畜禽生产环境中主要有害气体监测方法研究

发布时间：2020-09-29 07:15

　　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。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：X831;X713
【文章目录】：
摘要
Abstract
目录
第一章绪论
    1.1 研究背景和意义
    1.2 畜禽生产环境中有害气体监测的研究现状
        1.2.1 畜禽生产环境中有害气体的主要测量方法
        1.2.2 嗅觉法的研究现状
        1.2.3 气体探测管法的研究现状
        1.2.4 接触式传感器法的研究现状
        1.2.5 光学方法的研究现状
        1.2.6 现有方法的比较和存在的问题
    1.3 研究目的和主要内容
    1.4 论文的章节安排
第二章基于电子鼻的畜禽舍恶臭等级监测方法研究
    2.1 引言
    2.2 畜禽舍内有害气体成分分析
        2.2.1 畜禽舍内有害气体的主要成分
        2.2.2 畜禽舍内恶臭等级监测方法可行性试验
    2.3 畜禽舍恶臭等级监测方法的硬件实现
        2.3.1 系统结构
        2.3.2 恒定电位电解池型电化学气体传感器的原理与选型
        2.3.3 电化学传感器的信号调理电路
        2.3.4 传感器与信号调理电路的标定
        2.3.5 信号采集处理模块
    2.4 畜禽舍恶臭等级监测方法的软件实现
        2.4.1 畜禽舍恶臭等级确定算法
        2.4.2 系统软件实现
    2.5 畜禽舍内恶臭等级监测方法的验证试验
        2.5.1 材料和方法
        2.5.2 结果与讨论
    2.6 本章小结
第三章基于可调谐激光光谱的有害气体监测方法研究
    3.1 引言
    3.2 可调谐激光光谱气体检测原理
        3.2.1 气体分子的选择吸收特性
        3.2.2 气体吸收谱线的线型
        3.2.3 气体红外吸收光谱与浓度的关系
        3.2.4 红外调制光谱
        3.2.5 谐波检测技术原理
        3.2.6 可调谐激光光谱气体检测的原理
    3.3 OP/TDLAS 甲烷监测系统的总体设计
        3.3.1 甲烷特征吸收谱线的选择
        3.3.2 系统的整体结构
    3.4 OP/TDLAS 甲烷监测系统的硬件实现
        3.4.1 负反馈半导体激光器的调制、驱动和温控电路的实现
        3.4.2 光电转换与谐波检测电路的实现
        3.4.3 数据的采集与处理电路实现
    3.5 OP/TDLAS 甲烷监测系统的光路设计
    3.6 OP/TDLAS 甲烷监测系统的标定和性能分析
        3.6.1 系统的标定
        3.6.2 性能参数分析
    3.7 本章小结
第四章基于图形重构技术的有害气体分布监测方法研究
    4.1 引言
    4.2 有害气体浓度分布重构算法介绍
        4.2.1 CT 重构算法
        4.2.2 MLEM 算法介绍
        4.2.3 SBFM 算法介绍
        4.2.4 CT 重构中的典型光路
    4.3 MLEM 和 SBFM 算法的实现
        4.3.1 MLEM 算法的实现
        4.3.2 MLEM 算法的改进
        4.3.3 SBFM 算法的实现
        4.3.4 SBFM 重构算法中的最优解计算
    4.4 OP/TDLAS 甲烷监测系统自动扫描的实现
        4.4.1 增加云台后 TDLAS 系统的结构
        4.4.2 云台的控制
    4.5 有害气体浓度分布重构算法仿真试验
        4.5.1 材料和方法
        4.5.2 MLEM 图形重构算法试验及结果分析
        4.5.3 SBFM 图形重构算法试验及结果分析
        4.5.4 MLEM 与 SBFM 图形重构算法的比较分析
    4.6 本章小结
第五章畜禽生产环境中有害气体监测方法的现场应用
    5.1 畜禽生产环境中有害气体监测方法现场应用试验设计
    5.2 禽舍中恶臭等级监测试验
        5.2.1 材料与方法
        5.2.2 结果与讨论
    5.3 畜禽粪便发酵池周围甲烷气体浓度分布重构试验
        5.3.1 材料与方法
        5.3.2 结果与讨论
    5.4 有害气体监测方法在畜禽生产场所应用效果分析
    5.5 本章小结
第六章全文总结与研究展望
    6.1 结论
    6.2 创新点
    6.3 研究展望
参考文献
攻读博士学位期间取得的学术成果
致谢

【参考文献】