大氣污染治理問題中的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用

林 鵬

（江西國益環(huán)境檢測有限公司，江西宜春 336000）

加強(qiáng)大氣污染治理成為了當(dāng)今社會發(fā)展中的重要內(nèi)容，加強(qiáng)污染防治不僅能夠改善生態(tài)平衡，同時能夠維護(hù)地球生物多樣性，保持全球氣候穩(wěn)定。相關(guān)部門應(yīng)加強(qiáng)對大氣污染治理工作的重視，積極加入到大氣污染治理工作中。

1 環(huán)境監(jiān)測主要內(nèi)容

1.1 有害氣體

大氣環(huán)境監(jiān)測工作主要是對大氣環(huán)境中污染物種類和含量進(jìn)行監(jiān)測和分析，通過科學(xué)方式進(jìn)行測定，從而進(jìn)一步了解當(dāng)前大氣環(huán)境污染情況。在對有害氣體進(jìn)行監(jiān)測時，主要對以下氣體含量進(jìn)行監(jiān)測：①含硫氧化物，如二氧化硫；②含氮氧化物，如一氧化氮；③一氧化碳；④臭氧；⑤烴類等。

1.2 顆粒狀污染物

顆粒狀污染物一般指直徑在0.1～7.5μm的塵粒，其中主要包括懸浮顆粒物、降塵、可吸入粒物[1]。該類型污染物由于體積過小，導(dǎo)致降解速度較慢，并且能夠進(jìn)入人體肺部，對人體健康產(chǎn)生危害，因此具有較為嚴(yán)重的危害。

2 大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)分析

2.1 原子吸收光譜技術(shù)

原子吸收光譜技術(shù)（AAS）的主要原理為不同待測元素基態(tài)原子蒸汽對特征光譜線吸收強(qiáng)弱程度存在差異，利用該差異來進(jìn)行定量分析。在實際的監(jiān)測過程中，氣態(tài)原子吸收相應(yīng)的光輻射，在光輻射的影響下，原子受熱離解，轉(zhuǎn)化為自由基態(tài)原子，在該過程中產(chǎn)生的能量頻率發(fā)生變化，能夠?qū)νN元素產(chǎn)生的特征譜線進(jìn)行吸收，在對吸收光度進(jìn)行測量后，可以根據(jù)相應(yīng)的線性計算得到被測量元素的實際含量。使用公式：

其中：A為吸光度；K為常數(shù)；C為試樣濃度。

在進(jìn)行計算過程中，由原子能量的躍遷是量化的，并且其對光譜的吸收是有選擇的，因此在進(jìn)行計算時，能夠通過深度分析能量變化情況，了解樣品中某元素的細(xì)微含量。在大氣污染測量時，由于大氣中氣體含量相對較多，雖然污染物整體含量相對較低，但仍能夠產(chǎn)生嚴(yán)重的不良危害。為深度探究大氣污染物變化情況，可以利用該方式進(jìn)行詳細(xì)分析。

AAS技術(shù)在使用過程中需要使用相應(yīng)的儀器設(shè)備，主要設(shè)備為原子吸收光譜儀，儀器在操作過程中需要通過光源來實現(xiàn)特征共振輻射，但光源的輻射強(qiáng)度控制難度較大，需要選擇30min內(nèi)漂移不超過1%、且噪聲在0.1%以內(nèi)的空心陰極放電燈，利用銳線光源來提高實際的控制效果。設(shè)備需要利用原子化器為原子提供能量，使其能夠達(dá)到原子蒸汽狀態(tài)，進(jìn)一步提高原子分析效率[2]。

在實際的監(jiān)測過程中，會受到一定的干擾效應(yīng)，為降低干擾影響，應(yīng)結(jié)合實際的干擾類型進(jìn)行選擇和調(diào)整，如在面對物理干擾時，為避免試樣的物理性質(zhì)及溫度等發(fā)生變化，進(jìn)而影響吸光度測量情況，可以提前制定標(biāo)準(zhǔn)溶液，使試樣在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下進(jìn)行測量，降低物理環(huán)境帶來的影響。

2.2 固體顆粒監(jiān)測技術(shù)

固體顆粒是大氣污染中的重要組成部分，需要對固體顆粒的直徑和成本進(jìn)行監(jiān)測分析，從而了解固體污染物的具體情況，以便制定相應(yīng)的污染治理方案。在對固體顆粒進(jìn)行監(jiān)測時，可以利用空氣監(jiān)測儀對固體顆粒以及氣體進(jìn)行監(jiān)測，在操作時直接控制設(shè)備對空氣樣本進(jìn)行自動分析，并將分析結(jié)果顯示在屏幕上。結(jié)果包括監(jiān)測目標(biāo)的每日含量及每月平均含量，并對一個月內(nèi)的監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測和分析。利用該監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠快速獲取相關(guān)的空氣變化情況。

