CN106219747A

CN106219747A - 一种地下水中反硝化模拟系统气体产物的收集装置

Info

Publication number: CN106219747A
Application number: CN201610567057.9A
Authority: CN
Inventors: 赵丽; 付坤; 邢明飞; 王长园; 王敏; 毛宇翔; 夏大平; 孙艳芳; 王世东; 杨志斌
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2016-07-19
Filing date: 2016-07-19
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2036-07-19
Also published as: CN106219747B

Abstract

本发明公开了一种地下水中反硝化模拟系统气体产物的收集装置，属于水文地质和环境科学领域。整套装置采用排气法和排水法相结合的方式来收集、计量气体产物，包括依次连接的补液装置、反硝化模拟反应装置、排气装置、集气装置、排水装置和计量装置。设计的排气与反硝化模拟反应装置采用法兰连接，补液和反硝化模拟装置间以及排气、集气和排水装置间均以耐腐蚀橡胶软管连接，排水与计量装置通过短管连接，在导气管、橡胶软管和阀门接口处设有密封垫。本发明装置设计合理，操作简便，投资小，能有效模拟地下水的饱水含水层及厌氧环境，实现对气体产物N₂O、NO、N₂的动态变化监测，满足室内模拟研究地下水中反硝化机理的需要。

Description

一种地下水中反硝化模拟系统气体产物的收集装置

技术领域

本发明属于水文地质、地球科学、环境科学与工程研究技术领域，特别涉及一种在地下水中反硝化模拟系统的气体产物的收集装置。

背景技术

地下水是我国工农业及生活用水的主要来源，但土壤的不合理施肥、地下水资源的不合理开发及环境污染，均会导致地下水中硝酸盐含量的升高。在地下水的厌氧环境下，硝酸盐极易发生不完全反硝化作用从而导致亚硝酸盐、氧化亚氮等有毒有害物质的生成，其中生成的气态产物主要有氧化亚氮、氮气和一氧化氮。除了氮气（N₂）为惰性气体外，一氧化氮（NO）可引发酸雨的形成，氧化亚氮（N₂O）是《京都议定书》规定的温室气体，增温潜势是二氧化碳的290-310倍，对全球环境及气候变化具有重要的影响。并且氧化亚氮和一氧化氮还能破坏臭氧层从而对地球生物产生一定的伤害。

目前，地下水中反硝化机理的研究大多局限于“三氮”物质的转化、反硝化菌的测试，尚未有N₂O、NO等气体产物的收集模拟装置，主要原因在于地下水中反硝化反应过程复杂，生成的气体产物较多难于进行集中收集，从而导致这些气体的成分及含量也无法得知。目前对于N₂O等气态物质的排放规律研究也多局限于土壤、污水处理、滨河湿地及河口沉积物中。例如，闫旭等人设计的“监测污水好氧生物处理过程中氧化亚氮产生的模拟装置”，包括反应罐和设置于反应罐上的密封盖，密封盖上设有进样口和气体采样口，气体采样口与气态氧化亚氮监测系统相连，可测量污水好氧生物处理过程中N₂O的产生量和变化规律。吴洪生等人设计的“农业温室气体演示仪”，可演示农田温室气体甲烷、二氧化碳和氧化亚氮的产生和排放过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种地下水中反硝化模拟系统气体产物的收集装置，适用于模拟饱水带中硝酸盐在含水介质中发生反硝化作用时产生的气体的收集。

本装置采用向上排氦气法和排水法相结合的方式来收集、计量生成的气体产物体积并利用监测装置进行气体成分、浓度的测试。即先利用氦气密度小、化学性质稳定的性质将排气装置中的空气从上往下排出并通过监测排气装置出口处的氦气浓度以确保排气装置中空气的完全排除并充满氦气，以使排气装置内为常压并达到地下水模拟系统的厌氧环境的目的。生成的气体产物由于密度大于氦气促使集气装置提前充满的氦气由下往上排入到排水装置中，并利用氦气不溶于水的性质对排出的水分进行体积计量，即可得到气体产物的体积。通过在线取样监测得到混合气体的组成和含量，以便于对反硝化机理的深入研究。

