CN107677506B - 一种悬浮物原位过滤浓缩取样装置 - Google Patents

Abstract

一种悬浮物原位过滤浓缩取样装置，属于水环境监测和研究领域，包括主体支撑框架、过滤筒体、内置采集控制系统的防水耐压舱、流量计、潜水泵、水深传感器、浊度传感器、上位机和动力电源。水体从过滤筒体顶部的止逆阀进水口进入过滤装置，悬浮物被截留在过滤桶内，过滤后的水体经流量计和潜水泵从出水口流出。本发明以过滤桶内的浊度传感器数值作为判断是否停止过滤的控制条件，过滤停止后可以获取过滤桶内的悬浮物浓缩液。过滤桶内安装搅拌器和导流片形成强大的对流循环，阻止悬浮物在膜表面沉积形成滤饼层，防止滤膜堵塞，极大缩短采样时间。本发明配合水深传感器和流量计可以实现在指定深度上的定量采样和悬浮物的原位富集，准确还原浓缩倍数；装置操作简单、信息化程度高，成本低。

Description

一种悬浮物原位过滤浓缩取样装置

技术领域

本发明属于水环境监测和研究领域，具体涉及一种通过搅拌和导流加快过滤速度的天然水体悬浮颗粒物快速浓缩和采集装置。

背景技术

2012年1月，国务院发布了《关于实行最严格水资源管理制度的意见》，提出加强饮用水水源保护。随着工业化、城镇化的深入发展，集中供水的需求越来越大，同时水源地水质的合格标准越来越高。悬浮物是指悬浮在水中的固体物质，包括不溶于水中的无机物、有机物及泥砂、黏土、微生物等，水中悬浮物含量是衡量水污染程度的指标之一，在湖泊内源释放和水环境变化中扮演着重要的角色。一般来说，悬浮物的多孔性结构使其吸附大量的污染物和营养元素，其中营养盐、重金属和有毒有害有机物的含量可能比沉积物中高几倍，是水体溶解态的几百倍，在悬浮物的分解、凝结过程中伴随着营养元素的释放，会使水体营养负荷增加，加剧水体富营养化。同时悬浮物浓度的增加是引起湖水透明度下降和光学衰减系数增大的主要原因，水体中悬浮物的存在会影响水体水色，增加对光辐射的衰减，从而降低水体透明度，进而改变水下光照强度分布，影响湖区浮游植物光合作用及初级生产力水平。研究水体悬浮物浓度的分布特征、影响因素以及悬浮物中污染物的种类、含量，对于提高水体透明度，改善水生态系统，探明水生生态系统中污染物的迁移转化以及与其相伴的生态效应，控制水体富营养化具有重要的现实意义。

由于天然水体中悬浮颗粒物浓度一般较小，对于水体中悬浮物的孔径、分形维数等物理特征，可以采集少量水样然后在显微镜下观察，但是要想测定悬浮颗粒物中污染物含量、种类以及形态，必须获取足够量的悬浮物才能开展分析测试，行之有效、方便快捷的悬浮物样品收集方法及收集装置，是研究水体悬浮物的基础。目前悬浮物的采集方式主要有两种。第一种是在现场用采水器采集水样后带回实验室用预先烘干称重处理的玻璃纤维滤纸过滤，烘干称重，获得悬浮物总重量。这种方法一般每个采样点需要采集5—10L以上的水样，低浓度以及痕量物质的检测甚至需要100多L，多个采样位置累积下来水样的总体积巨大，采样过程繁琐且需要大量的人工操作，收集的水样数量多、重量大、不易携带，采样周期长。第二种是通过潜水泵将水下指定位置处的水样抽取到采样船或岸边进行现场过滤。由于过滤水体中的悬浮物需要使用过滤装置、真空泵及多种实验器材协调操作，但采样现场环境恶劣，不具备实验条件，操作困难。而且过滤装置过滤缓慢，一个采样点收集足够的悬浮物就需要消耗大量时间，用这种方法在面积广阔的湖泊、水库上要想完成全部采样点的样本采集是不切实际的。

例如，中国专利公开号CN 202928846 U，公开日2013年5月8日的实用新型专利《一种自然水体悬浮物分级采集装置》，包括过滤组合套件、操控箱、潜水泵及水管，该装置通过水管连接潜水泵，然后将水泵送至水下抽水，抽取的水样直接在采样船上通过过滤组合套件以获取悬浮物样本，其同样存在上述不足。