空氣檢測儀的主要應(yīng)用原理為電化學(xué)傳感器，通過傳感器來識別空氣中被測目標(biāo)的實際濃度，通過連續(xù)的測量和數(shù)據(jù)分析，能夠進(jìn)一步提高信號處理的效率，提高監(jiān)測效果。但由于設(shè)備的靈敏度有限，在對多種監(jiān)測目標(biāo)進(jìn)行分析時，不同監(jiān)測對象之間存在互相干擾，因此在對微量氣體或固體污染物進(jìn)行測量時，可能存在準(zhǔn)確度不足的情況。為降低干擾情況，應(yīng)提高傳感器的靈敏度，使其能夠?qū)諝庵械奈廴疚镞M(jìn)行精準(zhǔn)識別和分析，同時調(diào)整過濾器，提高實際的監(jiān)測管理準(zhǔn)確度。

2.3 氣體監(jiān)測技術(shù)

在對氣體污染物進(jìn)行監(jiān)測時，主要是對含氮和含硫的氧化物進(jìn)行檢測。二氧化硫在空氣中與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，使雨水具有酸性，不僅對農(nóng)業(yè)發(fā)展造成嚴(yán)重影響，同時會對建筑造成破壞，并且對人體健康產(chǎn)生影響。氮氧化合物種類較多，并且較為不穩(wěn)定，在光熱條件下容易互相轉(zhuǎn)化，形成氮氧化物混合氣體，該氣體被稱為硝煙，具有一定的毒性，對人體健康和環(huán)境生態(tài)平衡均具有嚴(yán)重的不良影響。

在對污染氣體進(jìn)行監(jiān)測時，可以使用專門的氣體監(jiān)測設(shè)備，如二氧化硫監(jiān)測儀等，或使用精密的分析儀器對污染物進(jìn)行全面分析。在監(jiān)測時，需要對監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行布點采集樣本，對樣本進(jìn)行分析和計算，得到氣體中的污染物含量情況。

3 大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

3.1 多傳感器環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建

設(shè)計多傳感器環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)時，應(yīng)明確實際的監(jiān)測需求以及系統(tǒng)運行流程。在大氣環(huán)境污染問題不斷加重的今天，為提高環(huán)境治理效率，應(yīng)提高對大氣污染情況監(jiān)測的精準(zhǔn)度，結(jié)合監(jiān)測結(jié)果制定相應(yīng)的應(yīng)對方案。因此，在實際的監(jiān)測過程中，應(yīng)結(jié)合多種傳感器，對大氣環(huán)境的不同類型數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，進(jìn)一步了解大氣污染情況。為構(gòu)建較為完善的大氣污染監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)明確系統(tǒng)構(gòu)建方案，優(yōu)化系統(tǒng)運行流程。首先，通過多傳感器對大氣環(huán)境的實際變化情況進(jìn)行監(jiān)測，如有毒有害氣體的濃度、固體懸浮顆粒的含量等。對該類型數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和傳輸。其次，將傳感器中采集的信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理平臺中。使用網(wǎng)絡(luò)或總線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行信息傳輸，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對大氣污染相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，轉(zhuǎn)化為相關(guān)污染物報告。最后，將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器和數(shù)據(jù)儲存中心，數(shù)據(jù)中心管理人員根據(jù)大氣污染情況制定大氣污染治理方案，在數(shù)據(jù)儲存后，構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，便于后續(xù)查看和分析。

通過對多傳感器環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)運行流程的分析，總結(jié)出系統(tǒng)中的重點功能需求，結(jié)合功能需求情況對系統(tǒng)硬件和軟件進(jìn)行完善。硬件設(shè)計時：①數(shù)據(jù)采集功能。將傳感器與網(wǎng)線進(jìn)行連接，同時連接電源，傳感器在采集和識別空氣中四氣二塵以及大氣基本參數(shù)后，及時通過網(wǎng)線上傳數(shù)據(jù)，完成信息采集與傳輸工作。②監(jiān)測功能。在監(jiān)測時，主要對象包括大氣污染數(shù)據(jù)變化情況、傳感器設(shè)備運行情況以及網(wǎng)絡(luò)和電源連接情況。因此，應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)測系統(tǒng)，分別對目標(biāo)對象的運行情況進(jìn)行監(jiān)控和管理，確保系統(tǒng)的正常運行。③遠(yuǎn)程控制。整體系統(tǒng)運行應(yīng)受到服務(wù)端控制，通過對實際設(shè)備運行情況的監(jiān)測和分析，對傳感器和以及線路運行情況進(jìn)行監(jiān)督管理，可以控制系統(tǒng)通電連接情況以及傳感器信息采集情況。根據(jù)實際的功能情況，對系統(tǒng)框架進(jìn)行合理設(shè)計，并按照需求完善相應(yīng)的電路，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)電路運行設(shè)置

