瞄准环境光学前沿 打造环境监测高技术研发平台——记安徽省环境光学监测技术重点实验室

2005年7 月6 日, 中国科学院安徽光学精密机械研究机所环境光学监测技术重点实验室承担的国家“863”计划子课题“光学多道大气痕量成分探测系统”通过了安徽省科学技术厅组织的科技成果鉴定。鉴定专家组一致认为: 该项目设计思路和技术路线新颖, 在国内首次将多道技术与差分吸收光谱方法相结合, 填补了国内空白, 研究成果达到同类研究的国际先进水平, 部分创新技术处于国际领先水平, 具有较好的产业化前景。安徽省环境光学监测技术重点实验室从研制在线仪器到多个学科共同发展, 从20 万研究经费到每年上千万研究经费, 从中国科学院安徽光学精密机械研究所的新兴实验室到安徽省重点实验室、中国科学院重点实验室, 仅仅用了7 年的时间。

1999 年, 中国科学院安徽光学精密机械研究所根据学科定位和内部结构调整, 决定建立环境光学研究室。当时, 我国的环境监测技术基本上处于现场采样、实验室分析阶段, 采样仪器以手动、半自动为主, 直读型、在线型、应急检测用仪器基本上被国外产品占据。当时, 依靠引进国外自动在线监测仪器, 不仅投资和运行费用都很高, 还难以满足我国环境空气质量和污染源连续自动监测的需要, 因此, 研究室决定开展国家急需的在线监测仪器设备研究。

当时国际上用于空气质量监测的仪器主要有日本的化学方法、美国的点式仪器以及欧洲较多用的长程差分法。通过调研, 实验室认为: 长程差分法研制的点式仪器有其明显的优势, 它不仅可以同时完成对NO2(SO2 的监测, 还能对其它污染气体进行监测, 一台仪器相当于传统的几台点式仪器, 于是, 实验室申请并得到了“环境污染高灵敏光谱在线监测技术研究”课题, 开始了长程差分光学监测系统(DOAS) 的研究并一举获得成功。目前, 已经有200 多套DOAS 监测仪应用于全国的空气质量自动监测站, 替代了同类外国仪器, 为国家节省了大量外汇。

随着科技进步和经济社会发展, 环境问题日益成为人类生存和发展的重大问题。要解决环境的监督、监测问题, 大力发展先进环境监测技术和先进监测仪器设备是必不可少的。在这种战略需求牵引下, 安徽省环境光学监测技术重点实验室在应用基础和高技术研发两个层次上, 采用先进的光学、光谱学探测手段研究环境污染机理, 研究先进的测量原理方法。几年来, 实验室研究出来的光学、光谱学方法和多种先进技术用于空气质量、污染源排放、机动尾气、水质污染和气溶胶粒子的在线监测和遥测, 成为当前环境监测技术的发展方向和技术主流, 具有十分重要的战略性意义。

厂矿企业的排烟和废气是重要的污染源, 同时, 汽车所造成的尾气污染也日益严重。据统计, 在美国, 汽车排放的CO 占总排放的79%, 氮氧化物为53%, CO2 为33%。尤其是在没有重工业的大型城市, 汽车尾气更是最主要的污染源。传统的抽取式检测存在效率低的缺点, 很难完成对车辆总数进行一定比例抽检的要求。随着2008奥运会的临近, 北京的环境问题不仅是国内关心的事, 也成为全世界瞩目的焦点, 研制能够实时快速监测汽车尾气的仪器的课题摆在环境科学家面前。面对机遇, 实验室成功申请得到国家“863”计划项目———“可调谐红外激光差分吸收汽车尾气道边监测系统”。该项目在2002 年底进行了成果鉴定, 专家认为: 该系统的设计思路和技术路线新颖, 机动车尾气排放污染物种类的光谱分析方法及浓度反演软件等关键核心技术实现了创新, 具有独立自主知识产权; 该监测系统的成功研制开发, 填补了国内可调谐红外激光差分吸收汽车尾气道边监测系统的空白。目前该产品已经成功地运行在北京市和重庆市, 通过对车辆进行实时的道边监测, 在不影响车辆运行的情况下完成监测并记录下不合格车辆的牌照, 为有关部门的管理、执法提供了可靠的数据保证。

