大气污染多组分排放通量快速遥测系统

近期，中科院合肥物质科学研究院王焕钦研究员在环境科学与工程领域知名期刊Journal of Environmental Sciences发表了题为“Review on recent progress in on-line monitoring technology for atmospheric pollution source emissions in China”的综述文章。文章系统介绍了“十三五”间我国大气污染源排放在线监测技术的最新进展，并指出移动源和固定源排放污染物在线监测技术正朝着多组分、小型化和智能化方向发展。 　　近几十年来，改善环境空气质量一直是全球面临的最大挑战之一。由于移动源和固定源的排放对大气环境和全球气候都有不利影响，其成分包括超细颗粒物、挥发性有机化合物(VOCs)和其他活性气体，如氨(NH3)和氮氧化物(NOx)等，对人类健康的损害也十分严重，因此它们是国家空气污染物排放控制法规的重点。此外，污染源排放已成为中国亟待解决的重大社会经济问题，在线监测技术和仪器亟待研究开发。 　　文章系统介绍了在“十三五”期间，以中科院合肥物质科学研究院牵头的桂华侨团队和以清华大学牵头的丁艳军团队，自2016年起分别针对我国移动和固定污染源排放特点和最新的超低排放标准，以快速、自动、在线监测技术研发为核心，创新性地提出了差分荷电式移动源超细颗粒物数浓度测量、微型平板式差分电迁移颗粒物粒径分级、垂直式多车道机动车尾气排放快速遥感识别，以及三波长光散射式固定源颗粒物质量浓度和粒径分布同时测量、利用物理定向吸附技术和涡流加热技术实现烟气汞形态分离与原子汞高效富集等一系列污染源超低排放关键污染物在线测量方法，实现了污染源超低排放超细颗粒物、挥发性有机物、烟气汞等典型污染物的高灵敏在线监测。 　　团队自主研发了高稳定喷射稀释器、飞安级(千万亿分之一)微电流检测模块、数字线型离子阱、专用磁性捕汞管、基于特异性催化的高性能半导体传感器等卡脖子核心模块，研制完成一批具有独立自主知识产权的机动车排放超细颗粒物监测仪、便携式车载挥发性有机物质谱仪、垂直式多车道机动车尾气遥测系统，以及固定源排放细/超细颗粒物、VOCs、恶臭、工业氨、汞等在线监测技术设备，关键技术和性能指标达到国际先进水平，形成了具有自主知识产权的移动源和固定源排放快速在线监测技术体系，并将自研仪器应用于机动车、船舶、机场、化学工业和发电厂的排放监测，有效满足了国家行业最新标准和超低排放监测的要求。 　　文章指出，随着中国大气污染防治工作的加强，对污染精准控制的需求日益迫切。此外，大数据、物联网、云计算等新一代信息技术也将在污染监测技术中发挥重要作用。总体而言，移动源和固定源排放污染物在线监测技术正朝着多组分、小型化和智能化方向发展。 　　论文第一作者为合肥物质科学研究院王焕钦研究员，通信作者为合肥物质科学研究院桂华侨研究员和清华大学丁艳军教授。该研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、安徽省科技重大专项和安徽省杰青项目的支持。图1. 研制的移动源与固定源排放多组分污染物在线监测仪器

为支撑大气污染防治工作，贯彻落实国务院发布的《大气污染防治行动计划》，科技部、环保部在组织实施《蓝天科技工程&ldquo 十二五&rdquo 专项规划》的基础上，组织相关科研单位和专家，对&ldquo 十一五&rdquo 以来国家科技计划中大气污染防治方面的相关科研成果及应用情况进行了全面梳理和筛选评估，编制形成了《大气污染防治先进技术汇编》，其中，17项大气监测技术及设备入选。 　　