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畜禽生产环境中主要有害气体监测方法研究

张石锐  
【摘要】:畜禽业生产中排放的有害气体是农业污染气体的主要来源。畜禽生产中产生的气体污染不但降低了畜禽业的生产效率,还对全球空气质量造成影响。畜禽业释放的温室气体已成为全球变暖的主要因素之一。减少畜禽生产中有害气体的排放能有效改善全球空气质量,减缓温室效应。因此,对畜禽生产过程中排放的有害气体进行有效监测具有重要意义。 有害气体的产生来自畜禽生产的诸多环节,包括畜禽的饲养、畜禽粪便的处理、畜禽产品运输等。抑制有害气体产生和排放的措施对畜禽生产中各个环节有害气体的排放产生影响。评估畜禽生产造成的环境污染和所采取措施的效果,首先要对畜禽生产环境中有害气体进行全面的监测。由于畜禽生产中每个环节所产生有害气体的种类和分布存在较大的差异,采用单一方法无法实现对有害气体的浓度进行全面的监测。本研究针对畜禽生产环境中有害气体分布的主要位置,分别采用固定位置、通路和开放区域三种不同尺度的方法对有害气体的浓度和分布进行全面的监测。 通过分析总结已有的畜禽生产有害气体监测方法和畜禽生产环境中主要有害气体的种类和来源,确定畜禽舍内的恶臭气体和开放区域的甲烷作为研究对象。分别采用基于电子鼻的畜禽舍恶臭等级监测方法、基于OP/TDLAS的甲烷监测方法和基于计算机层析技术的有害气体浓度分布重构方法在多尺度上实现了对畜禽生产中有害气体的监测。研究的主要内容和结果包括以下四方面。 (1)畜禽舍内有害气体成分复杂,由于无法监测每一种气体成分的浓度,以往的研究中主要采用电子鼻的方法测量畜舍中的恶臭等级。但是,电子鼻属于实验室仪器,无法在实际生产中应用。因此,提出了通过测量畜禽舍内恶臭气体主要成分浓度,利用与嗅觉法相结合的算法反演畜禽舍内气体恶臭等级的监测方法。该方法利用选择性强的传感器直接测量目标成分的浓度,减少了传感器的数量,降低了电子鼻系统的复杂程度和成本。根据该方法,在分析了畜禽舍恶臭气体主要成分的基础上设计的畜舍恶臭等级电子鼻监测系统,采用电化学传感器测量氨气和硫化氢浓度并利用恶臭等级确定算法实现了对畜禽舍内气体恶臭等级的反演。通过一个与嗅觉法的对比试验证明该方法能够较准确的监测畜禽舍内的恶臭等级。 (2)畜禽舍外开放区域的有害气体种类简单,但是分布范围大,流动性强,采用开放光程的光学方法能够实现有效的监测。相对以往通常采用开放光程的傅里叶红外光谱方法(OP/FTIR)开放光程的可调谐激光光谱方法(OP/TDLAS)简化了设备,提高了监测的实时性,能够在实际生产中推广应用。为了实现对畜禽生产环境中甲烷通路积分浓度的监测,针对甲烷气体的特点,提出了基于OP/TDLAS的甲烷气体监测方法。基于该方法实现了OP/TDLAS甲烷监测系统,主要介绍了甲烷吸收特征谱线的选择、光源的调制,光信号的探测,谐波的提取,数据的采集处理,光路系统的实现方法。采用气体吸收池对OP/TDALS甲烷监测系统进行了标定并分析了系统的主要性能参数。结果表明,该系统的检出限是5ppm,检测精度小于20%,能够用于对畜禽生产环境中甲烷通路内积分浓度的监测。 (3)畜禽生产场所中的畜禽粪便晾晒场、发酵池等地点有害气体分布面积较大,通路的监测方法无法准确的反映这些区域的有害气体分布情况。在实现对光路内甲烷积分浓度测量的基础上,提出采用计算机层析技术(CT)监测区域内甲烷气体浓度分布的方法。结合畜禽生产气体监测需求,分析比较各方法的适用性,确定采用MLEM和SBFM算法对畜禽生产开放区域的甲烷气体分布进行图形重构,并分别介绍了MLEM和SBFM算法的实现方法。通过仿真试验证明这两种重构算法能够正确的获得区域内有害气体的平均浓度和峰值,同时并说明两种算法各具优缺点。 (4)在监测方法研究的基础上,通过现场的应用试验验证了各方法的应用效果。利用畜禽舍恶臭等级监测电子鼻系统对鸡舍内的恶臭等级的监测试验结果表明,畜禽舍恶臭等级监测方法能够稳定准确的获得鸡舍内气体恶臭等级,并得到其变化规律。利用OP/TDLAS甲烷浓度获取甲烷的积分浓度,并分别采用MLEM算法和SBFM算法对畜禽生产基地中畜禽粪便发酵池周围甲烷分布进行了图形重构试验。从重构的结果看,两种方法所获得图形的主要参数具有很高的一致性,说明OP/TDLAS结合计算机层析技术的方法能够应用在对畜禽生产场所开放区有害气体浓度分布的监测中,并获得较准确的监测结果。


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