CN103383317A - 一种用于大气污染面源源强估算的采样装置及方法 - Google Patents

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本发明涉及一种用于大气污染面源源强估算的采样装置及方法，该装置包括通过管道依次连接的变频风机、气体净化罐、压差流量计组合和采样风洞，所述的采样风洞出口处连接风洞出口混合管，所述的风洞出口混合管上设有采样口。通过压差流量计指示和调节变频风机频率将设定流量的环境空气净化后送入采样风洞，并以对应的吹扫气速从采样风洞下方的面源表面流过和携带出面源表面所散发的污染物，通过在采样风洞出口管道采样点采集测定该工况下污染物气相浓度，并结合测定的吹扫气体流量和吹扫面积等参数即可估算出到该表面风速下的面源散发源强。与现有技术相比，本发明具有准确可靠等优点。

Description

一种用于大气污染面源源强估算的采样装置及方法
技术领域
本发明涉及环境保护和固体废物处理处置技术领域，尤其是涉及一种用于大气污染面源源强估算的采样方法。
背景技术
污染源的源强和排放规律是估算污染危害和制定控制措施的基础。目前对通过排气筒类设置排放的大气污染点源已有成熟的采样测试和源强计算方法，但对于污染源强会随环境风速等变化而变化的大气面源污染源而言，目前还缺少通用的源强估算方法。例如，随着城市人口的不断增加，生活垃圾产生量也不断增加，卫生填埋作为城市生活垃圾最终处置方式，因工艺简单、投资省、处理量大、运行费用低等特点得到广泛应用。然而在垃圾填埋场，垃圾的腐烂和稳定化以及垃圾填埋操作过程产生的恶臭气体对垃圾填埋场及周边环境极易造成恶臭公害，成为市政管理部门与社会各界关注的重大问题。但目前对于填埋场恶臭散发强度的估算还缺少有效的方法，这也是目前填埋场恶臭的管理控制工作很难有效进行的原因之一。
目前已有不少面源污染散发强度估算研究报道[1-4]，用来估算面源挥发率的方法可分为微气象学法(高斯模型后退点源法)及直接采样法估算法。微气象学法就是将下风向污染物的浓度和当地风速等气象数据输入评估模型，反演推算面源挥发率，在应用时需在污染源下风向采集大量的污染物样品，费用较高，且得到是该气象条件下的源强，这种方法还易受到测试方法、监测仪器性能和灵敏性等限制，对于恶臭浓度类指标很难给出直接的结果。直接采样法是将采样器置于面源表面罩住一定的表面积，以一定流率向采样器内通入载气使其与挥发的污染物混合，然后在排气进行采样的一种方法。该类方法又分为两类，一类是美国EPA建立的通量罩法[1]，另一类是风洞法。通量罩法通入的气体流量较小，很多情况下采用圆型罩的形式，总体而言气流在罩内流动均匀性不佳，且易出现背压而抑制面源中污染物的散发，模拟状况与大面积面源实际表面的传质散发情况差距较大。而风洞法大多数情况采用的是矩形结构，通过导流板等措施力图形成流速均匀的空气吹扫断面，目前的方法和设备基本上控制0.3m/s或0.3m/s以下的吹扫流速，测定得到该工况下的基准散发率，且以流体层流状态下的传质速率方程为依据理论推导的指数函数来计算其它风速条件下的散发量。目前的方法，部分解决了通量罩法的静止区和背压等问题，但由于目前的两种类型的风罩宽高比较大，上下游风管与风洞断面积之比较小，因此同样存在断面气速不均匀性严重的问题。且在0.3m/s条件下测定的散发量按层流传质过程来估算其它风速下散发量与一些固体表面的源散发情况偏差较大。如对于垃圾填埋场表面，由于垃圾表面的粗糙度很大，其表层的气流在有风的情况下基本处于紊流状态。直接采用以上方式来估算面源源强与实际情况仍可能存在很大差距。因此，对于大气污染面源源强的估算而言，需要一种更加合理的采样估算方法。
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发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种准确可靠的用于大气污染面源源强估算的采样装置及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于大气污染面源源强估算的采样装置，其特征在于，该装置包括通过管道依次连接的变频风机、气体净化罐、压差流量计组合和采样风洞，所述的采样风洞出口处连接风洞出口混合管，所述的风洞出口混合管上设有采样口。