大气挥发性有机物快速在线监测系统 　　北京大学环境科学与工程学院 　　项目针对我国大气气态有机物监测的关键问题，在863计划 &ldquo 大气复合污染关键气态污染物的快速在线监测技术&rdquo 课题(No.2006AA06A301)的支持下，自主设计开发了大气中挥发性有机物在线监测系统。该系统采用低温富集浓缩技术，结合气相色谱/质谱法(GC/FID/MS)检测大气中挥发性有机物VOCs(包括含氧挥发性有机物OVOCs)的一体化在线测量技术及设备。已建立在线的大气VOCs分析仪器的研发和生产基地于2009年开始实现量产，已经销售数十台。 　　大气细粒子及其气态前体物一体化在线监测技术 　　中国科学院大气物理研究所 　　大气细粒子快速捕集/离子色谱在线无机盐分析仪通过无膜采集大气细粒子/在线快速离子色谱分析其中的水溶性化学成分，数据时间分辨率比传统膜采样高近100倍，使研究大气二次粒子形成机理和校验模式输出的高时间分辨率结果成为现实。研制仪器性能高于国外类似产品，但价格仅相当于进口产品的 50%(30万元左右) 在线观测结果还可用于校验高分辨率飞行时间气溶胶质谱(350万)的在线观测结果。课题主要创新成果之一大气挥发性有机物在线分析仪已商品化，投入市场，在广东、湖北、南京等地的环境监测中发挥着重要作用。 　　大气中NOx及其光化产物一体化在线监测仪器及标定技术 　　中国科学院大气物理研究所 　　大气NO/NO2/NOx/NOy一体化监测仪利用改进的紫外光分解NO2、化学发光检测和臭氧补偿创新技术研制的一体化大气NO/NO2/NOx/NOy联合观测仪器，克服了市售流行商品仪器对NO2测量偏高而对NOy测量偏低和对NO测量不准的缺陷，准确的测量结果成功地用于大气臭氧产生/消亡与前体物NOx的机理研究。已经推广用于烟雾箱模拟实验的大气化学机理研究，具有进一步产品化和商品化开发价值。大气复合污染关键气态污染物的快速在线监测技术自2006年启动以来，研发了一系列自主知识产权的技术方法和仪器设备，为建立先进的城市群大气污染三维立体监控体系提供技术设备，缩小了与国际水平的差距，并有效推动了国产化。曾获得国家科技进步二等奖。 　　大气细粒子和超细粒子的快速在线监测技术 　　中国科学院合肥物质科学研究院安徽光机所 　　项目在863计划课题(项目编号2009AA06A302)的支撑下，研制了双波长三通道气溶胶探测拉曼激光雷达、细粒子谱分析仪、大气OC/EC测定仪、以及振荡天平颗粒物质量浓度监测仪(PM10、PM2.5)。在宽范围粒径谱的快速分析技术、稳定的场致电离电荷源技术、超高灵敏大气分子拉曼散射信号探测技术、以及OC/EC临界温度的精确选取等关键技术方面取得了突破。本技术自2008年开始，通过技术转让及专利实施许可的方式，不断推进振荡天平颗粒物质量浓度监测仪产业化进程。已经建立振荡天平颗粒物质量浓度监测仪的研发和生产基地，并在安徽、江苏、北京等全国各省安装了300余套大气颗粒物自动监测仪，实现新增产值3300余万元以上。从2011年开始，通过技术转让及专利实施许可的方式，不断推进双波长三通道气溶胶探测拉曼激光雷达、米散射激光雷达的产业化进程。截止目前，销售总额超过2000万元。 　　臭氧时空分布探测差分吸收激光雷达系统 　　中国科学院合肥物质科学研究院安徽光机所 　　目前测量大气臭氧的主要方法有比色定量法、库伦原电池法、光学吸收光谱法、太阳光谱法和差分激光雷达。差分激光雷达是一种主动遥感技术，该技术在20世纪60年代中期激光雷达测量水汽时引进，并在70年代中期得到进一步发展。在 863 计划课题(项目编号2009AA06A311)的支撑下，车载臭氧时空分布探测差分吸收激光雷达系统为我国开展光化学烟雾和细粒子生成机理研究提供了数据基础，为我国城市群大气复合污染中的颗粒物和光化学烟雾污染防治提供了技术保障。