一种温室气体原位采集装置及采集方法

1.本发明涉及一种采集装置及采集方法，尤其涉及一种针对水气界面或泥气界面所释放温室气体的原位采集装置及采集方法。


背景技术：

2.在我国，虽然污水处理行业的经济总量、从业人员和投资规模只占全行业的千分之一，但是其碳排放量却占全社会总碳排放量的1％～2％，是一个名副其实的高碳排放行业，且已被公认为是前十大碳排放行业之一。随着“碳达峰”、“碳中和”目标的提出，污水厂也随之成为重点减碳领域，而完成污水厂碳排放核算是进行污水厂减碳目标的第一步，其核算结果的准确性对后续工作的进行起着决定性作用。而核算结果的准确性又依赖于现场实测值的精确度，同时也对现场测定方法提出了更高的要求。
3.污水厂的所有类型碳排放中，直接排放所占比重超过30％，而国内外对于直接排放的计算主要是通过排放因子法和实测法。排放因子法依赖于《2006年ipcc国家温室气体清单指南》中总结的经验值，随着污水厂工艺的不断革新，其实用性和与实际测定的偏差值也随之大打折扣。污水厂构筑物中的温室气体主要是通过自由扩散和冒泡方式释放的，对于实测法，国内外所采用的主要有静态箱法和动态箱法，采样时需要将采集仪器固定在反应构筑物内部，并且保持其在曝气、搅拌、推流等作用导致的水面剧烈波动或较大水流速度下能够平稳且气密性良好，实施起来非常困难，并且操作不便。并且目前绝大多数污水厂的构筑物都进行了加盖密封处理，构筑物内深度较大，架设大型仪器设备不现实，无法获得污水厂构筑物中水/泥-气界面温室气体排放通量的相关数据。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有的缺陷，提供一种温室气体原位采集装置及采集方法，解决目前污水厂温室气体采样困难的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
6.一种温室气体原位采集装置，包括原位收集装置和采样留样装置，所述原位收集装置包括集气箱，所述集气箱的下端设置有开口，所述集气箱的上端或侧面连接有导气管，所述导气管与所述采样留样装置连接；所述集气箱上端面对称两端或任意两个对称侧面的外侧分别连接有一个伸缩套杆，所述伸缩套杆的外套管下端与所述集气箱连接，所述伸缩套杆的内管向所述集气箱的上端方向延伸，所述外套管和内管的连接处设置有紧固螺套。
7.进一步地，所述集气箱的内部设置有电动小风扇，数量为两个，任意两个对称侧面上各设置有一个。
8.进一步地，所述外套管下端通过旋转连接座与所述集气箱连接，所述外套管下端与所述旋转连接座之间为可拆卸连接。
9.进一步地，所述集气箱上端面的四角各设置有一个悬挂绳卡环，每个所述悬挂绳卡环连接有一条悬挂绳，四条所述悬挂绳的上端共同连接有一个缆绳，所述悬挂绳卡环与
所述悬挂绳之间为可拆卸连接。
10.进一步地，所述集气箱任意两个对称侧面的外部分别设置有一个泡沫漂浮板；所述集气箱任意两个对称侧面的内部分别设置有一个配重块。
11.进一步地，所述采样留样装置包括底座，所述底座上端面设置有控制系统和循环输送系统，所述循环输送系统上设置有若干集气瓶；所述底座侧面设置有升降机构，所述升降机构连接有气体注入装置，所述气体注入装置与所述导气管连接，所述气体注入装置位于任一所述集气瓶的正上方。
12.进一步地，所述循环输送系统包括轨道槽，所述轨道槽内设置有若干限位座，每个所述限位座上设置有一个所述集气瓶，各所述限位座的外围共同套设有摩擦传动带，所述摩擦传动带配套设置有驱动带轮，所述驱动带轮通过传动轴连接有步进电机，所述步进电机与所述控制系统连接。
13.进一步地，所述升降机构包括升降气缸，所述升降气缸与所述控制系统连接，所述升降气缸的升降杆上端连接有竖直连杆，所述竖直连杆的下端与所述升降杆连接，所述竖直连杆的上端垂直连接有水平连杆，所述水平连杆的下端面连接有所述气体注入装置。
14.进一步地，所述集气瓶为带有橡胶塞的真空集气瓶，所述气体注入装置为针头朝下的注射器，所述注射器上设置有电控阀，所述电控阀与所述控制系统连接，所述竖直连杆和水平连杆内部设置有输气管，所述注射器的上端与所述水平连杆连接且与所述输气管连通，所述输气管的另一端由所述竖直连杆侧面穿出且与所述导气管连接。
15.采用上述温室气体原位采集装置的温室气体原位采集方法，包括以下步骤：
16.(1)根据环境情况调整伸缩套杆的长度，然后将集气箱放置在水气界面上，使集气箱浮于水面上且吃水3-4cm，此时集气箱和导气管保持密封状态；
17.(2)开启采样留样装置，升降机构带动气体注入装置下降，采集气体经由气体注入装置注入到集气瓶当中，而后升降机构带动气体注入装置复位，循环输送系统将已注入气体的集气瓶移走，并将新的集气瓶送到气体注入装置的下方，按照预先设置好的时间间隔，重复上述过程完成指定数量样品的采样留样工作；
