何 瑩， 張玉鈞， 尤 坤， 王立明，

高彥偉1，3， 徐金鳳1，3， 高志嶺4， 馬文奇4

1. 中國科學(xué)院環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點實驗室， 安徽光學(xué)精密機械研究所， 安徽 合肥 230031

2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)， 安徽 合肥 230026

3. 安徽省環(huán)境光學(xué)監(jiān)測技術(shù)重點實驗室， 安徽 合肥 230031

4. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 河北 保定 071000

奶牛場氨排放特征的光譜檢測

何 瑩1，2，3， 張玉鈞1，3， 尤 坤1，3， 王立明1，3，

高彥偉1，3， 徐金鳳1，3， 高志嶺4， 馬文奇4

1. 中國科學(xué)院環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點實驗室， 安徽光學(xué)精密機械研究所， 安徽 合肥 230031

2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)， 安徽 合肥 230026

3. 安徽省環(huán)境光學(xué)監(jiān)測技術(shù)重點實驗室， 安徽 合肥 230031

4. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 河北 保定 071000

為實現(xiàn)奶牛場氨氣減排， 改善生態(tài)環(huán)境， 需要在線監(jiān)測氨揮發(fā)濃度并準確揭示氨排放特征。 采用開放式可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜 (TDLAS) 技術(shù)設(shè)計了開放式氨氣在線監(jiān)測系統(tǒng)， 結(jié)合反演式氣體擴散技術(shù)開展相關(guān)研究， 于2013年秋季和冬季在保定市某奶牛廠進行了氨排放濃度在線監(jiān)測和排放特征分析工作。 監(jiān)測結(jié)果表明， 秋季氨氣濃度峰值為6.11×10-6%， 冬季氨氣濃度峰值為6.56×10-6%， 氨濃度具有日變化趨勢， 基本呈白天濃度低， 夜晚濃度高的特點。 由反演氣體擴散模型得到秋冬季氨排放特征， 氨排放峰值均出現(xiàn)在中午， 秋季氨排放速率為1.48～130.6 kg/head/hr， 冬季氨排放速率為0.004 5～43.32 kg/head/hr， 秋季的排放速率高于冬季， 說明奶牛場尺度下的氨排放存在一定的季節(jié)性差異。 該方法可以有效獲得大范圍、 高靈敏、 免采樣、 快速氣體排放特征結(jié)果， 為奶牛廠的氨排放監(jiān)測和科學(xué)養(yǎng)殖提供技術(shù)支持。

激光吸收光譜； 反演式氣體擴散技術(shù)； 氨排放； 奶牛場

引 言

近年來我國集約化養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速， 雖然產(chǎn)生了很大的社會和經(jīng)濟效益， 然而規(guī)模化養(yǎng)殖場排出的氨濃度明顯高于世界上其他發(fā)達國家。 氨氣排放不僅影響?zhàn)B殖業(yè)的生產(chǎn)， 也間接影響了區(qū)域空氣質(zhì)量和大氣能見度[1-2]。 因此， 掌握養(yǎng)殖場環(huán)境大氣中的氨濃度及氨排放特征對環(huán)境、 生態(tài)保護及科學(xué)養(yǎng)殖有重要意義。

研究表明， 我國的氨排放主要產(chǎn)生于畜牧業(yè)和農(nóng)業(yè)， 其中動物排放貢獻很大， 動物養(yǎng)殖點、 污水池、 糞尿管理場所等均是氨氣的主要排放源[3]。 我國在奶牛廠氨氣監(jiān)測方面的研究仍較薄弱， 常規(guī)的氨濃度測量方法如濾膜法、 擴散管采樣法等都需要氣體采樣， 無法進行氨氣的實時在線監(jiān)測， 測量準確性降低。 目前， 國際上發(fā)展了多種光學(xué)方法用于氨氣濃度在線監(jiān)測， 其中可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)[4-5]以其高靈敏、 高分辨、 快速測量等特點得到廣泛應(yīng)用。

