一种曝气池气体采样装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及曝气池气体采样装置及其使用方法，避免采样袋接触泡沫引起采样过程误差，方便准确的获得污水处理厂曝气池采样点位的温室气体排放数据，进而计算获得采样点位的温室气体排放通量，可操作性强，便携可靠。实现污水处理项目尤其是渗滤液项目曝气池体无组织面源气体排放通量获得的采样可实施性。

背景技术

温室气体碳排放监测是实现碳达峰和碳中和的重要工作之一，是校验碳排放核算体系的准确性、合理性的重要技术措施。废弃物处置行业是温室气体的重要排放源之一，温室气体排放中包含污水处理项目池体的无组织逸散排放，但无组织面源的碳排放量监测尚处于探索阶段，对于污水处理尤其是渗滤液处理曝气池碳排放通量检测工作，缺乏成熟的仪器设备和工程应用案例，操作规程也不成熟完善。CN102353563A公开了一种污水好氧处理单元释放温室气体采集装置和采样方法，其通过采样袋收集污水厂好氧池温室气体，形式为刚性框体+柔性气袋结构。此装置存在以下问题：1、该装置放入水体后，开始记录的采样时间边界模糊不清；2、该装置在下放水体的过程混入环境空气，干扰测试结果精度；3、该装置放入水面后需排空气袋内气体，但气袋内气体无法完全排空，且排空袋内气体的过程，气袋会接触水体表面增加其自身自重，导致气袋无法胀起；4、该装置放入曝气池后引起框架结构不稳定，无法适应曝气池泡沫较高的工况，高位泡沫会粘合气袋，导致其无法胀起。

CN103792112A公开了一种水-气界面温室气体PVC采样箱，其通过收起硬质PVC采样器收集水体表面一定时间内所排放的温室气体，形式为刚性筒形结构。此装置存在以下问题：1、该采样器主要应用静态浮箱法原理获取温室气体排放量，此方法要求采样器内温度压力的稳定性较高，无法适应曝气池水面剧烈波动的工况；2、该采样器放入曝气池后会整体埋没于泡沫内，无法适应曝气池的高泡沫工况。

CN201410317885公开了一种便携式水陆两用温室气体采集设备，其设计了内外两层采样筒壁，避免外部阳关照射引起采样箱内温度的变化，其形式为两侧刚性筒形结构。该装置存在以下问题：1、该采样器放入曝气池后会整体埋没于泡沫内，无法适应曝气池的高泡沫工况；2、仅能控制箱内温度稳定，无法控制箱内气压变化。

类似收集水体温室气体的采样装置还包括：CN105738161A公开了一种水面温室气体自动采样静态箱；CN202110478929公开了一种水面温室气体实时监测船；CN201820745839公开了一种新型的静态水面大气污染气体采集装置等。

当前的发明或实用新型专利均无法克服曝气池水面搅动剧烈引起的采样器内温度气压等参数不稳定及污水处理曝气池(渗滤液站O池等)高泡沫等不利工况，且均缺乏确定采样启末时间的准确操作方法。

发明内容

为了克服现有技术的曝气池水面搅动剧烈引起的采样器内温度气压等参数不稳定、曝气池高泡沫等的不足，本发明的目的是提供了一种曝气池气体采样装置及其使用方法，该曝气池气体采样装置，避免了曝气池水面搅动剧烈引起的采样器内温度气压等参数不稳定、曝气池高泡沫等不利工况的对采样结果的影响，能良好适应曝气池高泡沫的运行工况，可方便快捷完成渗曝气池气体采样。

为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：

一种曝气池气体采样装置，包括：

底口挡板，所述底口挡板位于采样器底部，所述底口挡板与弹簧和连杆相连接，所述弹簧为2个与浮体底部相连接，所述连杆为2个贯穿浮体和采样筒体底部，可上下移动连杆顶部设有连杆顶托；

采样筒体，所述采样筒体为本发明核心部件，其上口呈凹字型，所述采样筒体和浮体通过螺栓固定为一体，所述浮体作用是使采样器漂浮于水体表面，所述采样筒体内部粘合气袋，所述气袋为柔性材质，气袋胀满气体后形状与采样筒体内壁完全贴合；

顶盖，所述顶盖带有把手，整体呈凸字型(即包含一个平顶和两个凸起支腿)，采用铸铁或不锈钢材质；

温度压力表，所述温度压力表，温度压力表探头连接至气袋，将温度压力表探头插入气袋内部，可读取采样袋内温度和气压；

抽气泵，所述抽气泵入口端可通过抽气管路将气袋内气体抽出，并可在出口端将气体输送至采样袋内。

牵引绳索，所述牵引绳索可将采样器固定在采样池体边缘，保证采样器稳定。

上述曝气池气体采样装置的使用方法，步骤如下：

①将顶盖9下边缘突起侧与采样筒体6上边缘凹下侧对齐后，盖下顶盖(图2-A所示)，紧压紧平将气袋8内气体充分排出，利用绳索牵引，沿池壁将采样装置平稳放置于运行中曝气池的水面上；

