CN105203729A - 一种水体污染物表观降解系数原位测定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水体污染物表观降解系数原位测定装置及方法，其中装置包括可漂浮于水中的支架、反应瓶、连接有导管的导气瓶塞和GPS定位装置，反应瓶分层纵向连接于支架上，反应瓶上端具有与导气瓶塞相对应的瓶口，反应瓶下部侧面设置有取样嘴，该取样嘴与横向设置在反应瓶内的取样管连接，取样管的下侧面设置有若干朝向瓶底的圆孔；导气瓶塞通过导管与支架的上部空气连通，从而在导气瓶塞塞入反应瓶后确保反应瓶内产生的气体能够排入空气中；GPS定位装置连接于支架的上部。本发明操作简单、适应范围广、可随水体运动，反应瓶内的水样与周边水体所受水动力作用基本一致，通过这种装置测定获得的水体污染物表观降解系数与实际水体中污染物降解系数较接近，实验装置与方法可有效提高测定结果的准确性。

Description

一种水体污染物表观降解系数原位测定装置及方法

技术领域

本发明涉及水体污染物表观降解系数测定领域，尤其为一种水体污染物表观降解系数原位测定装置及方法。

背景技术

随着工农业的快速发展以及人口数量持续增加，产生了大量的工业废水、农业尾水与生活污水，这些高氮磷以及有机质含量的废水，大部分未来得及处理，就被排放到环境中，导致我国大多数内陆水体营养盐浓度升高，藻类水华暴发频率增加、面积增大、危害增强，水体水质恶化，这又制约着地区社会经济的可持续发展。通过微生物降解、生物吸收、光化学降解、悬浮颗粒物吸附以及共沉降作用，水体能净化消减污染物，但污染物输入的速度超过了水体对其消减速率时，往往会导致水体中营养盐积累及其富营养化，水体中污染物消减系数大小，决定了水体环境容量高低及自净能力强弱，是衡量其环境容量的重要指标。目前，多采用室内培养法、同位素法以及断面通量法等测定水体中污染物的消减系数。室内培养法是对采集的水样进行室内静态培养，通过计算培养前后污染物浓度差计算确定水体污染物消减系数，在室内培养过程中，忽略河湖水体的水文、物理等环境因素对污染物消减系数的影响，使得实验结果与实际水体中污染物消减系数存在偏差。同位素法是将研究目标物的稳定同位素物质添加到水体中，通过测定稳定同位素丰度变化，估算其消减系数，这种方法获得的结果与实际值较为接近，但同位素样品价格以及测定费用高，而且不适用开阔的大水体，限制了其应用。断面通量法是在无分支的河段设置观测断面，通过采集初始和结束断面水样，测定水体污染物浓度变化，估算其消减系数，该方法首先要确定初始断面水体到达结束断面的瞬时时间，而这受到河道物理形态、水体属性以及水生植物的影响，使得实验可操作性差。为了降低水体中污染物消减系数测定成本、提高测定结果的准确性，迫切需要一种操作简单、适应范围广、随水体运动的试验装置及污染物消减系数测定方法，以满足当前确定河湖水体环境容量及净化能力研究的需求。

发明内容

本发明目的在于提供一种操作简单、适应范围广、随水体运动的试验装置及污染物消减系数测定方法，具体由以下技术方案实现：

一种水体污染物表观降解系数原位测定装置，包括可漂浮于水中的支架、若干反应瓶、若干连接有导管的导气瓶塞以及GPS定位装置，所述反应瓶纵向分层连接于所述支架上，所述反应瓶上端具有与所述导气瓶塞相对应的瓶口，反应瓶下部侧面设置有取样嘴，该取样嘴与横向设置在反应瓶内的取样管连接，所述取样管的下侧面设置有若干朝向瓶底的圆孔；所述导气瓶塞通过导管与所述支架的上部空气连通，从而在导气瓶塞塞入所述反应瓶后确保反应瓶内产生的气体能够排入空气中；所述GPS定位装置连接于所述支架的上部。