所述的一种地下水中反硝化模拟系统气体产物的收集装置，包括补液装置、地下水中反硝化模拟装置、排气装置、集气装置、排水装置和计量装置。补液装置与反硝化模拟反应装置以耐腐蚀橡胶软管连接，排气装置与反硝化模拟反应装置通过法兰密闭连接，排气装置、集气装置及排水装置以耐腐蚀橡胶软管串联连接，排水装置顶部设有排水口，排水口与计量装置顶部通过短管连接，短管坡向计量装置以确保短管中不积水。

所述的反硝化模拟反应装置为圆柱形，底部通过法兰和法兰盖密闭连接，模拟反应装置中充填有研究区地下水含水层岩土介质，补液装置底部出液口与反硝化模拟反应装置底部法兰盖中心部位的进液管通过橡胶软管相连，使含水介质孔隙中始终充满目标溶液，以模拟饱水条件下的反硝化过程。

所述的排气装置为圆柱形，内径与反硝化模拟反应装置内径相等，在排气装置侧壁上设有压力表，便于监测装置内压力变化，装置侧壁顶部设有氦气进气管，在排气装置另一侧紧邻底部法兰处设有导气管和阀门，以便于对生成气体的及时收集。集气装置侧壁底部设有进气管和排气装置相连，进气管上设有气体取样口，在集气装置侧壁上设有压力表，顶部设有排气管和排水装置相连。

所述的排水装置内设有垂直设置的挡板，挡板与排水装置顶部可焊接或胶粘确保连接处不透水，并且挡板长度应小于排水装置的高度且大于其高度的2/3。挡板的设置可避免气流随水流一同从顶部排水口进入到计量装置中，从而确保气体体积计量的准确性。排水装置与计量装置底部应处于同一水平面上。计量装置顶部设有敞口设置的出气管，可通过计量水的容积得到生成的气体气量。

集气装置、排水装置和计量装置的有效容积应根据模拟反应装置中理论最大产气量来确定，集气装置体积要略大于反硝化模拟反应装置的理论最大产气量，且排水装置和计量装置的体积要略大于集气装置的体积。

耐腐蚀橡胶软管与装置导气管接口处均设有密封垫，同时使用封孔膜进一步密封以保持装置的气密性。各种导气管和阀门接口处以及耐腐蚀橡胶软管和阀门接口处均应设有密封垫，防止装置的漏气和泄气。

所述的一种地下水中反硝化模拟系统气体产物的收集装置，能够有效监测气体产物体积的动态变化过程，并可通过取样测试，分析监测产生的氮气、一氧化二氮、一氧化氮的浓度和含量。

本发明所提供的一种地下水中反硝化模拟系统气体产物的收集装置与现有技术相比有以下优点：（1）能有效模拟地下水的饱水含水层及厌氧环境；（2）装置采用排气和排水法相结合的方法，克服了水溶性气体和难溶气体难以同时收集的困难；（3）整套装置结构简单，操作简便，气密性好，投资小；（4）可有效实现对地下水中反硝化模拟系统中气体产物的动态变化监测，有助于对地下水中反硝化机理的研究。

附图说明

图1为本发明装置的整体结构示意图。

图2为排气装置底部、反硝化模拟反应装置顶部及底部法兰俯视图。

图3为反硝化模拟反应装置底部法兰盖俯视图。

图4为反硝化模拟反应装置底部法兰、法兰盖结构示意图。

图中：1-补液装置，2-目标溶液，3、19、28-耐腐蚀橡胶软管，4-氦气进气阀，5、30-氦气进气管，6、25-压力表，7-排气装置，8-排气装置底部法兰，9-反硝化模拟反应装置顶部法兰，10-反硝化模拟反应装置，11-含水介质，12-反硝化模拟反应装置底部法兰，13-反硝化模拟反应装置底部法兰盖，14-滤网，15-进液管，16-出气阀门，17-导气管，18、29-耐腐蚀橡胶软管阀门，20-进气管，21-气体取样口，22-气体取样口阀门，23-进气阀门，24-集气装置，26-排气阀门，27-排气管，31-排水装置，32-蒸馏水，33-挡板，34-排水口，35-连接短管，36-计量装置，37-出气管，38-螺栓孔。