统计表明, 2003 年, 在我国七大水系409 个监测断面中, 仅38%符合三类以上水质标准; 劣五类水质占30%, 有的基本丧失使用价值; 90%流经城市的河段受到严重污染; 在东部和西南地区被调查的200 多个湖泊中,有80%的湖泊呈现富营养化现象, 水生生态系统全面退化; 全国近一半的城镇饮用水源地水质不符合标准。引进的水质监测仪器, 无论数量还是质量都远远达不到实际需求, 而且, 国外的仪器都是根据本国的实际情况研制的, 在中国普遍存在“水土不服”, 往往一套仪器还没有使用几天就因为水体本身给仪器造成的污染而不能工作。对此, 实验室积极开展环境水体污染的激光在线监测技术研究, 实验结果已经在2004 年4月通过验收。实验室目前还承担着国家“863”计划资源环境领域、中国科学院知识创新工程及国家自然科学基金等方面的多项课题, 其中城市空气质量监测系统、污染源排放在线监测系统和机动车尾气遥测系统已经分别由铜陵蓝盾光电子有限公司和安徽宝龙环保科技有限公司实现产业化生产, 每年可创6000 多万元的产值。

逆水行舟, 不进则退。面对国家环境安全战略需求和迅速发展的环保科技, 安徽省环境光学监测技术重点实验室将瞄准环境科学的国际前沿动态和国家经济发展对环境问题的重大需求, 开展环境监测技术新原理、新方法和环境监测仪器技术集成等领域的研究工作, 包括利用安徽光学精密机械研究所在光、机、电及自动控制方面的优势, 重点开展高分辨光谱分析方法的研究, 如激光光谱技术、差分光学吸收光谱学(DOAS) 、可调谐二极管激光光谱学( TDLAS) 等, 在水体、大气和污染源监测方面研制若干种具有自主知识产权的环境优先物高灵敏、低计量检测方法, 以及重要污染指标常规在线监测技术和激光环境探测技术。重点研究领域包括: 确定污染物的浓度、分布现状、发展趋势和速度, 以追究污染物的来源和污染途径, 并判断污染物在时间和空间上的分布、迁移、转化和发展规律; 确定污染源造成的污染影响, 掌握污染物作用于大气、水体、土壤和生态系统的规律性, 判断浓度最高和问题潜在最严重的区域所在, 以确定控制和防治的对策, 评价防治措施的效果; 为研究污染扩散模式, 做出新污染源对环境污染影响的预断评价及环境污染的预测预报, 提供数据和资料; 判断环境质量是否合乎国家制定的环境质量标准, 定期提出环境质量报告; 搜集环境本底数据, 积累长期监测资料, 为研究环境容量、实施总量控制提供基础数据。

面向国家战略需求, 瞄准世界科技前沿, 安徽省环境光学监测技术重点实验室还将加强原始性科学创新, 加强高技术创新与集成, 为我国环境领域基础研究提供高技术手段, 解决环境领域基础研究急需的高技术平台; 为国家环保提供具有自主知识产权的系列化先进环境监测高技术和系统集成技术, 促进我国环境监测高新技术产业化发展; 力争将实验室建设成为在国内外有影响的科学研究、高技术研发和高级人才培养基地, 成为我国环境监测高技术发展的源头和知识创新工程的重要组成部分。

“与时俱进、选准方向、依靠团队、锲而不舍”是悬挂在安徽省环境光学监测技术重点实验室走廊的标语牌。本着报效祖国、奉献科学, 以人为本、创新为魂, 严谨治学、求真务实, 敢为人先、争创一流的精神, 安徽省环境光学监测技术重点实验室将积极努力朝着更高更远的目标迈进。