本课题研制的大气臭氧激光雷达在吉林省长春市开展了为期一个月的测量实验，提供了大量有效可靠的数据，大大促进了对流层臭氧生成和传输机理的研究。该系统性能稳定性好，自动化程度高，该成果将为我国立体监测提供新的技术手段，大气空气污染预警提供设备支持，对我国环境监测技术的发展起到推动作用。 　　便携式多组份气体紫外、红外现场分析仪 　　中国科学院合肥物质科学研究院安徽光机所 　　项目在 863 计划 &ldquo 工业源多组份气体污染排放现场监测设备&rdquo 课题(No.2009AA063006)的支持下，针对工业源(烟气排放、无组织排放、泄漏等)排放的 SO2、NO2、CO、CO2、NO、硫化物、有机污染物等多种污染气体，自主研发了便携式多组份气体紫外现场分析仪和便携式多组份烟气红外分析仪。在高效紫外吸收光学系统的设计、多组份光谱数据反演算法等方面进行了技术突破 有效解决了应用紫外差分吸收光谱技术满足多种气体测量的仪器小型化难点 研制设计的便携式多组份烟气红外分析仪采用了多次反射池和多波段光学滤波技术结合，实现了多组分气体高灵敏连续自动监测。便携式多组份气体紫外现场分析仪和便携式多组份烟气红外分析仪在安徽省、河北等地进行了外场应用和示范，现已建成一条专业的生产线，通过扩大机械加工车间，增加了大量的检测试验调试设备，形成了年产100套的生产能力。 　　污染源排放遥测技术系统 　　中国科学院合肥物质科学研究院安徽光机所 　　项目在 863 计划&ldquo 工业源多组份气体污染排放现场监测设备&rdquo 课题(No.2009AA063006)的支持下，自主研发了污染源排放遥测技术系统。重点解决了高稳定性、高灵敏的紫外可见遥测系统设计、去除多种大气干扰效应的污染气体光谱精确反演技术以及结合风场数据的污染气体排放通量获取技术等关键技术。系统主要应用于污染源(点源、面源、非组织排放源)污染气体排放的监测，便于环境管理部门开展监督性监测，满足国家环境部门对工业排放污染的监督性监测需求。2011年2月，课题顺利完成验收。目前我国对污染源排放测量主要是采用源排放线监测设备(CEMS)获得污染气体的排放量，其主要适用于对高架点污染源，而对于面源、无组织源以及区域源等，只能通过物料平衡法进行统计计算，无法通达实际测量获得。本系统的成功研制，可应用于污染源的监督性监测，满足国家环境管理部门对工业排放污染的监督性监测需求，同时填补了国内该技术领域的空白。 　　重点污染物面源排放VOCs及温室气体连续自动监测系统 　　中国科学院合肥物质科学研究院安徽光机所 　　项目在 863 计划课题&ldquo 大气多组分污染物及其时空分布连续自动监测技术与设备&rdquo (2007AA061504)、安徽省科技攻关计划项目&mdash 污染源可挥发性有机污染气体浓度及排放通量实时监测技术与设备(09010301016)等支持下，研究了长光程开放光路红外光谱测量与处理技术 设计了双臂扫描干涉光路、基于 He-Ne激光与PSD结合的精确扫描控制电路，研制了波长范围2~15um、分辨率为1cm-1的稳定可靠、高信噪比傅里叶变换红外光谱仪 建立包括350余种VOCs和温室气体的红外光谱定量数据库 研究了背景光谱实时迭代拟合算法及仪器线型修正方法，开发了基于合成校准光谱技术的多组分气体定量分析算法及软件。在开放光路傅里叶变换红外多组分气体分析方法的基础上，研制了具有自主知识产权的重点污染面源排放VOCs及温室气体连续自动监测系统。系统采用收、发分置的双站式配置，整个设备由红外光源发射单元、红外接收单元、傅里叶变换光谱仪、系统自动控制与数据分析等四部分组成。系统具有连续自动光谱测量与处理、定量分析与显示、数据储存与回放等功能，实现了面源排放VOCs及温室气体浓度的非接触、长光程、多组分(可同时分析10~20种气体成分)、高灵敏度(主要成分的检测下限10ppb)连续自动监测。