具体实施方式

参见图1，所述的一种地下水中反硝化模拟系统气体产物的收集装置，包括补液装置1、排气装置7、反硝化模拟反应装置10、集气装置24、排水装置31和计量装置36。补液装置1与反硝化模拟反应装置10以耐腐蚀橡胶软管3连接；排气装置7与反硝化模拟反应装置10通过法兰8、9采用螺栓密闭连接，排气装置7与集气装置24以耐腐蚀橡胶软管19连接；集气装置24与排水装置31以耐腐蚀橡胶软管28连接；排水装置31顶部排水口34与计量装置36顶部通过短管35连接，连接短管35坡向计量装置36以确保短管中的水全部排入计量装置36、连接短管35中不积水。

参见图2，图3及图4，反硝化模拟反应装置10为圆柱形，底部法兰12、法兰盖13、顶部法兰9及排气装置底部法兰8上均匀设置有6个螺栓孔，反硝化模拟反应装置10底部法兰盖13中心设有进液管15，反硝化模拟反应装置10底部法兰、法兰盖间垫有橡胶垫并通过螺栓连接，反硝化模拟反应装置10顶部法兰及排气装置底部法兰间垫有橡胶垫并通过螺栓密闭连接，以确保模拟装置的气密性、有效防止漏气及漏水。

参见图1，反硝化模拟反应装置10中充填有含水介质11，所述含水介质为研究区地下水含水层岩土介质，按照实验要求填充于装置10内。补液装置1底部出液口与反硝化模拟反应装置10底部进液管15通过橡胶软管3相连，确保补液装置中水位高度h与反硝化模拟反应区土柱高度H相等，以使含水介质孔隙中始终充满目标溶液，达到模拟饱水条件下的反硝化反应的目的。

参见图1，排气装置7为圆柱形，内径与反硝化模拟反应装置10内径相等，装置7侧壁上设有压力表6，便于监测装置内的压力变化。装置7侧壁顶部设有氦气进气管5和阀门4，在排气装置7另一侧紧邻底部法兰8处设有导气管17和阀门16，确保反硝化模拟反应装置填充含水介质11顶部略低于导气管17所在高度，由于装置6内提前充满有氦气、反应生成的N₂、N₂O、NO等气体密度均大于氦气，并且整套装置连通后均为常压，因此生成的气体可及时从导气管17排入集气装置24。

参见图1，集气装置24侧壁底部设有进气管20和阀门23，并在侧壁上设有压力表25，以监控集气装置24内气压。集气装置24顶部设有排气管27。进气管20上设有气体取样口21和阀门22。

参见图1，排水装置31顶部设有氦气进气管30，排气管27与氦气进气管30通过耐腐蚀橡胶软管28相连。排水装置31内设有垂直设置的挡板33，挡板33一侧与进气管30相连排水装置的容积大于挡板33另一侧与排水口35相连排水装置容积的2/3，挡板33与排水装置31顶部可焊接或胶粘确保连接处不透水，并且挡板长度应小于排水装置31高度且大于其高度的2/3。反硝化模拟反应装置产生的气体排入装置24，并通过压差将集气装置24事先充满的氦气排入到排水装置31中，由于氦气不溶于水，可将排水装置中的水分通过挡板底部压入计量装置36。挡板的设置可避免气流随水流一同从顶部排水口34进入到计量装置36中，从而确保气体体积计量的准确性。

