CN110967279A - 一种模拟近海水-沉积物中污染物迁移转化行为的实验装置、实验方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟近海水‑沉积物中污染物迁移转化行为的实验装置及实验方法，可便于进行污染物在近海环境中迁移转化行为的模拟实验和研究。该实验装置由三部分组成：外源污染物储存室、水源输送系统和泥水交换装置。本装置可以方便、准确地实现污模拟染物输入及系统停留，水及沉积物样品的采集，并且可根据实验要求，做出不同规格的实验装置。

Description

一种模拟近海水-沉积物中污染物迁移转化行为的实验装置、 实验方法及其应用

技术领域

本发明涉及环境技术领域，特别是涉及一种模拟近海水-沉积物中污染物迁移转化行为的实验装置及实验方法。

背景技术

海岸带作为生态系统的重要组成部分，不仅可以作为经济带，还可以作为生态旅游区，具有重要的经济、文化、景观等功能。近海水体通常紧邻经济高速发展地区，城市化和工业化的过程同时为近岸海域带来严重的负面影响，尤其河流及海岸地区各类污染物未经处理直接或间接地排入，使沿近岸地区成为了直接的纳污体。入海河口的许多特性影响着近海水域，且由于水体运动的连续性，测验方法和分析技术上的相似，往往把河口和其邻近海岸水体综合起来研究，因此它是海岸带的组成部分。

污染物通过水体传播，最终进入沉积物。由于水-沉积物两相介质及其界面的物理化学和生物作用，致使不同介质中环境指标产生差异，进而影响污染物的消减作用。因此研究污染物在水-沉积物之间的迁移和转化及不同介质中的生物指标、理化指标和污染指标的变化特征至关重要。而对该系统的模拟也是这一研究中的关键关节。

目前已有的研究河口区域的实验装置有以下几种类型：

1.一种模拟滩涂鱼类栖息生境的受控实验装置和构建方法，公开号CN107907627A，利用养殖箱-水位调节装置来模拟河口区域生境；

2.一种模拟往复流河道原位底泥再悬浮的装置，公开号CN204982777U，利用多级水箱和水槽来模拟河口区域水体流动；

3.多类型河道交汇口水流特性研究的实验装置及实验方法，公开号CN106803388A，利用Y型对称单元和水池来模拟多河道交叉河口区域水体流动。

这些方法可以有效的模拟所述的河口区域生境或水体流动，达成某些方面的实验目的。但装置成本高，结构复杂，占用空间大，不适合实验室应用和教学。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种模拟近海水-沉积物中污染物迁移转化行为的实验装置及实验方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种模拟近海水-沉积物中污染物迁移转化行为的实验装置，包括用于存储水体的存储容器、用于泥水交换的泥水交换容器以及用于将污水从所述存储容器内导入所述泥水交换容器内的输水管，所述输水软管上串接有蠕动泵，所述泥水交换容器的底部铺设有沉积层，侧壁上形成有与其相连通的溢流口。

在上述技术方案中，所述输水软管的出水口延伸至所述泥水交换容器的底部，并且用软管夹固定在所述泥水交换容器上。

在上述技术方案中，所述泥水交换容器的有效体积为模拟海水的流速与污染物停留时间的乘积，所述有效体积为所述泥水交换容器的底面积与所述溢流口至所述泥水交换容器地面的乘积。