我國氨排放測量主要是化學(xué)法、 微氣象學(xué)方法等， 但是前者存在測量周期長、 試驗費用高、 工作量大的問題， 后者存在對氣象要求較高， 測定的排放因子可能偏大等問題。 將TDLAS技術(shù)和微氣象學(xué)方法中的反演氣體擴散技術(shù)相結(jié)合則具有實時， 快速， 高靈敏， 免采樣等優(yōu)點。 Flesch等已利用以上技術(shù)開展牧場氨氣排放監(jiān)測研究等工作[6]， 但國內(nèi)很少開展奶牛場氨揮發(fā)監(jiān)測的相關(guān)工作。 我們利用開放式TDLAS技術(shù)于河北保定市某奶牛場進行了氨濃度的連續(xù)在線監(jiān)測， 并結(jié)合反演氣體擴散模型測定奶牛場氨排放速率， 完成了數(shù)據(jù)分析和方法驗證， 重點研究了奶牛養(yǎng)殖過程中的氨氣日排放和季節(jié)特征。

1 工作原理

1.1 激光吸收光譜檢測原理

根據(jù)Lambert-Beer吸收定律， 激光器發(fā)出初始光強為I0， 頻率為ν的單色激光， 通過長度為l的吸收介質(zhì)后， 在接收端測得的強度為

(1)

其中：l為測量光程，σ(ν)為氣體吸收截面，c為氣體濃度[7]。

由于氨氣的近紅外分子吸收滿足|σ(ν)cl|?1， 因此經(jīng)過光強歸一化后， 氣體吸收后的信號強度與初始光強無關(guān)， 僅與氣體濃度和測量光程成正比。

利用標準吸收信號和測量信號進行線性最小二乘擬合， 則待測濃度表示為

cL=acsl2/l1

目前，大數(shù)據(jù)、云計算等新技術(shù)的出現(xiàn)，使得企業(yè)的財務(wù)數(shù)據(jù)平臺化已成為財務(wù)管理的必經(jīng)之路。管理平臺的出現(xiàn)使得企業(yè)的發(fā)展邁向了多元化的進程，同時將財物管理的共享之路變得更加優(yōu)質(zhì)化。管理人員借助網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，同時實行遠程控制，極大提高了企業(yè)的工作效率?；谛畔⒓夹g(shù)的創(chuàng)新，將企業(yè)內(nèi)部的數(shù)據(jù)與資金進行整合，并與財務(wù)管理人員的時間相協(xié)調(diào)。使整個管理平臺的資源得到優(yōu)化，充分發(fā)揮了平臺的價值所在。

(2)

其中cL和cs分別為待測濃度和標準濃度，l1和l2分別為測量光程和標準吸收光程，a為最小二乘擬合系數(shù)。

1.2 反演氣體擴散技術(shù)原理

反演氣體擴散模型(inverse dispersion technique)基于莫寧-奧布霍夫相似理論， 其工作原理如圖1所示[8-9]。 將風速、 風向、 地面粗糙度、 地面摩擦風速等微氣象信息及排放源與測定點的空間幾何關(guān)系導(dǎo)入模型， 得到測定點氣體濃度和排放強度的比值(c/Q)sim， 并計算出測定點氣體排放強度Q

(3)

(4)

(5)

