一种污水温室气体直接排放的监测装置及方法

技术领域

本发明涉及污水气体采集技术领域，具体为一种污水温室气体直接排放的监测装置及方法。

背景技术

温室气体排放加剧引起的全球变暖已经引起了全人类的迫切关注，对人们的生活环境和整个生态系统都造成了严重的影响。其中，城市污水处理厂的数量和污水处理能力都在逐渐上涨，随之产生的温室气体直接和间接排放也在攀升。污水处理行业的产值能耗较高，属于能源密集型产业，主要排放甲烷、二氧化碳、氧化亚氮等一类典型的温室气体。

目前我国通用的测定甲烷、二氧化碳、氧化亚氮排放通量的主要方法是静态箱采集法，通常设备是由有机玻璃制成的无底静态箱，放置在橡胶船体漂浮于液面之上采集气体。

然而，现有静态箱的气体采集过程中，没有将气压变化引起的气体采集误差考虑在内，导致后续计算的偏差，影响数据的准确性，现有静态箱的采集过程多为静态采集，对于流速过快或者流速过大的液面采集存在一定的误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种污水温室气体直接排放的监测装置及方法，用于改进现有装置存在的一些问题，可以更加便捷，精准的收集温室气体，有效地解决了上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案。

一种污水温室气体直接排放的监测装置，包括通量箱箱体和橡胶船体，通量箱箱体通过固定环安装在橡胶船体上方，橡胶船体中间为镂空状，橡胶船体的尾部的两侧安装有马达驱动装置，橡胶船体上间隔安装有绳扣；通量箱箱体为向下开口的圆筒形状，其上端密封，下端穿过橡胶船体的镂空区域并能够插入至污水液位以下位置处；通量箱箱体顶部设置有用于收集污水液面处位于通量箱箱体的范围内的气体的气体自动采集机构，通量箱箱体的两侧分别连接有进气阀门和出气阀门;通量箱箱体的顶部位于气体自动采集机构的一侧连接有和通量箱箱体内部相通的可调阀门;通量箱箱体的顶部设有用于对通量箱箱体内气压进行调节的气压调节机构；通量箱箱体的顶部处设有竖直向下分布的传感器模块，用于对通量箱箱体内的环境因素数据进行采集。

进一步的，气体自动采集机构包括输送泵、电磁三通阀组件、集气软管和气体储存袋；集气软管安装于通量箱箱体内，并向上贯穿延伸至通量箱箱体的外部，集气软管位于通量箱箱体外侧的端口于电磁三通阀组件相通连接；电磁三通阀组件为若干电磁三通阀依次串联排列组合而成，相邻的上游侧的电磁三通阀的其中一输出端与相邻的下游侧的电磁三通阀的输入端相通，且首个电磁三通阀的输入端与集气软管端口连通，电磁三通阀的另一输入端对应与气体储存袋连通；输送泵安装在集气软管上，用于将通量箱箱体内的气体沿集气软管向外侧输送；输送泵通过电线还电性连接于可调电子控制盒，集气软管上位于首个电磁三通阀和输送泵之间位置处还安装有逆止阀。

进一步的，通量箱箱体的内顶壁安装有风扇，风扇的风口竖直向下，通量箱箱体的外壁安装有移动电源仓，移动电源仓通过电线与风扇电性连接，移动电源仓还与输送泵电性连接；气体自动采集机构的顶部设有竖直向下延伸并与通量箱箱体内部相通的线路预留孔，连接移动电源仓和风扇的电线从线路预留孔穿过，且电线外壁与线路预留孔内壁紧密贴合，保证密封。

进一步的，传感器模块包括安装架、温度传感器和湿度传感器，气体自动采集机构顶部设有竖直象限延伸并与通量箱箱体内部相通的预留孔；预留孔内固定有竖直向上延伸至通量箱箱体内的安装架，温度传感器和湿度传感器均安装在安装架上且位于通量箱箱体内的部分；安装架外壁与预留孔内壁紧密贴合，保证密封。

