一种适用于人工湿地的温室气体采集装置及方法与流程

1.本发明涉及一种气体采集装置及方法，尤其涉及一种适用于人工湿地的温室气体采集装置及方法。


背景技术：

2.人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水、污泥有控制的投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术。
3.在人工湿地去除污染物的过程中，会产生一定的负面环境影响，尤为突出的是温室气体的排放，可能会抵消人工湿地的环境和生态效益，加之目前全球人工湿地的使用数量和覆盖范围持续增加，人工湿地所释放的温室气体对环境的负面影响不容忽视。
4.为了监测人工湿地所释放温室气体的排放量，研究人员通常利用采集装置对温室气体进行采集，现有的温室气体采集装置大多结构复杂，灵活性差，监测结果容易受环境影响(光照、温度、箱内气体混合程度)而存在一定的误差。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服现有的缺陷，提供一种适用于人工湿地的温室气体采集装置及方法，解决目前温室气体采集装置结构复杂、灵活性差、监测结果受环境影响存在误差的问题。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
7.一种适用于人工湿地的温室气体采集装置，包括箱体和底座，所述箱体为上端封闭下端开口的立方体，所述底座为上下两端均开口的矩形框，所述箱体的下端与底座的上端可拆卸地密封连接，所述底座的下端设置为刀口；所述箱体的侧壁贯穿设置有集气管，所述集气管的外端部连接有气体抽取装置；所述箱体的内部设置有温度感应器，所述温度感应器通过信号传输线连接有温度测定仪，所述温度测定仪位于所述箱体外部，所述信号传输线贯穿所述箱体的侧壁。
8.进一步地，所述箱体采用不锈钢板经由氩弧焊焊接制成且高度至少为1米。
9.进一步地，所述箱体的外表面包覆有隔热层。
10.进一步地，所述隔热层包括泡沫聚苯板和塑胶，所述泡沫聚苯板包覆在所述箱体的外表面，所述塑胶粘贴在所述泡沫聚苯板的外表面。
11.进一步地，所述底座的上端设置有环状槽，所述箱体的下端插入所述环状槽内。
12.进一步地，所述箱体内设置有至少一个风扇，所述风扇通过导线连接有外部电源，所述导线贯穿所述箱体的侧壁。
13.进一步地，所述箱体的任一侧壁上部设置有接电口、气体采集孔和温度监测口，所述导线、集气管和信号传输线分别由所述接电口、气体采集孔和温度监测口贯穿所述箱体的侧壁。
14.进一步地，所述箱体的任意两个对称侧壁的外表面设置有把手。
15.进一步地，所述底座的每个侧壁上均设置有若干通孔。
16.一种适用于人工湿地的温室气体采集方法，采用前述的温室气体采集装置，包括以下步骤：
17.a、选取采样点，在不破坏采样点植被的情况下将底座插入到湿地土壤或基质中，再将箱体下端与底座上端连接，采样前静置一天；
18.b、采样前开启风扇，10分钟后将集气管中的原有气体抽空，然后在集气管的外端部依次连接三通阀和注射器，打开三通阀形成通路，并利用注射器采集气体样品；
19.c、每10分钟采集一次气体样品，共采集4次，每次采集前记录实时温度，每次采集的气体样品打入收集袋或收集瓶中，采集过程中保持风扇处于工作状态；
20.d、采集结束后关闭三通阀，将气体样品送回实验室，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dc/dt，在excel表中用公式slope实现，再通过以下计算公式得到温室气体的通量：
[0021][0022]
式中，
[0023]
f——温室气体通量；
[0024]
dc/dt——采样时气体浓度随时间变化的回归曲线斜率；
[0025]
m——温室气体的摩尔质量；
[0026]v0
——标准条件下的摩尔体积；
[0027]
h——气体收集装置的有效高度；
[0028]
t——采样时的绝对温度，每次采用时所记录的采样箱中温度，在计算过程中要将摄氏温度加上273转化为热力学温度；
[0029]
t0——标准条件下的绝对温度。
[0030]
本发明一种适用于人工湿地的温室气体采集装置及方法，结构简单成本低，易于安放，灵活性好，增设隔热层，降低光照和温度的影响，增设风扇，提高箱内气体混合度，整体上减小了监测误差，提高了数据的准确性。
附图说明
[0031]
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：
[0032]
图1是本发明中采集装置的主视示意图；
[0033]
图2是本发明中采集装置的侧视剖视示意图；
[0034]
图3是本发明实验例中co2、n2o和ch4气体排放通量随时间变化曲线图。
具体实施方式
[0035]
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。
[0036]
如图1、2所示，一种适用于人工湿地的温室气体采集装置，包括箱体1和底座2，箱
体1为上端封闭下端开口的立方体，底座2为上下两端均开口的矩形框，箱体1的下端与底座2的上端可拆卸地密封连接，底座2的下端设置为刀口；箱体1的侧壁贯穿设置有集气管3，集气管3的外端部连接有气体抽取装置(图中未示出)；箱体1的内部设置有温度感应器(图中未示出)，温度感应器设置在集气管内端部，温度感应器通过信号传输线(图中未示出)连接有温度测定仪(图中未示出)，温度测定仪位于箱体1外部，信号传输线贯穿箱体1的侧壁。
