一种可调节参数的人工湿地气体取样装置与测定方法与流程

本发明涉及水环境治理领域，更具体涉及一种可调节参数的人工湿地气体取样的方法，同时还涉及一种人工湿地气体取样装置，适合人工湿地运行过程中所释放气体的收集与检测，并能根据外界气候条件改变方法参数，为调整湿地运行方式提供理论参考，便于及时掌握人工湿地运行状态。

背景技术：

人工湿地是人为设计的类似自然湿地的一种污水处理工艺，常用于净化，如生活污水、工业废水、暴雨径流、灌溉污水以及垃圾渗滤液等，来自点源和非点源的污染水体。人工湿地通过基质截留、生物累积从污染水体中有效去除污染物质。在此过程中，人工湿地固定大量外源碳，有助于改善气候恶化现状。然而，这一过程带来的副作用是人工湿地会释放温室气体，比如CH₄，CO₂，N₂O。

人工湿地用于水处理之外，还可作为休闲去处，用于生态防洪、调控气候，产生诸多环境效益。那么，因为人工湿地释放温室气体，而不去修建、维护人工湿地，是一种目光短浅的行为。而人工湿地运行时，由于水力负荷、营养条件、运行方式、气候环境的差异，其温室气体的释放量会有显著差异，对于不同条件下如何有效收集人工湿地产生的气体，以及如何准确的检测其释放量的大小，以判断其运行状态是否良好及开展相关科学研究，是亟待解决的问题。

以往人工湿地气体通量研究中气体收集方法，多为单一条件下使用的静态气箱法，或者开放系统下的协方差算法，以计算不同尺度湿地的气体通量大小。前者受限于使用条件单一，并不能准确反映年尺度以上气通量随植物生长的变化，同时，往往收集方法参数确定后无法更改，否则影响后续测定结果的准确性。后者需要架设专用设备，占地面积较大，影响湿地中植物的种植，且费用高昂。那么，急需一种造价合适、可用于不同条件的人工湿地气体取样装置，以满足检测的要求。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的是在于提供了一种可调节参数的人工湿地气体取样的方法，方法易行，操作简便，确保收集方法的可靠性和准确性。本方法及时分析人工湿地运行状态，为减少温室气体的排放提供理论依据。

本发明的另一个目的是在于提供了一种可调节参数的人工湿地气体取样的装置，结构简单，使用方便，能实时收集人工湿地释放的气体，可根据植物的高度改变装置高度，并采用可调节转速的风扇以适应不同取样条件，确保收集的可靠性和准确性。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种可调节参数的人工湿地气体取样的方法，其步骤是：

A、将一种可调节参数的人工湿地气体取样的装置预埋，将底座埋入预设点，罩住植物，可埋入湿地表层10～15cm处。装置埋入后，要求湿地水位没过装置底座，保证液封效果。

B、气体取样，根据需求选择取样筒数，和风扇流速大小。根据确定的取样筒体积，抽取5％或以下体积数的气体样品，保存于气样袋或者针筒中，置于26L的ESKY户外便携冷藏盒保温箱及时送回实验室测定。

C、根据气体检测结果对人工湿地运行条件等进行相应调整，如N₂O通量值过高(如1mgN/m²×min)，可及时补充外源碳以减缓N₂O的排放；若遇到CH₄通量过高(如5mgC/m²×min)，可降低湿地水位。将湿地的运行管理，与其生态效应结合起来，更直观的监测其运行状态。通过实测湿地在净化水质同时，向环境中释放的温室气体含量，为是否需要调控提供依据。

一种可调节参数的人工湿地气体取样装置，它由装有Aerocool USB风扇调速器、1/8规格二通阀取样口、4分外丝固定金属温度计(wss-311)；风扇、H型套筒管、底座固定螺母、50cm高、直径16cm的PVC圆形取样筒、固定底座、DN160PVC堵头组成，其连接关系是：固定底座和取样筒通过底座固定螺母固定，作为装置底部，起支撑作用。另外，取样筒可通过H型套筒管叠加连接，以满足不同植物高度的需要；取样筒下部与固定底座通过底座固定螺母连接，底座固定螺母在取样筒上相隔90°分布。PVC圆形堵头安装于装置顶部，其中间位置装有1/8规格二通阀取样口；9.PVC圆形堵头里装有风扇与风扇调速器，风扇调速器的气压平衡管连接电源。4分外丝固定金属温度计与4分内丝PVC堵头连接并固定在DN160PVC堵头上。整个装置通过底座预埋于人工湿地中，底座埋深为10～15cm，然后水面没过基质，以达到液封效果，根据需要选择筒体数和风扇流速进行取样。

