中标自然科学基金项目申请书重庆主城区pm10污染特征来源和控制对策研究及pm10自动连续采样仪的研制

重庆市科技计划项目 立 项 申 请 书专项名称： 环境污染治理关键技术及设备研究及工程示范 项目名称：重庆主城区PM10污染特征、来源和控制对策研究 及PM10自动连续采样仪的研制 计划类别： 攻 关 申请单位： 重庆市环境科学研究院 项目负责人： 陈刚才 联系电话： 67855302 组织部门： 起止年限： 2002年 12月 2004年 12 月 填报时间： 2002年 4 月 20日重庆市科委编制二00二年一月填写说明1、凡申报重庆市科委科技攻关、成果推广、火炬、星火、产业化、科技合作、院士专项和科研院所转制计划的项目，都须填写此立项申请书。2、立项申请书由项目的主承担单位填写，经项目组织部门或区、县（自治县、市）科委审查同意后一式三份报送重庆市科委。3、立项申请书所列内容都要据实填写，表达应明确、完整、严谨、扼要（外文名词要同时用中文表达）。4、立项申请书一律要求用A4纸张打印，否则不予受理。重庆市科技计划项目基本信息简表专项名称环境污染治理关键技术及设备研究及工程示范项目名称重庆主城区PM10污染特征、来源和控制对策研究及PM10自动连续采样仪的研制承担单位重庆市环境科学研究院组织部门重庆市科委单位地址江北区邮编400020单位性质21.高等院校 2.科研院所 3.企业 4.其它工商注册登记类型11.国有 2.集体 3.股份合作 4.联营企业 5.有限责任公司 6.股份有限公司7.私营企业 8.港澳台商投资企业 9.外资企业 10.其它企业单位法定代表姓名钟成华联系电话67850049手位传真67850069项目负责人姓名陈刚才联系电话67855302手-项目主要协作单位重庆亚能电器公司计划类别21.应用基础 2.攻关 3.火炬 4.推广 5.星火 6.产业化 7.科技合作8.软科学 9.院士专项 10.创新能力建设 11.科研院所转制项目主要服务行业81.农、林、牧、渔业 2.制造业 3.交通运输、仓储及邮电通信业 4.金融、保险业 5.社会服务业 6.卫生、体育和社会福利业 7.教育、文化艺术及广电业 8.科学研究和综合技术服务业 9.国家机关、政党机关和社会团体 10.其它行业项目所属技术领域41.电子信息 2.生物医药 3.农业 4.环境保护 5.新材料 6.光机电7.交通、能源 8.社会事业 9.其它起止时间2002.122004.12总投资 35.00万元申请资助30.00万元 主要研究内容(限100字)调查、收集已有的污染源排放数据，对排放特征已发生较大变化的典型污染源进行实测分析，建立主要污染源的成分谱数据库；在连续一年或更长时间进行环境采样的基础上，根据对PM10的化学表征结果，对重庆市PM10的污染水平、时空变化特征和来源进行解析；提出重庆市大气环境中PM10污染综合防治方案。PM10自动连续采样仪切割器的研制；自动进样器的研制；自动计量、记录系统的研制；整机的研制和样机性能的测试。预期成果形式或达到的目标(限100字)建立重庆市PM10的源排放成分谱的数据库；较为系统地揭示重庆市PM10的污染特征；利用CMB8解析重庆市PM10的来源；提出重庆市PM10污染的综合控制对策。研制出12台能满足广大区县和厂矿现场环境监测需要的PM10小流量自动连续采样仪。该仪器的推广应用能明显提高环境空气质量监测的技术水平，同时减少其人力、物力投入。注：此简表的选择项均为单选项。一、目的意义、国内外水平、发展趋势和市场需求：1研究目的意义大气中悬浮的颗粒物引起的大气环境问题和对人体健康的危害正日益受到各国政府和有关部门的重视。