[0037]
箱体1是长
×
宽
×
高为65cm
×
65cm
×
100cm的无底长方体，底座2长
×
宽
×
高＝70cm
×
70cm
×
25cm，底座长和宽度较箱体长和宽度大约5cm即可，对具体高度不做限定。
[0038]
工作原理：
[0039]
用已知容积和底面积的密封无底箱体将要待测定的地表罩起来，每隔一段时间抽取箱体内气体，用气相色谱仪测定其中目标微量气体的浓度，然后根据气体浓度随时间变化率，计算被罩表面地-大气间微量气体的交换速率。
[0040]
箱体1采用不锈钢板经由氩弧焊焊接制成，表面光洁度高，符合气体取样要求容器的化学性质稳定、表面吸附小的技术标准，同时优质不锈钢材料耐腐蚀性好，可长时间保持机械物理性能。
[0041]
目前人工湿地普遍种植芦苇，美人蕉，菖蒲等植物，这些植被均具有高度较高的特点，原有的采集设备可能会损坏植被，本发明箱体的高度为一米，具有适用目前人工湿地大多数植被生长高度的特点。
[0042]
箱体1的外表面包覆有隔热层，隔热层包括泡沫聚苯板和塑胶，泡沫聚苯板包覆在箱体的外表面，塑胶粘贴在泡沫聚苯板的外表面。隔热层能够保持箱内的空气和温度与环境一致，避免箱体不锈钢板受太阳辐射产生热效应，同时能够隔绝恶劣天气对箱体表面的腐蚀和污染，保证实验结果的准确性。
[0043]
底座2的上端设置有环状槽，箱体1的下端插入环状槽内，安装方便快捷，环状槽内设置有密封件，保证箱体和底座连接的密封性。
[0044]
箱体1内设置有两个风扇4，风扇4通过导线连接有外部电源(图中未示出)，导线贯穿箱体的侧壁。风扇能够对箱体内的气体进行混合，确保收集到符合要求的气体。
[0045]
箱体1的侧壁上部设置有接电口5、气体采集孔6和温度监测口7，导线、集气管和信号传输线分别由接电口、气体采集孔和温度监测口贯穿箱体的侧壁。
[0046]
箱体1的任意两个对称侧壁的外表面设置有把手8，便于箱体的移动。
[0047]
底座2的每个侧壁上均设置有若干通孔9，便于当装置长期安置时植物根系的通过。
[0048]
一种适用于人工湿地的温室气体采集方法，采用前述的温室气体采集装置，包括以下步骤：
[0049]
a、选取采样点，在不破坏采样点植被的情况下将底座插入到湿地土壤或基质中，再将箱体下端与底座上端连接，采样前静置一天；
[0050]
b、采样前开启风扇，10分钟后将集气管中的原有气体抽空，然后在集气管的外端部依次连接三通阀和注射器，打开三通阀形成通路，并利用注射器采集气体样品；
[0051]
c、每10分钟采集一次气体样品，共采集4次，每次采集前记录实时温度，每次采集的气体样品打入收集袋或收集瓶中，采集过程中保持风扇处于工作状态；
[0052]
d、采集结束后关闭三通阀，将气体样品送回实验室，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dc/dt，在excel表中用公式slope实现，再通过以下计算公式得到温室气体的通量：
[0053][0054]
式中，
[0055]
f——温室气体通量(mg
·
m-2
·
h-1
)；
[0056]
dc/dt——采样时气体浓度随时间变化的回归曲线斜率；
[0057]
m——温室气体的摩尔质量；
[0058]v0
——标准条件下的摩尔体积；
[0059]
h——气体收集装置的有效高度(m)；
[0060]
t——采样时的绝对温度，每次采用时所记录的采样箱中温度，在计算过程中要将摄氏温度加上273转化为热力学温度(开氏温度)；
[0061]
t0——标准条件下的绝对温度。
[0062]
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。
[0063]
以湖南省长沙市绿狐尾藻湿地为例，验证本发明采集装置的收集效果，所采集的温室气体通量数据回归系数r2≥0.80以上，证明数据有效，表示本发明采集装置气体分布均匀，收集效果良好。
[0064]
采样点选取为湖南省长沙市长沙县绿狐尾藻湿地，所述的温室气体采集装置放置在高负荷的二级湿地。采样装置的高为100cm，dc/dt＝0.1193。
[0065]
在8时开始进行采样，记录采样时间点0，10，20，30min的实时温度分别为：6.2，6.5，9.8，9.8。℃通过气相色谱测定分析0，10，20，30min所采气体样品中co2浓度分别为1836.28，1836.29，1850.67和1852.04ppm，对应回归系数r2为0.8336，n2o浓度分别为0.75，0.75，0.76和0.76ppm，对应回归系数r2为0.8397，ch4浓度分别为17.57，17.60，17.80和17.90ppm，对应回归系数r2为0.9356。通过计算所得长沙绿狐尾藻湿地2021年12月28日上午8时的co2排放通量为71.01mg
·
m-2
·
h-1
，n2o排放通量为0.03mg
·
m-2
·
h-1
，ch4排放通量为0.50mg
·
m-2
·
h-1。重复上述过程继续完成在10时、12时、14时、16时、18时的样品采集工作。最终得到当天的co2、n2o和ch4气体通量随时间变化曲线如图3所示。
[0066]
本发明一种适用于人工湿地的温室气体采集装置及方法，结构简单成本低，易于安放，灵活性好，增设隔热层，降低光照和温度的影响，增设风扇，提高箱内气体混合度，整体上减小了监测误差，提高了数据的准确性。
[0067]
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。

