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《吉林大学》 2017年
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植被屏障对畜禽场排放颗粒物源的拦截效率与机理研究

刘昕  
【摘要】:集约化畜禽养殖场规模日益扩大,其导致的颗粒物污染随之增加,通过合理的拦截措施可以实现从源头对颗粒物污染的控制,从而减轻大气环境负担。植被屏障在拦截颗粒物过程中表现出高效、利于环境保护、经济成本低等优势,为畜禽场颗粒物排放控制提供了有效的解决思路,而作为典型植物元素结构,其枝-叶尺寸结构特征对颗粒物拦截起到重要作用,为进一步设计人工滞尘屏障提供了仿生原型。本文调研了以吉林省长春市的背景环境的养牛场与养鸡场的周边环境,依据长春市气候条件及畜禽场周边环境为基础建立了室内低速风洞,风洞洞体总高为1.8 m,全长6.5 m,实验段的风速范围为0~6 m?s-1。设计了模拟畜禽场颗粒物源的制备方法,该方法主要针对于畜禽场产生的初级颗粒物的模拟,而并未考虑畜禽场产生的次级颗粒物污染。通过EDS检测,对两种不同来源颗粒物粉末进行了成分分析:来源于养牛场的颗粒物粉末样品的成分包括,C、N、O、Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K和Ca,其中C、N、O、Si和Ca是颗粒物源的主要组成成分,平均质量分数分别为30.4%,36.5%,20.5%,4.0%和3.1%;来源于养鸡场的颗粒物粉末样品的成分包括,C、N、O、Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K和Ca,其中C、N、O、K和Ca是颗粒物源的主要组成成分,平均质量分数分别为34.67%,23.79%,34.44%,1.11%和1.89%。通过风洞测试系统对枝-叶尺寸结构的紫丁香植被拦截牛场颗粒物源的效率进行了试验研究,结果表明:叶表面积密度为19.05 m-1的紫丁香植被屏障,对风速的降低效率最高,范围为60%~85%,风速为2.7m?s-1时其降低效率最大,为88.2±8.23%;随着风速增加,风速的降低效率呈现出增加的趋势;紫丁香植被屏障对含小粒径颗粒物(粒径小于2μm的颗粒物)更多的颗粒物源拦截能力更高,适合于拦截超细颗粒物,叶表面积密度为19.05 m-1的紫丁香植被屏障在最低风速下其最高拦截效率可达48.0±6.0%。利用扫描电镜对紫丁香叶表进行微观形貌观察及颗粒物沉积分布情况:在紫丁香叶片主脉与次主脉附近分布有大量的无序“山脊状”条纹,并且可以观察到大量的细颗粒物沉积;叶片表面的条棱、沟脊及其它微观几何表面结构都能够增加颗粒物的沉积效率,密集的微纳二级结构分布有利于颗粒物的捕集;测得紫丁香叶片的接触角平均值为58.96±4.04°,可以认为紫丁香叶片表面属于亲水性表面,该特性使紫丁香植被屏障更利于颗粒物于其表面沉积。通过风洞测试系统对樟子松幼株植被拦截牛场颗粒物源的效率进行了试验研究,结果表明:在风速为0.9m?s-1,颗粒物源水平条件为pⅡ时,pm1、pm2.5和pm10的拦截效率出现最高值,分别为41.59%、26.41%和36.90%;pm1的拦截效率明显更高,表明樟子松制成的植被屏障对pm1有更好的拦截效果。与紫丁香植被对牛场颗粒物源的拦截效率相比,在接近6.56m-1叶表面积密度条件下,樟子松植被屏障的拦截效率仅略低于紫丁香植被,而风速降低程度却远远小于紫丁香植被,因此在拦截同样数量颗粒物的过程中其产生的风阻远小于紫丁香植被,这一特性适用于畜禽场颗粒物源的拦截控制,并为低阻力的仿生抑尘网提供了解决思路。利用sem观察拦截颗粒物前后的樟子松针叶正面与背面颗粒物沉积情况,结果表明:樟子松针叶表面微观结构整体呈现出有条理的“脊状”条纹带与气孔带有序排列分布,气孔间的区域有绒毛结构分布,大量颗粒物更易于沉积在该区域,并且在樟子松针叶背面沉积颗粒物要多于正面;另外其正面接触角为51.57±1.92°,背面的接触角为78.22±2.61°;通过eds与xps检测,在背面检测到颗粒物源的化学成分多于正面,再次证实樟子松针叶背面沉积的颗粒物源多于正面。采用风洞测试系统对紫丁香及樟子松植被屏障周围的风速进行测量,以考察植被屏障周围的气流分布,结果得出:在植被屏障的迎风面,气流速度发生衰减,在绕过植被屏障上方的监测点处抬升的气流,其流速增加,部分气流穿过植被屏障后速度发生衰减,在植被屏障后方监测点处明显降低,最终气流继续沿轴向流往实验段后部,在远离植被屏障的监测点处其流速呈现出一定的恢复趋势。另外,樟子松植被屏障对风速的降低效率要远小于相同条件下紫丁香植被屏障,最高风速降低程度为28.3%。对紫丁香植被屏障拦截鸡舍颗粒物源的效率进行了试验研究,结果表明:当风速为2.7m?s-1水平时,注入鸡舍颗粒物水平为pⅡ时,叶表面积密度为19.05m-1的紫丁香植被屏障,对风速的降低效率范围为65%~78%,风速档最大时其降低效率最大,为78.0±2.55%;与紫丁香植被拦截牛场颗粒物源的风洞试验结果对比可知,紫丁香植被屏障在拦截来自牛场与鸡舍的颗粒物源试验中对气流的影响基本呈现出相同的规律与趋势,但对于含鸡舍颗粒物源的气流而言,其风速降低程度要略低于牛场颗粒物源;与紫丁香植被屏障拦截牛场颗粒物源的效率相比较,紫丁香植被屏障对鸡舍颗粒物源对pm10的拦截效率出现显著的降低。利用sem扫描电镜对紫丁香叶片表面鸡舍颗粒物源沉积区域分布及其微观结构特征进行了观察,结果表明:紫丁香叶片表面的褶皱区域内积累了大量小粒径的颗粒物,尤其在无序“山脊状”条纹之间易沉积细颗粒物,粗颗粒物非常少见;XPS检测的成分表征证实PⅡ水平下紫丁香叶面积累颗粒物要多于P?水平;紫丁香叶片表面属于亲水性表面,由于鸡舍颗粒物源中的粗颗粒物主要来自饲料,为有机物颗粒物,亲水性较差;而牛场颗粒物源中的粗颗粒主要来自于土壤,为无机颗粒物,易溶于水,亲水性好,因此紫丁香植被更适用于对牛场颗粒物源的拦截。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:Q948;X713

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