②将采样袋12与抽气泵11相连，开启抽气泵11，抽气泵连接气袋(8)，入口端通过抽气管路将气袋内气体抽出，并可在出口端将气体输送至采样袋内，完成样品1采样，记录此时温度压力表读数温度T

③将顶盖9拉起(图2-B所示)，并将顶盖旋转90度(图2-C所示),后将顶盖落下，利用连杆3将底口挡板1顶开,记录此时时刻t

④肉眼观察气袋充气过程，气袋内会逐渐充满气体；

⑤当气袋呈明显装满状态，气袋顶部触及顶盖(图2-D所示)，记录此时时刻t

⑥将采样袋与抽气泵相连，开启气体采样泵，完成样品2采样，记录此时温度压力表读数温度T

⑦回收采样袋，后手动排空采样袋内气体，准备下次采样；

⑧采集样品1、样品2、送实验室检测，检测方法为气相色谱法；

⑨获得采样袋内目标气体浓度即c

通过下式获得采样点位气体排放通量：

F——排放通量，kg/(m2·s)；

P——压力，Pa；P

T——温度，K；T

c——目标气体成分的摩尔数百分比，无量纲，ppm；

ρ

h——高度，m；

t——时间，s。

本发明有以下积极的效果：

1、本发明通过分别采集采样前后气袋内温度、压力参数的方法，克服曝气池((尤其是温室气体))水面搅动剧烈引起的采样器内温度气压等参数不稳定的情况，提高气体排放通量测试的准确度。

2、本发明利用采样筒体和加高筒体的设计，使采样器可在渗滤液站高泡沫情况下正常使用，避免了气袋沾水或泡沫的情况。

3、本发明通过“拉起顶盖并旋转落下”“气袋触及顶盖”等标志性节点，定量控制了采样开始和结束的具体时间，采样操作更具实操性，采样时间更加准确。

4、本发明设计了底口挡板，通过弹簧、连杆等灵活控制底口挡板开闭，避免采样器放置过程环境气体对采样器内气体的干扰，测试结果更加准确。

附图说明

图1是本发明一种曝气池气体采样装置的结构示意图，其中图1(b)是温度压力表探头所连接部件的放大图；

图2是本发明一种曝气池气体采样装置的使用状态示意图。

附图标记说明：1-底口挡板；2-弹簧；3-连杆；4-浮体；5-螺栓孔；6-采样筒体；7-连杆顶托；8-气袋；9-顶盖；10-温度压力表；11-抽气泵；12-采样袋；13-温度压力表探头；14-牵引绳索。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

本发明所涉及术语的说明：“温室气体”指的是大气中能吸收地面反射的长波辐射，并重新发射辐射的一些气体，对于污水处理行业，主要关注生化反应所释放的CO

实施例1

图1是本发明一种曝气池气体采样装置的结构示意图；参照图1所示，曝气池气体采样装置的，该曝气池气体采样装置，可布置在曝气池内，用于收集曝气池生化反应产生的气体，并可准确定量获得气体排放通量计算所需参数。其包括：

底口挡板1，设置位于采样器底部，与弹簧2和连杆3相连接，弹簧2两端分别与浮体4底部和底口挡板1相连，连杆3贯穿浮体4和采样筒体6下裙边，可实现上下移动。在采样开始前弹簧为收紧状态，底口挡板1将采样装置底部与浮体4间密封，可保证采样器下方水体在采样过程中无外界环境气体混入。

采样筒体6及浮体4，采样筒体和浮体通过螺栓固定为一体，浮体为圆饼形泡沫板，中心为通气孔洞，浮体作用是使采样器漂浮于水体表面，采样筒体6内部粘合气袋8，气袋为柔性材质，气袋胀满气体后形状与采样筒体内壁完全贴合；采样筒体6上口呈凹字型，其上口底边距浮体底部存在高差，在高泡沫工况下，即是浮体完全埋没于泡沫中时，仍可平稳漂浮于水面，且采样筒体上口部分的气袋8不会直接接触水面或泡沫，不会影响其在后续采样过程的膨胀过程。

顶盖9，顶盖包含一个平顶和两个凸起支腿，整体呈凸字型，带有把手方便提起，在采样前将顶盖压下，可排空采样筒体上口部分的气袋的气体。开始采样时将顶盖提起后旋转90°盖下，两个凸起支腿将压住连杆顶托7，通过连杆转导将底口挡板和浮体底部压开一层间隙，使水体表面排放气体得以进入气袋。

作为优选方案，顶盖的凸体部分与采样筒体凹下部分尺寸相匹配，长端部分约320mm，短边部分约280mm，材质为铸铁或不锈钢，质量应在5kg以上。

温度压力表10，温度压力表为探头分离式，将温度压力表的探头插入气袋内部，可读取采样开始、采样结束时袋内温度和气压。作为优选方案，温度压力表为一台高精度温度、大气压数显表，探头防水，探头数据线长度3m以上，温度检测范围：0-50℃，分辨率0.01℃，气压检测范围：30-110Kpa，分辨率0.01Kpa带充电电池，电池电量：8h。