近年来，人们进一步认识到，大气颗粒物中的细颗粒物对人体健康和大气环境质量造成的危害远比粗颗粒物要大。细颗粒物本身可能是有毒、有害物质；此外，细颗粒物比表面积大，易成为其它污染物的载体和反应体；大气中的细颗粒物数量达到一定程度时会显著降低能见度，使大气呈现为多云、多雾和浑浊的状况。近年来，欧美等国家开展了大规模的细颗粒物污染及控制研究。基于对细颗粒物危害的逐步认识，美国国家环保局（U.S.EPA）于1987年将国家环境空气质量标准（NAAQS）中的关于总悬浮颗粒物（TSP）的质量标准改为关于PM10（即空气动力学当量直径Da10mm的颗粒物）的质量标准；1997年又颁布了更严格的关于PM10的质量标准，并在世界上首次颁布了关于PM2.5（即空气动力学当量直径Da2.5mm的颗粒物）的质量标准。目前国际上大多数国家都规定了环境空气中可吸入颗粒物（Inhalable Particles，指可以通过呼吸系统吸入人体的颗粒，即指PM10，在我国曾称为飘尘）的质量标准，我国在1996年颁布的新的空气质量标准中也对PM10作出了规定，与美国的标准相比，我国二级标准规定的PM10年平均限值要高出一倍。随着重庆市城市化进程的加快、人口增加以及机动车保有量的快速增长，市区空气质量又面临新的问题。虽然二氧化硫的治理已收到明显成效（由1991年的380mg/m3下降到2000年的156mg/m3），但重庆市颗粒物浓度一直居高不下，1991-2000年十年平均值为277.6ug/m3，超过国家空气质量二级标准38.8。大气中细微粒子（2um）在TSP中所占的比例呈上升趋势。部分监测资料显示重庆市PM10超标严重，居住区超标率为5060%。特别是2000年11月27日-28日主城区出现“黑雾”现象时，SO2和PM10等指标比平常高出1倍。到2000年10月，主城区月平均降尘量上升为12.6吨平方公里，比1999年同期增加13，超过参考标准一倍以上。尤其是城区道路的扬尘量日均值达0.908mgm3，超出国家二级标准0.30mgm3达3倍以上。PM10已代替传统的二氧化硫（SO2）成为首要污染物。颗粒物污染还导致重庆市区居民呼吸道疾病普遍，肺癌死亡率名列全国各大城市前茅，1999年市民肺结核报告发病率较1998年上升了44.04。颗粒物污染使城市建筑设施、文物景观、花草树木遭受严重损害，飞扬的尘土附着在行道树上形成了一条条灰带。烟尘污染形成的光化学烟雾(如2000年11月27日-28日主城区的黑雾现象)常常导致交通堵塞，事故多发，直接影响到生产建设和经济发展。据调查，重庆的颗粒物污染已被外商投资者反映为首要的环境问题，直接影响到我市的对外开放和招商引资，尤其是对大气环境质量要求较高项目的投资发展影响更大。重庆市颗粒物污染来源是多种的。重庆市燃料结构中煤占60以上，截止2000年底，主城区机动车已超过30万辆，且多数机动车质量差，重庆城市建设发展快，市区现有拆迁、建设工地5000多个。上述过程排放了大量烟尘、扬尘和尾气颗粒物，同时产生细微的二次颗粒物。“十五”期间，国家计划确定100个污染控制重点城市，要求其空气质量实现环境功能区达标。重庆市是国家确定的大气污染控制重点城市之一。根据国务院的批示，重庆市确定的大气环境保护总体目标为：到2005年末，环境空气质量按功能区基本达到国家环境空气质量标准规定的二级标准限值要求，2010年城市空气质量明显改善，各项指标全面达到二级空气质量标准。