18.(3)将样品送回实验室，使用气相色谱仪测定收集气体中的温室气体浓度，然后绘制“浓度-时间”散点图，拟合直线得到线性方程及斜率k，通过以下计算公式得到水气界面温室气体的通量：
[0019][0020]
式中，
[0021]
f——温室气体通量，(μg
·
m-2
·
d-1
)；
[0022]
k——拟合“浓度-时间”直线的斜率；
[0023]
f1——ppm与μg
·
m3的单位转换系数；
[0024]
f2——min与day的转化系数(1440)；
[0025]
v——气体收集装置的有效容积(m3)；
[0026]
a——气体收集装置与水/泥-气交界面的面积(m2)；
[0027]
f3——μg与mg的单位转化系数(1000)。
[0028]
本发明具备以下有益效果：
[0029]
(1)本发明的设备和方法采用原位采集的手段，实现了以污水厂构筑物为代表的复杂工况条件下的水/泥-气界面温室气体的原位采集，解决了构筑物中由于曝气、搅拌、旋流、推流或流速较大等因素导致传统温室气体收集装置难以保持气密性稳定性的问题，并且使采样检测数据更接近真实工况；
[0030]
(2)本发明的设备和方法可根据采样环境的不同进行调整，通过调节伸缩套杆的倾斜角度和长度以及导气管和悬挂绳的长度以适应各种采样环境，可对包括但不限于污水厂内构筑物等多种不同类型水体(如河流、河道、市政下水道、湖泊、唐库系统、湿地系统等)的水/泥-气界面释放的包括但不限于温室气体的多种类型气体进行原位采集；
[0031]
(3)本发明的设备和方法能够实现自动定时采样，摆脱了采样频率的限制，减少了因人工手动采集对采样点环境带来的干扰，也避免了人工操作所带来的误差；
[0032]
(4)本发明的设备和方法，通过采集等时间间隔的若干水/泥-气界面的温室气体样品，经实验室气相色谱仪测定相关气体浓度，绘制并拟合时间-浓度曲线，计算得出气体排放通量。对污水处理厂碳足迹核算提供了有力的数据支撑，同时也解决了当下对于复杂水面条件下水/泥-气界面温室气体排放通量、气体产生量和释放规律研究中缺少相关采样设备及方法的问题。
附图说明
[0033]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0034]
图1是本发明中原位收集装置的结构示意图；
[0035]
图2是本发明中采样留样装置的结构示意图；
[0036]
图3是利用本发明收集甲烷时的数据及拟合结果示意图。
具体实施方式
[0037]
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0038]
一种温室气体原位采集装置，包括原位收集装置和采样留样装置，其中原位收集装置如图1所示，原位收集装置包括集气箱1，集气箱1的下端设置有开口，集气箱1的上端连接有导气管2，导气管2与采样留样装置连接；集气箱1两个对称侧面的外侧分别连接有一个伸缩套杆3，伸缩套杆的外套管下端与集气箱连接，伸缩套杆的内管向集气箱的上端方向延伸，外套管和内管的连接处设置有紧固螺套。
[0039]
工作原理：
[0040]
根据操作人员与水面之间的距离来调节伸缩套杆的长度，操作人员手持内管的上端将集气箱稳定放置于水面上，通过导气管将混合气体收集并送到采样留样装置。
[0041]
集气箱1的内部设置有电动小风扇4，数量为两个，两个对称侧面上各设置有一个。电动小风扇的作用是将集气箱内的气体混合均匀，保证温室气体浓度的准确性。
[0042]
外套管下端通过旋转连接座5与集气箱1连接，可以变换伸缩套杆与集气箱之间的角度，便于应对采样界面不在操作人员正下方的情况。
[0043]
集气箱1上端面的四角各设置有一个悬挂绳卡环6，每个悬挂绳卡环6连接有一条
悬挂绳7，四条悬挂绳7的上端共同连接有一个缆绳8。对于一些水流平静的环境，可以采用缆绳将集气箱进行悬挂，节省人力。
[0044]
外套管下端与旋转连接座之间为可拆卸连接，悬挂绳卡环与悬挂绳之间为可拆卸连接。根据构筑物中的水/泥-气界面的情况选择使用伸缩套杆或悬挂绳或二者兼用进行固定(不必要使用的器具可拆卸)。对于存在曝气、旋流、搅拌、推流或水流速度较大的构筑物，如一级处理中的旋流沉砂池、曝气沉砂池，二级处理中a2o工艺的好氧区、氧化沟的高溶氧区，三级处理中的反硝化深床滤池等，通过伸缩套杆将集气箱固定于构筑物墙体或栏杆，保持其不随水流发生横向、纵向或侧向移动。而对于水流相对平缓的构筑物，如一级处理中的水解酸化池，二级处理中a2o工艺的缺氧和厌氧区、sbr工艺、氧化沟的低溶氧区、平流和辐流式二沉池，三级处理中的高效沉淀池、生物转盘滤池，储泥池等，通过悬挂绳将集气箱系在可固定物体上，保持其稳定或相对静止。