在上述技术方案中，所述泥水交换容器的顶部设有光源。

本发明的另一方面，还包括一种利用所述实验装置模拟近海水-沉积物中污染物迁移转化行为的实验方法，包括以下步骤：

步骤1，向所述泥水交换容器底部铺设沉积物，并利用蠕动泵将净水注满泥水交换容器，使系统运行前达到平衡状态备用；

步骤2，根据模拟河口近海区域潮汐运动速度确定污染物的输入速度；

步骤3，利用软管夹将输水软管固定在溢流口对面的位置，使软管紧贴内壁下延至泥水交换容器的底部；

步骤4，将外源污染物水体加入存储容器中，启动蠕动泵，在运行时间中，于不同时间点分别取水样和沉积物样，分析水样和沉积物样中的污染物浓度，以分析污染物迁移转化行为。

在上述技术方案中，所述步骤1中的沉积物为海底污泥。

在上述技术方案中，当所述需求沉积物为厌氧环境时，沉积物的厚度大于1.2cm。

在上述技术方案中，所述步骤4中的所述外源污染物可为酞酸酯、多环芳烃或重金属等。

在上述技术方案中，所述步骤4中的运行时间不少于该污染物在模拟环境水体中的停留时间。

本发明的另一方面，还包括所述实验装置模拟近海水-沉积物中污染物迁移转化行为中的应用。

在上述技术方案中，所述实验装置取样得到的水样和沉积层样中的污染物的实测值与利用Ⅲ级稳态和Ⅳ级非稳态逸度模型得到的污染物的预测值之间的差异在25％以内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.降低模拟实验的成本；

2.占用空间小，适于实验室模拟；

3.需求动力低且可控；

4.可以根据实验需求更换配套设施，包括外源污染物储存室、水源输送系统和泥水交换装置；

5.配合多介质逸度模型进行实验模拟和分析。

附图说明

图1所示为本发明的实验装置的结构示意图。

图2所示为泥水交换机构的剖面图。

图3所示为泥水交换机构的俯视图。

图4所示为模型示意图。

图5所示为污染物迁移转化示意图。

图6水样中的DBP浓度及模拟值。

图7所示为沉积物样中的DBP浓度及模拟值。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种模拟近海水-沉积物中污染物迁移转化行为的实验装置，包括用于存储外源污染物的存储容器1、用于泥水交换的泥水交换容器5以及用于将污水从所述存储容器1内导入所述泥水交换容器5内的输水管2，所述输水软管2上串接有蠕动泵，所述泥水交换容器5的底部铺设有沉积层6，侧壁上形成有与其相连通的溢流口4。

在上述技术方案中，所述输水软管2的出水口延伸至所述泥水交换容器5的底部，并且用软管夹3固定在所述泥水交换容器5上。

在上述技术方案中，所述泥水交换容器5的有效体积为模拟海水的流速与污染物停留时间的乘积，所述有效体积为所述泥水交换容器5的底面积与所述溢流口4至所述泥水交换容器5地面的乘积。

在上述技术方案中，所述泥水交换容器5的顶部设有光源。

实施例2

本实施例中污染物选用邻苯二甲酸二丁酯。

一种利用所述实验装置模拟近海水-沉积物中污染物迁移转化行为的实验方法，包括以下步骤：

步骤1：根据该实验的上覆水水柱和沉积物层的系统结构比例和底栖微藻向沉积物深层释氧的辐射范围要求(沉积物厚度≤0.5cm)，订制的泥水交换容器5的尺寸为壁厚0.5cm，内径10cm，内高15cm，器皿内部底面具出水口下端10.5cm，溢流口内径0.5cm。以保证在8天的实验运行期间，上覆水和沉积物的体积分别达到785mL和39.25mL。

步骤2：根据向泥水交换容器底部预先铺设48g沉积物，铺平形成一定厚度的均匀沉积物层；然后向水体表面均匀植入密度为2.5x 10⁵cell/cm³的底栖微藻，以达到近海地区底栖微藻的平均生长水平；并利用蠕动泵将水缓慢注入装置中，使系统运行前达到平衡状态备用；

步骤3：根据泥水交换容器5中水的体积以及实验所要求的污染物停留时间(约55h)，计算出固定的水源输入速度为14.85mL/h，以此模拟海河口近海区域潮汐等水体运动决定的污染物在该区域的停留时间，选择水源输送系统的软管内径及蠕动泵型号确保该流速稳定；

步骤4：联接装置各部分，并利用软管夹3将输水软管2固定在出水口对面的位置，使输水软管2紧贴内壁下延至适当位置；

步骤5：选择5L的玻璃烧杯作为外源污染物储存室，并使含有2.0mg/L邻苯二甲酸二丁酯(DBP)的人工海水作为外源污染物；

步骤6：打开蠕动泵，运行实验装置实验共运行192h，分别于0、12、24、48、72、96、120、144、168、192h处取水样，分别于0、24、72、120、192h处取沉积物样，水样和沉积物样中的DBP浓度如图6-7所示。

