CN111693335A - 一种水体中微塑料分级采集和水体参数同步监测的系统 - Google Patents
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Abstract
一种水体中微塑料分级采集和水体参数同步监测的系统，属于环境监测设备技术领域，包括移动平台、铅鱼、水深测量装置、液位传感装置、水温传感装置、流速测量装置、采水装置、微塑料分级过滤装置和采集控制装置。移动平台包括安装平台、动力部件和缆绳收放部件，其中缆绳收放部件两端分别与动力部件和铅鱼连接。采水装置包括真空泵和采液管，真空泵置于铅鱼内部，通过采液管与微塑料分级过滤装置连接。水深测量装置、液位传感装置、水温传感装置、流速测量装置固定在铅鱼上。采集控制装置用于显示和存储数据。本发明可原位定点地分级采集不同深度的流动或静态水体中的微塑料，同步监测水体参数，提高采样效率，减少水流等外界因素的影响。
Description
技术领域
本发明涉及水环境监测设备技术领域，具体为一种流动(河流、海洋)或者静态(湖库、港湾)环境水体微塑料的分级采集和水体的流速、水深和水温的同步监测系统。
背景技术
由于塑料耐磨、耐腐蚀、稳定、质轻、坚固、成本低廉等特点，因此塑料被广泛应用于现代生活的各个领域。由于塑料的更新和废旧，塑料废物被大量排放进入环境，且塑料废物具有难降解、易吸附污染物和微生物等特点，其导致的生态环境问题已成为世界各国关注的焦点。2004年，Thompson等人(2004)首次提出“微塑料”这一概念，普遍认可的定义是粒径小于5mm的塑料颗粒的统称，由原生微塑料和大塑料废物风化、老化、破碎和分解而成。由于微塑料具有较大的比表面积以及疏水性，可以吸附水环境中的重金属、持久性有机污染物和微生物。当漂浮在水面或者下沉到沉积物中的微塑料被浮游生物或底栖动物误食后，将会对不同水环境包括海洋、河流和湖库内的水生生物造成严重影响，并通过食物链运输和富集，最终可能会危害人类健康，另外微塑料也是水环境中外来物种入侵和传染病原微生物的重要载体，对区域和全球生态环境的改变具有潜在的风险。定量准确地监测和分析不同水环境中的微塑料的丰度(浓度)、形状、大小、颜色和化学组分是开展微塑料防控和管理工作的前提和基础，受到国内外的广泛重视。
目前环境水体中微塑料采集装置及方法尚未标准化，常见的采样装置及方法可大致分为2类：(1)拖网式采集装置，例如Manta拖网、Neuston网等。这种方法获得的微塑料数量会随采样筛网孔径不同而产生很大的差异，采样时需沿河流/湖泊横截面拖拽采样装置，同时使拖网网口与水流方向保持一致，避免船体对采样的影响。现今最常用的拖网孔径在300-333um范围内，小孔径的拖网被堵塞的风险高。其优势在于采集大体积水样，局限性在于不可进行原位定点采样；难于采集300um以下、特别是＜100um的具有生物学意义的微塑料颗粒物，因此样本的代表性受到了严重影响。(2)原位过滤采样，使用大体积量器或电子流量计采集水样后，使用不锈钢筛网进行现场原位过滤。优势在于可以进行原位采样、人为的控制过滤速度，在很大程度上减少筛子网孔堵塞，因此可采集更小粒径的微塑料。但是该方法费时费力、且无法做到根据环境污染的实际情况任意改变采水量的微塑料动态采样。另外，以上微塑料的采样方法及装置在实际使用过程中不能有效、便捷地对水体不同深度(层数)进行采样，导致很难准确地揭示水环境三维空间中微塑料的分布规律。现有的微塑料采样装置不能同步在线监测水体不同深度的流速、水体深度、水体深度(采样点的深度)和温度等重要水环境指标和同步采集和分级分离水体不同分层的微塑料。最后，现有的大部分微塑料采样装置均在开放环境中进行采样，大气沉降和人员操作均可能会引入外界环境中的微塑料，造成样本的污染。
目前，业内常用的技术有：
CN209342426U公开了一种微塑料采样柱和微塑料采集装置，可以大流量的采集微塑料，有效地对水体中微塑料进行粒径分级富集。此装置只能用于表层水体微塑料采样，不能实现不同深度水体中微塑料采样，不利于对水体三维空间微塑料污染程度的科学评价。