因此，系统、定量地分析PM10的污染水平和污染特征及其变化趋势，解析其主要来源，制订科学、经济的控制对策极，有效控制重庆市日益严重的PM10污染而显得尤为紧迫。2、国内外研究现状和发展趋势从美国科学家Friedlander1973年的开创性工作算起，颗粒物来源解析研究和应用已经有近30年的历史。和早期工作相比较，当今的来源解析已有了飞速的发展。早期的来源解析工作主要集中在美国，现在这一技术方法得到了广泛的认可和应用。英国、挪威、比利时、新西兰、中国台北、芬兰、南非、津巴布韦、巴西等都相继开展了来源解析。解析方法分为化学质量平衡和多变量分析两大类。早期的化学分析主要是无机多元素的分析，分析了大约一半的颗粒物质量，剩下的一半质量是未知的，是化学分析的盲区。现在不但分析无机多元素，而且分析离子物种，如硝酸盐、铵离子等，还分析碳质颗粒如有机碳、元素碳。这样对采样和分析都提出了更高的要求。一种滤膜，一种分析技术就不能满足需要。采样和分析都必须综合策划安排，才能获得完整的系统的分析数据，为下一步的来源解析计算打下基础。今天的来源解析工作要求对颗粒物的质量要能“重组”和“闭合”，也就是说分析了的颗粒物各组分质量相加要基本达到重量法测得的颗粒物的质量，而不能留下明显的缺口。早期的工作都是一步解析到具体的排放源类别。现在的工作比较细致，更具可操作性，分成两步走。第一步做到质量重组和闭合。在全面化学分析的基础上，再开展第二步的来源解析。收集、验证或具体测定各种源排放的特征组成，以期进行化学质量平衡（CMB）的计算。来源识别是来源解析的重要组成部分。大气颗粒物来源研究可以分为定性识别和定量解析两个层次。定性识别来源对定量解析工作有指导作用。根据成百上千个颗粒物的分析结果，可以对颗粒物进行分类，一般可以区分出10种以上的不同颗粒物类型，并统计其数目多少，从而对大气颗粒物的化学组成和来源及其重要性提供了重要信息。来源解析和排放源调查相结合。源排放清单或数据库是空气质量管理体系的重要一环。源排放清单是否全面准确地反映了实际情况，这是一个基本的问题，但是很难找到一个可靠的答案。美国加州环保局用1995年大规模来源解析工作的成果来验证源排放清单的正确程度，结果表明地质来源被高估了，而碳质颗粒的排放被低估了。英国伯明翰大学Harrison教授把颗粒物来源解析为燃烧过程排放，二次颗粒物和粗颗粒扬尘这三大类。然后利用其他模型方法分别处理。作为来源解析的受体模型方法不是万能的，它有自己的优势，也有局限。它难以区分化学组成相似的几种颗粒物排放源，如燃煤飞灰和土壤扬尘。这种把受体模型和其他模型方法相结合的做法，给人以启发。利用气象数据追溯颗粒物的来源。传统意义的来源解析只能定性识别和定量解析颗粒物的来源种类及其贡献大小，一般不能明确指出这些来源的地理位置。近年来，美国和欧洲的科学家成功地利用现代的气象观测数据来追溯大气颗粒物特定组分的传输的踪迹到成百上千公里以外，用统计的方法推测和识别来源地区。这种技术成功地研究了颗粒物的长距离传输现象。显然这对我国目前十分关注的西部沙尘暴灾害及其对东部地区空气质量的影响是有启发的，完全可以借鉴。有机分析在来源解析工作发挥作用。英国科学家针对多环芳烃污染物成功地开展了来源解析工作。新西兰的科学家也报告了用不同的多环芳烃化合物作为指示物来区别机动车尾气和其他燃烧过程对空气中多环芳烃总量的贡献。美国加州理工学院的Glemass教授曾报告用有机化合物作为指示物质进行大气中气相有机物和颗粒物有机物的来源解析。我国自80年代开始进行大气颗粒物来源解析的研究工作，但解析对象主要是TSP，如天津、北京、上海、沈阳、和重庆等城市都曾进行过总悬浮颗粒物来源研究。