所述的取样筒可由普通PVC管做成，长度一般取50～60cm，以接近罩住待测湿地植物高度为宜。所述的固定底座可根据取样筒大小选择，一般由一个直径大于取样筒径2～4cm，一个直径小于取样筒径2～4cm，高都为3～5cm的PVC管组成凹型套筒，再由螺母与筒体底部固定，起到支撑与底部液封的作用。

所述的H型PVC圆箍直径根据筒体大小选择，根据植物不同生长状态，选择需要的取样筒数，可通过叠加使植物能置于取样筒中。装置顶部为PVC堵头，大小与筒体配套即可，其中部开有取样口，插有20～25mm的PVC管子，通过胶水固定，管子上再固定一个20～25mm内丝直接，内丝直接装有宝塔接嘴，宝塔接嘴连有带二通阀的气动管作为取样口。以上各连接处，内丝直接与宝塔接嘴连接处用生胶带密封，PVC连接处用PVC专用胶粘，确保连接牢固，密封性能优良。

所述的固定底座与取样筒，取样筒之间拆卸与组合方便。

所述的固定底座、取样筒底部呈十字形开孔，用螺母连接底座与取样筒，开孔大小根据螺丝大小确定，不超过3～5mm为宜。

所述的风扇通过风扇调节器调节转速大小，以适应不同季节，不同环境下湿地产气速率不同的特点，可方便混匀取样筒中气体，收集具有代表性的气体样品。

所收集的气样样品可保存于气体采样袋(另购，市场购置)，并迅速送至实验室分析测定。

所述的取样筒可叠加，以适应植物不同生长状态的取样要求。

本发明专利与现有技术相比，具有以下优点和效果：

该装置方便实时监测人工湿地，同时不会在监测及采样过程中对人工湿地造成破坏。根据监测信息，调整湿地运行条件时，有利于人工湿地科学运行。其主要有以下几点：

1、装置可根据植物不同生长状态，选择合适的取样体积，取样同时，避免影响植物正常生长，可实时掌握湿地运行信息且不用破坏湿地，便于及时调控人工湿地运行条件。

2、装置可调节风扇转速的特点，使得其在不同季节取样时，可根据湿地产气速率的不同，改变其转速以达到较好的混匀效果。样品混匀后，通过取样口收集，保存于针筒或者取样袋中。收集的气体样品进行适当的分析有利于掌握人工湿地运行状态，便于采用更科学的管理措施。

3、监测到人工湿地过排温室气体的现象时，为避免对自身脱氮除磷效果的干扰，装置可根据具体过排气体类型选择减排方法，如增加外源碳以减排N2O，降低水位以减排CH4。从温室气体的角度，更直接的掌握了人工湿地内部碳源氮源的利用情况，将污染物降解和生态效应结合，最大化人工湿地在控制污染和保护环境方面的效益。

附图说明

图1为一种可调节参数的人工湿地气体取样装置的结构示意图。

其中图1：1-装有Aerocool USB风扇调速器、2-1/8规格二通阀取样口、3-4分外丝固定金属温度计(wss-311)；4-小米迷你USB风扇、5-H型套筒管、6-底座固定螺母、7-50cm高，直径16cm的PVC取样筒、8-固定底座。9.DN160PVC堵头。

需要说明的是，此条件下取样筒高为0.5，采用了两个取样筒，并用H型套筒管固定连接；可用于测定植物高度不高于1米的小试湿地气通量。

图2为一种可调节参数的人工湿地气体取样装置底部结构示意图。

其中图2：8-固定底座、6-底座固定螺母、7-取样筒。

具体实施方式

实施例1：

一种可调节参数的人工湿地气体取样的方法，其步骤是：

A、将一种可调节参数的人工湿地气体取样的装置预埋，底座与取样筒固定后埋入预设点，罩住植物，可埋入湿地表层10或13或15cm处。装置埋入后，要求湿地水位没过装置底座。

B、根据植物高度判断是否需要增加取样筒数目，取样筒直接通过H型圆刑卡套连接，装置埋入后，要求湿地水位正好没过装置底座。

C、装有取样口和风扇的顶套，在确定取样筒数目后装上。取样时间为早上10：00，取样间隔为5分钟。样品收集完立刻送回实验室，使用Angilent 7890AGC检测样品中气体成分浓度。