本发明专利受到“国家自然科学基金仪器基础专项-水源水库水质多维保真采样设备项目(51327004)”的资助。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有采样装置及采样方法的不足，提供一套针对悬浮物浓度不高、水深较深的饮用水水源水库或湖泊，可以在水下原位过滤浓缩悬浮物的采样装置，本发明能够克服过滤过程中因滤膜堵塞而过滤速度不断下降的难题，同时具备水深测量、水体浊度测定的功能，自动化程度高，操作使用方便简单。

为了实现以上的功能，本发明的技术方案如下：

一种悬浮物原位过滤浓缩取样装置，包括主体支撑框架1、过滤筒体2、防水耐压舱3、流量计4、潜水泵5、水深传感器6、浊度传感器7、上位机8和动力电源9。所述的过滤筒体2通过法兰固定在主体支撑框架1上，防水耐压舱3、流量计4、潜水泵5和水深传感器6通过骑马螺栓固定在主体支撑框架1上，流量计4、浊度传感器7和搅拌器2-1-3分别与防水耐压舱3连接，由防水耐压舱3供电并处理流量计4、浊度传感器7的信号；浊度传感器7安装在过滤筒体2内。过滤筒体2底部的过滤桶出水口2-3-4通过水管依次与流量计4、潜水泵5相连。动力电源9通过电缆10与潜水泵5和搅拌器2-1-3连接，为其提供动力，上位机8控制潜水泵5的开启和闭合。本发明以过滤筒体2内的浊度传感器7数值作为判断是否停止过滤的控制条件，过滤停止后获取过滤筒体2内的悬浮物浓缩液。

水样通过桶盖2-1的进水口2-1-1进入后通过过滤层，水样中的悬浮物被截留在上筒体2-2内，过滤后的水体从下筒体2-3的过滤桶出水口2-3-4流出之后依次经过流量计4和潜水泵5，从出水口流出，防水耐压舱通过电缆10连接至上位机，将流量信号、水深信号和浊度信号传递至上位机8，上位机8实时显示流量信号、水深信号和浊度信号。

所述的过滤筒体是该装置的核心部分，包括桶盖2-1、上筒体2-2、下筒体2-3以及夹在上下筒体之间的过滤元件，桶盖2-1、上筒体2-2、下筒体2-3通过法兰盘式结构连接为一个整体，材质为有机玻璃。上筒体的下端盖2-2-3、下筒体的上端盖2-3-1、玻璃砂芯和滤膜组成过滤元件。所述的桶盖2-1为一圆形有机玻璃板，其上开有四个圆形的进水口2-1-1，进水口2-1-1处安装逆止阀2-1-2，逆止阀2-1-2用于防止过滤停止后浓缩水样从进水口处流出造成样本数据失真。搅拌器2-1-3由水下电机和旋转叶片组成，通过螺丝固定在桶盖2-1上，搅拌器2-1-3的转速高达400～800转/min，可以在过滤桶内形成高速水流不停地冲刷滤膜，防止悬浮物堆积在滤膜上堵塞滤膜孔，从而使过滤速度一直保持在较高水平。所述的上筒体2-2为有机玻璃筒，其内壁上安装有导流叶片2-2-1用来调整搅拌器2-1-3形成的高速水流的方向，更加有效地冲刷滤膜进而缓解滤膜堵塞，即设置导流叶片2-2-1能够实现均匀无堵塞过滤，有效地抑制溶质在膜表面的沉积，防止浮物堵塞滤膜孔，提高膜的通量并减缓了膜的通量衰减速率。上筒体下端设置下端盖2-2-3作为滤膜的上固定板，下端盖2-2-上开有四个直径80mm的圆孔，用来固定4个直径90mm的标准规格纤维滤膜，每个圆孔周围设置有O型密封圈2-2-4，保证滤膜紧密固定在上、下筒体之间。上筒体2-2侧面靠近底部上端盖2-3-1的位置设有一个放水孔2-2-2，并在放水孔2-2-2处安装阀门，用来将过滤浓缩后的悬浊液放入标准取样瓶中。所述的下筒体也由有机玻璃材料制成，下筒体的上端盖2-3-1为滤膜的下固定板，其上开有四个台阶孔2-3-2，每个台阶孔2-3-2内安放玻璃砂芯作为滤膜的支撑，玻璃砂芯片上的滤膜采用0.45μm孔径，可以实现对水体悬浮物的全部截留；上端盖边缘设置有密封圈2-3-3，保证上、下筒体之间的密封，防止过滤桶内的水样从侧面溢出。下筒体的下端设有倒喇叭形的过滤桶出水口2-3-4，倒喇叭形用于将过滤后的水体以较好的流态汇集到出水口。