进入九十年代以后，部分学者曾从纯研究的角度进行了PM10的源解析，但由于当时国内缺乏PM10的标准，因此，PM10的源解析未能在国内很好地推广。目前，PM2.5的研究在我国才刚刚起步，尚未形成大规模、高层次的系统研究。一些城市虽然对细微颗粒物污染有了一定的认识，但在此之前，大多数只是个别地点、短期的监测，尚不能对PM2.5的污染特征进行较为全面的分析。重庆市在1992-1993年对总悬浮颗粒物（TSP）的来源进行过分析研究，为我市的环境管理提供了一定的指导作用。由于近几年市相关部门采取了一系列的措施，使城区燃煤烟尘和工业粉尘的排放量较以前有明显下降，总悬浮颗粒物（TSP）的构成发生了变化，同时大气环境质量评价标准也由过去的TSP变为PM10，而我市PM10的来源及构成一直都不清楚。因此，开展主城区颗粒物的来源（包括总悬浮颗粒物和可吸入颗粒物）研究，并提出控制行动措施，对满足当前环境管理工作的迫切需要和搞好重庆市大气污染的综合治理具有重要意义。目前，我国已经将大气环境中总悬浮颗粒物（TSP）的质量标准改为PM10的质量标准。但广大区县用于大气PM10的监测仪器均是中流量的采样器，不能实现连续多天采样，势必增加采样的人力、物力消耗。同时样品的代表性也受到影响。因此研制PM10小流量自动连续采样仪，正是顺应了环保监测仪器市场的需求，具有积极的现实意义。二、研究目标、主要研究内容和技术关键、特色：主要研究内容：一、重庆主城区PM10污染特征、来源和控制对策研究1.重庆市城区PM10污染源的排放特征谱研究调查、收集已有的污染源排放数据，并加以归类整理；对排放特征已发生较大变化的典型污染源进行实测分析；建立主要污染源的成分谱数据库。2.重庆市城区PM10 污染特征的研究对重庆市PM10 的污染水平 以及时空变化特征等进行较为系统的分析研究；对重庆、北京和上海三座典型城市的PM10/PM2.5污染特征进行对比分析，探究产生差异的原因；根据重庆市PM10 污染的变化，对现有颗粒物控制措施的技术经济性做出初步的评估；3.重庆市城区PM10的来源解析研究本课题将在连续一年或更长时间进行环境采样的基础上，根据对PM10 的化学表征结果，对重庆市PM10的来源进行解析；在这两种模型中，CMB8需要各种主要污染源的成分谱，因此，本课题拟采用这两种模型对重庆市的PM10 的来源及其贡献进行分析研究，并对这两种方法的解析结果加以分析比较，以相互印证。4.重庆市城区PM10污染的综合控制对策研究重庆市大气环境中PM10污染现状及发展趋势研究；重庆市控制大气环境中PM10污染已有对策与措施的有效性分析；重庆市大气环境中PM10污染控制措施实施潜力与技术经济分析；重庆市大气环境中PM10污染综合防治目标；重庆市大气环境中PM10污染综合防治方案的设计。二、PM10自动连续采样仪的研制1.切割器的研制利用惯性冲击原理，使含颗粒物气流通过一定孔径和数量的喷嘴，达到一定的气流速度。气流中动力学直径Da10mm的颗粒惯性较大，可冲击在挡板上被阻拦；Da10mm的颗粒，因惯性小而随气流偏转，被后置的滤膜收集，达到PM10的分离、收集。2.自动采样（进样）器的研制可以连续采集24小时或7天，也可以每天采一个样，自动采集7个样。 3.自动系统及计量、统计系统的研制包括单板机程序的编写、读入等。 4.整机的研制包括电机、泵体（包括温度、积分流量等）的配合、调试。 5.样机性能的测试 由国家技术质量监督局授权单位进行粒子捕集效率检测；用国家环保局认可的PM10采样仪做性能对比实验（安德森小流量采样器，射线计数法），性能指标应达到二个采样仪的测定结果，变异系数应小于15%，在采样开始至终了的时间内采样系统流量的变化应在额定流量的10%以内。