一種可調節參數的人工溼地氣體取樣裝置與測定方法與流程

2023-05-12 03:51:46

本發明涉及水環境治理領域，更具體涉及一種可調節參數的人工溼地氣體取樣的方法，同時還涉及一種人工溼地氣體取樣裝置，適合人工溼地運行過程中所釋放氣體的收集與檢測，並能根據外界氣候條件改變方法參數，為調整溼地運行方式提供理論參考，便於及時掌握人工溼地運行狀態。

背景技術：

人工溼地是人為設計的類似自然溼地的一種汙水處理工藝，常用於淨化，如生活汙水、工業廢水、暴雨徑流、灌溉汙水以及垃圾滲濾液等，來自點源和非點源的汙染水體。人工溼地通過基質截留、生物累積從汙染水體中有效去除汙染物質。在此過程中，人工溼地固定大量外源碳，有助於改善氣候惡化現狀。然而，這一過程帶來的副作用是人工溼地會釋放溫室氣體，比如CH4，CO2，N2O。

人工溼地用於水處理之外，還可作為休閒去處，用於生態防洪、調控氣候，產生諸多環境效益。那麼，因為人工溼地釋放溫室氣體，而不去修建、維護人工溼地，是一種目光短淺的行為。而人工溼地運行時，由於水力負荷、營養條件、運行方式、氣候環境的差異，其溫室氣體的釋放量會有顯著差異，對於不同條件下如何有效收集人工溼地產生的氣體，以及如何準確的檢測其釋放量的大小，以判斷其運行狀態是否良好及開展相關科學研究，是亟待解決的問題。

以往人工溼地氣體通量研究中氣體收集方法，多為單一條件下使用的靜態氣箱法，或者開放系統下的協方差算法，以計算不同尺度溼地的氣體通量大小。前者受限於使用條件單一，並不能準確反映年尺度以上氣通量隨植物生長的變化，同時，往往收集方法參數確定後無法更改，否則影響後續測定結果的準確性。後者需要架設專用設備，佔地面積較大，影響溼地中植物的種植，且費用高昂。那麼，急需一種造價合適、可用於不同條件的人工溼地氣體取樣裝置，以滿足檢測的要求。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明的目的是在於提供了一種可調節參數的人工溼地氣體取樣的方法，方法易行，操作簡便，確保收集方法的可靠性和準確性。本方法及時分析人工溼地運行狀態，為減少溫室氣體的排放提供理論依據。

本發明的另一個目的是在於提供了一種可調節參數的人工溼地氣體取樣的裝置，結構簡單，使用方便，能實時收集人工溼地釋放的氣體，可根據植物的高度改變裝置高度，並採用可調節轉速的風扇以適應不同取樣條件，確保收集的可靠性和準確性。

為解決以上技術問題，本發明採用以下技術方案：

一種可調節參數的人工溼地氣體取樣的方法，其步驟是：

A、將一種可調節參數的人工溼地氣體取樣的裝置預埋，將底座埋入預設點，罩住植物，可埋入溼地表層10～15cm處。裝置埋入後，要求溼地水位沒過裝置底座，保證液封效果。

B、氣體取樣，根據需求選擇取樣筒數，和風扇流速大小。根據確定的取樣筒體積，抽取5％或以下體積數的氣體樣品，保存於氣樣袋或者針筒中，置於26L的ESKY戶外便攜冷藏盒保溫箱及時送回實驗室測定。

C、根據氣體檢測結果對人工溼地運行條件等進行相應調整，如N2O通量值過高(如1mgN/m2×min)，可及時補充外源碳以減緩N2O的排放；若遇到CH4通量過高(如5mgC/m2×min)，可降低溼地水位。將溼地的運行管理，與其生態效應結合起來，更直觀的監測其運行狀態。通過實測溼地在淨化水質同時，向環境中釋放的溫室氣體含量，為是否需要調控提供依據。

一種可調節參數的人工溼地氣體取樣裝置，它由裝有Aerocool USB風扇調速器、1/8規格二通閥取樣口、4分外絲固定金屬溫度計(wss-311)；風扇、H型套筒管、底座固定螺母、50cm高、直徑16cm的PVC圓形取樣筒、固定底座、DN160PVC堵頭組成，其連接關係是：固定底座和取樣筒通過底座固定螺母固定，作為裝置底部，起支撐作用。另外，取樣筒可通過H型套筒管疊加連接，以滿足不同植物高度的需要；取樣筒下部與固定底座通過底座固定螺母連接，底座固定螺母在取樣筒上相隔90°分布。PVC圓形堵頭安裝於裝置頂部，其中間位置裝有1/8規格二通閥取樣口；9.PVC圓形堵頭裡裝有風扇與風扇調速器，風扇調速器的氣壓平衡管連接電源。4分外絲固定金屬溫度計與4分內絲PVC堵頭連接並固定在DN160PVC堵頭上。整個裝置通過底座預埋於人工溼地中，底座埋深為10～15cm，然後水面沒過基質，以達到液封效果，根據需要選擇筒體數和風扇流速進行取樣。