所述的水体污染物表观降解系数原位测定装置，其进一步设计在于，所述支架包括中心杆、若干连接环以及漂浮体，所述漂浮体连接于所述中心杆的上端，所述若干连接环可固定连接于所述中心杆的任一部位，所述反应瓶连接于各个连接环上从而使得所述反应瓶纵向分层连接于所述支架上。

所述的水体污染物表观降解系数原位测定装置，其进一步设计在于，所述连接环上均匀分布有若干挂扣，所述反应瓶的上部具有挂钩，所述反应瓶通过所述挂钩挂接于所述挂扣上。

所述的水体污染物表观降解系数原位测定装置，其进一步设计在于，所述漂浮体为充气球囊，所述充气球囊上设置有气嘴。

所述的水体污染物表观降解系数原位测定装置，其进一步设计在于，所述中心杆内部具有轴向设置的孔道，并且中心杆的上端设置有与所述孔道连通的开口，中心杆的侧壁设置有若干与孔道连通的孔洞；所述导气瓶塞通过所述导管以及所述孔洞与所述孔道连通。

所述的水体污染物表观降解系数原位测定装置，其进一步设计在于，所述中心杆上端罩设有防水盖；所述中心杆的下端连接有配重块。

所述的水体污染物表观降解系数原位测定装置，其进一步设计在于，所述反应瓶的瓶口贴附有密封膜，所述支架置于水中时，纵向分层悬挂在所述支架上的反应瓶处于不同水深处，并且处于不同纵向分层的反应瓶上的密封膜在各自对应水深的水压作用之下破裂。

所述的水体污染物表观降解系数原位测定装置，其进一步设计在于，所述反应瓶为透光的瓶体或者不透光的瓶体。

一种水体污染物表观降解系数原位测定方法，包括如下步骤：1)、将所述水体污染物表观降解系数原位测定装置不同高度的反应瓶中灌入深度与反应瓶高度相对应的水样，并且测量此时不同深度水样的污染物浓度C₀；2)、对相同高度的部分反应瓶中的水样进行杀菌处理以消除水体生物降解影响；3)、将所述导气瓶塞塞入反应瓶并且确保导气瓶塞上的导管与外部空气连通；4)、将水体污染物表观降解系数原位测定装置投放入水体中，使得反应瓶所处的深度与其内部水样的取水深度相一致，整个装置浮于水中并随水体流动而漂流，此时实验开始并记录实验的初始时间；5)、在实验时间结束时，根据GPS定位装置确定水体污染物表观降解系数原位测定装置的位置并将其提出水面，记录该实验的结束时间；6)、经由取样嘴将不同高度的反应瓶中经过杀菌处理和未经杀菌处理的水样分别取出，对各个水样进行污染物浓度测定；7)、测量获得经由上述实验时间后同一深度水样中未经杀菌处理的水样污染物浓度为C_综，而经过杀菌处理的水样污染物浓度为C₂；则C₀-C_综表示污染物的表观降解浓度差，C₀-C₂表示物理沉降作用导致的浓度差；由于反应瓶里水样体积不变，根据物质守恒原理，（C₀-C_综）-（C₀-C₂）表示单独由生物原理作用降解前后的浓度差，结合降解前水样污染物浓度C₀便可以求得单独由生物原理降解后水样的浓度C_生=C₀-（（C₀-C_综）-（C₀-C₂）），即C_生=C₀-C_综+C₂；取得C₀、C_综和C_生便可获取污染物的表观降解系数K_综=In(C₀/C_综)/t、污染物的生物降解系数K_生=In(C₀/C_生)/t，其中，t：降解时间，d。