进一步的，气压调节机构包括活塞、可变压力柱、压力表；压力表安装在通量箱箱体的顶部，压力表的压力探头向上贯穿延伸至通量箱箱体内部；可变压力柱安装在通量箱箱体顶部设置的安装孔内，活塞可滑动地安装在可变压力柱内部。

进一步的，通量箱箱体外壁靠近其顶部处相通连接有采样阀门，橡胶船体的内部还安装有小型雷达定位器。

本发明还提供了一种污水温室气体直接排放的监测方法，采用上述任一项的污水温室气体直接排放的监测装置，具体包括以下步骤：

S1：根据所采集污水厂的不同处理单元的要求，将橡胶船体投放至污水液面；

S2：开启移动电源仓内的移动电源，使风扇、可调电子控制盒以及传感器模块通电工作；

S3：采用静态法或者动态法对通量箱箱体内的气体通量进行监测；

S4：计算城镇污水系统温室气体释放通量。

进一步的，S1中在进行固定点位采集时，可以利用绳索穿过绳扣将橡胶船体进行固定，采集点位较远的时候，通过马达驱动装置驱动橡胶船体移动至相应点位作业采集。

进一步的，S3中采用静态法监测通量箱箱体内气体通量时，需关闭进气阀门和出气阀门，静态法监测的气体采集分为手动采集气体和自动采集气体；

采用动态法监测通量箱箱体内气体通量时，需关闭可调阀门和气体自动采集机构，将在线检测仪输入端利用管道与出气阀门相连，通过进气阀门向通量箱箱体内注入.%高纯度的氦气，通过风扇工作向上吹动形成风场，将通量箱箱体内气体均匀混合，并由出气阀门进入到在线检测仪，可以实时连续的监测通量箱箱体内的温室气体的浓度。

进一步的，在自动采集气体时，开启输送泵，通过可调电子控制盒控制输送泵进行工作，将通量箱箱体内的温室气体经集气软管导入至各电磁三通阀内，并分别收集在气体储存袋内进行储存，当前点位采集完毕后，通过马达驱动装置驱动橡胶船体移动至下一点位的气体集和存储，且每一个点位采集到的气体存储在不同的气体储存袋内，如此重复，完成对各个采集点位的温室气体的监测和分析。

与现有技术相比，本发明具备的有益效果如下。

1.本发明提供的检测装置及方法具有可漂浮动力承载装置，在污水液面工作时，灵活度更高，可工作区域更广；并且可以根据实际需求实现手动和自动集气间的来回转换，操作步骤简单且高效，自动集气组件中配置了可调节控制盒，可以驱动输送泵和电磁三通阀完成气体的自动采集和分类；该装置对在不同点位、不同时间采集到的气体能够实现分类存储，免去了人为操作，可以实现长时间的连续工作。

2.本发明最突出的效果就是可以同时实现对温室气体的静态监测和动态监测，体现了监测效果的多样性，监测装置还配有多个传感器以及气压调节装置，可以在监测气体的同时，对通量箱内的气体温度，湿度等各类参数进行监测；气压调节装置实现了通量箱内的气压保持稳定，加大了监测的准确性。

3.本发明中的通量箱箱体设计形状为开口向下，形状及体积固定，工作时覆盖液面，使得监测过程中的密闭气密性好，监测结果更为精确。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的污水温室气体直接排放的监测装置的结构示意图；

图2为本发明中的橡胶船体的结构示意图；

图3为本发明中的通量箱箱体俯视示意图；

图4为本发明中的气体自动采集机构结构示意图；

图5为本发明中的气压调节机构结构示意图；

图6为本发明中的气体自动采集机构详细结构示意图；

图7为本发明的污水温室气体直接排放的监测方法操作流程图。

图中标号说明：02、传感器模块；021、安装架；022、温度传感器；023、湿度传感器；03、气压调节机构；1、通量箱箱体；2、气体自动采集机构；3、橡胶船体；301、绳扣；4、马达驱动装置；5、输送泵；6、可调电子控制盒；7、电磁三通阀组件；8、线路预留孔；9、风扇；10、可调阀门；11、预留孔；12、活塞；13、可变压力柱；14、压力表；15、压力探头；16、集气软管；17、移动电源仓；18、进气阀门；19、出气阀门；20、固定环；21、采样阀门；22、气体储存袋；23、逆止阀；24、小型雷达定位器。