系统可用于重点污染面源，如石化工业区、大型垃圾处理场、大型养殖场以及石油天然气储运站等排放的VOCs及温室气体多组分实时连续自动监测。 　　大气污染多组分排放通量快速遥测系统 　　中国科学院合肥物质科学研究院安徽光机所 　　项目在 863 计划课题&ldquo 大气多组分污染物及其时空分布连续自动监测技术与设备&rdquo (2007AA061504)和安徽省科技攻关计划项目&ldquo 污染源可挥发性有机污染气体浓度及排放通量实时监测技术与设备&rdquo (09010301016)的支持下，开展了针对工业区域(厂界)VOCs等多组分污染气体排放的掩日通量测量新方法研究。研究了基于掩日法的红外光谱测量与处理技术，提出了基于太阳辐射传输和模拟校准算法的区域排放多组分气体垂直柱浓度分布算法，开发了拥有自主知识产权的基于掩日法的污染气体排放通量遥测算法软件。在掩日法傅里叶变换红外气体通量测量方法的基础上，研制了拥有自主知识产权的大气污染多组分排放通量快速遥测系统，实现了工业区域(厂界)VOCs、SO2、NO2、CO、NH3等多组分气体排放通量的车载快速遥感监测。车载系统主要包括太阳自动跟踪器、光谱仪、光路传输单元、气象仪以及GPS。系统以太阳的红外辐射作为光源，车载快速移动扫描测量污染排放区域，测量其周界大气中污染气体的柱浓度分布，并结合风速、风向等气象参数，计算区域污染气体排放通量。系统污染气体垂直柱浓度测量下限：1~15ppm· m，通量探测下限：0.03~0.1kg/h。该系统可以用于工业区域(电厂，钢铁厂，炼油厂，石化厂，原油储存厂等)多组分污染气体排放通量的监测。 　　区域大气污染源识别与动态源清单技术 　　清华大学环境学院大气污染控制教研所 　　我国目前已有的区域源排放方面的研究工作大多独立而分散，综合、规范、动态的区域排放信息极度缺乏，一方面不能全面反映污染源的排放状况和时空特征，另一方面不能满足预测预警、区域调控、污染控制效果评估的要求。项目针对上述问题，在 863 计划&ldquo 区域大气污染源识别与动态源清单技术及应用&rdquo 课题(No.2006AA06A305)的支持下，建立了基于技术的动态源清单编制技术，覆盖电力、供热、工业、民用、交通、农业等主要人为源，并涵盖一次颗粒物(包括PM10、PM2.5、BC、OC)和主要气态污染物(包括SO2、NOx、NMVOCs、CO、NH3)。动态源清单技术基于完整的源分类体系建立能源统计到源分类的映射关系和生产工艺/污染控制技术的动态更替曲线，充分考虑了技术演进对排放量变化的影响，全面构建了反映我国复杂排放源特征和排放变化趋势的大气污染物排放定量方法。本项目总投资约200万元，清单产品被国内外90多家机构采用，包括政府部门、科研机构、高校院所等，广泛应用于污染特征模拟、污染源解析和控制规划评估等。用户均给出了很高评价。 　　区域敏感源筛选识别技术 　　北京工业大学环境与能源工程学院 　　项目在前期承担科技部973计划课题&ldquo 城市生命体能源代谢与大气污染互动机理研究&rdquo (课题编号：2005CB724201)、北京市科委绿色奥运重大项目&ldquo 区域源排放清单及校验&rdquo (课题编号：HB200504-3)、863计划课题&ldquo 城市群大气复合污染关键污染物的来源识别技术&rdquo (课题编号：2006AA06A305)等支持下，采用气象流场诊断分析与环境数值模拟相结合的方法，在区域污染诊断识别、敏感源筛选等方面取得新突破。开发了气象-轨迹耦合模式(MM5-HYSPLIT)与K 均值聚类相结合的污染物输送轨迹聚类分析技术，可确定影响目标城市空气质量的污染物输送路径及出现频率。