CN108344600A公开了一种不同深度水体中多粒径微塑料样品同步采集系统，实现了不同深度和不同粒径微塑料样品的同步采集，所使用的续接型采集器、嵌套型采集器或采样瓶式采集器通过连接或嵌套的方式将多个采样网连接在一起，以实现多粒径微塑料样品同步采集，本质上仍属于拖网采样模式，易受风浪和船体航行产生的波浪影响，采样深度不固定，易出现倾斜，拖网水体体积偏差较大，计算结果不准确，微塑料样品易附着于网衣上，导致冲洗不净，样品残留严重，直接影响样品的定量分析。另外所使用的采样管式采集器将采样管连接在垂直断面上，通过抽水泵和延长水管在船上实现微塑料分级过滤。在使用过程中垂直断面受风浪影响上下浮动，导致采样水层深度无法固定误差较大。整个系统实际使用过程中当气象和航行条件发生改变时(尤其是诸如河流的动态水体)，为确保垂直采样断面的稳定，需要针对不同采样条件和采样需求实时调整拖曳绳安装位置、拖曳角度、拖曳绳长度以及配置浮子和沉子的大小等，采集系统调节过程繁琐复杂且耗时，从而影响采样质量和效率。
CN110763518A公开了一种便携式原位水体微塑料分级采样系统，可以预设采样深度、采样体积等参数实现微塑料的全自动采集，但此装置刚性框架结构易受水流影响，在高流速水体中所受阻力较大，难以保证装置垂直稳定入水。过滤器设置于水下，无法及时判断筛网是否堵塞、并进行及时地调整，从而影响采样效率。采样过程中整个装置全部位于水下，需要对水下装置进行密封和防水处理，密封结构复杂，对制造加工要求高，投资成本较高，发生偶然性事故时处理较困难。
以上所有技术均未考虑同步监测影响微塑料的水环境参数，因此，基于以上问题，迫切需要一种集成环境水体中微塑料的主动分级采集和相关水环境参数同步监测的简单、易操作和调控的系统，服务于静态和动态水环境监测和分析，为水生态环境保护和治理提供全面准确可靠的监测数据。
发明内容
为了有效监测水环境中微塑料的时间和空间分布，针对现有技术的缺陷，本发明提供一种水体中微塑料分级采集和水体参数同步监测的系统。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种水体中微塑料分级采集和水体参数同步监测的系统，包括移动平台、铅鱼、水深测量装置、液位传感装置、水温传感装置、流速测量装置、采水装置、微塑料分级过滤装置和采集控制装置，其中：
所述移动平台，包括安装平台、动力部件和缆绳收放部件，所述动力部件和所述缆绳收放部件固定在所述安装平台上，所述缆绳收放部件与所述动力部件连接，所述铅鱼通过缆绳与所述缆绳收放部件相连；
所述采水装置包括采液管和真空泵，采液管的一端通过滑轮连接微塑料分级过滤装置的采样进口，另一端连接到设置在铅鱼背部上的出口孔，并进入铅鱼内部延伸后经设置在铅鱼鱼嘴处的入口孔延伸到水体中，真空泵设置在位于铅鱼内部的采液管上；
所述采集控制装置设置于所述安装平台上，包括数据采集部件和采集控制部件，采用PLC可编程控制器进行系统数据的采集与自动控制，用于获取所述水深测量装置、所述液位传感装置、所述水温传感装置和所述流速测量装置的监测数据，并控制所述动力部件的工作；
所述流速测定装置通过连接杆设置于所述铅鱼入口孔外采液管上部；
所述水深测量装置、所述液位传感装置和所述水温传感装置设置于所述铅鱼入口孔处；
所述微塑料分级过滤装置包括：过滤桶、过滤桶顶盖和和分级过滤器，所述过滤桶顶盖通过锁扣可拆卸的地连接在所述过滤桶顶部，过滤桶顶盖和过滤桶之间通过密封垫进行密封，所述过滤桶顶盖上设有采样进口，过滤桶底部设置有采样出口，分级过滤器设置在过滤桶内部，所述过滤桶和过滤桶顶盖采用透明有机玻璃材质。
进一步地，所述安装平台包括移动底板，移动底板上设置有竖直立柱，竖直立柱顶端水平固定有悬臂杆，悬臂杆上设置有三组定滑轮。
进一步地，所述滑轮是为缆绳和采液管运动提供导向、减少摩擦力的滚动部件。
进一步地，所述动力部件包括供电装置和伺服电机，为控制所述铅鱼的下放和提升提供动力，供电装置还可为其它部件提供电源。
进一步地，所述水深测量装置、液位传感装置、水温传感装置、流速测量装置、真空泵，所有这些装置通过通信线缆与所述采集控制装置相连。
进一步地，所述分级过滤器包括多级过滤装置，且由上到下，下一级过滤装置的筛网孔径小于上一级，所述过滤装置上下直径不等，且上部直径大于下部直径，上级过滤装置的下半部插入下级过滤装置的上半部中，且在上级过滤装置与下级过滤装置连接处设置“O”型密封圈。
进一步地，所述微塑料分级过滤装置还包括流量计和转换阀门，所述流量计与所述微塑料分级过滤装置的采样进口连接，所述转换阀门设置于所述流量计上部。