抽气泵11，抽气泵11的入口端通过抽气管路连接气袋8，出口端通过管路连接采样袋12。则，抽气泵入口端可通过抽气管路将气袋8内气体抽出，并可在出口端将气体输送至采样袋12内，可在采样开始、结束时分别抽取气袋内气体。

作为优选方案，抽气泵，抽气负压-60KPA，带充电电池供电，电池电量：8h，流量：>10L/min，采样气管采用硅胶软管，长度3m以上。采样袋采用铝箔采样袋，采样袋容积根据实验分析所需气体量决定。

牵引绳索14，牵引绳索可将采样器固定在采样池体边缘，保证采样器的稳定。在该实施例中，固定绳索直径8mm以上，承压不小于5KN，长度不小于20m。

作为优选方案，底口挡板为圆形平板，亚克力或有机玻璃材质，直径约320mm，通过焊接形式与弹簧和连杆相连接。

作为优选方案，连杆4为圆柱形长杆，亚克力或有机玻璃材质，(与底口挡板保持一直)直径约20mm，高度约400～600mm，通过焊接形式将其与底口挡板1相连接。更佳地，连杆4的直径约20mm，高度约400mm，数量为2个，顶部设有连杆顶托7，连杆顶托材质与连杆相同，形状为圆形，直径约30mm，厚度10mm。

作为优选方案，弹簧为自然收紧型弹簧，弹簧两端通过焊接形式或粘合形式分别与底口挡板1及浮体4相连接，弹簧与浮体连接端内嵌于浮体内，弹簧材质为304不锈钢，数量为2个。

作为优选方案，浮体为圆饼形泡沫板，总直径为800～1000mm，厚度5～10mm，其中心设有直径300mm的孔洞，浮体采用高密度EPS泡沫板，底部通过焊接形式或粘合形式与弹簧相连，与弹簧连接处设有内嵌空洞，浮体顶部与采样筒体通过螺栓固定，固定时接触面设计密封胶条，保证采样器气密性，设置螺栓孔4个、连杆透过孔2个。

作为优选方案，采样筒体6上部开凹字型口，下部设有裙边用于螺栓固定。内径为300mm，总高度400～600mm，凹字形开口高度约200mm，筒体壁厚10mm，材质为亚克力或有机玻璃材质，设置螺栓孔4个、连杆透过孔2个。

作为优选方案，气袋为圆柱形状袋体，袋体厚度3mm，开口外径300mm，袋体高度400～600mm(与采样筒体高度一致)，气袋胀满状态下与采样筒体完全贴合，气袋底部外侧与采样筒体底部内侧通过高强防水胶完全粘合，保证气袋和采样筒体间完全无缝隙，气袋材质为PE材质。

图2是本发明一种曝气池气体采样装置的使用状态示意图，参照图2所示，一种曝气池气体采样装置使用过程，步骤如下：

①将顶盖9下边缘突起侧与采样筒体6上边缘凹下侧对齐后，盖下顶盖(图2-A所示)，紧压紧平将气袋8内气体充分排出，利用绳索牵引，沿池壁将采样装置平稳放置于运行中曝气池的水面上；

②将采样袋8与抽气泵11相连，开启抽气泵11，抽气泵连接气袋(8)，入口端通过抽气管路将气袋内气体抽出，并可在出口端将气体输送至采样袋内，完成样品1采样，记录此时温度压力表读数温度T

③将顶盖9拉起(图2-B所示)，并将顶盖旋转90度(图2-C所示),后将顶盖落下，利用连杆3将底口挡板1顶开,记录此时时刻t

④肉眼观察气袋充气过程，气袋内会逐渐充满气体；

⑤当气袋呈明显装满状态，气袋顶部触及顶盖(图2-D所示)，记录此时时刻t

⑥将气袋与抽气泵相连，开启气体采样泵，完成样品2采样，记录此时温度压力表读数温度T

⑦回收采样器后，手动排空气袋内气体，准备下次采样；

⑧采集样品1、样品2、送实验室检测，检测方法为气相色谱法；

⑨获得采样袋内目标气体浓度即c

通过下式获得采样点位气体排放通量：

F——排放通量，kg/(m2·s)；

P——压力，Pa；P

T——温度，K；T

c——目标气体成分的摩尔数百分比，无量纲，ppm；

ρ

h——高度，m；

t——时间，s。

以下表1为实施例采样并获得曝气池体气体排放通量的实例数据：

表1

表1为应用本发明在市政污水处理厂曝气器采样检测的实测数据，本实例检测了3各不同采样点的采样样品，每个采样点位进行了三组平行样采样，通过计算相对标准偏差(RSD)，平行样间采样检测结果均小于5％，检测结果准确性良好，使用本发明可有效采样检测曝气池体气体排放通量。

上述具体实施方式不以任何形式限制本发明的技术方案，凡是采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案均落在本发明的保护范围。