基于 MM5-CAMQ 耦合模式系统建立了污染物输送通道通量梯度识别技术，可确定区域典型污染输送通道最易出现的方位、时段，对输送通道进行自动识别并实现输送通道的三维立体输出。目前该技术已在北京、唐山、广州等多个地区进行了示范应用，并计划在全国其他城市进行进一步推广。 　　空气质量多模式集成预报系统 　　中国科学院大气物理研究所 　　近年来，在国家科技部、环保部等有关部门在政策、项目和资金的大力支持下，特别是&ldquo 十一五&rdquo 以来，在国家863计划重大项目&ldquo 重点城市群大气复合污染综合防治技术与集成示范&rdquo 资助下，我国在自主模式研发、大气化学资料同化技术、模式共性技术等多方面取得突破，率先构建了国际上首个空气质量多模式集成业务预报系统。该系统以自主研发的嵌套网格空气质量预报模式NAQPMS为核心，集成最优插值及集合卡尔曼滤波等大气化学资料同化技术、大气复合污染化学反应模拟技术、污染源识别与追踪等多项共性技术，结合美国的 CMAQ和CAMx 模式，构建了适合我国的区域大气复合污染多模式集成预报系统。该系统可提供3天短期气象要素和空气质量的精细预报和7天的趋势预报，短期预报的不确定性小于30% 系统可长时间稳定运行，预报时效小于8小时，自动化率100%。该系统可适用于区域、城市空气质量的模拟、预报和预警。该系统整个投资为1200万元，根据设备功耗情况，电、管理等运行费用约为30万元/年，年保修、维修费用约50万元。 　　城市机动车排放控制决策评估技术 　　清华大学 　　机动车排放因子模型一直是国内外许多城市机动车污染控制决策的基础。项目在863 计划课题(2009AA06Z304)和多个城市(例如北京、澳门等)环保局科研课题的支撑下，开发了适用于中国城市特点的机动车排放因子模型。课题开发的城市机动车排放因子模型和城市机动车排放综合控制决策平台两项模型采用当前最先进的软件编程技术和数据库技术，软件图形用户界面友好。是相关政府部门管理人员和相关学术机构研究人员用于城市机动车排放决策的重要工具，在我国其他城市机动车控制中用非常广阔的应用前景。目前课题组开发的相关模型在北京、广州、澳门、南京等大城市进行了示范应用，效果非常好，并计划在西宁、乌鲁木齐、大连等其他城市进行进一步的推广。 　　多源卫星遥感大气污染综合监测技术 　　中国科学院遥感与数字地球研究所 　　在国家科技部、环保部等有关部门的大力支持下，特别是&ldquo 十一五&rdquo 以来，在863计划重大项目&ldquo 重点城市群大气复合污染综合防治技术与集成示范&rdquo 资助下，我国自主研发创建了环境空气质量多源卫星遥感模型与算法，突破了我国重污染环境卫星遥感反演雾霾、气溶胶、可吸入颗粒物、污染气体和温室气体等环境空气质量参数的核心技术，建立了环境空气质量卫星遥感监测技术体系，在国际上首次建立了基于多源卫星数据的环境空气质量卫星监测业务系统，形成了针对国内外主流卫星的气溶胶、灰霾、PM2.5、NO2，SO2等46种国家急需的遥感产品快速生产能力，创建了环境空气质量卫星遥感监测技术规范，发展了&ldquo 多星接收-定量反演-专题制作-简报分析&rdquo 大气环境卫星监测业务化技术体系，填补了我国在大气环境卫星遥感监测领域的空白。本技术可提供灰霾和晴空气溶胶光学厚度，PM10和PM2.5浓度、SO2、NO2、CO、CH4的分子柱浓度等参数的空间分布，工程总投资约600万元。运行费用根据设备功耗情况，电、管理等运行费用约为50万元/年，年保修、维修费用约50万元。广东环境监测中心和环保部环境卫星中心等环保部门已将本项目中的大气遥感监测系统作为区域污染监测的基本手段。 　　环境空气监测代表性的印痕分析技术 　　北京大学环境科学与工程学院 　　印痕分析技术为环境监测结果提供详细的时空代表性信息，为监测站网优化、污染来源分析、源反演、观测实验设计等提供技术手段。