实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6，本发明提供了一种污水温室气体直接排放的监测装置，包括通量箱箱体1和橡胶船体3，通量箱箱体1通过固定环20安装在橡胶船体3上方，橡胶船体3中间为镂空状，橡胶船体3的尾部的两侧安装有马达驱动装置4，马达驱动装置4采用的是马达驱动螺旋桨推动橡胶船体3进行移动，为现有技术，具体的构造和工作原理不再赘述，橡胶船体3上间隔安装有绳扣301；通量箱箱体1为向下开口的圆筒形状，其上端密封，下端穿过橡胶船体3的镂空区域并能够插入至污水液位以下位置处；通量箱箱体1顶部设置有用于收集污水液面处位于通量箱箱体1的范围内的气体的气体自动采集机构2，通量箱箱体1的两侧分别连接有进气阀门18和出气阀门19;通量箱箱体1的顶部位于气体自动采集机构2的一侧连接有和通量箱箱体1内部相通的可调阀门10;通量箱箱体1的顶部设有用于对通量箱箱体1内气压进行调节的气压调节机构03；通量箱箱体1的顶部处设有竖直向下分布的传感器模块02，用于对通量箱箱体1内的环境因素数据进行采集。

优选的，气体自动采集机构2包括输送泵5、电磁三通阀组件7、集气软管16和气体储存袋22；集气软管16安装于通量箱箱体1内，并向上贯穿延伸至通量箱箱体1的外部，集气软管16位于通量箱箱体1外侧的端口于电磁三通阀组件7相通连接；电磁三通阀组件7为若干电磁三通阀依次串联排列组合而成，相邻的上游侧的电磁三通阀的其中一输出端与相邻的下游侧的电磁三通阀的输入端相通，且首个电磁三通阀的输入端与集气软管16端口连通，电磁三通阀的另一输入端对应与气体储存袋22连通；输送泵5安装在集气软管16上，用于将通量箱箱体1内的气体沿集气软管16向外侧输送；输送泵5通过电线还电性连接于可调电子控制盒6，集气软管16上位于首个电磁三通阀和输送泵5之间位置处还安装有逆止阀23。

通过人为的可调电子控制盒6发送指令，调节采集气体的间隔时间以及采集气体体积，可调电子控制盒6控制输送泵5工作，由集气软管16将气体吸入至电磁三通阀组件7内，该输送过程在集气软管16上加装了逆止阀23，防止采集到的气体因气压等问题发生气体回流的现象，增加了数据的可靠性；电磁三通阀组件7为多个电磁三通阀并排排列组合而成，不同时段采集的样品将根据不同电磁三通阀的连接方式进入到不同的气袋，首次采气时，首个电磁三通阀的左端和下端打开，右端关闭，采集完成后关闭阀门；第二次采集时，首个电磁三通阀左端和右端以及第二个电磁三通阀的左端和下端均打开，后续采集流程相似，从而能够将不同点位处的气体储存在不同的气体储存袋22内。

优选的，通量箱箱体1的内顶壁安装有风扇9，风扇9的风口竖直向下，通量箱箱体1的外壁安装有移动电源仓17，移动电源仓17通过电线与风扇9电性连接，移动电源仓17还与输送泵5电性连接；气体自动采集机构2的顶部设有竖直向下延伸并与通量箱箱体1内部相通的线路预留孔8，连接移动电源仓17和风扇9的电线从线路预留孔8穿过，且电线外壁与线路预留孔8内壁紧密贴合，保证密封，风扇9工作向下吹风，在通量箱箱体1内形成风场，便于将由进气阀门18进入通量箱箱体1内的气体与通量箱箱体1内的温室气体均匀混合。