所述的取樣筒可由普通PVC管做成，長度一般取50～60cm，以接近罩住待測溼地植物高度為宜。所述的固定底座可根據取樣筒大小選擇，一般由一個直徑大於取樣筒徑2～4cm，一個直徑小於取樣筒徑2～4cm，高都為3～5cm的PVC管組成凹型套筒，再由螺母與筒體底部固定，起到支撐與底部液封的作用。

所述的H型PVC圓箍直徑根據筒體大小選擇，根據植物不同生長狀態，選擇需要的取樣筒數，可通過疊加使植物能置於取樣筒中。裝置頂部為PVC堵頭，大小與筒體配套即可，其中部開有取樣口，插有20～25mm的PVC管子，通過膠水固定，管子上再固定一個20～25mm內絲直接，內絲直接裝有寶塔接嘴，寶塔接嘴連有帶二通閥的氣動管作為取樣口。以上各連接處，內絲直接與寶塔接嘴連接處用生膠帶密封，PVC連接處用PVC專用膠粘，確保連接牢固，密封性能優良。

所述的固定底座與取樣筒，取樣筒之間拆卸與組合方便。

所述的固定底座、取樣筒底部呈十字形開孔，用螺母連接底座與取樣筒，開孔大小根據螺絲大小確定，不超過3～5mm為宜。

所述的風扇通過風扇調節器調節轉速大小，以適應不同季節，不同環境下溼地產氣速率不同的特點，可方便混勻取樣筒中氣體，收集具有代表性的氣體樣品。

所收集的氣樣樣品可保存於氣體採樣袋(另購，市場購置)，並迅速送至實驗室分析測定。

所述的取樣筒可疊加，以適應植物不同生長狀態的取樣要求。

本發明專利與現有技術相比，具有以下優點和效果：

該裝置方便實時監測人工溼地，同時不會在監測及採樣過程中對人工溼地造成破壞。根據監測信息，調整溼地運行條件時，有利於人工溼地科學運行。其主要有以下幾點：

1、裝置可根據植物不同生長狀態，選擇合適的取樣體積，取樣同時，避免影響植物正常生長，可實時掌握溼地運行信息且不用破壞溼地，便於及時調控人工溼地運行條件。

2、裝置可調節風扇轉速的特點，使得其在不同季節取樣時，可根據溼地產氣速率的不同，改變其轉速以達到較好的混勻效果。樣品混勻後，通過取樣口收集，保存於針筒或者取樣袋中。收集的氣體樣品進行適當的分析有利於掌握人工溼地運行狀態，便於採用更科學的管理措施。

3、監測到人工溼地過排溫室氣體的現象時，為避免對自身脫氮除磷效果的幹擾，裝置可根據具體過排氣體類型選擇減排方法，如增加外源碳以減排N2O，降低水位以減排CH4。從溫室氣體的角度，更直接的掌握了人工溼地內部碳源氮源的利用情況，將汙染物降解和生態效應結合，最大化人工溼地在控制汙染和保護環境方面的效益。

附圖說明

圖1為一種可調節參數的人工溼地氣體取樣裝置的結構示意圖。

其中圖1：1-裝有Aerocool USB風扇調速器、2-1/8規格二通閥取樣口、3-4分外絲固定金屬溫度計(wss-311)；4-小米迷你USB風扇、5-H型套筒管、6-底座固定螺母、7-50cm高，直徑16cm的PVC取樣筒、8-固定底座。9.DN160PVC堵頭。

需要說明的是，此條件下取樣筒高為0.5，採用了兩個取樣筒，並用H型套筒管固定連接；可用於測定植物高度不高於1米的小試溼地氣通量。

圖2為一種可調節參數的人工溼地氣體取樣裝置底部結構示意圖。

其中圖2：8-固定底座、6-底座固定螺母、7-取樣筒。

具體實施方式

實施例1：

一種可調節參數的人工溼地氣體取樣的方法，其步驟是：

A、將一種可調節參數的人工溼地氣體取樣的裝置預埋，底座與取樣筒固定後埋入預設點，罩住植物，可埋入溼地表層10或13或15cm處。裝置埋入後，要求溼地水位沒過裝置底座。

B、根據植物高度判斷是否需要增加取樣筒數目，取樣筒直接通過H型圓刑卡套連接，裝置埋入後，要求溼地水位正好沒過裝置底座。

C、裝有取樣口和風扇的頂套，在確定取樣筒數目後裝上。取樣時間為早上10：00，取樣間隔為5分鐘。樣品收集完立刻送回實驗室，使用Angilent 7890AGC檢測樣品中氣體成分濃度。