其中cb為背景濃度，N為該模型重復(fù)計算次數(shù)，P為計算沿開放測量光路上的平均濃度點數(shù)，ω0為測定點垂直風速。

2 實驗系統(tǒng)設(shè)計

基于TDLAS原理設(shè)計了開放式氨氣在線監(jiān)測系統(tǒng)， 根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫選擇氨氣近紅外1 531.7 nm的單根吸收線實現(xiàn)氨氣檢測。 使用NEL公司的DFB激光器作為光源， 通過LIGHTWAVE公司的激光器電流控制器和溫控器控制激光器穩(wěn)定輸出在1 531.7 nm， 波長掃描電路產(chǎn)生200 Hz鋸齒信號疊加在電流控制器上[10]， 使激光波長周期掃描通過氨氣吸收線。 輸出的激光分為兩路， 2%的激光通過10 cm密封5%濃度的氨氣校準池探測， 得到氨氣標準吸收信號； 98%的激光進入開放式監(jiān)測通路， 由望遠鏡系統(tǒng)及實心角反射器實現(xiàn)激光的收發(fā)合置并探測信號， 兩路探測信號輸入信號處理模塊進行放大濾波， 探測信號均為疊加氨氣吸收的鋸齒信號， 以其峰峰值代表信號的強度； 信號處理后送入數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)， 系統(tǒng)的單路信號采樣速率為400 MHz， 采樣精度16位， 通過對標準吸收信號和實時探測氣體吸收信號進行最小二乘擬合實現(xiàn)氨濃度反演。 將各光電元件集成在主機中， 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

Fig.1 Illustration of the inverse dispersion technique model

M: 濃度測定點；c: 在排放源下風向M處的測定點氣體濃度；Q: 測定點氣體排放強度；ω0： 測定點垂直風速

利用主機連接實驗室24.3 m的多次反射池形成穩(wěn)定的檢測光路， 首先測量氨氣校準池得到標準吸收信號如圖3(a)所示， 再向池中充入一組濃度分別為20.03×10-6%， 10.05×10-6%， 5.01×10-6%， 2.00×10-6%， 1.02×10-6%的氨氣樣氣， 得到測量吸收信號如圖3(b)所示， 并計算濃度結(jié)果如表1所示， 其中反演得到的濃度和樣氣濃度的最大相對誤差為2.94%。 在開放光路檢測時的測量光程約為100 m， 因此檢測靈敏度高于使用多次反射池時的情況， 由此驗證了系統(tǒng)測量的準確性。

Fig.2 System construction

standardconcentration/×10-6%inversionconcentration/×10-6%relativeerror/%1 021 052 942 002 042 005 015 071 2010 0510 120 7020 0320 090 30

3 外場實驗及分析

利用氨氣在線監(jiān)測系統(tǒng)在河北保定市某奶牛養(yǎng)殖基地進行了連續(xù)外場觀測實驗， 本廠區(qū)面積為31 547 m2。 觀測實驗在秋季和冬季進行， 每次的觀測時間持續(xù)兩周左右。 主機放置于可控溫的測定箱內(nèi)， 主機到望遠鏡系統(tǒng)之間的激光和探

Fig.3 (a) ammonia standard absorption signal； (b) ammonia absorption signal of different concentration

Fig.4 Instrument setting

測信號通過50 m的光纜和電纜連接。 望遠鏡系統(tǒng)和角反射器均固定于調(diào)整支架上， 離地面高度約為2 m， 兩者之間的光程約100 m， 實驗安裝點如圖4所示。

3.2 氨濃度監(jiān)測結(jié)果及分析

氨氣在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置的氨氣檢測頻率為1 Hz， 遠高于化學(xué)方法， 并通過軟件計算15 min 的氨濃度平均值。 在奶牛養(yǎng)殖基地的上風向位置測定了環(huán)境氨氣的背景濃度體積比約為0.011×10-6%。

在2013年10月和12月分別在實驗點進行了兩次觀測， 由于大風、 大雨、 大霧或斷電等情況導(dǎo)致部分數(shù)據(jù)缺失， 此外剔除強度過弱的信號， 即探測信號經(jīng)過放大濾波處理后， 其峰峰值低于數(shù)據(jù)采集范圍5%的信號， 同時剔除與標準吸收信號的線性相關(guān)性低于90%的數(shù)據(jù)， 由此得到監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。 監(jiān)測期間秋季氨氣濃度峰值為6.11×10-6%， 冬季氨氣濃度峰值為6.56×10-6%。

