CN101357787B - 高压多相界面模拟反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压多相界面反应器，它包括密闭主体反应器，所述密闭主体反应器包括上部气室(1)和下部反应室(2)，所述上部气室(1)设置加压孔(16)，所述上部气室(1)和下部反应室(2)连接处设置弹性隔膜(3)。该反应器能考察大水深形成的高渗透压等关键影响因素，最大程度地接近自然条件，可模拟大水深水体-沉积物-微生物多相界面。本发明还可以在实验室内简单方便地控制研究所需的各种实验条件，兼备在线监测与随时取样的功能。

Description

高压多相界面模拟反应器

技术领域

本发明涉及一种反应器，特别是一种模拟高压多相界面的反应器。该反应器可在实验室条件下实现对自然水体各种条件进行模拟并可进行实时调控，该反应器适用于大水深水体高水压条件下的多相界面模拟研究。

背景技术

随着湖泊、水库等地表水源的外源污染得到有效控制，内源污染成为影响水源水质的主导因素。内源污染对水源水质的影响日益凸现。造成内源污染的沉积物和水体物质交换相互作用的最重要过程发生在水体-沉积物-微生物多相界面上，这一界面是最重要的环境边界层。因此对发生在此界面的污染物质迁移转化过程、机理、影响因素的研究对于改善水源水质、降低水厂处理负荷具有重要意义。目前所采用的研究方法主要包括以下两类：一类是在实验室内利用反应器模拟自然条件进行研究；另一类是在湖泊水库等地表水源地进行实地实时连续监测或定期取样监测。但是这两类方法都存在一定的问题。现有研究所采用的反应器均未考虑大水深水体所形成的高水压对多相界面及底部生态环境产生的影响，忽略了这种高水压/高渗透压对底层水体中的生物过程、物理化学过程的影响。而大水深水体在我国地表水源中所占比例极高。这种忽略了关键影响因素的模拟环境条件与真实自然条件存在巨大差异，导致所得研究结果存在偏差，难以真实反映水体中污染物的迁移转化规律和指导生产实践。而在水源地实时连续或间断取样监测的方法，虽为真实自然条件，但无法根据研究需要对实验条件进行及时调整与控制，因而也就无法对应用水源水质改善技术或污染底泥修复技术的实施效果进行模拟和预测。此外，实地实时连续或间断取样监测要求较高的野外操作条件，所需仪器昂贵，并且耗时长久，所需人力物力巨大，事倍功半，不能满足科学研究的需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种高压多相界面反应器，该反应器能考察大水深形成的高渗透压等关键影响因素，最大程度地接近自然条件，可模拟大水深水体-沉积物-微生物多相界面。

本发明还可以在实验室内简单方便地控制研究所需的各种实验条件，兼备在线监测与随时取样的功能。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：它包括密闭主体反应器，所述密闭主体反应器包括上部气室(1)和下部反应室(2)，所述上部气室(1)设置加压孔(16)，所述上部气室(1)和下部反应室(2)连接处设置弹性隔膜(3)。

所述下部反应室(2)设置有在线监测调控系统。

所述在线监测调控系统包括在线监测探头(7)、空气压缩机(6)、加药泵(5)和水力搅拌装置(4)；所述在线监测探头(7)通过控制装置(8)与空气压缩机(6)、加药泵(5)和水力搅拌装置(4)相连。

所述下部反应室(2)沉积物区设置有泥样采样点，该泥样采样点通过泥样采样机构(10A，10B)与下部反应室(2)相连。

所述泥样采样机构(10A，10B)包括相套而成的内螺旋外管(21)、外螺旋内管(22)和高压螺旋活塞推进器(11)，所述泥样采样机构(10A，10B)上设有控制阀(20)，所述高压螺旋活塞推进器(11)的密闭活塞(29)与取样管(28)相连。

所述下部反应室(2)上覆水体区设置有水样采样点，该水样采样点通过水样采样管(12A，12B，12C，12D)与下部反应室(2)相连。

所述水样采样管(12A，12B，12C，12D)设有减压阀(18)和控制阀(19)。

所述下部反应室(2)接近弹性隔膜(3)下端设置有排气管(23)，所述排气管(23)上设有气体流量计(14)，所述排气管(23)接有气体收集瓶(15)。

所述上部气室(1)和下部反应室(2)通过法兰(24)连接。

本发明解决上述问题的设想是：将高压多相界面反应器内部腔体分为气室和反应室两部分，由一弹性隔膜分开，通过对气室充气加压由弹性隔膜传递至下部反应室水体及多相界面上，实现对高水压/高渗透压条件的模拟。由反应室内部设置的在线监测探头、反应器外部的加药系统、温度/DO自控系统、水力搅拌系统等实现对实验所需条件的调控。并可通过巧妙设置的采样系统在不扰动内部水体及底泥、不改变内部连续模拟条件的前提下自如取样。通过气体计量收集系统可对化学及生物化学反应产生的气体进行计量、收集和成分分析。该反应器可实现对大水深高水压条件下污染物迁移转化多相界面过程的全程模拟研究。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是反应室下部沉积物区泥样采样机构图；