所述的水体污染物表观降解系数原位测定方法，其进一步设计在于所述杀菌处理的方法为向水样中加入0.1%的氯化汞溶液。

本发明操作简单、适应范围广、可随水体运动，反应瓶内水样与周边水体所受水动力作用基本一致，通过这种装置测定获得的水体污染物表观降解系数与实际水体中污染物降解系数较接近，实验装置与方法可有效提高测定结果的准确性；通过在反应瓶上设置与外部空气连通的导气瓶塞，可以及时排出水样中产生的气体，使得反应瓶内的压力环境与真实水体中的相接近；通过开孔向下设置的取样管自反应瓶中取出水样可以避免沉淀在反应瓶底部的沉渣污染水样；通过在中心杆的内部设置孔道并且将该孔道与导气瓶塞连接，减小了用于排气的导管长度，从而便于装卸，不会由于导管过多而引起混乱；通过在中心杆的下端设置配重块，使得整个装置在水体中的姿态保持稳定，从而进一步确保了测量结果的准确性；通过在反应瓶上设置承压能力不同的密封膜，可以实现对各个反应瓶同一时间取样。

附图说明

图1是本发明的实施例的整体结构示意图。

图2是连接环以及反应瓶的结构示意图。

图3是反应瓶的结构示意图。

图4是导气瓶塞的结构示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图以及实施例对本发明进行进一步说明。

如图1所示，该水体污染物表观降解系数原位测定装置包括可漂浮于水中的支架1、若干反应瓶2、若干连接有导管的导气瓶塞3以及GPS定位装置4，反应瓶2连接于支架上，反应瓶2上端具有与导气瓶塞相对应的瓶口，反应瓶下部侧面设置有取样嘴，该取样嘴与横向设置在反应瓶内的取样管21连接，取样管的下侧面设置有若干朝向瓶底的取样孔22；导气瓶塞3通过导管31与支架的上部空气连通，从而在导气瓶塞塞入反应瓶后确保反应瓶内产生的气体能够排入空气中；GPS定位装置4连接于支架1的顶部。

本装置在使用时，首先用取水器探入水体内，取不同深度的水样注入处于同一水层的反应瓶内，而后将导气瓶塞塞入反应瓶内，再将整个支架用卷扬机等起吊装置放入水体内，从而整个支架带着处于水体不同深度的反应瓶漂浮在水体上，反应瓶随水流运动，反应瓶内水样与周边水体所受水动力作用基本一致，反应瓶内水样中的微生物对水样中的总氮、有机质、有机污染物等进行消解，产生的气体自导气瓶塞以及对应导管排放入大气中；一定时间后，通过GPS定位装置对支架进行定位，找到该支架后，用投放/收集装置5将整个装置吊起，再从反应瓶下部的取样嘴中将水样取出，对水样中的总氮、有机质、有机污染物等进行分析，从而获得不同深度水体中总氮、有机质、有机污染物的表观降解速率；

具体地，支架1包括中心杆11、若干连接环12以及漂浮体13，漂浮体13连接于中心杆的上端，若干连接环以不同高度固定连接于中心杆的中部或者下部，反应瓶连接于各个连接环上从而使得反应瓶以不同高度纵向分层连接于支架上。其中，漂浮体13可以是充气球囊，充气球囊上设置有具有单向阀的气嘴；从而可以在支架放入水体后通过对充气球囊充气来确保各反应瓶处于各自对应的深度。

连接环12上均匀分布有若干挂扣14，反应瓶2的上部具有挂钩23，反应瓶2通过挂钩23挂接于挂扣上。在波浪、湖流作用下，反应瓶可以随水体运动，使反应瓶内的水样具有与反应瓶外的水体相同的状态。

由于反应瓶2较多，相应的导气瓶塞3以及对应导管31较多，各个导气瓶塞对应的导管均自下而上延伸至支架的上部则使得整个装置上缠绕满各种导管，容易引起混乱；故而，可以在中心杆1内部轴向设置孔道（图中未画出），并且中心杆的上端设置有与所述孔道连通的开口15，中心杆的侧壁设置有若干与孔道连通的孔洞；所述导气瓶塞通过导管以及孔洞与孔道连通。此时，导气瓶塞上的导管只需就近与中心杆上的孔洞连接即可，无需多条导管在中心杆的上部聚集。此时，相应的中心杆上端罩设有防水盖16，或者将中心杆的上端向下折弯，以避免外界的水自中心杆上端的开口逆流进入反应瓶2内。