步骤7：结合Ⅲ级稳态和Ⅳ级非稳态逸度模型，进行模拟计算，结算结果如图6-7所示。

模型、模型示意图及其所涉及的概念和参数如下：

1.稳态和平衡

稳态，是指多介质环境中各相介质的状态和性质不是随时间的变化而变化的，而是处于恒定状态的。如果某个环境系统随着时间变化相对缓慢，也可以近似看作稳态。

平衡，则是指物质在每一相的浓度(或温度、压力)保持稳定，并且没有在各相间发生质量净迁移的趋势。

2.逸度

C＝Zf

C：污染物浓度，单位mg/L或mg/kg；

Z：逸度容量，它是一个常数，是由温度、压力、物质的性质以及物质所在相的性质决定的，单位为mol/m3·Pa

f：逸度，单位Pa。表征的是物质从某介质中脱离出来的一种的倾向。系统在平衡时，逸度是相等的。

3.迁移参数

D为迁移参数。D值大小表示的是质量传输过程的快慢，即D值越大，传输速率越快。

4.逸度模型(模型示意图见图4；污染物迁移转化示意图见图5)

4.1Ⅲ级稳态多介质逸度模型

a.水相：E_w+f_s(D_sw+D_Re)-f_w(D_ws+D_wR+D_out+D_D+D_v)＝0

b.沉积物相：f_w(D_ws+D_D)-f_s(D_sR+D_sw+D_Re)＝0

4.2Ⅳ级非稳态多介质逸度模型

a.水相：df_w/d_t＝[E_w+f_s(D_sw+D_Re)-f_w(D_ws+D_wR+D_out+D_D+D_v)/(V_wZ_w)

b.沉积物相：df_s/d_t＝[f_w(D_ws+D_D)-f_s(D_sR+D_sw+D_Re)]/(V_sZ_s)

4.3多介质逸度模型参数(所涉及的模型参数见表1)

模型参数来源均为文献和实验测得，公式如下：

a.逸度f

f_w＝C/Z_w，其中Z_w＝1/H

其中：

H为亨利系数。

f_s＝C/Z_s，其中Z_s＝K_ocf_ocρ_s/H

其中：

K_oc为污染物的水-沉积物有机碳分配系数，单位L/kg；

f_oc有机碳百分数；

ρ_s为沉积物密度，单位kg/dm³；

H为亨利系数。

b.迁移系数D

D₁₂＝1/[1/(K₁AZ₁)+1/(K₂AZ₂)]

其中：

D₁₂：相邻两相间物质的迁移系数，单位为mol/Pa·h；

K：两相间传质系数，单位为m/h；

A：两相间的界面面积，单位为m²；

Z：物质在相1和相2的逸度容量，单位为mol/m³。

表1涉及的模型参数

1.根据图6、7所示，系统运行192h之后，水中和沉积物中的DBP实测值分别为0.244mg/L和0.784mg/kg。根据Ⅳ级非稳态多介质逸度模型进行计算，192h时水中和沉积物中的DBP预测值分别为0.291mg/L和1.030mg/kg。

计算过程如下：

根据公式C＝Zf以及4.2中的模型计算出C：

Z_w：DBP在水中的逸度容量，Z_w＝1/H，H为亨利系数，计算得到1.13×10⁶mol/m³·Pa

E_w：源排放，1.08×10^-7mol/h(通过计算14.58×10^-3L/h×2.06×10^-3g/L/278.34得到)

f_s：沉积物相中的逸度，单位为Pa，可计算出t＝0时

f_w：水相中的逸度，单位为Pa，可计算出t＝0时

D_Re：沉积物相再悬浮过程中的迁移参数，D_Re＝U_sA_sZ_s

U_s：沉积物再悬浮速率，2.08×10^-6m/h

A_s：水和沉积物之间的界面面积，0.0079m²

Z_s：DBP在沉积物相中的逸度容量，Z_s＝K_ocf_ocρ_s/H

K_oc：DBP的水-悬浮颗粒有机碳分配系数，20992.3L/kg

f_oc：有机碳百分数，0.48％

ρ_s：1.69kg/dm³

H：8.83×10^-7Pa·m³/mol

计算得到，Z_s为1.93×10⁸mol/m³·Pa

计算得到，D_Re为3.15mol/Pa·h

D_ws：DBP从水相向沉积物相的迁移参数，D_ws＝1/[1/(K_wsA_sZ_w)+Y_s/(B_sA_sZ_w)]