系統(tǒng)軟件設(shè)計時，根據(jù)處理平臺需求不同選擇兩種軟件，其一為STM32，其在微處理器中應(yīng)用，能夠連接傳感器與數(shù)據(jù)平臺，在運行時，有效連接不同傳感器和功能模塊，確保整體系統(tǒng)的正常運行，避免不同模塊之間互相影響。在SYN32軟件中安裝uCOSII系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的實際開發(fā)和操作效果。其二為JETSP3450軟件，該軟件功能較為強(qiáng)大，能夠并行多個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在開發(fā)和操作的過程中，能夠?qū)Χ嘟M傳感器回傳數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和解析，從而進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)分析處理的效率。

3.2 空氣質(zhì)量預(yù)警技術(shù)應(yīng)用

在大氣質(zhì)量監(jiān)測的過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常情況時需要及時進(jìn)行識別并發(fā)出警報，以便快速了解情況并進(jìn)行處理。因此，應(yīng)結(jié)合實際的監(jiān)測系統(tǒng)完善空氣質(zhì)量預(yù)警技術(shù)，并將技術(shù)落實到實際應(yīng)用中。為提高監(jiān)測預(yù)警效果，應(yīng)合理選擇神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建相應(yīng)的運算模型，提高對數(shù)據(jù)的計算效率，使預(yù)警的速度與精準(zhǔn)性得到提升。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中存在大量的節(jié)點，不同節(jié)點中存在相應(yīng)的運算函數(shù)，數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)控制在不同節(jié)點中運行，按照要求進(jìn)行計算，最終通過運算的結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)一步加深對數(shù)據(jù)的挖掘效果。如在STM軟件中，其內(nèi)部的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)存在不同，其內(nèi)部具有三個控制門：遺忘門、輸入門、輸出門。以遺忘門為例進(jìn)行分析，其主要控制節(jié)點中對信息的識別和刪除，根據(jù)實際的輸入狀態(tài)，決定節(jié)點中保留和舍棄多少數(shù)據(jù)。通過函數(shù)方式表達(dá)時，可以使用公式：

其中：ft為遺忘門計算輸出結(jié)果；σ為sig函數(shù)；Wt為權(quán)重矩陣；ht-1為上一刻中遺忘門隱藏狀態(tài)；xt為當(dāng)前時刻下的實際輸入情況；bf為偏置函數(shù)。在運算過程中得到相應(yīng)的數(shù)值，根據(jù)數(shù)值判斷舍棄的內(nèi)容情況。

在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上構(gòu)建空氣質(zhì)量預(yù)測模型，并對模型系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，使其能夠更快地適應(yīng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方式，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)處理和分析效率，使模型構(gòu)建質(zhì)量得到提升。一方面，應(yīng)使用數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行清洗，準(zhǔn)備大量的數(shù)據(jù)，使模型在數(shù)據(jù)中進(jìn)行訓(xùn)練和分析，使模型在樣本數(shù)量和特征的基礎(chǔ)上進(jìn)行升維，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算的方式，增加新的維度，使信息數(shù)據(jù)更為完善。另一方面，對模型進(jìn)行訓(xùn)練。在初始化模型的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值后，將數(shù)據(jù)輸入到模型中，按照不同的要求傳輸?shù)讲煌?jié)點進(jìn)行計算和輸出，系統(tǒng)對計算過程中的積累誤差進(jìn)行收集，并計算相應(yīng)的權(quán)重情況，對本身的權(quán)重設(shè)置進(jìn)行調(diào)整和更新，使其更適合環(huán)境測量工作中的實際需求。結(jié)合結(jié)果對模型的收斂情況分析，不符合標(biāo)準(zhǔn)的情況下再次進(jìn)行訓(xùn)練，滿足后結(jié)束訓(xùn)練。在完成訓(xùn)練后，可以進(jìn)行實際應(yīng)用，在應(yīng)用時，需要對其實際運行情況進(jìn)行評估。