为了确保整套装置在自然水体中保持平衡，在中心杆的下端连接有配重块17。

考虑到采水器的单次取水量有限，客观上同一深度的反应瓶内的水样需要取水器分多次才能取得，故而客观同一深度的反应瓶内的水样由于前述的时间差而存在差异，为了克服这个缺陷，可以在反应瓶的瓶口贴附有密封膜（图中未标出），支架置于水中时，不同高度的反应瓶处于不同水深处，并且不同高度的反应瓶上的密封膜在各自对应水深的水压作用之下破裂。此时同一深度的反应瓶内的水样为同一时间、同一深度的水体样品，故而能进一步确保检测结果的准确性。

具体的水体污染物表观降解系数原位测定方法包括如下步骤：1)、将所述水体污染物表观降解系数原位测定装置不同高度的反应瓶中灌入深度与反应瓶高度相对应的水样，并且测量此时不同深度水样的污染物浓度C₀；2)、对相同高度的部分反应瓶中的水样进行杀菌处理以消除水体生物降解影响；3)、将所述导气瓶塞塞入反应瓶并且确保导气瓶塞上的导管与外部空气连通；4)、将水体污染物表观降解系数原位测定装置投放入水体中，使得反应瓶所处的深度与其内部水样的取水深度相一致，整个装置浮于水中并随水体流动而漂流，此时实验开始并记录实验的初始时间；5)、在实验时间结束时，根据GPS定位装置确定水体污染物表观降解系数原位测定装置的位置并将其提出水面，记录该实验的结束时间；6)、经由取样嘴将不同高度的反应瓶中经过杀菌处理和未经杀菌处理的水样分别取出，对各个水样进行污染物浓度测定；7)、测量获得经由上述实验时间后同一深度水样中未经杀菌处理的水样污染物浓度为C_综，而经过杀菌处理的水样污染物浓度为C₂；则C₀-C_综表示污染物的表观降解浓度差，C₀-C₂表示物理沉降作用导致的浓度差；由于反应瓶里水样体积不变，根据物质守恒原理，（C₀-C_综）-（C₀-C₂）表示单独由生物原理作用降解前后的浓度差，结合降解前水样污染物浓度C₀便可以求得单独由生物原理降解后水样的浓度C_生=C₀-（（C₀-C_综）-（C₀-C₂）），即C_生=C₀-C_综+C₂；取得C₀、C_综和C_生便可获取污染物的表观降解系数K_综=In(C₀/C_综)/t、污染物的生物降解系数K_生=In(C₀/C_生)/t，其中，t：降解时间，d，所述杀菌处理的方法为向水样中加入0.1%的氯化汞溶液。

本发明操作简单、适应范围广、可随水体运动，反应瓶内水样与周边水体所受水动力条件基本一致，通过这种装置测定获得的水体污染物表观降解系数与实际水体中污染物降解系数较接近，实验装置与方法可有效提高测定结果的准确性；通过在反应瓶上设置与外部空气连通的导气瓶塞，可以及时排出水样中产生的气体，使得反应瓶内的压力环境与真实水体中的相接近；通过开孔向下设置的取样管自反应瓶中取出水样可以避免沉淀在反应瓶底部的沉渣污染水样；通过在中心杆的内部设置孔道并且将该孔道与导气瓶塞连接，减小了用于排气的导管长度，从而便于装卸，不会由于导管过多而引起混乱；通过在中心杆的下端设置配重块，使得整个装置在水体中的姿态保持稳定，从而进一步确保了测量结果的准确性；通过在反应瓶上设置承压能力不同的密封膜，可以实现对各个反应瓶同一时间取样。

Claims (10)

1.一种水体污染物表观降解系数原位测定装置，其特征在于包括可漂浮于水中的支架、若干反应瓶、若干连接有导管的导气瓶塞以及GPS定位装置，所述反应瓶分层纵向连接于所述支架上，所述反应瓶上端具有与所述导气瓶塞相对应的瓶口，反应瓶下部侧面设置有取样嘴，该取样嘴与横向设置在反应瓶内的取样管连接，所述取样管的下侧面设置有若干朝向瓶底的圆孔；所述导气瓶塞通过导管与所述支架的上部空气连通，从而在导气瓶塞塞入所述反应瓶后确保反应瓶内产生的气体能够排入空气中；所述GPS定位装置连接于所述支架的上部。