优选的，传感器模块02包括安装架021、温度传感器022和湿度传感器023，气体自动采集机构2顶部设有竖直象限延伸并与通量箱箱体1内部相通的预留孔11；预留孔11内固定有竖直向上延伸至通量箱箱体1内的安装架021，温度传感器022和湿度传感器023均安装在安装架021上且位于通量箱箱体1内的部分；安装架021外壁与预留孔11内壁紧密贴合，保证密封。利用温度传感器022可对通量箱箱体1内的温度进行监测，利用湿度传感器023可对通量箱箱体1内的湿度进行监测，且二者的监测数据能够通过通讯模块进行实时上传。

优选的，气压调节机构03包括活塞12、可变压力柱13、压力表14；压力表14安装在通量箱箱体1的顶部，压力表14的压力探头15向上贯穿延伸至通量箱箱体1内部；可变压力柱13安装在通量箱箱体1顶部设置的安装孔内，活塞12可滑动地安装在可变压力柱13内部。

压力表14用于监测通量箱箱体1内部的压力，压力探头15将监测到的数据实时显示在压压力表14上；活塞12与可变压力柱13滑动连接，当监测到通量箱箱体1内的气压降低时，推动活塞12，用来对通量箱箱体1内的气压进行调节维持。

优选的，通量箱箱体1外壁靠近其顶部处相通连接有采样阀门21，橡胶船体3的内部还安装有小型雷达定位器24。通过采样阀门21方便进行温室气体取样。根据不同污水处理厂以及采样环境的变化，可以在该装置上加装小型雷达定位器24，可以根据水厂提供的处理单元平面图，操控该装置到深处密闭环境下作业，对于一些环境复杂的处理单元或者污水管道来说，可以在改装置前段安装摄像探头以及照明灯，可以实时观察到水下环境以及结构构造。

请参阅图7，本发明还提供了一种污水温室气体直接排放的监测方法，采用上述任一项的污水温室气体直接排放的监测装置，具体包括以下步骤：

S1：根据所采集污水厂的不同处理单元的要求，将橡胶船体3投放至污水液面；

S2：开启移动电源仓17内的移动电源，使风扇9、可调电子控制盒6以及传感器模块02通电工作；

S3：采用静态法或者动态法对通量箱箱体1内的气体通量进行监测；

S4：计算城镇污水系统温室气体释放通量，值得说明的是，污水系统温室气体释放通量的计算方法与公式为现有技术，本申请不再赘述。

优选的，S1中在进行固定点位采集时，可以利用绳索穿过绳扣301将橡胶船体3进行固定，采集点位较远的时候，通过马达驱动装置4驱动橡胶船体3移动至相应点位作业采集。

优选的，S3中采用静态法监测通量箱箱体1内气体通量时，需关闭进气阀门18和出气阀门19，静态法监测的气体采集分为手动采集气体和自动采集气体；采用动态法监测通量箱箱体1内气体通量时，需关闭可调阀门10和气体自动采集机构2，将在线检测仪输入端利用管道与出气阀门19相连，通过进气阀门18向通量箱箱体1内注入99.9%高纯度的氦气，通过风扇9工作向上吹动形成风场，将通量箱箱体1内气体均匀混合，并由出气阀门19进入到在线检测仪，可以实时连续的监测通量箱箱体1内的温室气体的浓度。

优选的，在自动采集气体时，开启输送泵5，通过可调电子控制盒6控制输送泵5进行工作，将通量箱箱体1内的温室气体经集气软管16导入至各电磁三通阀内，并分别收集在气体储存袋22内进行储存，当前点位采集完毕后，通过马达驱动装置4驱动橡胶船体3移动至下一点位的气体集和存储，且每一个点位采集到的气体存储在不同的气体储存袋22内，如此重复，完成对各个采集点位的温室气体的监测和分析。

因此，本发明采用上述描述的污水温室气体直接排放的监测装置及方法，能够满足需要长期监测不同环境下的污水液面温室气体排放的需求，该装置对污水温室气体采集性能好，自动化程度高，可移动，操作简单，适合在各种污水处理单元进行长期、多点、连续、精确的采集温室气体，实现了最小误差的气体采集工作。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。