参见图1，排水装置31与计量装置36底部应处于同一水平面上，便于准确读取排水装置中蒸馏水的体积。计量装置36上有敞口设置的出气管37，以使整套装置内外的气压一致，计量装置36上标有体积刻度线，便于计量装置中蒸馏水体积，利用氦气的难溶水性，可通过计量水的容积得到生成的气体气量。

集气装置24、排水装置31和计量装置36的有效容积应根据模拟反应装置10中的理论最大产气量来确定，集气装置24体积要略大于反硝化模拟反应装置10的理论最大产气量，且排水装置31和计量装置36的体积要略大于集气装置24的体积，防止当最大产气量大于排水装置36内蒸馏水体积时气体从计量装置逸出，从而导致气体体积计量结果的不准确。

参见图1，所述装置中耐腐蚀橡胶软管19、28在各自靠近导气管17、氦气进气管30一端分别设有阀门18和29，以避免装置排气时空气的进入、确保装置10内的厌氧环境。耐腐蚀橡胶软管19和28与装置导气管17、20和27、30接口处均设有密封垫，同时使用封孔膜进一步密封以确保装置的气密性。导气管5、17、20、21、27和阀门4、16、23、22、26接口处以及耐腐蚀橡胶软管19、28和阀门18和29接口处均应设有密封垫，防止装置的漏气和泄气。

在进行地下水中反硝化模拟系统气体产物的收集时，按照以下步骤进行。

实验前反硝化模拟反应装置10底部法兰、法兰盖间垫有橡胶垫并通过螺栓连接，在反硝化模拟反应装置10中填充满研究区含水介质11，反硝化模拟反应装置10顶部法兰及排气装置底部法兰间垫有橡胶垫并通过螺栓密闭连接，然后向补液装置1中加入目标溶液，补液装置1底部出液口与反硝化模拟反应装置10底部进液口15通过橡胶软管3相连，补液装置中目标溶液的高度h应与反硝化模拟反应区土柱高度H相等，以使含水介质孔隙中始终充满目标溶液，达到模拟饱水条件下的反硝化反应的目的。在实验过程中要及时向装置1中补液，确保10中的含水介质始终处于饱水状态。

将氦气进气管5与氦气瓶通过耐腐蚀橡胶软管连接，依次打开氦气瓶的阀门、氦气进气阀门4和出气阀门16，控制氦气的进气流速，利用氦气密度小于空气的性质，将排气装置7中的空气逐渐通过导气管17排出。当在导气管17处用便携式氦气监测仪采用自动吸引式取样监测到此处氦气的浓度与氦气瓶一致时，说明排气装置7内空气已被排完并已充满氦气，然后依次关闭氦气瓶的阀门、氦气进气阀门4和出气阀门16，保持装置内为常压，以模拟地下水中反硝化反应所需要的厌氧环境。

将进气管20与耐腐蚀橡胶软管19相连、排气管27与耐腐蚀橡胶软管28相连，然后将耐腐蚀橡胶软管28与氦气瓶阀门相连，依次打开氦气瓶阀门、耐腐蚀橡胶软管阀门29、阀门23及耐腐蚀橡胶软管阀门18。利用氦气密度小于空气的性质，将集气装置24中的空气逐渐通过耐腐蚀橡胶软管19排出。当在耐腐蚀橡胶软管阀门18出口处用便携式氦气监测仪采用自动吸引式取样监测到此处氦气浓度与氦气瓶一致时，说明集气装置24及连接管道28、20和19内空气已被排完，最后依次关闭氦气瓶阀门、耐腐蚀橡胶软管阀门29及耐腐蚀橡胶软管阀门18，以保证装置及连通管道内充满了氦气，排除系统内残余空气对测试的干扰。

从氦气进气管30处将排水装置31充满蒸馏水。然后将耐腐蚀橡胶软管19与导气管17相连，耐腐蚀橡胶软管28与氦气进气管30相连，接口处设有密封垫，同时接口处使用封孔膜进一步密封。最后依次打开出气阀门16、耐腐蚀橡胶软管阀门18、耐腐蚀橡胶软管阀门29，即可开始地下水反硝化气体产物模拟收集实验。