所述的气体净化罐为活性炭罐，所述的压差流量计组合包括相互连接的压差流量计和压力变送器。
所述的采样风洞设置在待采样垃圾表面，通过变频风机和压差式流量计组合即时调节采样风洞下垃圾表面的吹扫风速在0-8m/s的范围内，采集不同表面吹扫风速条件下的样品。
所述的采样风洞采用狭长形的矩形结构，连接该采样风洞的管道与采样风洞的通风截面积之比控制在0.4～0.8之间，采样风洞底部设有开口，该开口面积的长宽比在3∶1～6∶1之间，同时在采样风洞入口扩散段设置阻力不小于100Pa的均流板。
所述的采样风洞的底部开口面周围设有2-5cm高度的垂直围翼，防止因泄漏而造成采样风洞内外气流交换后而导致误差。
所述的采样风洞的底部开口面的同一平面的气流方向侧面设有宽3-8cm的水平翼，用于控制采样时确定风洞插入污染源的深度。
所述的水平翼设有固定开孔，该固定开孔上设有浮筒，浮筒设置有液体进出管道和阀门，用于通过注水量的多少来调节风洞的浸没深度。
所述的风洞采用抛光不锈钢材质制作。
一种用于大气污染面源源强估算的采样方法，其特征在于，首先通过变频风机将环境空气送入气体净化罐中去除杂质后，洁净空气经压差流量计组合计量后进入采样风洞，以一定的吹扫风速从采样风洞下方的面源表面流过并携带出面源表面所散发的污染物，通过在采样风洞出口处采集测定该工况下污染物气相浓度，结合测定的气体流量可得到该吹扫风速下的面源散发源强。
通过调节不同的吹扫洁净空气量可得到不同表面吹扫风速条件下的面源散发源强，最后可通过对不同表面吹扫风速下的散发源强的回归得到面源源强的估算式和曲线。
根据吹扫气体流量及测定的污染物浓度可得到风洞吹扫口面积对应的垃圾表面的污染物散发量。如式1所示。
ER＝Q×C/S    (1)
ER：面源表面散发强度mg/(m2·s)
Q：吹扫气体流量m3/s
C：风洞排气采样口污染气体浓度mg/m3
S：采样风洞吹扫口面积m2
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)通过变频风机和压差式流量计组合可即时调节面源表面的吹扫风速，可采集不同表面吹扫风速条件下的样品，从而更好的表征面源在不同表面风速条件下的散发排放情况。
(2)采样风洞采用狭长形的矩形结构，通过控制连接管道与矩形风洞的通风截面积之比，底部开口面积的长宽比及在入口扩散段设置阻力不小于100Pa的均流板后，整体结构具有较好的空气动力学性能，可实现面源表面吹扫气流的均匀性并保证一定的气、固面传质时间；
(3)采用洁净后的空气作为吹扫气体，可避免环境空气中本底污染物浓度影响；
(4)风洞出风口管段设置一定的管段长度确保在采样口处达到完全混合的状态；
(5)风洞采样开口面周围设有一定高度的垂直围翼防止因泄漏而造成罩内外气流交换后而导致误差。在风洞开口吹扫面的同一平面的气流方向侧面设有一定宽度的水平翼，用于控制采样时确定风洞插入污染源的深度。水平翼设有固定用开孔，用于固定液面采样时的浮筒。浮筒设置有液体进出管道和阀门和抽排水泵，用于通过注水量的多少来调节风洞的浸没深度。
(6)由便携式发电机组，变频风机、气体洁净罐、压差流量计，采样风洞(含浮筒)、连接管道等组成的一体化风洞采样装置可在任何偏僻无电源的面源区域实施采样。
附图说明
图1为固体面源表面气体采样装置1型的结构示意图；
图2为液体面源表面气体采样装置2型的结构示意图。
图中，1为变频风机、2为活性炭罐、3压差流量计、4压力变送器、5为采样风洞、6为均流板、7为围翼、8为水平翼、9为风洞出口混合管、10为采样口、11为浮筒、12为浮筒注液口、13为浮筒抽液口、14为抽排水泵。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
垃圾填埋场表面散发源估算