技术特征：
1.一种适用于人工湿地的温室气体采集装置，其特征在于：包括箱体和底座，所述箱体为上端封闭下端开口的立方体，所述底座为上下两端均开口的矩形框，所述箱体的下端与底座的上端可拆卸地密封连接，所述底座的下端设置为刀口；所述箱体的侧壁贯穿设置有集气管，所述集气管的外端部连接有气体抽取装置；所述箱体的内部设置有温度感应器，所述温度感应器通过信号传输线连接有温度测定仪，所述温度测定仪位于所述箱体外部，所述信号传输线贯穿所述箱体的侧壁。2.根据权利要求1所述的一种适用于人工湿地的温室气体采集装置，其特征在于：所述箱体采用不锈钢板经由氩弧焊焊接制成且高度至少为1米。3.根据权利要求1所述的一种适用于人工湿地的温室气体采集装置，其特征在于：所述箱体的外表面包覆有隔热层。4.根据权利要求3所述的一种适用于人工湿地的温室气体采集装置，其特征在于：所述隔热层包括泡沫聚苯板和塑胶，所述泡沫聚苯板包覆在所述箱体的外表面，所述塑胶粘贴在所述泡沫聚苯板的外表面。5.根据权利要求1所述的一种适用于人工湿地的温室气体采集装置，其特征在于：所述底座的上端设置有环状槽，所述箱体的下端插入所述环状槽内。6.根据权利要求1所述的一种适用于人工湿地的温室气体采集装置，其特征在于：所述箱体内设置有至少一个风扇，所述风扇通过导线连接有外部电源，所述导线贯穿所述箱体的侧壁。7.根据权利要求6所述的一种适用于人工湿地的温室气体采集装置，其特征在于：所述箱体的任一侧壁上部设置有接电口、气体采集孔和温度监测口，所述导线、集气管和信号传输线分别由所述接电口、气体采集孔和温度监测口贯穿所述箱体的侧壁。8.根据权利要求1所述的一种适用于人工湿地的温室气体采集装置，其特征在于：所述箱体的任意两个对称侧壁的外表面设置有把手。9.根据权利要求1所述的一种适用于人工湿地的温室气体采集装置，其特征在于：所述底座的每个侧壁上均设置有若干通孔。10.一种适用于人工湿地的温室气体采集方法，采用如权利要求6或7所述的温室气体采集装置，其特征在于包括以下步骤：a、选取采样点，在不破坏采样点植被的情况下将底座插入到湿地土壤或基质中，再将箱体下端与底座上端连接，采样前静置一天；b、采样前开启风扇，10分钟后将集气管中的原有气体抽空，然后在集气管的外端部依次连接三通阀和注射器，打开三通阀形成通路，并利用注射器采集气体样品；c、每10分钟采集一次气体样品，共采集4次，每次采集前记录实时温度，每次采集的气体样品打入收集袋或收集瓶中，采集过程中保持风扇处于工作状态；d、采集结束后关闭三通阀，将气体样品送回实验室，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dc/dt，在excel表中用公式slope实现，再通过以下计算公式得到温室气体的通量：式中，
f——温室气体通量；dc/dt——采样时气体浓度随时间变化的回归曲线斜率；m——温室气体的摩尔质量；v0——标准条件下的摩尔体积；h——气体收集装置的有效高度；t——采样时的绝对温度，每次采用时所记录的采样箱中温度，在计算过程中要将摄氏温度加上273转化为热力学温度；t0——标准条件下的绝对温度。

技术总结
本发明提供了一种适用于人工湿地的温室气体采集装置，包括箱体和底座，箱体为上端封闭下端开口的立方体，底座为上下两端均开口的矩形框，箱体的下端与底座的上端可拆卸地密封连接，底座的下端设置为刀口；箱体的侧壁贯穿设置有集气管，集气管的外端部连接有气体抽取装置；箱体的内部设置有温度感应器，温度感应器通过信号传输线连接有温度测定仪，温度测定仪位于箱体外部，信号传输线贯穿箱体的侧壁。同时提供了一种温室气体采集方法。本发明提供的适用于人工湿地的温室气体采集装置及方法，结构简单成本低，易于安放，灵活性好，增设隔热层，降低光照和温度的影响，增设风扇，提高箱内气体混合度，整体上减小了监测误差，提高了数据的准确性。据的准确性。据的准确性。


技术研发人员：徐圣君 买热木
受保护的技术使用者：长三角（义乌）生态环境研究中心 中科（义乌）生态环境研究中心有限公司 浙江东禹环境工程有限公司
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/8/1