国性的PM2.5监测设备采购和使用的指导意见,很有帮助。”前述地方环保官员分析。

“按照美国的标准方法,这一比对工作要持续一年,才能有效。”一位不愿透露姓名的空气监测专家对本报记者表示。

事实上,由于PM2.5的监测日程加速,2012年在京津冀、长三角、珠三角等重点区域以及直辖市和省会城市开展PM2.5等新指标监测,各地都在等着国家认证标准的出台,以采购设备,所以目前进行的对比测试试验要提前收工。

这一说法也在比对试点地区得到印证。济南环境监测中心站站长暨济南环科院院长杜世勇对本报记者表示,他承担的“城市环境空气中PM2.5监测技术及规范研究”,该课题按照原先的规划是在2013年结题,但现在不得不加快进程,需要提前结题。

5.两种技术路径或并存?

本报记者从环保部获悉,PM2.5比对结果有望于3月份公布。“至于采取哪种监测技术路线要等比对结果出来之后才能判断。”杜世勇认为,但否定一种技术路线而独采另一种技术路线的可能性不大。

付晴艳此前曾公开表示,任何一种自动监测法都有自己的优缺点和适用性,不同城市选择不同监测仪器会因为方法不同造成误差,这是可以接受的。重要的是一个城市自己的方法体系要有延续性、可比性,不要轻易变更方法。

王跃思则认为,在联防联控区域内,应当实行统一的技术、仪器和标准。因为相关联城市的大气污染物相互影响,单靠某个城市努力,往往收效甚微,如果测量技术方法不一致,很难达到协同控制污染物的效果。

“从美国的经验来看,在FRM之外,EPA也未只采用一种技术路线,而是两种并用。”周晓斌指出。

根据2010年美国环保局召开的区域空气管理会议上所公布的全美地区PM2.5连续监测设备的分布情况和技术选型情况。

依照统计,在全美使用的约600台PM2.5监测设备中,约60%的设备选用振荡天平技术,约30%的设备使用Beta射线技术,约10%的设备使用光学技术或其他技术。

本报获悉,环保部正在起草PM2.5监测仪器的采购和使用指导意见。“等比对结果之后,我们会明确技术路线,并确定各种技术的使用规范,比如各种技术如何使用,必须配备什么装置,对各个地区使用什么样的仪器,提出一个指导性的意见,具体各地采用什么样的设备,最后由地方来定。”环保部的一位官员对本报解释,“这个指导意见有望在3月份公布。”

6.“暗战”中谁将是赢家?

尽管环保部起草PM2.5监测仪器的采购和使用指导意见尚未出台,但受全国PM2.5监测时间表的明晰这一明确的国家政策,PM2.5监测设备行业这一沉寂的蓝海,或将迎来爆发性增长。

据日前环保部公布的PM2.5监测步骤看,具体将分四步走:2012年,在京津冀、长三角、珠三角等重点区域以及直辖市和省会城市开展PM2.5和臭氧监测;2013年,在113个环保重点城市和环保模范城市开展监测;2015年,在所有地级以上城市开展监测;2016年1月1日,将是新标准在全国实施的关门期限,届时全国各地都将按照新标准监测和评价环境空气质量,并向社会公布监测结果。这也意味着,全国388个地级以上城市将在PM2.5监测设备上投入20多亿元。

显然,争抢设备采购大单的“暗战”不可避免。

目前国际上比较有名的PM2.5监测设备厂商主要有美国赛默飞世尔、美国MET ONE、美国API(自动精密工程公司)、法国ESA(法国苏氏环境公司)、澳大利亚的Eco Tech和Monitor等;国内的主要厂商有河北先河环保科技股份有限公司,即先河环保(300137)、武汉天虹公司、安徽蓝盾光电子、北京中晟泰科环境科技等多家企业。

“从技术路线上来看,采用振荡天平法技术的企业相对较少,国外生产振荡天平法颗粒物监测仪的厂家目前只有赛默飞世尔(同时兼产基于β射线法的监测仪),而国内目前生产振荡天平法颗粒物监测仪的有安徽蓝盾光电子和武汉天虹两家企业。”一位颗粒物监测专家指出,这可能与该技术发明较晚有关,振荡天平法出现在上世纪80年代,由美国R&P公司发明。

而生产β射线法的监测仪的厂家有:美国赛默飞世尔、美国MET ONE、美国API、法国ESA(法国苏氏环境公司)、澳大利亚的Eco Tech和Monitor、先河环保、武汉天虹公司、北京中晟泰科环境科技。

“就市场份额而言,由于颗粒物监测设备的市场在环境监测仪器领域属于细分市场,尚无第三方中立机构的相关统计数据,即便连中国环保产业协会也没有相关的统计资料。”一位环境监测设备行业人士透露。

该人士进一步指出,中投顾问环保行业的研究曾经指出,目前非国产的PM2.5监测设备的市场占有率超过70%,国内供应商的优势在于价格。这也意味着,随着市场需求的爆发式增长,国内厂家和国外厂家在未来竞争会更加激烈。

目前,各地环境监测站一方面都在筹集资金,另一方面也在等待环保部采购PM2.5设备的指导意见。

“我认为,目前自动观测仪器各有缺陷,方法评价需要时间,并且也难以得出一致性的结果,建议我国在过渡期之内使用简单的滤膜采样,手工天平称重即可,这一过渡方法的最大优点是节省经费,容易实施。”王跃思建议。

“监测并发布数据只是治理PM2.5的开始,更为重要的还在于治理。”前述地方环保官员指出,期望国家的《重点区域大气污染联防联控“十二五”规划》早日出台

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