三、拟采取的研究方法、技术路线和工艺流程（含可行性分析）：拟采取的技术路线及工艺流程一、重庆主城区PM10污染特征、来源和控制对策研究污染源颗粒物采样 化学分析 源排放组分数据库 环境颗粒物采样 化学分析 环境颗粒物化学组分数据库 来源解析结 综合控制对策目前，我们已完成了相关文献的调研工作，我们有信心有把握按时、高质量地完成这项研究。二、PM10自动连续采样仪的研制国外切割器解剖理论计算 自主设计 效果测试 控制系统和滤筒（带滤膜）切换装置的研制 整机装配及检验样机对比采样 样机性能的检测四、进度安排及达到的技术和经济指标：项目进度安排一、重庆主城区PM10污染特征、来源和控制对策研究项目执行期为2002年12月2004年12月，共计24个月，具体计划如下：第一阶段项目准备阶段（2002年12月2003年02月，计3个月），主要内容有：根据方案确定研究内容，聘请专家参加项目技术路线讨论会，对项目研究方法、技路线和研究内容进行咨询。建立称重实验室，购置采样仪器，确定采样方案，第二阶段项目研究阶段（2003年04月2003年12月，计8个月），主要内容是“完成PM10源排放数据调研”固定源的排放特征、排放因子、排放清单；流动源的排放特征、排放因子、排放清单；工业无组织排放源、扬尘源的排放特征、排放因子、排放清单；建立以GIS为平台的重庆市城区PM10污染源数据库。第三阶段项目研究阶段（2003年04月2004年04月，计12个月），主要内容是“重庆城区大气环境中PM10污染特征和来源解析”PM10/PM2.5质量浓度的日、周、月、季和年变化特征；PM10/PM2.5的化学组分，包括无机元素和有机物；CMB8模型的熟悉、调试；PM10的来源解析；第四阶段项目研究阶段（2004年05月2004年08月，计4个月），主要内容是“重庆市城区PM10的综合控制对策研究”重庆市大气环境中PM10污染现状及发展趋势研究；重庆市控制大气环境中PM10污染已有对策与措施的有效性分析；重庆市大气环境中PM10污染控制措施实施潜力与技术经济分析；重庆市大气环境中PM10污染综合防治目标；重庆市大气环境中PM10污染综合防治方案的设计。第五阶段项目总结阶段（2004年9月2004年12月，计4个月），主要工作是进行项目的总结和鉴定。项目技术总报告的编制；项目工作报告的编制；其它相关材料的准备。二、PM10自动连续采样仪的研制1、 2002年6月前，完成查资及相应的理论推导；2、 2002年10月前，完成切割器的研制；3、 2002年12月前，完成控制系统及切换系统的研制；4、 2003年5月前，完成整机装配及验证；5、 2003年6月前，完成PM10自动连续采样仪的鉴定。在实际工作中，各部件研制采用交叉方式进行，以尽力缩短研制时间。达到的技术和经济指标：一、重庆主城区PM10污染特征、来源和控制对策研究本项目的开展不仅可以为制定重庆市PM10的污染控制策略提供依据，为全国范围内其它城市开展PM10污染研究和制定相应的控制措施提供借鉴。同时，综合治理重庆城区的颗粒物污染，建设清新洁静的新重庆，创造良好的生产、生活和投资环境，对于促进我市经济社会持续、快速、健康发展和维护广大群众身体健康，具有十分重要的科学意义、现实意义和长远意义。二、PM10自动连续采样仪的技术和经济指标：参照国家环保局HYQ189总悬浮微粒采样器技术要求（暂行）规定，满足大气环境质量监测技术规范的要求。