所述的防水耐压舱3的主体是一个圆筒形的防水密封舱，内置防水开关、逻辑电源和控制单元。防水开关为防水、按压式的水下按钮，作为控制单元电源的主开关；逻辑电源为水深传感器6、浊度传感器7和流量计提供动力；控制单元以单片机为核心，负责处理浊度、深度、流量信号并传递至上位机。

所述的主体支撑框架1为不锈钢材质，保证强度和耐锈蚀性。

本发明设置的浊度传感器安装在过滤筒体内，由防水耐压舱内的逻辑电源供电，水样的浊度信号传递至防水耐压舱内的控制单元，经转化处理后通过电缆传递至上位机并在上位机界面上动态显示，可以实现对过滤桶内水样浊度数据的实时监控。本发明以水样的浊度作为是否停止过滤的判断条件，随着过滤的进行水样内的悬浮物被截留在过滤筒内，过滤筒内悬浮物浊度不断升高，当浊度达到提前设置的阈值后即停止过滤。

本发明设置的深度传感器通过骑马螺栓固定在主体支撑框架上，由防水耐压舱内的逻辑电源供电，深度信号传递至防水耐压舱内的控制单元，经转化处理后通过电缆传递至上位机并在上位机界面上动态显示，可以实现在指定深度处的定深采样。

本发明设置的流量传感器通过骑马螺栓固定在主体支撑框架上，由防水耐压舱内的逻辑电源供电，流量信号传递至防水耐压舱内的控制单元经转化处理后通过电缆传递至上位机并在上位机界面上动态显示，可以得到累积过滤水样的总体积，用于还原水样的初始悬浮物浓度。

本发明的优点：

(1)能够实现在现场原位浓缩水样中的悬浮物，每个取样点仅需收集1—2L悬浮物浓缩液，避免了携带大量的水样，获取悬浮物样本的同时可以采集样本的浊度数据；

(2)操作简单、自动化程度高，上位机可以实时显示采样深度、水样浊度和累计过滤水量，具有良好的交互界面和可操作性，可以实时监测采样装置的状态参数、控制采样装置动作，并且具有数据库操作功能。

(3)采样时间短、效率高，采取搅拌器和导流板的措施防止滤膜堵塞，过滤速度快、通量大，可节省大量的时间。

(4)防水耐压舱和上位机使本装置操作简单、信息化程度高，同时本装置的制作成本低廉。

附图说明

图1为水体悬浮物搅拌过滤浓缩采集装置的原理示意图。

图2为水体悬浮物搅拌过滤浓缩采集装置的实施例结构图；(a)为三点透视图，(b)为侧视图。

图3为上筒体的结构图；

图中：主体支撑框架1；过滤筒体2；防水耐压舱3；流量计4；潜水泵5；水深传感器6；浊度传感器7；上位机8；动力电源9；电缆10；

桶盖2-1；上筒体2-2；下筒体2-3；

进水口2-1-1；逆止阀2-1-2；搅拌器2-1-3；

导流叶片2-2-1；侧面放水孔2-2-2；下端盖2-2-3；O型密封圈2-2-4；

上端盖2-3-1；台阶孔2-3-2；密封圈2-3-3；过滤桶出水口2-3-4。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图详细叙述本发明专利的具体实施方式。