K_ws：水和沉积物之间的传质系数，0.01m/h

A_s：水和沉积物之间的界面面积，0.0079m²

Z_w：DBP在水中的逸度容量，1.13×10⁶mol/m³·Pa

Y_s：沉积物中的平均扩散深度，0.015m

B_s：孔隙水中有效扩散系数，1.41×10^-6m²/h

计算得到，D_ws为0.83mol/h·Pa

D_sw：DBP从沉积物相向水相的迁移参数，D_sw＝D_ws

D_wR：DBP在水相中降解过程的迁移参数，D_wR＝K_wRV_wZ_w

K_wR：DBP在水相降解速率常数，0.025

V_w：水相体积，0.8×10^-3m³

Z_w：DBP在水相中的逸度容量，1.13×10⁶mol/m³·Pa

计算得到D_wR为22.20mol/h·Pa

D_out：水体平流出系统的迁移参数，D_out＝G_outZ_w

G_out：水体平流迁入速率，14.58×10^-6m³/h

Z_w：DBP在水相中的逸度容量，1.13×10⁶mol/m³·Pa

计算得到，D_out为16.48mol/h·Pa

D_D：悬浮物向沉积物相沉降过程的迁移参数，D_D＝U_spmA_sZ_spm

U_spm：水中悬浮颗粒物的沉降速度，2.08×10^-6m/h

A_s：水和沉积物之间的界面面积，0.0079m2

Z_spm：DBP在悬浮颗粒物中的逸度容量，Z_spm＝K_ocf_ocρ_spm/H

K_oc：DBP的水-悬浮颗粒有机碳分配系数，20992.3L/kg

f_oc：有机碳百分数，20％

ρ_spm：1.69kg/dm³

H：8.83×10^-7Pa·m³/mol

计算得到，Z_spm为8.04×10⁹mol/m³·Pa

计算得到，D_D为1.31×10²mol/h·Pa

D_v：水相挥发，D_v＝1/[1/(K_vAA_wZ_A)+1/(K_vwA_wZ_w)]

K_vA：水-气界面中空气侧传质系数，K_vA＝3.6+5U1.2(U为水面上方10m处风速，U＝0)，计算得到3.6m/h

A_w：水和空气之间的界面面积，0.0079m²

Z_A：DBP在空气中的逸度容量，ZA＝1/RT

R：理想气体常数，8.31Pa·m³/mol·K

T：温度，293K

计算得到Z_A为0.41×10^-3mol/m³·Pa

K_vw：水-气界面中水侧传质系数，K_vA＝0.0036+0.01U1.2(U＝0)，计算得到0.0036m/h

Z_w：DBP在水相中的逸度容量，1.13×10⁶mol/m³·Pa

计算得到D_v为1.16×10^-5mol/h·Pa

D_sR：DBP在沉积物相中降解过程的迁移参数，Ds_R＝K_sRV_sZ_s

K_sR：DBP在沉积物相降解速率常数，0.0112

V_s：沉积物相体积，39.25×10^-6m³

Z_s：DBP在沉积物相中的逸度容量，Z_s＝K_ocf_ocρ_s/H

K_oc：DBP的水-悬浮颗粒有机碳分配系数，20992.3L/kg

f_oc：有机碳百分数，0.48％

ρ_s：沉积物密度，1.69kg/dm³

H：8.83×10^-7Pa·m³/mol

计算得到Z_s为1.93×10⁸mol/m³·Pa

计算得到D_sR为84.8mol/Pa·h

V_s：沉积物相的体积，39.25×10^-6m³

V_w：水相的体积，0.8×10^-3m³

预测值与实测值之间差异在25％以内。在192h内所采集的水样中DBP的含量及变化趋势与预测值基本吻合；由于系统构建时，上覆水中没有投加额外的DBP，且软管口接近沉积物表层，因而导致当系统开始运行阶段，高浓度的DBP源先由水体底部进入系统，然后随着水体置换慢慢扩散，因而导致24h时的沉积物样品DBP浓度过高。随着系统持续运行，DBP含量恢复到正常水平，且与预测趋势基本吻合。说明该装置能够很好的模拟近海河口地区DBP的迁移转化行为及趋势。