项目在科技部863计划课题(2006AA06A306)和北京等城市环保局科研课题的支撑下，开发了实用的印痕分析模型。该技术由两个主要部分组成，分别为拉格朗日粒子扩散模拟方法和印痕分析方法。大气污染印痕分析技术可有效识别区域污染物的来源特征，为深入了解区域污染成因和污染控制决策提供科学依据。项目于2006年启动，2011年通过验收。本课题投资约40万元。印痕分析技术对珠三角区域大气环境监测网站的建设完善起到了重要作用，保证了该区域进行的大型研究项目的顺利完成 对宁波地区监测网站的布局完善也起到了重要参考作用。 　　大气PM2.5水溶性污染组分及其气态前体物在线监测系统 　　北京大学环境科学与工程学院 　　项目针对我国大气气态有机物监测的关键问题，在863计划&ldquo 大气复合污染关键气态污染物的快速在线监测技术&rdquo 课题(No.2006AA06A301)的支持下，开发了首套自主知识产权的适合国内环境应用的大气PM2.5水溶性污染组分及其气态前体物的在线测量仪器(GAC-IC 系统)，自主研发了表面磨砂的旋转环形湿式扩散管和冷凝式旋风撞击的气溶胶捕集装置，在自主开发的软件和硬件的控制下，实现了自动连续观测，数据同步传输等功能，该仪器价格便宜，使用成本低，便于维护。本项目自2013年开始，正在推进产业化进程，多台产品化在线仪器已经分别在广州亚运会空气质量评估、北京地区大气复合污染研究、京津冀大气污染防治规划以及东亚地区大气污染物跨界输送等项目中进行了示范和应用。 　　过氧酰基硝酸酯类(PANs)化合物快速在线监测系统 　　北京大学环境科学与工程学院 　　在 863 计划&ldquo 大气复合污染关键气态污染物的快速在线监测技术&rdquo 课题(No.2006AA06A301)的支持下，我国自主设计开发了大气中PANs快速在线监测系统。系统中还包括自主设计研发的在线零气生成和在线标定系统，使用一氧化氮与丙酮在线合成标气，取代了以往仪器中使用的液态标气，降低了仪器使用成本，使得该系统更适用于野外观测以及环境监测站长期监测 且系统全部采用模块化设计，利于使用、维护和推广。该系统采用气相色谱法(GC-ECD)检测大气中过氧酰基硝酸酯类化合物PANs的一体化在线测量技术及设备。本项目自2013年开始，正在推进产业化进程，多台在线仪器已经分别在北京奥运空气质量保障、上海世博会空气质量评估、广州亚运会空气质量评估、北京地区大气复合污染研究等项目中进行了示范和应用。

2月8日，863计划资源环境技术领域办公室在北京组织召开了“连续自动环境监测技术系统与设备”重点项目验收会议。验收专家组听取了项目验收报告，现场考察了项目研制的部分仪器和设备。经专家组讨论，一致同意通过项目验收。 　　该项目由中国科学院合肥物质科学研究院等十余家单位承担。项目开展五年来，开发出具有自主知识产权的COD/BOD/DO三位一体在线监测仪、便携式多功能重金属在线监测电化学系统、水体中痕量活性磷/亚硝氮/硝氮和氨氮的自洁净式在线分析系统、水质在线生物安全预警系统、便携式藻类原位快速荧光监测仪、低浓度多组分芳香烃污染快速监测仪、重要有机化工溶剂在线监测仪器、大气污染多组分排放通量快速遥测设备、颗粒物污染时空分布遥测设备、污染面源排放VOCs及温室气体连续自动监测设备。 　　这些仪器设备在技术性能指标总体上达到国际先进水平，性价比优于国外同类设备，成果具有较好的市场前景。大气多组分污染物及其时空分布和颗粒物时空分布等监测仪器样机还分别于2008年、2009年及2010年在北京、上海和广州进行了奥运会、世博会和亚运会的大气环境观测示范运行，为大型国家重要活动的大气环境监测与预报提供了有效的技术支撑。