CN105784954B - 一种模拟河流有机氮矿化的实验装置 - Google Patents

Abstract

一种模拟河流有机氮矿化的实验装置涉及一种可模拟水环境中有机氮矿化过程的实验装置。本装置解决了有机氮矿化研究过程中的数据难收集及条件不可控等问题，使研究工作可在室内进行。本装置分为主装置系统、控制系统、数据记录系统。主装置系统由水动力系统、光照系统、温补系统、水质监测系统和反应器组成；控制系统由传感器、控制器和执行器组成；数据记录系统由安装组态软件的电脑和显示器构成。本装置可完整呈现并模拟河流水环境中有机氮矿化过程，通过对水位、温度、光照及溶解氧进行控制，研究这些因素对水环境中有机氮矿化过程的影响。本装置具有结构清晰、操控简单、自动调节、实时记录等特点，简便了河流有机氮矿化过程研究工作。

Description

一种模拟河流有机氮矿化的实验装置

技术领域:

本发明涉及一种实验装置，具体涉及一种可以模拟在不同水位、光照和温度下，水体和沉积物中有机氮矿化过程的实验装置。

背景技术:

氮营养盐污染问题是我国河流存在的重要问题，研究水体及沉积物中氮素的转化过程及机理为氮营养盐污染的治理提供重要的理论基础。

有机氮矿化是指在微生物作用下，有机态的含氮化合物转化为无机态氮的过程。有机氮矿化是氮转化的重要过程，也是河流中无机态氮的重要来源，是研究河流中氮素转化不可缺少的一环。对于有机氮矿化过程的研究，可以进行野外模拟和实验室模拟。而野外条件下影响沉积物有机氮矿化的影响因素众多，数据的收集及环境控制存在较大的难度；此外野外原位模拟实现较为困难。实验室模拟可控性好，操作相对简单，但目前尚缺少简便的河流有机氮矿化研究方案，因此设计一套模拟装置用于有机氮矿化过程研究。

发明内容:

本发明的目的在于依据天然河流的真实情况，设计一种能够模拟在不同水位、光照、温度下，水体和沉积物中有机氮矿化过程的实验装置，可以科学简便地对有机氮矿化过程及影响因素进行研究。本装置可以再现并记录河流水环境有机氮矿化过程中pH、DO(溶解氧)、ORP(氧化还原电位)、电导率、温度的变化，并通过出水口取水测定水体中不同氮素含量的变化。

整个有机氮矿化模拟装置分为主装置系统、控制系统、数据记录系统三大部分。主装置系统包括水动力系统、光照系统、温补系统、水质监测系统、反应器；控制系统可对主装置反应器中DO(溶解氧)进行控制；数据记录系统可对监测数据进行实时记录。该装置可通过调整各参数来模拟自然条件下有机氮的矿化过程，并可对监测指标进行实时记录，具有结构清晰、操控简单、自动调节、实时记录等特点。

主装置系统根据实验需要按照模块化设计分为以下几个部分：水动力系统、光照系统、温补系统、水质监测系统、反应器五个部分。

水动力系统包括进排水系统和水体扰动系统。进排水系统由进水阀和排水阀、管道和流量计组成，通过调节水位来模拟自然状态下水位变化对有机氮矿化的影响；水体扰动系统利用潜水泵或可变速的搅拌器对上层水体进行扰动，模拟自然状况下表层水的扰动。

光照系统包括光源和光源调节组件。作为优选，所述光源为氙灯；光源调节组件采用百叶窗。通过光源和光调节组件模拟自然界光照对有机氮矿化过程的影响。

温补系统由温控器和加热器组成，对上层水温进行控制。当对上层水体水温有要求时，实际温度低于设定温度时加热器开始加热，高于设置温度加热停止。对温度的补偿的主要有装置内温度补偿及装置外温度补偿两种方式。可以根据实际需求及操作情况，选择合适的温补措施。

水质监测系统是在主装置内不同深度设置pH、DO、ORP、电导率、温度探头，通过探头监测有机氮矿化过程中的监测指标的变化。

反应器采用有机玻璃材质，选择直径为1000mm的圆柱状有机玻璃管作为模拟装置外型。反应器两边安装挡板及分水器，减弱水流进出时产生的动力干扰，避免额外的水动力干扰。反应器壁上设置取水孔，用于反应期间的取样工作，方便水体指标的测定。

在实验装置中，安装泵(附图1⑤)来推动水体流动，使水体进入反应器中。装置末尾处安装软管用于排水，收集器用于收集反应结束后排出的样品。

控制系统由传感器、控制器和执行器三部分组成。本控制装置主要对DO进行控制，对ORP和PH值等数据进行监控。传感器包括DO探头、ORP探头、pH探头，检测DO、ORP和pH数据并以电信号形式输出。控制器使用可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，PLC接收来自探头的信号并进行运算。执行器由中间继电器、空气开关、指示灯、旋钮开关、曝气机等组成。PLC接收传感器输出的信号，加以运算后输出信号到达中间继电器，控制电磁阀和曝气机的开闭电源，达到控制溶解氧(DO)的目的。