D、樣品測定之後進行數據分析，將取樣間隔時間與氣體濃度做線性分析，一般要求線性值R2大於0.9，視此單位時間內氣體濃度變化率是準確的。根據氣通量Flux＝H×P×gC/t得出氣體通量值，再與此類型溼地該氣體通量範圍比照，得出結論。

E、調整溼地運行條件，根據監測結果，若監測到單位時間內氣體濃度變化率為正值，表明溼地正釋放某一種氣體，可採取相應措施減緩其釋放速率；若為負值，認為人工溼地氣體釋放速率較低，其產生的氣體為正常代謝的結果，不存在超排現象。

實施例2：

一種可調節參數的人工溼地氣體取樣裝置，它由裝有Aerocool USB風扇調速器1、1/8規格二通閥取樣口2、4分外絲固定金屬溫度計3(wss-311)；風扇4、H型套筒管5、底座固定螺母6、50cm高、直徑16cm的PVC取樣筒7、固定底座8、DN160PVC圓形堵頭9組成，其連接關係是：固定底座8和取樣筒7通過底座固定螺母6固定，作為裝置底部，起支撐作用。另外，取樣筒7可通過H型套筒管5疊加連接，以滿足不同植物高度的需要；取樣筒7下部與固定底座8通過底座固定螺母6連接，底座固定螺母6在取樣筒7上相隔90°分布。PVC圓形堵頭9安裝於裝置頂部，其中間位置裝有1/8規格二通閥取樣口2；PVC圓形堵頭9裡裝有風扇4與風扇調速器1，風扇調速器1的氣壓平衡管連接電源。4分外絲固定金屬溫度計3與4分內絲PVC堵頭連接，並膠粘固定在DN160PVC圓形堵頭9上。整個裝置通過底座預埋於人工溼地中，底座埋深為10～15cm，然後水面沒過基質，以達到液封效果，根據需要選擇筒體數和風扇流速進行取樣。

所述的取樣筒7可由普通PVC管做成，長度一般取50～60cm，以接近所測溼地植物高度為宜，直徑為16cm。所述的固定底座8可根據取樣筒7大小選擇，一般由一個直徑大於取樣筒徑2～4cm，一個直徑小於取樣筒徑2～4cm，高都為3～5cm的PVC管組成凹型套筒，再由底座固定螺母6與取樣筒7體固定，作為裝置底部，起到支撐與底部液封的作用。所述的H型套筒管5直徑根據取樣筒大小選擇，根據植物不同生長狀態，選擇需要的取樣筒7數，可通過疊加使植物能置於取樣筒中。PVC圓形堵頭9大小與取樣筒7配套即可；PVC圓形堵頭9中部開有1/8規格二通閥取樣口2，插有20～25mm的PVC管子，通過膠水固定，管子上再固定一個20～25mm內絲直接，內絲直接裝有寶塔接嘴，寶塔接嘴連有帶二通閥的氣動管作為1/8規格二通閥取樣口2；以相同方式，在接近取樣口附件開孔，作為4分外絲金屬溫度計3接口並固定。以上各連接處，內絲直接與寶塔接嘴連接處用生膠帶密封，並用膠粘，確保連接牢固，密封性能優良。

所述的固定底座8與取樣筒7之間拆卸與組合方便。

所述的固定底座8與取樣筒7底部呈十字形開孔，用螺母連接固定底座8與取樣筒7開孔大小根據螺絲大小確定，不超過3～5mm為宜。

所述的風扇4通過風扇調節器AeroUSB風扇控制器1調節轉速大小，以適應不同季節，不同環境下溼地產氣速率不同的特點，可方便混勻取樣筒中氣體，收集具有代表性的氣體樣品。

所述的氣體樣品保存於鋁製氣體採樣袋(另購)，並儘快送至實驗室分析測定。

所述的取樣筒7可疊加，以適應植物不同生長狀態的取樣要求。

實施例3：

將實施例2中的一種可調節參數人工溼地氣體取樣裝置應用於種植有美人蕉的複合垂直流人工溼地(IVCW)中。該溼地進水為生活汙水，取樣季節為5月，此時美人蕉高度約為40cm，仍未達到最大高度，故先使用一個取樣筒，即H為0.5m，其在水面上高度h為0.3m；之後取樣筒數目隨其生長高度調整，風速採用20r/min。

結果如下：

1、CH4氣體

2、CO2氣體

3、N2O氣體

根據氣通量計算公式Flux＝H*P*C/t*，可得出CO2通量為0.116mg/min*m2；CH4通量為0.000426mg/min*m2；N2O通量為1.519e-6mg/min*m2。相關綜述文獻(mander,2014)報告，在處理生活汙水時，CO2通量範圍為0.1-1mg/min*m2；CH4 0.0001-0.001mg/min*m2,N2O通量範圍為0.001-0.005mg/min*m2。故初步判斷此人工溼地不存在過排現象。

其它應用步驟與實施例1相同。