模拟反应开始后，生成的气体产物通过导气管17排入集气装置24内，由于气体产物密度大从而使集气装置24内事先充满的密度较小的氦气进入排水装置31，然后氦气压迫排水装置31中的蒸馏水进入计量装置36，计量装置36内收集的蒸馏水的体积即为反硝化气体产物的体积。在产气量小于理论最大产气量时间范围内，可有效计量气体产物体积的动态变化过程，并可通过气体取样口21的取样测试，分析监测产生的氮气、一氧化二氮、一氧化氮的浓度和含量。

本装置具有如下效果：能有效模拟地下水的饱水含水层环境，整套装置结构简单，操作简便，投资小。在没有超出本申请精神和实质的各种修正、变形和替换都落入到本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种地下水中反硝化模拟系统气体产物的收集装置，其特征在于：至少包括补液装置（1）、排气装置（7）、反硝化模拟反应装置（10）、集气装置（24）、排水装置（31）和计量装置（36），补液装置（1）与反硝化模拟反应装置（10）以耐腐蚀橡胶软管（3）连接；排气装置（7）与反硝化模拟反应装置（10）通过法兰（8）、（9）采用螺栓密闭连接，排气装置（7）与集气装置（24）以耐腐蚀橡胶软管（19）连接；集气装置（24）与排水装置（31）以耐腐蚀橡胶软管（28）连接；排水装置（31）顶部排水口（34）与计量装置（36）顶部通过短管（35）连接，连接短管（35）坡向计量装置（36）。

2.根据权利要求1所述的一种地下水中反硝化模拟系统气体产物的收集装置，其特征在于：反硝化模拟反应装置（10）为圆柱形，底部法兰（12）、法兰盖（13）、顶部法兰（9）及排气装置底部法兰（8）上均匀设置有6个螺栓孔，反硝化模拟反应装置（10）底部法兰盖（13）中心设有进液管（15），反硝化模拟反应装置（10）底部法兰（12）、法兰盖（13）间垫有橡胶垫并通过螺栓连接，反硝化模拟反应装置（10）顶部法兰（9）及排气装置底部法兰（8）间垫有橡胶垫并通过螺栓密闭连接。

3.根据权利要求1所述的一种地下水中反硝化模拟系统气体产物的收集装置，其特征在于：反硝化模拟反应装置（10）中充填有研究区地下水含水介质（11），补液装置（1）底部出液口与反硝化模拟反应装置（10）底部进液管（15）通过橡胶软管（3）相连，确保补液装置中水位高度h与反硝化模拟反应区土柱高度H相等，模拟饱水条件下的反硝化过程。

4.根据权利要求1所述的一种地下水中反硝化模拟系统气体产物的收集装置，其特征在于：排气装置（7）为圆柱形，内径与反硝化模拟反应装置（10）内径相等，装置（7）侧壁上设有压力表（6），便于监测装置内的压力变化，装置（7）侧壁顶部设有氦气进气管（5）和阀门（4），在排气装置（7）另一侧紧邻底部法兰（8）处设有导气管（17）和阀门（16），确保反硝化模拟反应装置填充含水介质（11）顶部略低于导气管（17）所在高度，生成的气体可及时从导气管（17）排入集气装置（24）。

5.根据权利要求1所述的一种地下水中反硝化模拟系统气体产物的收集装置，其特征在于：集气装置（24）侧壁底部设有进气管（20）和阀门（23），并在侧壁上设有压力表（25），集气装置（24）顶部设有排气管（27），进气管（20）上设有气体取样口（21）和阀门（22）。

