基于传感器技术的大气VOCs和NOX在线监测设备的研发及应用

　　一、研究背景
　　针对大气中的VOCs来源广泛、组成复杂，可与大气中的NOX发生光化学反应生成O3和细颗粒物，形成二次污染问题，本项目成功研制了一款具有自主知识产权的基于传感器技术的大气VOCs和NOx在线监测设备，实现对VOCs（环境VOC非甲烷总烃重量及重点组分）、NOx、温度、湿度、气压等大气环境参数的实时在线监测，并且成本低、体积小、精度高。研究建立多参数云质控体系，实现对VOCs和NOx监测数据的实时质量控制，满足《大气PM2.5网格化监测系统质保质控与运行技术指南（试行）》对数据质保质控的要求。项目由北京雪迪龙科技股份有限公司、北京市计量检测科学研究院、中国科学院生态环境研究中心等单位承担。
　　二、主要研究内容
　　（1）研发低成本、小型化、高精度的基于传感器技术的大气VOCs和NOX在线监测设备依据技术路线对在线监测设备进行开发，主要包括主电路模块研制、光离子化传感器模块研制、电化学传感器模块研制、颗粒物检测模块研制、嵌入式软件开发等。（2）大气VOCs和NOx网格化监测系统平台软件开发网格化监测设备在示范应用过程中要实现对包括居民区、工业排放源、商业区、道路交通等多种环境下监测对象的全覆盖，由于不同监测对象之间会存在相对较大的环境差异，如污染场景不同、外部气象条件不同等等，因此在监测过程中必须保证在不同的应用场景下监测结果的可靠性。本课题对监测设备设计了多级不同的质控体系：采用标准物质对监测设备进行校准，保证监测设备的结果准确性；在环境空气条件下采用标准方法设备对网格化监测设备进行环境训化校准；在不同环境条件下运行，建立了与质控设备、标准方法设备的基于自主学习神经网络算法的对标模型，对设备实时自动质控。课题开发了VOCs和NOx数据库，对监测点位的VOCs和NOx监测数据、监测点位温度、湿度、气压等大气环境参数、监测点位风速、风向等气象数据等进行全面收集、整合，建立VOCs和NOx数据库，增加相应的标准和接口，采用云计算技术对各类数据进行统一管理，对数据分析提供基础，同时也建立了手机app可以实现移动应用服务，将数据能够实现在移动终端进行查询、监控。开发了监测数据分析功能，借助云端数据处理技术，对监测数据进行计算分析，并以GIS结合表格、图表、文字等多种形式，展示区域内监测点位大气VOCs和NOx监测数据变化的趋势。主要实现监测数据综合分析、设备异常信息推送、网格化资源管理等功能。
　　三、主要成果
　　课题研制了一款具有自主知识产权的基于传感器技术的大气VOCs和NOx在线监测设备，该设备能够实现对环境空气中的VOCs（环境VOC非甲烷总烃总量及重点组分）、NOx以及温度、湿度、气压等大气环境参数的实时在线监测，且该监测设备具有成本低、小型化、精度高等特点，技术指标通过了第三方测试。在北京市典型工业园区和典型路段布设监测点位、安装了50套该监测设备开展了为期12个月的示范应用，分析研究了VOCs和NOX的排放特征及其与颗粒物浓度之间的关联关系，并形成了分析报告。该监测设备已完成产业化、工程化建设，形成了设备生产企业标准和从生产、安装、调试到用户使用维护的标准操作规程一套，用于指导产品的生产、安装、调试与用户使用。
　　四、示范应用和转化
　　课题研制了一款基于传感器技术的大气VOCs和NOx在线监测设备，设备成本低、小型化、精度高。设备原理样机开发完成后，在实验室对原理样机进行了指标测试，在实验室测试数据达到预期指标后在大气环境下安装了4台工程样机，进行了试运行，对于室外环境测试数据与标准方法进行了比对，在工程机数据达到指标要求以后，开始中式生产55套设备，用于示范应用。在完成示范应用设备的生产调试以后，项目组开始与环保监管部门进行联系沟通相关应用示范选点工作，经过会议讨论，筛选围绕G6辅路、生命科学园以及原有网格化监管点位等涵盖企业、居民区、道路等不同类型的示范应用点，安装50套设备。
　　在示范应用过程中对测试数据进行质控，保证数据的准确。对示范应用的数据进行分析，研究工业园区周边与典型路段大气VOCs和NOx的排放特征，研究其排放浓度与颗粒物浓度、季节、温度、风向、风速等因素的关联性，从而为环境监测下一步监控因子的提出，提供数据支撑，用于研究各污染之间的关联，为首都乃至全国综合治理大气污染奠定理论和应用基础。