Fig.5 Continuously monitoring results of NH3 concentration in autumn and winter

在奶牛廠尺度下有明確的氨氣排放源， 此外風速、 風向以及大氣層穩(wěn)定性等氣象條件也是影響氨濃度變化的重要因素。 分析一天的小時均值監(jiān)測數(shù)據(jù)： 氨濃度在秋、 冬季均有周期性日變化趨勢， 基本呈夜間升高， 白天降低的特點， 在中午前后降到最小值， 如圖6所示。 白天氨平均濃度明顯低于夜間， 其主要原因可能是由于本系統(tǒng)針對近地面的氨氣進行測量， 白天養(yǎng)殖場的風速無論在水平方向還是垂直方向均比夜間高， 邊界層相對比較活躍， 因此近地面的氨擴散速度較快； 而夜間邊界層比較穩(wěn)定， 氨氣在近地面積累會造成其濃度升高。

3.3 氨排放特征及分析

反演式氣體擴散模型對排放源的面積和形狀敏感性很低， 但在風速低、 大氣極度穩(wěn)定或極度不穩(wěn)定、 地面存在明顯障礙物等條件下測量的準確度較低。 利用同場地安裝的三維超聲風速儀測量得到風速、 風向和湍流等信息， 并計算15 min的風信息。 選擇地面摩擦風速u*>0.15 m·s-1， 大氣穩(wěn)定度|L|>10 m， 地面粗糙度z0>0.1的數(shù)據(jù)， 以及氨濃度監(jiān)測結(jié)果輸入本模型， 在保證模型準確性的前提下得到氨排放速率結(jié)果， 并剔除夜間低風速下的部分無效數(shù)據(jù)， 如圖7所示。

Fig.6 Daily change curve of NH3 concentration

分析一天的氨排放速率情況： 養(yǎng)殖場的氨排放高峰基本都出現(xiàn)在中午12：00前后， 持續(xù)時間一般為2～3 h。 本實驗中所觀測的氨排放源主要包括奶牛污水池和糞尿堆積場地排放， 因此隨中午環(huán)境溫度升高， 氨排放有所加快。

秋季氨排放速率范圍為1.48～130.6 kg/head/hr， 冬季氨排放速率為0.004 5～43.32 kg/head/hr， 結(jié)果初步表明奶牛場氨排放具有一定的季節(jié)性差異。 其中秋季排放速率高于冬季， 一個主要原因是冬季低溫導(dǎo)致的牛圈中糞尿排放氨通量降低而造成。

4 結(jié) 論

(1) 基于TDLAS技術(shù)設(shè)計了開放式氨氣在線監(jiān)測系統(tǒng)， 在河北保定市某奶牛廠進行了秋、 冬季氨氣濃度連續(xù)監(jiān)測， 氨濃度結(jié)果基本呈白天濃度低， 夜間濃度高的日變化趨勢。 系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠， 具有高靈敏、 免采樣、 快速連續(xù)監(jiān)測的

Fig.7 NH3 emission rules in autumn and winter

特點。

(2) 結(jié)合反演氣體擴散模型計算得到氨排放速率： 秋季氨排放速率范圍為1.48～130.6 kg/head/hr， 冬季氨排放速率范圍為0.004 5～3.32 kg/head/hr， 正午前后出現(xiàn)氨排放的峰值， 且秋季的排放速率高于冬季。

(3) 本實驗初步觀測得到該奶牛廠的秋冬季氨排放規(guī)律， 下一步可以對奶牛的飼料用量、 喂養(yǎng)方式開展研究， 分析更具體的氨排放規(guī)律， 為科學(xué)養(yǎng)殖和降低氨排放提供技術(shù)支持。

[1] HOU Yong， GAO Zhi-ling， MA Wen-qi, et al(侯 勇, 高志嶺, 馬文奇， 等). Acta Ecologica Sinica(生態(tài)學(xué)報), 2012, 32(4): 1028.