6.根据权利要求1所述的一种地下水中反硝化模拟系统气体产物的收集装置，其特征在于：排水装置（31）顶部设有氦气进气管（30），排气管（27）与氦气进气管（30）通过耐腐蚀橡胶软管（28）相连，排水装置（31）内设有垂直设置的挡板（33），挡板（33）一侧与进气管（30）相连排水装置的容积大于挡板（33）另一侧与排水口（35）相连排水装置容积的2/3，挡板（33）与排水装置（31）顶部可焊接或胶粘确保连接处不透水，并且挡板长度应小于排水装置（31）高度且大于其高度的2/3，反硝化模拟反应装置产生的气体排入装置（24），并通过压差将集气装置（24）事先充满的氦气排入到排水装置（31）中，排水装置（31）中的水分通过挡板底部压入计量装置（36）。

7.根据权利要求1所述的一种地下水中反硝化模拟系统气体产物的收集装置，其特征在于：排水装置（31）与计量装置（36）底部应处于同一水平面上，计量装置（36）上有敞口设置的出气管（37），以使整套装置内外的气压一致，计量装置（36）上标有体积刻度线，可通过计量水的容积得到生成的气体气量。

8.根据权利要求1所述的一种地下水中反硝化模拟系统气体产物的收集装置，其特征在于：集气装置（24）、排水装置（31）和计量装置（36）的有效容积应根据模拟反应装置（10）中的理论最大产气量来确定，集气装置（24）体积要略大于反硝化模拟反应装置（10）的理论最大产气量，且排水装置（31）和计量装置（36）的体积要略大于集气装置（24）的体积。

9.根据权利要求1所述的一种地下水中反硝化模拟系统气体产物的收集装置，其特征在于：耐腐蚀橡胶软管（19）、（28）在各自靠近导气管（17）、氦气进气管（30）一端分别设有阀门（18）和（29），耐腐蚀橡胶软管（19）和（28）与装置导气管（17）、（20）和（27）、（30）接口处均设有密封垫，同时使用封孔膜进一步密封，导气管（5）、（17）、（20）、（21）、（27）和阀门（4）、（16）、（23）、（22）、（26）接口处以及耐腐蚀橡胶软管（19）、（28）和阀门（18）和（29）接口处均应设有密封垫。

10.根据权利要求1～9任一项所述的装置，其特征在于：实验前反硝化模拟反应装置（10）中填充满研究区含水介质（11），反硝化模拟反应装置（10）顶部与排气装置通过法兰密闭连接，装置（10）底部采用法兰、法兰盖密闭，向补液装置（1）中加入目标溶液，补液装置（1）底部出液口与反硝化模拟反应装置（10）底部进液口（15）通过橡胶软管（3）相连，使岩土介质孔隙中始终充满目标溶液，以模拟饱水条件下的反硝化反应，从氦气进气管（5）通入氦气，利用氦气密度小于空气的性质，将排气装置（7）中的空气逐渐通过导气管（17）排出并充满氦气，以模拟地下水中反硝化反应所需要的厌氧环境，将集气装置（24）、连接管道（20）和（27）、耐腐蚀橡胶软管（19）和（28）中的空气逐渐排出并充满氦气，排水装置（31）中充满蒸馏水；然后将耐腐蚀橡胶软管（19）与导气管（17）相连，耐腐蚀橡胶软管（28）与氦气进气管（30）相连，接口处设有密封垫，同时接口处使用封孔膜进一步密封；依次打开出气阀门（16）、耐腐蚀橡胶软管阀门（18）、耐腐蚀橡胶软管阀门（29），即可开始地下水反硝化气体产物模拟收集实验；生成的气体产物通过导气管（17）排入集气装置（24）内，集气装置内事先充满的密度较小的氦气被排入排水装置（31），在压差作用下排水装置（31）中的蒸馏水进入计量装置（36），计量装置（36）内收集的蒸馏水的体积即为反硝化气体产物的体积，在产气量小于理论最大产气量时间范围内，可有效计量气体产物体积的动态变化过程，通过气体取样口（21）的取样、分析监测产生的氮气、一氧化二氮、一氧化氮的浓度和含量。