一种用于垃圾填埋场面源源强估算的采样方法，其使用的采样装置如图1所示，包括管道依次连接的变频风机1、活性炭罐2、由相互连接的压差流量计3和压力变送器4组成的压差流量计组合和采样风洞5，所述的采样风洞5出口处连接风洞出口混合管9，所述的风洞出口混合管9上设有采样口10。
所述的采样风洞5采用抛光不锈钢材质制作，耐腐蚀且防止因吸附、交叉污染而形成的测量结果的偏差，其形状为狭长形的矩形结构，连接该采样风洞的管道与采样风洞的通风截面积之比控制在0.4～0.8之间，采样风洞底部设有开口，该开口面积的长宽比在3∶1～6∶1之间，同时在采样风洞入口扩散段设置阻力不小于100Pa的均流板6，整体结构具有较好的空气动力学性能，可实现面源表面吹扫气流的均匀性并保证一定的气、固面传质时间。所述的采样风洞的底部开口面周围设有2-5cm高度的垂直围翼7，防止因泄漏而造成采样风洞内外气流交换后而导致误差。所述的采样风洞的底部开口面的同一平面的气流方向侧面设有宽3-8cm的水平翼8，用于控制采样时确定风洞插入污染源的深度。压差流量计组合可在简化设备结构适应恶劣操作环境的情况下精确显示流量，活性炭罐2将空气洁净后作为吹扫气体，可避免环境空气中本底污染物浓度影响，通过变频风机和压差式流量计组合可即时调节面源表面的吹扫风速，采样风洞下垃圾表面的表面风速可在0-8m/s的范围内调节，采集不同表面吹扫风速条件下的样品。
采样时，首先须连接变频风机1、活性炭罐2和采样风洞5之间的管道。设定测定的表面吹扫的风速值为0.3m/s，0.8m/s，1.5m/s，2m/s，3.3m/s，5.4m/s，7.9m/s共7点。首先通过压差流量计3和压力变送器4指示调节变频风机1频率至采样送风量满足采样风洞5吹扫风速为0.3m/s的要求，然后将采样风洞5罩在垃圾表面的合适位置适度用力将垂直围翼7压入堆体至水平翼8与垃圾堆体表面齐平。净化后的环境空气通过均流板6均流后进入采样风洞后均匀携带风洞下面垃圾表面散发的恶臭物质由风洞出口混合管9排出，通过便携式有机气体测定仪(PID，FID)、电子鼻等可在采样口10处直接得到该表面风速条件下的排放气体浓度，进而利用式1估算排放速率，或采样袋采集气体回实验室分析，再利用式1估算。每个风速工况均在垃圾表面选取3个以上的点进行测试，最后取平均值作为该风速工况下的排放强度，乘以暴露面积后可得到该面源该表面风速条件下的源强，对7个风速点下的排放源强进行回归可得该面源在不同风速情况下的源强估算式和曲线。
实施例2
液体池面的表面散发源的源强采样测定估算
一种用于液体池面源源强估算的采样方法，其使用的采样装置如图2所示，包括管道依次连接的变频风机1、活性炭罐2、由相互连接的压差流量计3和压力变送器4组成的压差流量计组合和采样风洞5，所述的采样风洞5出口处连接风洞出口混合管9，所述的风洞出口混合管9上设有采样口10。
所述的采样风洞5采用抛光不锈钢材质制作，耐腐蚀且防止因吸附、交叉污染而形成的测量结果的偏差，其形状为狭长形的矩形结构，连接该采样风洞的管道与采样风洞的通风截面积之比控制在0.4～0.8之间，采样风洞底部设有开口，该开口面积的长宽比在3∶1～6∶1之间，同时在采样风洞入口扩散段设置阻力不小于100Pa的均流板6，整体结构具有较好的空气动力学性能，可实现面源表面吹扫气流的均匀性并保证一定的气、液面传质时间。所述的采样风洞的底部开口面周围设有2-5cm高度的垂直围翼7，防止因泄漏而造成采样风洞内外气流交换后而导致误差。所述的采样风洞的底部开口面的同一平面的气流方向侧面设有宽3-8cm的水平翼8，水平翼8设有固定用开孔，用于固定液面采样时的浮筒11。浮筒11上设有浮筒注液口12和浮筒抽液口13、浮筒抽液口13连接一抽排水泵14，通过对两侧浮筒11注水或排水量的多少来控制风洞的水平翼8与液体表面齐平，以确保采样时风洞5插入污染源的深度。压差流量计组合可在简化设备结构适应恶劣操作环境的情况下精确显示流量，活性炭罐2将空气洁净后作为吹扫气体，可避免环境空气中本底污染物浓度影响，通过变频风机1和压差式流量计组合可即时调节面源表面的吹扫风速，采样风洞下垃圾表面的表面风速可在0-8m/s的范围内调节，采集不同表面吹扫风速条件下的样品。
