CN103157424B - 一种基于水土界面的水环境模拟反应器 - Google Patents

一种基于水土界面的水环境模拟反应器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于水土界面的水环境模拟反应器，属于水环境研究技术范围，涉该装置在模拟器水力停留时间与自然水体相同的条件下，通过对模拟器不同水力条件、环境因素(温度、DO或ORP等)等的精确控制。水通过进水口、进水A、控制区和出水B、出水口，在装置中土壤或沉积物接触，可模拟自然水体环境。与现有技术相比，本发明结构简单，易于操作，运行费用低廉，可用于实验室研究水体-土壤污染物迁移、降解机理，富营养化过程、重金属迁移等的研究，具有广泛的应用前景。

Description

一种基于水土界面的水环境模拟反应器
技术领域
本发明涉及水质、土壤、环境，基于以上相关学科的一种关于自然水环境的实验模拟装置，尤其是涉及一种基于水土界面的水环境模拟反应器，实现实验室条件下自然水体与土壤界面物质的交换过程。可用于不同地区水环境中有机污染物、重金属的扩散、迁移研究，也可以用于富营养化水体及其修复过程的研究及相关数学模型的建立。
背景技术
近几年的环境公报显示：我国主要湖泊的富营养化问题十分突出；而河流水体也逐渐恶化。水体污染特征多为有机型，主要污染指标为高锰酸盐指数、石油类和氨氮等。研究水体富营养化，有机污染物、重金属迁移、降解机理对环境保护具有重要意义。
1925年，美国在研究Ohio河污染问题时，Streeter和Phelps建立世界上第一个关于河流水质的数学模型：S-P模型。自S-P模型至今，已有八十多年历史。在此期间，出现了很多的不同类型水体水质、水温、污染物迁移的数学模型。目前，水环境模拟软件诸如WASP能够较好的用于不同环境污染中污染物的迁移转化、模拟与预测。运用计算机建立的数学模型是对自然水体中已经发现的水温、水流及有机物一般降解规律做了数学上的限定，再来模拟、预测水体中污染物、溶解氧的变化，但是这不能在现实条件下对湖泊富营养化、有机物降解机理上做进一步的研究。
随着自动控制系统的发展，在实验室条件下控制反应器水流、水质、水温与自然水体环境中相似成为可能，对开发一种实验室条件下研究用水环境模拟器具有重要支撑。运用自动控制技术，开发一种能够模拟自然水体，尤其是水力条件、水文条件、环境因素与自然水环境相似甚至相同的集成模拟器，对实验室研究水环境富营养化、有机物降解、重金属迁移具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种在模拟器水力停留时间与自然水体相同的条件下，通过对模拟器不同水力条件、环境因素(温度、DO或ORP等)等的精确控制，研究富营养化、水体-土壤有机物迁移、降解机理的基于水土界面的水环境模拟反应器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于水土界面的水环境模拟反应器，反应器中盛水，该反应器包括：
反应壳体：内测设置有土壤层，中部设置有隔板，一侧设置有进水口，另一侧设置有出水口；
支撑板：用于支撑土壤层，设置在土壤层中；
螺旋杆：穿设在反应壳体的中部，螺旋杆上设置有温度传感器及DO-OPR传感器；
空调设备：设在反应壳体的下部，实现模拟反应器温度变化与自然水体温度变化的一致，调节范围为0～50℃，根据温度控制各水层的温度，达到模拟自然水环境目的；
控制设备：设在反应壳体的上部，经传送带与螺旋杆连接。
所述的反应壳体的材质为PVC材料。
所述的隔板将反应壳体分成上部腔体和下部腔体，上部腔体为溶解氧区，下部腔体为无氧区。
所述的上部腔体和下部腔体的径深比为1∶1～1∶4。
所述的进水口处设有流量计。
所述的支撑板的材质为塑料或不锈钢。
所述的螺旋杆上设有一可上下移动的微型搅拌器，实现对水流流态的控制，微型搅拌器位于隔板的上部，搅拌器转速：0～200r/min。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)反应器模拟自然环境，所需填料采用天然土壤或沉积物，构成一种集成的反应器；
(2)反应可以模拟控制自然条件下的主要环境参数如温度、pH、DO、ORP等。
(3)可以模拟不同水流流态；
(4)实时记录数据，精确控制反应条件。
(5)采集水质、土壤样品方便。
附图说明
图1为本发明的主视结构示意图；
图2为本发明的俯视结构示意图。
图中，1为反应壳体、2为出水口、3为土壤层出水阀、4为控制设备、5为进水口、6为温度传感器、7为DO-OPR传感器、8为微型搅拌器、9为隔板、10为温度显示器、11为DO-OPR显示器、12为螺旋杆、13为传送带、14为空调设备、15为支撑板、16为土壤层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
一种基于水土界面的水环境模拟反应器，其结构如图1-2所示，该反应器包括反应壳体1，在其内测设置有土壤层16，中部设置有隔板9，一侧设置有进水口5，另一侧设置有出水口2，水从进水口5流入反应器中，由出水口2流出反应器。在反应壳体1上还设置有土壤层出水阀3，反应壳体1的材质为PVC材料，隔板9将反应壳体1分成上部腔体和下部腔体，上部腔体为溶解氧区，下部腔体为无氧区，上部腔体和下部腔体的径深比为1∶1～1∶4，另外，在进水口5处设有流量计，用于控制进水的流量。支撑板15用于支撑土壤层16，设置在土壤层16中，支撑板15的材质为塑料或不锈钢。在反应壳体1的中部穿设有螺旋杆12，在螺旋杆12上设置有温度传感器10及DO-OPR传感器11，位于不同的水深处，易于自动控制系统控制控制区中的温度、溶解氧等情况，检测到的情况通过温度显示器10和DO-OPR显示器11显示。在螺旋杆12上设有一可上下移动的微型搅拌器8，实现对水流流态的控制，微型搅拌器8位于隔板9的上部，搅拌器转速为0～200r/min，可以控制。
在反应壳体1的下部设置有空调设备14，实现模拟反应器温度变化与自然水体温度变化的一致，调节范围为0～50℃，根据温度控制各水层的温度，达到模拟自然水环境目的。在反应壳体1的上部设置有控制设备4，经传送带13与螺旋杆12连接。
水从进水口5进入控制区，控制区水从出水口2或土壤层出水阀3流出。通过进水口5处设置流量计对流量进行控制，控制模拟器控制区的水力停留时间。控制设备4设计在模拟器外侧，可根据温度测量仪、DO-ORP仪读取、控制装置的各项数据。可根据不同水体中水流态(层流或紊流)在控制区加上一个微型搅拌器，实现对水流态的模拟。