D、样品测定之后进行数据分析，将取样间隔时间与气体浓度做线性分析，一般要求线性值R²大于0.9，视此单位时间内气体浓度变化率是准确的。根据气通量Flux＝H×P×gC/t得出气体通量值，再与此类型湿地该气体通量范围比照，得出结论。

E、调整湿地运行条件，根据监测结果，若监测到单位时间内气体浓度变化率为正值，表明湿地正释放某一种气体，可采取相应措施减缓其释放速率；若为负值，认为人工湿地气体释放速率较低，其产生的气体为正常代谢的结果，不存在超排现象。

实施例2：

一种可调节参数的人工湿地气体取样装置，它由装有Aerocool USB风扇调速器1、1/8规格二通阀取样口2、4分外丝固定金属温度计3(wss-311)；风扇4、H型套筒管5、底座固定螺母6、50cm高、直径16cm的PVC取样筒7、固定底座8、DN160PVC圆形堵头9组成，其连接关系是：固定底座8和取样筒7通过底座固定螺母6固定，作为装置底部，起支撑作用。另外，取样筒7可通过H型套筒管5叠加连接，以满足不同植物高度的需要；取样筒7下部与固定底座8通过底座固定螺母6连接，底座固定螺母6在取样筒7上相隔90°分布。PVC圆形堵头9安装于装置顶部，其中间位置装有1/8规格二通阀取样口2；PVC圆形堵头9里装有风扇4与风扇调速器1，风扇调速器1的气压平衡管连接电源。4分外丝固定金属温度计3与4分内丝PVC堵头连接，并胶粘固定在DN160PVC圆形堵头9上。整个装置通过底座预埋于人工湿地中，底座埋深为10～15cm，然后水面没过基质，以达到液封效果，根据需要选择筒体数和风扇流速进行取样。

所述的取样筒7可由普通PVC管做成，长度一般取50～60cm，以接近所测湿地植物高度为宜，直径为16cm。所述的固定底座8可根据取样筒7大小选择，一般由一个直径大于取样筒径2～4cm，一个直径小于取样筒径2～4cm，高都为3～5cm的PVC管组成凹型套筒，再由底座固定螺母6与取样筒7体固定，作为装置底部，起到支撑与底部液封的作用。所述的H型套筒管5直径根据取样筒大小选择，根据植物不同生长状态，选择需要的取样筒7数，可通过叠加使植物能置于取样筒中。PVC圆形堵头9大小与取样筒7配套即可；PVC圆形堵头9中部开有1/8规格二通阀取样口2，插有20～25mm的PVC管子，通过胶水固定，管子上再固定一个20～25mm内丝直接，内丝直接装有宝塔接嘴，宝塔接嘴连有带二通阀的气动管作为1/8规格二通阀取样口2；以相同方式，在接近取样口附件开孔，作为4分外丝金属温度计3接口并固定。以上各连接处，内丝直接与宝塔接嘴连接处用生胶带密封，并用胶粘，确保连接牢固，密封性能优良。

所述的固定底座8与取样筒7之间拆卸与组合方便。

所述的固定底座8与取样筒7底部呈十字形开孔，用螺母连接固定底座8与取样筒7开孔大小根据螺丝大小确定，不超过3～5mm为宜。

所述的风扇4通过风扇调节器AeroUSB风扇控制器1调节转速大小，以适应不同季节，不同环境下湿地产气速率不同的特点，可方便混匀取样筒中气体，收集具有代表性的气体样品。

所述的气体样品保存于铝制气体采样袋(另购)，并尽快送至实验室分析测定。

所述的取样筒7可叠加，以适应植物不同生长状态的取样要求。

实施例3：

将实施例2中的一种可调节参数人工湿地气体取样装置应用于种植有美人蕉的复合垂直流人工湿地(IVCW)中。该湿地进水为生活污水，取样季节为5月，此时美人蕉高度约为40cm，仍未达到最大高度，故先使用一个取样筒，即H为0.5m，其在水面上高度h为0.3m；之后取样筒数目随其生长高度调整，风速采用20r/min。

结果如下：

1、CH₄气体

2、CO₂气体

3、N₂O气体

根据气通量计算公式Flux＝H*P*C/t*，可得出CO₂通量为0.116mg/min*m²；CH₄通量为0.000426mg/min*m²；N₂O通量为1.519e^-6mg/min*m²。相关综述文献(mander,2014)报告，在处理生活污水时，CO₂通量范围为0.1-1mg/min*m²；CH₄ 0.0001-0.001mg/min*m²,N₂O通量范围为0.001-0.005mg/min*m²。故初步判断此人工湿地不存在过排现象。

其它应用步骤与实施例1相同。