2.根据权利要求1所述的水体污染物表观降解系数原位测定装置，其特征在于，所述支架包括中心杆、若干连接环以及漂浮体，所述漂浮体连接于所述中心杆的上端，所述若干连接环可固定连接于所述中心杆的任一部位，所述反应瓶连接于各个连接环上从而使得所述反应瓶分层连接于所述支架上。

3.根据权利要求2所述的水体污染物表观降解系数原位测定装置，其特征在于，所述连接环上均匀分布有若干挂扣，所述反应瓶上部具有挂钩，所述反应瓶通过所述挂钩挂接于所述挂扣上。

4.根据权利要求2所述的水体污染物表观降解系数原位测定装置，其特征在于，所述漂浮体为充气球囊，所述充气球囊上设置有气嘴。

5.根据权利要求2所述的水体污染物表观降解系数原位测定装置，其特征在于，所述中心杆内部具有轴向设置的孔道，并且中心杆的上端设置有与所述孔道连通的开口，中心杆的侧壁设置有若干与孔道连通的孔洞；所述导气瓶塞通过所述导管以及所述孔洞与所述孔道连通。

6.根据权利要求5所述的水体污染物表观降解系数原位测定装置，其特征在于，所述中心杆上端罩设有防水盖；所述中心杆的下端连接有配重块。

7.根据权利要求1所述的水体污染物表观降解系数原位测定装置，其特征在于，所述反应瓶的瓶口贴附有密封膜，所述支架置于水中时，纵向分层悬挂在所述支架上的反应瓶处于不同水深处，并且处于不同纵向分层的反应瓶上的密封膜在各自对应水深的水压作用之下破裂。

8.根据权利要求1所述的水体污染物表观降解系数原位测定装置，其特征在于，所述反应瓶为透光的瓶体或者不透光的瓶体。

9.一种利用权利要求1-8任一项所述装置进行的水体污染物表观降解系数原位测定方法，其特征在于包括如下步骤：a、将处于所述水体污染物表观降解系数原位测定装置不同纵向高度的反应瓶中灌入与反应瓶所处深度相对应的水样，并且测量此时不同深度水样的污染物浓度C₀；b、对同一水深的部分反应瓶中的水样进行杀菌处理以消除水体生物降解影响；c、将所述导气瓶塞塞入反应瓶并且确保导气瓶塞上的导管与外部空气连通；d、将水体污染物表观降解系数原位测定装置投放入水体中，使得反应瓶所处的深度与其内部水样取水时的深度相一致，整个装置浮于水中并随水体流动而漂流，此时实验开始并记录实验的初始时间；e、在实验时间结束时，根据GPS定位装置确定水体污染物表观降解系数原位测定装置的位置并将其提出水面，记录该实验的结束时间；f、经由取样嘴将不同水深处的反应瓶中经过杀菌处理和未经杀菌处理的水样分别取出，对各个水样进行污染物浓度测定；g、测量获得经由上述实验时间后同一水深处水样中未经杀菌处理的水样污染物浓度为C_综，而经过杀菌处理的水样污染物浓度为C₂；则C₀-C_综表示污染物的表观降解浓度差，C₀-C₂表示物理沉降作用导致的浓度差；由于反应瓶里水样体积不变，根据物质守恒原理，（C₀-C_综）-（C₀-C₂）表示单独由生物原理作用降解前后的浓度差，结合降解前水样污染物浓度C₀便可以求得单独由生物原理降解后水样的浓度C_生=C₀-（（C₀-C_综）-（C₀-C₂）），即C_生=C₀-C_综+C₂；取得C₀、C_综和C_生便可获取污染物的表观降解系数K_综=In(C₀/C_综)/t、污染物的生物降解系数K_生=In(C₀/C_生)/t，其中，t：降解时间，d。

10.根据权利要求9所述的水体污染物表观降解系数原位测定方法，其特征在于所述杀菌处理的方法为向水样中加入0.1%的氯化汞溶液。