一种悬浮物原位过滤浓缩取样装置，包括主体支撑框架1、过滤筒体2、防水耐压舱3、流量计4、潜水泵5、水深传感器6、浊度传感器7、上位机8和动力电源9。所述的过滤筒体2通过法兰固定在主体支撑框架1上，防水耐压舱3、流量计4、潜水泵5和水深传感器6通过骑马螺栓固定在主体支撑框架1上，浊度传感器6安装在过滤筒体2内。过滤筒体2底部的过滤桶出水口2-3-4通过水管依次与流量计4、潜水泵5相连。动力电源9通过电缆10与潜水泵5和搅拌器2-1-3连接，为其提供动力，上位机9控制潜水泵5的开启和闭合，同时上位机界面上可以实时显示采样装置在水体中的实际深度、过滤桶内悬浮物浓缩液的浊度以及累计过滤水样的总体积。水样从过滤筒体顶部的止逆阀进水口进入过滤装置，悬浮物被截留在过滤桶内，过滤后的水体经流量计和潜水泵从出水口流出。本发明以过滤桶内的浊度传感器数值作为判断是否停止过滤的控制条件，过滤停止后可以获取过滤桶内的悬浮物浓缩液。过滤桶内安装搅拌器和导流片形成强大的对流循环，阻止悬浮物在膜表面沉积形成滤饼层，防止滤膜堵塞，极大缩短采样时间。本发明配合水深传感器和流量计可以实现在指定深度上的定量采样和悬浮物的原位富集，准确还原浓缩倍数。

一种水体悬浮物过滤浓缩采样装置进行取样时的步骤如下：

步骤1：进入预定的采样点，待船体稳定之后，首先组装过滤筒体2。如图2所示，过滤筒体2由顶盖2-1、上筒体2-2和下筒体2-3构成。首先将逆止阀2-1-2安装到顶盖进水口2-1-1上，然后通过螺丝将搅拌器2-1-3固定到顶盖上，然后把过滤筒顶盖2-1和上筒体2-2连接在一起，接下来把玻璃砂芯放到台阶孔2-3-2上，再把过滤膜放到玻璃砂芯上，；将下端盖密封圈2-2-4和上端盖密封圈2-3-3分布放到下端盖2-2-3和上端盖2-3-1上，最后把三者通过法兰连接，完成滤筒体2的组装。

步骤2：将过滤筒体2固定到主体支撑框架1上，然后依次将防水耐压舱3、流量计4、潜水泵5和水深传感器6通过骑马螺栓固定到主体支撑框架1上。用水管依次将下筒体出水口2-3-6、流量计4和潜水泵5连接，将浊度传感器7安装到过滤筒体2内。

步骤3：完成线路的连接，包括将流量计4、浊度传感器7和搅拌器2-1-3的线路分别连接到防水耐压舱，由防水耐压舱供电并处理流量计4、浊度传感器7的信号；

步骤4：完成装置的组装工作并调试顺利之后，将缆绳10固定到主体支撑框架1上。打开上位机8，将装置深入水体中，上位机8的界面上将会显示深度的变化。待采集装置到达指定深度以后，记录水体的初始浊度值，然后开启潜水泵5开始过滤。过滤筒体2内水样的浊度值不断升高，待其达到满足要求的阈值之后关闭潜水泵5，停止过滤，记录下上位机8界面上本次过滤的累积水样体积。

步骤5：将采样装置提升至采样船上，打开侧面放水孔2-2-2，将过滤筒体2内的悬浮物浓缩液采集到提前准备的标准采样瓶中，将样本带回实验室进行后续的化验分析。一个采样点的采集到此结束，在进行下一个采样点的采集之前，只需将过滤筒体2打开，更换滤膜后重新组装滤筒体2即可进行再次采样。

最后说明：本发明的实现方式不仅限于实施例描述的范围，可以在本发明的实质范围内进行各种修改和替换，本发明的保护范围视权利要求范围所界定。

Claims (9)

1.一种悬浮物原位过滤浓缩取样装置，其特征在于，包括主体支撑框架(1)、过滤筒体(2)、防水耐压舱(3)、流量计(4)、潜水泵(5)、水深传感器(6)、浊度传感器(7)、上位机(8)和动力电源(9)；所述的过滤筒体(2)通过法兰固定在主体支撑框架(1)上，防水耐压舱(3)、流量计(4)、潜水泵(5)和水深传感器(6)通过骑马螺栓固定在主体支撑框架(1)上，流量计(4)、浊度传感器(7)和搅拌器(2-1-3)分别与防水耐压舱(3)连接，由防水耐压舱(3)供电并处理流量计(4)、浊度传感器(7)的信号；浊度传感器(7)安装在过滤筒体(2)内；过滤筒体(2)底部的过滤桶出水口(2-3-4)通过水管依次与流量计(4)、潜水泵(5)相连；动力电源(9)通过电缆(10)与潜水泵(5)和搅拌器(2-1-3)连接，为其提供动力，上位机(8)控制潜水泵(5)的开启和闭合；