實際應(yīng)用空氣質(zhì)量預(yù)測模型，對實際的運行狀態(tài)和結(jié)果進(jìn)行監(jiān)測。由于模型在訓(xùn)練后的收斂不斷減小，損失情況具有明顯下降，可以判斷其實際的應(yīng)用表現(xiàn)相對良好。因此在實際適應(yīng)時，系統(tǒng)對大氣環(huán)境采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)實際的訓(xùn)練要求進(jìn)行計算，得到相應(yīng)的計算結(jié)果。將實時監(jiān)測運算數(shù)據(jù)繪制成相應(yīng)表格，將運算數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，在二者距離較遠(yuǎn)時，說明實際環(huán)境中大氣污染情況與標(biāo)準(zhǔn)要求相距較大，存在異常情況，需要對其進(jìn)行上報處理，完成整體的模型應(yīng)用。

3.3 環(huán)境空氣自動監(jiān)測技術(shù)

環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測技術(shù)是一種能夠固定的監(jiān)測點，能對該區(qū)域大氣環(huán)境進(jìn)行實時動態(tài)測量的技術(shù)，通過系統(tǒng)對空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集、處理和分析，更加充分地了解該區(qū)域的空氣污染情況。該技術(shù)的應(yīng)用主要依賴空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)，在系統(tǒng)應(yīng)用過程中，能夠?qū)Νh(huán)境中不同類型的污染物進(jìn)行識別，并計算污染區(qū)的含量情況。在運行時，設(shè)置監(jiān)測子站，對空氣中污染物情況進(jìn)行監(jiān)測和分析，并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)中，系統(tǒng)按照實際需求進(jìn)行進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理，得到結(jié)果后上傳到數(shù)據(jù)記錄器中，管理人員能夠在記錄器中獲取一段時間內(nèi)的空氣污染物情況。

自動監(jiān)測系統(tǒng)在應(yīng)用過程中能夠?qū)Υ髿鈴?fù)合污染進(jìn)行有效監(jiān)測，因此其實際的功能模塊內(nèi)容較為全面。系統(tǒng)主要包括：①預(yù)測分析模塊，該模塊對污染情況進(jìn)行預(yù)報和評價。②數(shù)據(jù)控制模塊，該功能模塊主要對大氣污染數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和監(jiān)控，同時支持?jǐn)?shù)據(jù)的查詢與補(bǔ)遺。③數(shù)據(jù)分析模塊，該模塊對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行充分的統(tǒng)計和分析，深度挖掘數(shù)據(jù)含義，并制定相應(yīng)的圖譜和報表。在對顆粒污染物進(jìn)行分析時，使用不同的方式進(jìn)行詳細(xì)分析，深度了解污染物的來源和整體情況。④設(shè)備監(jiān)測模塊。該模塊主要對監(jiān)測設(shè)備的實際運行情況進(jìn)行監(jiān)控和管理，以確保系統(tǒng)設(shè)備的正常運行。⑤地圖模塊，通過地圖來分析城市監(jiān)測點分布情況，了解城市污染變化的實際趨勢。⑥系統(tǒng)管理模塊。該模塊對各個站點和系統(tǒng)運行節(jié)點進(jìn)行管理和觀察，確保系統(tǒng)正常運行。

在大氣污染自動監(jiān)測技術(shù)實施過程中，首先，結(jié)合被測區(qū)域的地形情況，設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)測點。通過合理布控來明確自動監(jiān)測點中探測器的位置，并安裝網(wǎng)線和電源線。在選擇監(jiān)測點時，應(yīng)明確監(jiān)測范圍和監(jiān)測點數(shù)量，以便合理進(jìn)行網(wǎng)點布置。其次，調(diào)整系統(tǒng)，設(shè)置采樣的時間和頻率。一般情況下，在自動監(jiān)測過程中，其監(jiān)測和數(shù)據(jù)上傳時間為60s，按照時間要求進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和上傳。再次，系統(tǒng)對上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過計算和對比，了解當(dāng)前污染物種類、含量以及變化情況，統(tǒng)計結(jié)果并匯集成報表進(jìn)行上報。最后，在控制中心查詢監(jiān)測結(jié)果，并結(jié)合每日、每月和每年的大氣污染情況進(jìn)行對比和分析，制定相應(yīng)的應(yīng)對措施。

4 結(jié)束語

大氣污染已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)的環(huán)境治理難點，為提高治理效果，應(yīng)提高環(huán)境監(jiān)測精準(zhǔn)度，結(jié)合污染物的實際情況和特點，制定恰當(dāng)?shù)膽?yīng)對措施，能夠使大氣污染治理得到事半功倍的效果。相關(guān)人員應(yīng)不斷提高環(huán)境監(jiān)測技術(shù)水平，進(jìn)一步加快大氣污染治理效率。