采样时，首先在风洞水平翼8加装净空后的浮筒11，并连接好变频风机1、活性炭罐2，压差流量计3和采样风洞5之间的管道。将安装好浮筒11的采样风洞5放置漂浮于液面之上，通过对两侧浮筒11上的浮筒注液口12和浮筒抽液口13和抽排水泵14注水或排水控制风罩的水平翼8与液体表面齐平。设定测定的表面吹扫的风速值为0.3m/s，0.8m/s，1.5m/s，2m/s，3.3m/s，5.4m/s，7.9m/s共7点。首先通过压差流量计3和压力变送器4指示调节变频风机1频率至采样送风量满足风洞5吹扫风速为0.3m/s的要求，此时净化后的环境空气再均流板6均流后通入采样风洞后均匀携带风洞下面液体表面散发的恶臭物质由风洞出口混合管9排出，通过便携式有机气体测定仪(PID，FID)、电子鼻等可直接在在采样口10处测定得到该表面风速条件下的排放气体浓度，进而利用式1估算排放速率，或采样袋采集气体回实验室分析，再利用式1估算。每个风速工况均在液体表面选取3个以上的点进行测试，最后取平均值作为该风速工况下的排放强度，乘以暴露面积后可得到该面源该表面风速条件下的源强，对7个风速点下的排放源强进行回归可得该面源在不同风速情况下的源强估算式和曲线。

Claims (10)

1.一种用于大气污染面源源强估算的采样装置，其特征在于，该装置包括通过管道依次连接的变频风机、气体净化罐、压差流量计组合和采样风洞，所述的采样风洞出口处连接风洞出口混合管，所述的风洞出口混合管上设有采样口。
2.根据权利要求1所述的一种用于大气污染面源源强估算的采样装置，其特征在于，所述的气体净化罐为活性炭罐，所述的压差流量计组合包括相互连接的压差流量计和压力变送器。
3.根据权利要求1所述的一种用于大气污染面源源强估算的采样装置，其特征在于，所述的采样风洞设置在待采样垃圾表面，通过变频风机和压差式流量计组合即时调节采样风洞下垃圾表面的吹扫风速在0-8m/s的范围内，采集不同表面吹扫风速条件下的样品。
4.根据权利要求1所述的一种用于大气污染面源源强估算的采样装置，其特征在于，所述的采样风洞采用狭长形的矩形结构，连接该采样风洞的管道与采样风洞的通风截面积之比控制在0.4～0.8之间，采样风洞底部设有开口，该开口面积的长宽比在3∶1～6∶1之间，同时在采样风洞入口扩散段设置阻力不小于100Pa的均流板。
5.根据权利要求4所述的一种用于大气污染面源源强估算的采样装置，其特征在于，所述的采样风洞的底部开口面周围设有2-5cm高度的垂直围翼，防止因泄漏而造成采样风洞内外气流交换后而导致误差。
6.根据权利要求4或5所述的一种用于大气污染面源源强估算的采样装置，其特征在于，所述的采样风洞的底部开口面的同一平面的气流方向侧面设有宽3-8cm的水平翼，用于控制采样时确定风洞插入污染源的深度。
7.根据权利要求6所述的一种用于大气污染面源源强估算的采样装置，其特征在于，所述的水平翼设有固定开孔，该固定开孔上设有浮筒，浮筒设置有液体进出管道和阀门，用于通过注水量的多少来调节风洞的浸没深度。
8.根据权利要求4或5或6所述的一种用于大气污染面源源强估算的采样装置，其特征在于，所述的风洞采用抛光不锈钢材质制作。
9.一种采用权利要求1所述的用于大气污染面源源强估算的采样装置进行采样的方法，其特征在于，首先通过变频风机将环境空气送入气体净化罐中去除杂质后，洁净空气经压差流量计组合计量后进入采样风洞，以一定的吹扫风速从采样风洞下方的面源表面流过并携带出面源表面所散发的污染物，通过在采样风洞出口处采集测定该工况下污染物气相浓度，结合测定的气体流量可得到该吹扫风速下的面源散发源强。
10.根据权利要求9所述的一种用于大气污染面源源强估算的采样方法，其特征在于，通过调节不同的吹扫洁净空气量可得到不同表面吹扫风速条件下的面源散发源强，最后可通过对不同表面吹扫风速下的散发源强的回归得到面源源强的估算式和曲线。
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