[0045]
集气箱1两个对称侧面的外部分别设置有一个泡沫漂浮板9；集气箱1两个对称侧面的内部分别设置有一个配重块10。上述部件主要针对于采用悬挂绳对集气箱进行固定，保证集气箱能够稳定地浮于水面上。
[0046]
以下介绍一下上述部件的选材：
[0047]
集气箱采用若干块聚丙烯板粘贴拼接而成；
[0048]
泡沫漂浮板采用实心泡沫切割而成；
[0049]
平衡配重块采用质量分布均匀的铁块；
[0050]
导气管采用直径较小的聚四氟乙烯管；
[0051]
伸缩套杆采用铝合金材质。
[0052]
导气管2与集气箱1的连接部分设置有密封圈，密封圈由橡胶垫、玻璃胶和聚丙烯板材粘连而成。
[0053]
导气管2的旁侧还插设有红水温度计11，量程为-50℃～50℃，该温度计用于记录集气箱内的温度，可以作为测量温室气体浓度的辅助参数。
[0054]
如图2所示，采样留样装置包括底座12，底座12上端面设置有控制系统13和循环输送系统，循环输送系统上设置有若干集气瓶14；底座12侧面设置有升降机构，升降机构连接有气体注入装置，气体注入装置与导气管连接，气体注入装置位于任一集气瓶的正上方。
[0055]
循环输送系统包括轨道槽，轨道槽内设置有若干限位座15，每个限位座15上设置有一个集气瓶14，各限位座15的外围共同套设有摩擦传动带16，摩擦传动带16配套设置有驱动带轮17，驱动带轮17通过传动轴18连接有步进电机19，步进电机19与控制系统13连接。通过步进电机控制集气瓶的定期运动，每次运动一个集气瓶距离，用于更换气体注入装置正下方的集气瓶。
[0056]
升降机构包括升降气缸，升降气缸与控制系统13连接，升降气缸的升降杆20上端连接有竖直连杆21，竖直连杆21的下端与升降杆20连接，竖直连杆21的上端垂直连接有水平连杆22，水平连杆22的下端面连接有气体注入装置。
[0057]
集气瓶14为带有橡胶塞的真空集气瓶，气体注入装置为针头朝下的注射器23，注射器 23上设置有电控阀24，电控阀24与控制系统13连接，竖直连杆21和水平连杆22内部设置有输气管25，注射器23的上端与水平连杆22连接且与输气管25连通，输气管25的另一端由竖直连杆21侧面穿出且与导气管2连接。
[0058]
采用上述温室气体原位采集装置的温室气体原位采集方法，包括以下步骤：
[0059]
(1)根据环境情况选择伸缩套杆或悬挂绳，然后将集气箱放置在水气界面上，使集气箱浮于水面上且吃水3-4cm，开启电动小风扇，此时集气箱和导气管保持密封状态；
[0060]
(2)开启采样留样装置，升降气缸的升降杆下降带动注射器下降，注射器针头插入集气瓶内，此时电控阀打开，集气箱内的气体经由导气管、输气管和注射器进入集气瓶内，气体注入完毕后，电控阀关闭，升降气缸的升降杆上升，注射器针头与集气瓶分离，步进电机启动，驱动轴带动驱动带轮转动，利用摩擦传动带电动限位座移动，将已注入气体的集气瓶移走，将未注入气体的集气瓶移动到注射器下方，至此完成一次气体收集工作，在上述过程基础上，根据气体的收集频率(采样间隔)和收集量，对升降气缸、电控阀和步进电机的参数进行预设，从而完成多个时间点的气体收集工作；
[0061]
(3)将样品送回实验室，使用气相色谱仪测定收集气体中的温室气体浓度，然后绘制“浓度-时间”散点图，拟合直线得到线性方程及斜率k，通过以下计算公式得到水气界面温室气体的通量：
[0062][0063]
式中，
[0064]
f——温室气体通量，(μg
·
m-2
·
d-1
)；
[0065]
k——拟合“浓度-时间”直线的斜率；
[0066]
f1——ppm与μg
·
m3的单位转换系数；
[0067]
f2——min与day的转化系数(1440)；
[0068]
v——气体收集装置的有效容积(m3)；
[0069]
a——气体收集装置与水/泥-气交界面的面积(m2)；
[0070]
f3——μg与mg的单位转化系数(1000)。
[0071]
其中检测温室气体浓度的方法参见《气体中甲烷、氧化亚氮和二氧化碳浓度测定——气相色谱法》t/lcaa 005—2021。
[0072]
以甲烷为例，验证本发明原位采集装置的收集效果，各项数据及拟合结果如图3所示，其中r平方能够达到0.999以上，表示本发明原位采集装置几乎没有漏气且气体分布均匀，收集效果极好。
[0073]
本发明提供的种温室气体原位采集装置及采集方法，适用于多种复杂工况条件下的温室气体原位采集，能够实现自动化采集，采集数据精准，便于计算得到准确的温室气体的排放通量。
[0074]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。