本装置为实验室小型设备，控制溶解氧(DO)采用阶梯式控制，即采用若干台小型曝气机，每个曝气机分支为若干个支管，根据探头得到的数据，进行适当数目曝气支管的开闭，同时配备空气转子流量计，便于定量分析。

数据记录系统由安装组态软件的电脑和显示器构成。在组态软件中写入相应程序，通过与可编程逻辑控制器(PLC)进行数据交换进行数据记录，并将探头所监测到的数据实时不间断反馈在显示器上，已记录数据可随时进行调阅。

附图说明:

附图1为有机氮矿化模拟装置实验装置示意图。附图标记：1.水阀(进水、排水)；2.流量计；3.温补系统；4.水管；5.泵；6.挡板；7.探头；8.取水孔；9.光照系统；10，光源调节组件；11.光源；12.分水器；13.潜水泵或搅拌器；14.软管；15.收集器

附图2为有机氮矿化模拟装置实验控制系统图。附图标记：1.上机位；2.232接口；3.PLC-120s系列；4.PLC模拟量模块；5.中间继电器；6.曝气机；7.电磁阀阵列；8.实验装置；9.溶解氧探头；10.pH探头；11.氧化还原电位探头

具体实施方式:

进行试验时，该装置可以对水位、温度、光照及溶解氧(DO)进行控制，研究这些因素对有机氮矿化的影响。

控制水位：如附图1所示，进行试验时，主装置中加入适量原位采集到的沉积物，通过供水阀1及供水管往主装置中加入适量的原位水。供水阀和排水阀、相应管道及流量计2和19控制原水进出来改变水位变化，模拟水位变化对有机氮矿化过程的影响。

控制温度：水体的温度通过热交换系统的温控器将信号传递给加热器，若低于设定温度则加热器对水体进行加热，直至达到预定温度。

控制光照：光照系统9-12包括氙灯、百叶窗等。氙灯光源模拟太阳光，百叶窗的开闭模拟昼夜变化。通过开闭光源及光控装置来模拟自然条件下昼夜及不同光强对有机氮矿化的影响。

控制溶解氧：如附图2所示，溶解氧(DO)探头检测水体DO数据，以电信号形式输入至PLC，PLC运算后输出至中间继电器，控制曝气机的开闭个数，进行阶梯曝气，达到控制水体溶解氧的目的。

对水体的监测：如附图1所示，主装置挡板6上安装的pH、DO、ORP、电导率、温度探头可监测水质变化。操作者可从取水孔8定时取水，进行实验测定水体中各氮形态含量的变化。

数据记录：在装置运行过程中，电脑中的已进行编程的组态软件与可编程逻辑控制器(PLC)进行数据交换并进行数据记录，将探头所监测到的数据实时不间断反馈在显示器上，并可随时进行调阅。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种模拟河流有机氮矿化的实验装置，其特征在于每套装置由主装置系统、控制系统和数据记录系统三部分组成；主装置系统由水动力系统、光照系统、温补系统、水质监测系统和反应器五部分组成；控制系统由传感器、控制器和执行器三部分组成；数据记录系统由安装组态软件的电脑和显示器构成；

水动力系统包括进排水系统和水体扰动系统，进排水系统由进水阀和排水阀、管道和流量计组成，通过调节水位来模拟自然状态下水位变化对有机氮矿化的影响；水体扰动系统利用潜水泵或可变速的搅拌器对上层水体进行扰动，模拟自然状况下表层水的扰动；

所述反应器两边安装挡板及分水器，减弱水流进出时产生的动力干扰，避免额外的水动力干扰。

2.按照权利要求1所述的一种模拟河流有机氮矿化的实验装置中，其特征在于：光照系统包括光源和光源调节组件；光源为氙灯光源，光源调节组件为百叶窗。

3.按照权利要求1所述的一种模拟河流有机氮矿化的实验装置中，其特征在于：温补系统由温控器和加热器组成。

4.按照权利要求1所述的一种模拟河流有机氮矿化的实验装置中，其特征在于：水质监测系统是在主装置内不同深度设置pH、DO、ORP、电导率、温度探头。

5.按照权利要求1所述的一种模拟河流有机氮矿化的实验装置中，其特征在于：反应器采用有机玻璃材质，选择直径为1000mm的圆柱状有机玻璃管作为模拟装置外型。

6.按照权利要求1所述的一种模拟河流有机氮矿化的实验装置中，其特征在于：控制系统由传感器、控制器和执行器三部分组成，传感器包括溶解氧(DO)探头、氧化还原电位(ORP)探头、pH探头；控制器使用可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController，PLC)；执行器由中间继电器、空气开关、指示灯、旋钮开关、曝气机等组成。

7.按照权利要求6所述的一种模拟河流有机氮矿化的实验装置中，其特征在于：控制溶解氧采用阶梯式控制，即采用若干台小型曝气机，每个曝气机分支为若干个支管，根据探头得到的数据，进行适当数目曝气支管的开闭，同时配备空气转子流量计。

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