图3是取样中泥样采样机构图。

具体实施方式

本发明由上部气室1、下部反应室2、在线监测调控系统和水样、泥样采集及气体计量收集系统组成。由上部气室1和下部反应室2组成的主体反应器为圆筒状密闭容器，上部顶盖体25通过连接拉杆和螺栓17与下部底盖体26锚固连接，上部气室内充压缩空气形成高压，下部反应室装满水样和沉积物泥样，两室之间采用法兰24连接，连接处夹有弹性隔膜3，用于传递上部气室施加的高压，弹性隔膜3与水平面成一定倾角以便于密闭反应室2内气体的汇集与排出，该倾角为α：0℃≤α≤45℃；在线监测调控系统由在线监测探头7、控制系统8、空气压缩机6、加药泵5和水力搅拌装置4组成，根据在线监测探头7所测相关指标数据，由控制装置8发出控制信号，除模拟自然条件外，还可根据实验研究需要启动空气压缩机6、加药泵5和水力搅拌装置4等相关系统，调节反应室内多相界面处的溶解氧浓度DO、pH值、压力和氧化还原电位ORP等参数，使反应室内受试水体与沉积物及分布于其中的生物相所形成的多相界面体系处于稳定连续的可控环境中，保证底部生态条件与自然真实情况的一致性；泥样、水样采样系统由泥样采样机构10，水样取样管12及设于其上的控制阀20(泥样取样管加装高压螺旋活塞推进器11)、减压阀18、控制阀19组成。气体计量收集系统由排气阀13、气体流量计14和气体收集瓶15组成，其中排气阀13、气体流量计14和气体收集瓶15安装于排气管23上，排气管23接于弹性隔膜3下端，位于其倾斜上侧方，对于因控制条件(主要是溶解氧浓度DO)所需进入系统的氮气、压缩空气等对研究分析无意义的气体由排气阀直接排出，对于反应室内因多相界面体系发生化学、生物化学等反应而产生的气体经气体流量计计量后由气体收集瓶收集做进一步成分分析。水样、泥样采样系统通过对阀门18、19、20及的高压螺旋活塞推进器11的组合使用实现采样，具体采样办法下文结合附图详细说明。

模拟自然条件时，将原水和原始状态的柱状泥样装入下部反应室2内，密封下部反应室2，通过控制系统8开启空气压缩机6使得压缩空气充入上部气室1内，随着压力逐渐增大，弹性隔膜3产生微小变形，将压力传递至下部水体，控制装置8根据在多相界面处测得压力的大小调控充入上部气室的气体量，待界面处压力达到所需模拟的压力条件后，微微打开排气阀13，保持界面处压力稳定。由于水体和底泥耗氧，界面处变为厌氧状态。此时关闭排气阀，对反应器内部产生的气体量进行计量并收集进行下一步分析。在泥水多相界面上下附近分配有多个取样口。保持反应室2内模拟的压力、温度、DO等自然条件，定期通过取样口取样进行测试分析。

根据研究目的需要对下部反应室内2的环境条件进行调控时，可根据在线监测探头7所监测的数据由控制装置8发出控制信号调控加药泵5、空气压缩机6及水体搅拌装置4的启闭，通过空气压缩机6可对下部反应室2内的溶解氧浓度进行调控，研究不同充氧条件下各种污染物迁移转化的多相界面过程和作用机制。通过加药泵5可对多相界面处的其它环境条件如pH值、氧化还原电位等进行调控。此外，下部反应室2内的温度可由高压多相界面反应器外部的自动温控系统进行调节和控制。这些调控过程均需配合水力混合系统来实现，同时可通过改变水力混合系统的混合强度，研究不同混合条件下的多相界面过程，以期全面把握污染物在多相界面的迁移转化规律，进而提出切实可行且经济适用的水源水质原位改善与沉积物修复技术。

