利用无人机测量纺织印染工业区烟囱细颗粒物排放_逯又豪.pdf

利用无人机测量纺织印染工业区烟囱细颗粒物排放逯又豪1，庞小兵1*，吴振涛1，王宝珍2（1.浙江工业大学环境学院，杭州310014；2.长江师范学院绿色智慧环境学院，重庆408100）摘要：在工业园区的烟囱中，由于难以到达烟囱顶部，因此，很难直接测量烟囱排放的颗粒物（particulate matters，PM）。本研究在无人机（unmanned aerial vehicle，UAV）上部署了自主研发的PM检测器，直接测量纺织印染工业园区烟囱烟羽中PM的排放。与商用PM检测装置（LD-5R，SIBATA，日本京都）相比，自主研发的探测器在无人机上同时进行垂直PM测量时表现出相似的性能，并具有良好的相关性（R2为0.9110.951）。在静电沉淀后，颜料印花中不同尺寸的颗粒物质量浓度和颗粒物数量浓度（particle number concentrations，PNC）显著高于染色工艺和数码印花2到3倍。活性炭吸附和静电沉淀是园区主要的PM控制技术。染色工艺的排放经活性炭吸附后，PM质量浓度和PNC含量最高，PM1、PM2.5和PM10的浓度分别为1 027 g/m3、1 637 g/m3和2 020 g/m3。根据PM和PNC的检测结果发现，PM2.5是PM排放的主要颗粒物，占比达到99%，这可能是由于热固机温度过高，有利于PM2.5的产生。本研究显示，PM2.5是纺织印染企业减少PM污染而需要减少的主要颗粒物。关键词：颗粒物；纺织印染工业；印染工艺；烟羽；无人机中图分类号：TV11文献标志码：A文章编号：2096-2347（2023）02-0043-08收稿日期：2022-09-20基金项目：国家自然科学基金项目（31670467，51808089）；重庆市教委科学技术研究项目（KJZDK201801202）。作者简介：逯又豪，硕士研究生，主要从事大气污染物研究。E-mail:LuYH98DD*通信作者：庞小兵，博士，教授，主要从事大气环境监测研究。E-mail:引用格式：逯又豪，庞小兵，吴振涛，等.利用无人机测量纺织印染工业区烟囱细颗粒物排放J.三峡生态环境监测，2023，8（2）：43-50.Citation format:LU Y H,PANG X B,WU Z T,et al.Measurement of fine particulate matter emission from chimneys in textile printing and dyeing industrial area by unmanned aerial vehicleJ.Ecology and Environmental Monitoring of Three Gorges，2023，8（2）：43-50.Measurement of Fine Particulate Matter Emission from Chimneys in TextilePrinting and Dyeing Industrial Area by Unmanned Aerial VehicleLU Youhao1,PANG Xiaobing1*,WU Zhentao1,WANG Baozhen2(1.College of Environment,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014,China;2.Green Intelligence Environmental School,Yangtze Normal University,Chongqing 408100,China)Abstract:Directly measuring particulate matters(PM)from chimneys in an industrial park is difficult due to the difficulty of reaching the top of the chimneys heights.A self-developed PM detector on an unmanned aerial vehicle(UAV)was deployed to directlymeasure the PM emissions in smoke plumes from chimneys in a textile dyeing industrial park.Compared with a commercial PMdevice(LD-5R,SIBATA,Kyoto,Japan),the self-developed detector showed similar performance with a good correlation(R2varyingfrom 0.911 to 0.951)in simultaneously vertical PM measurements on UAV.The PM emissions from chimneys after different textiletreating processes,including pigment printing,dyeing process,and digital printing,were investigated.PM mass concentrations andparticle number concentrations(PNC)in different sizes were significantly higher in pigment printing than those in dyeing processand digital printing by 2 or 3 times after electrostatic precipitation.The activated