风车草垂直流人工湿地甲烷传输研究

发布时间：2020-06-02 04:51

【摘要】：人工湿地甲烷(CH_4)排放对于全球大气中甲烷的浓度起着至关重要作用。是甲烷自然排放的主要来源。在人工湿地中,甲烷首先由基质中的产甲烷菌厌氧条件下产生甲烷,经甲烷氧化菌的氧化,通过植物传输、冒泡和扩散传输三种途径释放到大气,而植物传输为主要方式。因此,研究人工湿地中甲烷在植物中传输规律对于控制人工湿地甲烷排放的研究对保护生态环境具有重要意义。本文通过宏观实验与微观模拟结合探讨风车草垂直流人工湿地甲烷传输与排放规律。一方面,人工构建垂直流人工湿地,利用单片机控制气体检测器在线监测四组垂直流人工湿地甲烷排放情况。另一方面,在排放监测实验结束后,将单株风车草作为研究对象,探究风车草茎的高度分别在0-25 cm、25-60 cm和60-95 cm时的甲烷传输效率。在微观实验上,利用电镜扫描对风车草的根、茎进行解剖以构建植物内部三维结构。以监测数据作为基础初始数据,从微观角度模拟甲烷在不规则植物根系、茎部导气管中运动过程以探索甲烷在植被体内中的传输途径,利用仿真模型与本文中的风车草茎的验证实验结果进行了对比,验证了模型的可靠性。通过在线监测得出季节性变化对垂直流人工湿地甲烷排放量的影响显著。自然状况下,壮年3株和壮年9株从春季(3、4、5月)到冬季(12、1、2月)甲烷排放通量趋势一致,且甲烷排放通量在10月(壮年3株)、11月(壮年9株)最大,分别为974.375、1033.125μg/m~2/day;幼年3株和幼年9株甲烷排放通量均在夏季最大,分别为527.083和917.708μg/m~2/day,而壮年3株和壮年9株甲烷排放通量在秋季最大,分别为939.167和1004.167μg/m~2/day。溶解氧、电导率、TC、TN是影响甲烷排放的因素。本研究选用多项式回归模型,得出甲烷传输效率和气温(_1x)之间满足关系式,其中:。同时得出甲烷传输效率和水温(~x2)之间满足关系式,其中:y(28)-0.012x_2 ~2(10)0.412x_2-3.24,(R~2(28)0.618,P(28)0.005)。气温和水温是影响甲烷排放量的最重要的两个因子,分别占百分比60%和19%。通过研究单株风车草不同时期不同部位对甲烷的传输效率得到:风车草甲烷释放效率在茎的高度分别在0-25 cm、25-60 cm和60-95 cm时均差异显著(p0.05),且发育期甲烷的平均传输量较大。发育期甲烷平均传输量在茎的25-60 cm部位最大为0.192μg/m~2/s。成熟期甲烷平均传输量在茎的0-25 cm部位最大为0.033μg/m~2/s。衰老期甲烷平均传输量在茎的25-60 cm部位最大为0.078μg/m~2/s。本研究考虑了多相流多孔介质模型、小雷诺数层流运动、瞬间交界面情况、相间力、壁面曳力、温度变化对甲烷传输的的影响。通过对风车草根、茎中甲烷传输数学模型的建立与仿真,得到甲烷在根、茎中的运动分布规律。根据全年平均甲烷排放作为进口条件时,甲烷在主根间的传输与四层流域(C1、C2、C3、C4)孔隙率关系高度一致,甲烷主要沿导管方向传输,横向传输存在但非常小。四层流域出口处从内至外甲烷传输体积分布占整体值分别为24.3%、22.9%、31.3%和21.5%。根据甲烷日排放规律作为进口条件时先后出现分层流-波动流-弹状流的一系列的变化。风车草茎的两层流域(C5、C6)从内至外分别为59.1%和40.9%。模拟结果的甲烷茎顶端出口排放效率为83%;甲烷表皮排放效率为16%。茎的验证实验结果的顶端出口排放效率范围为76%-82%;表皮逸散比例范围为16%-20%,两者保持一致趋势。本研究通过前期对叶的结构的解剖发现相对于根和茎,叶的微观结构更为复杂、多样,因此如何统一并简化叶的结构进行模拟是下一步探讨的难点。植物尺度严重影响内部流场遵循的规律,微尺寸模拟是学术界的难点。而风车草中甲烷的传输应该经历完整从基质层-根-茎-叶-大气的完整生命历程,且由于主根的物理尺寸过小,难以选取合理材料还原验证试验。以上将是下一步探究的重点。
【图文】：

技术路线图,模型选择,网格划分,边界条件

技术路线图

装置设计,在线监测装置,实物

11图 2.1 垂直流人工湿地在线监测装置（a、装置实物图； b、装置设计图）Fig. 2.1 On-line monitoring device for methane emission from vertical flow constructed wetland.（a、Device physical diagram; b、Device design drawing）
【学位授予单位】：四川农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X171

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