由于本发明采用了弹性隔膜及多种控制系统，不但可以最大程度地实现对真实自然条件的模拟，而且可根据实验研究需要调控各种条件，操作方便，运行可靠，便于进行自动控制。

本发明只需调整压力调控系统，即可作为模拟一般水深水体-沉积物-微生物多相界面的反应器。

实施例：

如图1和图2所示：高压多相界面反应器为圆筒状封闭结构，由1、2和3组成。1为上部气室，2为下部反应室，两部分由法兰24连接，连接处夹有弹性隔膜3。4为水力搅拌系统通过泵对下部反应室2内水体进行混合。5为加药泵，通过加药泵可向反应器内投加各种化学药剂，27为储药罐，可用于配置各种药剂。6为空气压缩机，既可向上部气室1充气加压，又可向反应室2内充气调节溶解氧浓度。7为在线监测探头，与控制装置8相连，可实时监测反应器中DO、pH值、压力、温度、氧化还原电位(ORP)及多种水质参数，控制装置8根据此数据发出控制指令。9为气压计，测气室内压力。10为泥样采样机构，泥样采样操作通过内螺旋外管21、外螺旋内管22、控制阀20联合高压螺旋活塞推进器11进行取样，具体操作如下：不采集样品时，控制阀20为关闭状态。进行取样操作前先将阀门20打开，旋动内螺旋外管21，使高压螺旋活塞推进器11中与采样管28相连的密闭活塞29将采样管28缓慢推入反应室内受试底泥中，迫使底泥充满采样管后再慢慢反方向旋动内螺旋外管21拉出至原位，关闭阀门20，将采样管28抽出，对所采泥样进行分析。12为水样采样管，设有减压阀18和控制阀19，取样时先打开减压阀18使水体压力降低，再打开控制阀19进行取样。13为排气阀，用以排出反应器内的废气，保持内部压力平衡。14为气体流量计，对反应内反应产生的N₂、CO₂、CH₄、H₂及O₂等进行体积计量，为研究分析提供依据。15为气体收集瓶，收集经过计量后的气体做进一步成分分析。16为上部气室加压孔，所充压缩气体由此进入气室。17为连接拉杆与螺栓，上部顶盖体25通过连接拉杆和螺栓17与下部底盖体26锚固连接。

Claims (9)

1.一种高压多相界面模拟反应器，包括密闭主体反应器，其特征是：所述密闭主体反应器包括上部气室(1)和下部反应室(2)，所述上部气室(1)设置加压孔(16)，所述上部气室(1)和下部反应室(2)连接处设置弹性隔膜(3)。

2.根据权利要求1所述的高压多相界面模拟反应器，其特征是：所述下部反应室(2)设置有在线监测调控系统。

3.根据权利要求2所述的高压多相界面模拟反应器，其特征是：所述在线监测调控系统包括在线监测探头(7)、空气压缩机(6)、加药泵(5)和水力搅拌装置(4)；所述在线监测探头(7)通过控制装置(8)与空气压缩机(6)、加药泵(5)和水力搅拌装置(4)相连。

4.根据权利要求1所述的高压多相界面模拟反应器，其特征是：所述下部反应室(2)沉积物区设置有泥样采样点，该泥样采样点通过泥样采样机构(10A，10B)与下部反应室(2)相连。

5.根据权利要求4所述的高压多相界面模拟反应器，其特征是：所述泥样采样机构(10A，10B)包括相套而成的内螺旋外管(21)、外螺旋内管(22)和高压螺旋活塞推进器(11)，所述泥样采样机构(10A，10B)上设有控制阀(20)，所述高压螺旋活塞推进器(11)的密闭活塞(29)与取样管(28)相连。

6.根据权利要求1所述的高压多相界面模拟反应器，其特征是：所述下部反应室(2)上覆水体区设置有水样采样点，该水样采样点通过水样采样管(12A，12B，12C，12D)与下部反应室(2)相连。

7.根据权利要求6所述的高压多相界面模拟反应器，其特征是：所述水样采样管(12A，12B，12C，12D)设有减压阀(18)和控制阀(19)。

8.根据权利要求1所述的高压多相界面模拟反应器，其特征是：所述下部反应室(2)接近弹性隔膜(3)下端设置有排气管(23)，所述排气管(23)上设有气体流量计(14)，所述排气管(23)接有气体收集瓶(15)。

9.根据权利要求1所述的高压多相界面模拟反应器，其特征是：所述上部气室(1)和下部反应室(2)通过法兰(24)连接。

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