Claims (6)

1.一种基于水土界面的水环境模拟反应器，反应器中盛水，其特征在于，该反应器包括：
反应壳体：内测设置有土壤层，中部设置有隔板，一侧设置有进水口，另一侧设置有出水口，所述的隔板将反应壳体分成上部腔体和下部腔体，上部腔体为溶解氧区，下部腔体为无氧区；
支撑板：用于支撑土壤层，设置在土壤层中；
螺旋杆：穿设在反应壳体的中部，螺旋杆上设置有温度传感器及DO-OPR传感器；
空调设备：设在反应壳体的下部，实现模拟反应器温度变化与自然水体温度变化的一致；
控制设备：设在反应壳体的上部，经传送带与螺旋杆连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于水土界面的水环境模拟反应器，其特征在于，所述的反应壳体的材质为PVC材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于水土界面的水环境模拟反应器，其特征在于，所述的上部腔体和下部腔体的径深比为1:1～1:4。
4.根据权利要求1所述的一种基于水土界面的水环境模拟反应器，其特征在于，所述的进水口处设有流量计。
5.根据权利要求1所述的一种基于水土界面的水环境模拟反应器，其特征在于，所述的支撑板的材质为塑料或不锈钢。
6.根据权利要求1所述的一种基于水土界面的水环境模拟反应器，其特征在于，所述的螺旋杆上设有一可上下移动的微型搅拌器，该微型搅拌器位于隔板的上部。
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