carbon adsorption and electrostatic precipitationwere the major PM controlling techniques in the park.The PM mass concentrations and PNC were the highest in the process of dyeing after activated carbon adsorption with the concentrations of PM1(1 027 g/m3),PM2.5(1 637 g/m3),and PM10(2 020 g/m3),DOI：10.19478/ki.2096-2347.2023.02.06空气污染及其与区域尺度生态的相互作用三峡生态环境监测Ecology and Environmental Monitoring of Three Gorges2023年6月Jun.2023第8卷第2期Vol.8No.2三峡生态环境监测http:/ to the results of PM and PNC,PM2.5the dominant particles accounting for 99%of the PM emissions.It maybe due to the high temperature in thermo-fixing machine,which is beneficial to the PM2.5generation.This study revealed that PM2.5was the dominant particles to be reduced in textile dyeing enterprises to mitigate PM pollution.Key words:particulate matter;textile dyeing industry;printing and dyeing process;smoke plume;unmanned aerial vehicle在纺织印染工业园区，大量有毒颗粒物（particulate matters，PM）被释放到环境空气中，造成严重的环境污染 1-2。2020年，中国化纤产量约为4.92107t，占世界总产量的70%以上 3。绍兴是中国长江三角洲地区的一个城市，是中国纺织印染行业的中心，约占国内年产能的40%4。由于烟囱顶部难以到达，因此，很难从工业园区的烟囱中直接测量PM排放，通过手动采样极其危险和耗时。大多数关于工业园区PM排放的研究都是在地面上静态地点进行的测量 5-9。根据对地面采集的PM进行X射线荧光分析，发现俄勒冈州东部的燃煤电厂是当地硫酸盐和汞排放的重要来源 10。有研究测量了印度泰米尔纳德邦5家工业企业（水泥、化工、火力发电厂、海绵和钢铁）PM 中的粒径分布、金属和多环芳烃（polyeyclicaromatic hydrocabrons，PAHs）含量，并成功追踪了不同污染组分的排放源 11。在伊斯坦布尔，使用便携式PM检测器测量了一家金属工厂制造部门室内空气中的PM2.5浓度，其浓度在86.3 g/m3至404.9 g/m3之间 12。上述研究都是基于地面测量调查了PM排放，只有少数关于高海拔PM排放的研究。在摩拉维亚-西里西亚州市区，通过装有氦气的气球和测量仪器测得春季PM浓度明显高于夏季 13。然而，使用充满氦气的气球存在一些困难，包括需要大量的地面机组人员，安全因素和有限的行动自由度 14。由于地面上的重型探测器难以到达烟囱顶部，因此，上述技术不适合直接检测工业园区烟囱烟柱中的PM排放。近年来，一种使用安装在无人机（unmannedaerial vehicle，UAV）上的低成本微传感器的新型监测技术为大气科学中快速探测高空污染物浓度提供了新的解决方案 15-18。有研究使用基于无人机设计的粉尘传感器（DSM501A）监测系统进行PM2.5浓度监测 19。在日本，最初利用了无人机上的多传感器系统对PM2.5分布进行了研究 20。近日，还有研究者采用配备传感器的无人机对某节水农业研究所PM浓度的三维分布进行了测量 21。在南京，研究者通过无人机监测并量化城市主干道沿线的PM2.5浓度 22，还有研究使用无人机确定高速公路附近颗粒数浓度（particle number concentrations，PNC）的垂直剖面 23。然而，很少有人直接测量工业园区的PM排放，特别是来自烟囱和烟羽的排放。同一车间烟囱间废气和逸散性排放的污染特征存在显著差异 24，识别不同生产条件下的PM特性有助于准确评估纺织印染企业的污染源。本研究采用一台自主研发的无人机 PM 检测器，对某工业园区内4家纺织印染企业烟囱的PM进行测量。其准确性通过测量不同高度的烟羽和商用PM检测器进行比较。该研究的目的不仅是开发一种新的测量系统，而且还要研究不同纺织品处理过程中的PM排放。1材料与方法1.1采样位置无人机测量活动于2021年1月30日和31日在中国长三角地区绍兴市的纺织印染工业园进行，详细位置如图1所示。四家纺织印染企业（命名为A、B、C和D）被选为采样点，因为它们是园区主要的工厂。纺织印染企业采用三种主要工艺，包括染色、颜料印花和数码印花。在精加工车间的上述工艺过程中，烟囱排放了大量的废气。为了清楚地研究上述处理过程对PM排放的影响，在不同纺织品处理过程中的 11 个烟囱顶部（A1A3，B1B4，C1C3和D1）直接测量了烟羽中的PM质量浓度和PNC。四家纺织印染企业11个烟囱的详细工艺流程如表1所示。第8卷第2期45注：红色矩形代表纺织印染工业园区，红色三角形代表居民区，蓝色圆圈为烟囱位置及编号图1采样点示意图Fig.1Schematic diagram of the sampling points表1四家纺织印染企业十一个烟囱排气的详细流程Table 1Detailed process of exhaust