所述的过滤筒体(2)包括桶盖(2-1)、上筒体(2-2)、下筒体(2-3)以及夹在上下筒体之间的过滤元件，其中，上筒体的下端盖(2-2-3)、下筒体的上端盖(2-3-1)、玻璃砂芯和滤膜组成过滤元件；所述的桶盖(2-1)上开有四个圆形的进水口(2-1-1)，进水口(2-1-1)处安装逆止阀(2-1-2)，逆止阀(2-1-2)用于防止过滤停止后浓缩水样从进水口处流出造成样本数据失真；搅拌器(2-1-3)由水下电机和旋转叶片组成，固定在桶盖(2-1)上；所述的上筒体(2-2)内壁上安装导流叶片(2-2-1)，用来调整搅拌器(2-1-3)形成的水流方向，实现均匀无堵塞过滤；上筒体(2-2)侧面底部位置设有放水孔(2-2-2)，放水孔(2-2-2)处安装阀门，用来将过滤浓缩后的悬浊液放入标准取样瓶中；下筒体的下端设有过滤桶出水口(2-3-4)，将过滤后的水体汇集到出水口；

所述的防水耐压舱(3)内置防水开关、逻辑电源和控制单元；防水开关为防水、按压式的水下按钮，作为控制单元电源的主开关；逻辑电源为水深传感器(6)、浊度传感器(7)和流量计提供动力；控制单元以单片机为核心，负责处理浊度、深度、流量信号并传递至上位机(8)；

水样通过桶盖(2-1)的进水口(2-1-1)进入后通过过滤元件，水样中的悬浮物被截留在上筒体(2-2)内，过滤后的水体从下筒体(2-3)的过滤桶出水口(2-3-4)流出之后依次经过流量计(4)和潜水泵(5)，从出水口流出，防水耐压舱(3)将流量信号、水深信号和浊度信号传递至上位机(8)。

2.根据权利要求1所述的一种悬浮物原位过滤浓缩取样装置，其特征在于，所述的上筒体的下端盖(2-2-3)为滤膜的上固定板，其上开有用于固定标准规格纤维滤膜的圆孔；所述的下筒体的上端盖(2-3-1)为滤膜的下固定板，其上开有台阶孔(2-3-2)，台阶孔(2-3-2)内安放玻璃砂芯作为滤膜的支撑，玻璃砂芯片上的滤膜采用0.45μm孔径，能够实现对水体悬浮物的全部截留。

3.根据权利要求2所述的一种悬浮物原位过滤浓缩取样装置，其特征在于，所述的下端盖(2-2-3)上的每个圆孔周围设有O型密封圈(2-2-4)，保证滤膜紧密固定在上、下筒体之间；所述的上端盖(2-3-1)边缘设有密封圈(2-3-3)，保证上、下筒体之间的密封，防止过滤筒体(2)内的水样从侧面溢出。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种悬浮物原位过滤浓缩取样装置，其特征在于，所述的搅拌器(2-1-3)的转速为400～800转/min。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种悬浮物原位过滤浓缩取样装置，其特征在于，所述的过滤桶出水口(2-3-4)为倒喇叭形。

6.根据权利要求4所述的一种悬浮物原位过滤浓缩取样装置，其特征在于，所述的过滤桶出水口(2-3-4)为倒喇叭形。

7.根据权利要求1或2或3或6所述的一种悬浮物原位过滤浓缩取样装置，其特征在于，所述的主体支撑框架(1)的材质为不锈钢；所述的过滤筒体(2)中的桶盖(2-1)、上筒体(2-2)、下筒体(2-3)材质为有机玻璃。

8.根据权利要求4所述的一种悬浮物原位过滤浓缩取样装置，其特征在于，所述的主体支撑框架(1)的材质为不锈钢；所述的过滤筒体(2)中的桶盖(2-1)、上筒体(2-2)、下筒体(2-3)材质为有机玻璃。

9.根据权利要求5所述的一种悬浮物原位过滤浓缩取样装置，其特征在于，所述的主体支撑框架(1)的材质为不锈钢；所述的过滤筒体(2)中的桶盖(2-1)、上筒体(2-2)、下筒体(2-3)材质为有机玻璃。