2.当Ⅳ级非稳态多介质逸度模型中df_w/d_t以及df_s/d_t均等于0时，得到Ⅲ级稳态多介质逸度模型，然后进行计算，得到的DBP在该装置模拟的环境中达到稳态时的迁移和转化结果(见图5)。结果表明，当外源DBP进入系统后，出现了三个去向：1)随着水体流动平流迁出系统；2)在水中转化(分解)；3)向沉积物中迁移。而迁移进入沉积物的DBP，一部分被转化(分解)，另外一部分继续积累，直到系统转化和迁移速率一致时达到稳态，使沉积物成为DBP的汇。DBP在该装置模拟的环境中达到稳态时，水中和沉积物中的DBP预测值分别为0.291mg/L和1.134mg/kg。参数计算同1。说明DBP在持续输入192h时，水中的状态已经稳定，而沉积物中的状态趋于稳定。当DBP达到该环境的稳态时，根据公式Df/E_w分别得到平流迁出(D_outf_w/E_w)、水相中的转化(D_wRf_w/E_w)和沉积物相中的转化(D_sRf_s/E_w)计算平流迁出、水相中的转化和沉积物相中的转化分别占总输入的25.5％、34.3％和40.2％；同时，水相和沉积物相中的逸度f分别为9.26x 10^-10和3.57x 10^-11，在系统中DBP保持着由水向沉积物迁移的趋势，表明由于迁移进入沉积物的DBP不断的被转化，使得沉积物中DBP的积累没有达到饱和，从而导致了这种趋势的存在。结果表明，DBP在环境中的转化在归趋中占主体地位；沉积物中的转化在该系统中占主导地位，也是驱动DBP从水相向沉积物相迁移的主控力。说明该装置与模型结合，能够探明影响DBP归趋的主控过程。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，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，还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 (10)

1.一种模拟近海水-沉积物中污染物迁移转化行为的实验装置，其特征在于，包括用于存储水体的存储容器、用于泥水交换的泥水交换容器以及用于将污水从所述存储容器内导入所述泥水交换容器内的输水管，所述输水软管上串接有蠕动泵，所述泥水交换容器的底部铺设有沉积层，侧壁上形成有与其相连通的溢流口。

2.如权利要求1所述的所述实验装置，其特征在于，输水软管的出水口延伸至所述泥水交换容器的底部，并且用软管夹固定在所述泥水交换容器上。

3.如权利要求1所述的所述实验装置，其特征在于，所述泥水交换容器的有效体积为模拟海水的流速与污染物停留时间的乘积，所述有效体积为所述泥水交换容器的底面积与所述溢流口至所述泥水交换容器地面的乘积。

4.如权利要求1所述的所述实验装置，其特征在于，所述泥水交换容器的顶部设有光源。

5.一种利用如权利要求1-4中任一项所述的实验装置模拟近海水-沉积物中污染物迁移转化行为的实验方法，包括以下步骤：

步骤1，向所述泥水交换容器底部铺设沉积物，并利用蠕动泵将净水注满泥水交换容器，使系统运行前达到平衡状态备用；

步骤2，根据模拟河口近海区域潮汐运动速度确定污染物的输入速度；

步骤3，利用软管夹将输水软管固定在溢流口对面的位置，使软管紧贴内壁下延至泥水交换容器的底部；

步骤4，将外源污染物水体加入存储容器中，启动蠕动泵，在运行时间中，于不同时间点分别取水样和沉积物样，分析水样和沉积物样中的污染物浓度，以分析污染物迁移转化行为。

6.如权利要求5所述的实验方法，其特征在于，所述步骤1中的沉积物为海底污泥。

7.如权利要求5所述的实验方法，其特征在于，当需求沉积物为厌氧环境时，沉积物的厚度大于1.2cm。

8.如权利要求6中所述的实验方法，其特征在于，所述步骤4中的所述外源污染物可为酞酸酯、多环芳烃或重金属等，所述步骤4中的运行时间不少于该污染物在模拟环境水体中的停留时间。

9.如权利要求1-4中任一项所述的所述实验装置模拟近海水-沉积物中污染物迁移转化行为中的应用。

10.如权利要求9中的应用，其特征在于，所述实验装置取样得到的水样和沉积层样中的污染物的实测值与利用Ⅲ级稳态和Ⅳ级非稳态逸度模型得到的污染物的预测值之间的差异在25％以内。

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