各项技术指标规定如下：1、 抽气动力系统运转稳定可靠。正常运转时，在离采样器一米处的噪声应在70dB（A）以下；2、 累计流量计在24小时采样的累计体积误差5分钟；3、 切换器的切换时间误差5分钟；4、 整机运行无故障时间应超过3个月；5、 具备采样时间累计，其时间记录误差5分钟；6、 真空泵正常采样时的抽气流量为1m3/h.五、前期研究基础（可附相关证明或说明）及现有条件（含设备手段等）和优势：本课题组近年来先后承担国家自然科学基金、重庆市科学技术重点基金、重庆市环保局重点基金以及横向课题多项，在大气污染控制方面积累了一定的理论和实践经验，培养了一批具有良好素质和较强动手能力的年青科研人员。项目承担单位拥有包括HP 6890气相色谱仪、HP 1100高效液相色谱仪、GC-MS以及相应通过国家计量认证的分析测试系统，为本项目高质量按时完成提供了重要技术支撑条件。项目承担单位和协作单位以中青年为主，分工明确、整体协作性强，具有较强的专业知识基础，可以充分保证本项目的研究成果达到国内先进水平。六、主要研究人员情况姓 名部门及职 务技术职称年龄近年所取得的主要科技成果情况（包括学术论文）联系电话陈刚才所长高 工35在国内核心期刊上发表论文15篇67855302赵 琦高 工38在国内核心期刊上发表论文3篇翟崇治副主任高 工35在国内核心期刊上发表论文2篇杨清玲高 工35在国内核心期刊上发表论文8篇袁从武重庆亚能电器公司高工47 仪器、仪表及工业自动化的设计、研制和安装姚书庆重庆亚能电器公司工程师40仪器、仪表及工业电器的设计、制造张卫东副院长高 工39在国内核心期刊上发表论文15篇杨三明副院长高 工39在国内核心期刊上发表论文10篇七、准备工作情况和拟采取的主要措施：一、重庆主城区PM10污染特征、来源和控制对策研究已完成相关资料的收集和分析工作。二、PM10自动连续采样仪的研制目前已与项目协作单位签定了合作开发协议，落实了自筹经费。完成了技术资料的搜集、整理工作。已做了整体设计的构思，基本完成各零部件的选材、设计及加工工艺。拟采取的主要措施：拟同时研制PM10颗粒物切割器，滤膜自动切换器；作出自动控制器及电路的设计；研制滤膜夹具、密封装置、支架、机壳零部件；选择抽气泵笔记录仪。各部件研制、选用成功后，进行整机组装，性能测试，最后完成对比、验证实验。八、项目实现后的经济（社会）效益： （单位：万元） 预期经济效益新增产值新增税金新增利润节约价值创 汇（万美元）完成并形成能力后直接效益/年75037.51007500完成后间接效益/年00000文字说明：（含社会效益）本项目拟在通过调查或实测掌握主要污染源的排放特征和进行连续的环境采样的基础上，对重庆市的细颗粒物进行源解析研究；结合重庆市分阶段实施的空气质量功能区达标行动计划，分析、了解重庆市PM10的污染水平和污染特征及其变化趋势；在此基础上提出重庆市细颗粒物的综合控制对策。这些研究可以为进一步制定有关的大气污染控制策略提供依据，同时综合治理重庆城区的细颗粒物污染，建设清新洁静的新重庆，创造良好的生产、生活和投资环境，是实现我市环境保护目标和可持续发展的重要措施，是落实党中央和江泽民总书记关于重庆生态建设和环境保护工作重要指示的重要一环，是贯彻中央和市委、市政府关于实施第十个五年计划和西部大开发战略重大决策、促进我市经济社会持续、快速、健康发展的重要工作，也是维护广大群众身体健康、努力提高人民生活水平的民心工程。因此，大力加强重庆城区细颗粒物污染研究，具有十分重要的科学意义、现实意义和长远意义。加快可吸入颗粒物（PM10）小流量