[2] Michopoulos P, Baloutsos G, Economou A, et al. Science of the Total Environment， 2004, 323: 211.

[3] Leytem A B, Dungan R S， Bjorneberg D L， et al. J. Environ. Qual.， 2011, 40(5): 1383.

[4] Wang Liming, Zhang Yujun, Li Hongbin, et al. Chin. Opt. Lett., 2012, 10(4): 1671.

[5] Geng Hui, Liu Jianguo, He Yabai, et al. Applied Optics, 2014, 53(28): 6399.

[6] Flesch T K, Harper L A, Powell J M, et al. Transactions of the American Society of Agricultural and Biological Engineers, 2009, 52(1): 253.

[7] You Kun, Zhang Yujun, Wang Liming, et al. Advanced Materials Research, 2013, 760-762: 84.

[8] Harper L A, Flesch T K, Wilson J D. Poultry Science, 2010, 89: 1802.

[9] Gao Z, Desjardins R L, Flesch T K. Atmospheric Environ., 2010, 44(26): 3128.

[10] XU Xiu-min， ZHANG Yu-jun， HE Ying, et al(徐秀敏, 張玉鈞, 何 瑩， 等). Opto-Electronic Engineering(光電工程), 2014， 41(1): 81.

Study on Ammonia Emission Rules in a Dairy Feedlot Based on Laser Spectroscopy Detection Method

HE Ying1，2，3, ZHANG Yu-jun1，3, YOU Kun1，3, WANG Li-ming1，3, GAO Yan-wei1，3, XU Jin-feng1，3, GAO Zhi-ling4,MA Wen-qi4

1. Key Laboratory of Environmental Optics & Technology, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China

2. University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China

3. Key Laboratory of Optical Monitoring Technology for Environment， Anhui Province， Hefei 230031, China

4. College of Resources and Environmental Science, Agricultural University of Hebei, Baoding 071000, China

It needs on-line monitoring of ammonia concentration on dairy feedlot to disclose ammonia emissions characteristics accurately for reducing ammonia emissions and improving the ecological environment. The on-line monitoring system for ammonia concentration has been designed based on Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) technology combining with long open-path technology, then the study has been carried out with inverse dispersion technique and the system. The ammonia concentration in-situ has been detected and ammonia emission rules have been analyzed on a dairy feedlot in Baoding in autumn and winter of 2013. The monitoring indicated that the peak of ammonia concentration was 6.11×10-6in autumn, and that was 6.56×10-6in winter. The concentration results show that the variation of ammonia concentration had an obvious diurnal periodicity, and the general characteristic of diurnal variation was that the concentration was low in the daytime and was high at night. The ammonia emissions characteristic was obtained with inverse dispersion model that the peak of ammonia emissions velocity appeared at noon. The emission velocity was from 1.48 kg/head/hr to 130.6 kg/head/hr in autumn, and it was from 0.004 5 kg/head/hr to 43.32 kg/head/hr in winter which was lower than that in autumn. The results demonstrated ammonia emissions had certain seasonal differences in dairy feedlot scale. In conclusion, the ammonia concentration was detected with optical technology, and the ammonia emissions results were acquired by inverse dispersion model analysis with large range, high sensitivity, quick response without gas sampling. Thus, it’s an effective method for ammonia emissions monitoring in dairy feedlot that provides technical support for scientific breeding.

Laser absorption spectroscopy； Inverse dispersion technique； Ammonia emission； Dairy feedlot

Oct. 11, 2014; accepted Feb. 8, 2015)

2014-10-11，

2015-02-08

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計劃課題(2012BAJ24B02)， 國家自然科學(xué)基金面上項目(31272247， 41275163)資助

何 瑩， 女， 1983年生， 中國科學(xué)院環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點實驗室助理研究員 e-mail： heying@aiofm.ac.cn

O433.1

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)03-0783-05