进一步地，所述微塑料分级过滤装置的采样进口端下部还设置有一孔径为5mm的筛板，用于阻隔非微塑料进入分级过滤器。
所述安装平台是由高强度钢材焊接的不易变形框架，为动力部件、缆绳收放部件和采集控制装置等提供支持固定。
所述真空泵是一种变频负压泵，通过负压将水体通过采液管吸到微塑料分级过滤装置内，可以根据筛网、筛绢或滤膜的孔径大小，来调节抽水泵的流量大小，可有效防止堵塞现象的发生。
所述采液管可以由高抗拉强度PE等材料制作的细管，其作用是作为水体采样的输送通道。
所述分级过滤器是由高强度耐锈蚀不锈钢过滤筛密封堆叠制成，所述筛网可根据需要设置多个，用于分离保存各个粒径范围的微塑料。
所述水深测量装置可采用超声波测深仪，所述超声波测深仪由超声波换能器和测控装置组成，超声波接触水体底部会发生反射，不同水深超声波信号发射出去到接收回来的时间间隔不同，以此原理测量水深，用于测量水体的总深度。
所述液位传感装置可采用液位传感器。所述液位传感器由压电陶瓷和电流或电压测量元件组成，不同水体压强所引起的阻力不同，导电能力不同，通过的电流或电压大小不同，以此原理测量水深，用于测量水体中指定位置的水深。
所述水温传感装置可采用温度传感器。所述温度传感器由热敏电阻组成，通过它的内部阻值变化来达到通过传感器的电阻变化来改变通过的电流变化来驱动水温表的变化，以此原理测量流速，用于测定采样深度的水温。
所述流速测量装置可采用转子流速仪。所述转子流量仪由旋桨式流速传感器、流速流量仪等组成，不同水体流速所引起的螺旋桨转速不同，以此原理测量流速，用于测定水体中指定位置的流速。
所述铅鱼是比重较大的、在水体中阻力较小的物体，用于将测量传感装置和真空泵稳定地沉入水中。
所述采集控制装置包括数据采集部件和采集控制部件。所述数据采集部件指从传感器和定位器等测量单元中自动实时读取或收集传感器的测量信息，对传感器反馈上来的电流或电压模拟信号进行分析与处理，转换成对应的数字信号值并上传至采集控制平台。所述采集控制部件用于控制采水部件的启动，伺服电机的启动、转向与转速，显示并储存传感器的测量数据。
所述动力部件包括供电装置和伺服电机。所述供电装置与所述采集控制装置连接，可以是轻型柴油发电机或直流电源，为上述的各种需要电力的部件等供电。所述伺服电机是指能将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象的装置，伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应。
以上是本发明部分优选结构选择，上述各个部件也可以是其他的结构。上述各个优选结构可以单独使用，在互相不冲突的前提下，也可以任意组合使用，组合使用时效果会更好。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明装置灵活性较好、便于移动，提高了装置的实用性，可以根据需要精确控制铅鱼入水的深度，实现不同水深的取样动作。
(2)流线型仿生铅鱼结构能极大减少收集过程中水中的阻力，有效减小水流冲刷力，确保装置在水中稳定，减少水流等外界因素的影响。
(3)本发明提供的立体定量采集水环境中微塑料的装置，操作简单，节省时间，可以安放在固定地点，可原位采集大体积样品，过滤的水量可视、可控，使得数据结果更加精确。
(4)本发明通过密封设计，可保证所有样品依次经过各个过滤器，采样过程在全密闭的装置体系中进行，避免外界污染物沾染样品，极大的提高了富集效率，保证了数据的可靠性和准确性。
(5)本发明设置多级过滤器，通过配置不同孔径的筛网，实现样品的现场原位过滤分级，在真空状态下可采集最小粒径20微米的微塑料。
(6)本发明过滤设备拆卸安装简单，且采样完成后，简单清洗并更换过滤器后，可连续进行采样作业，从而节省时间，提高收集效率。
(7)本发明通过设置的水深测量装置、水温传感装置和流速测量装置，可实时测定采样现场的深度、水温和流速流量等水文数据。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明的水体中微塑料分级采集和水体参数同步监测的系统的示意图
图2是本发明铅鱼装置示意图；
图3是本发明微塑料分级过滤装置结构图。
图中：1为移动底板，2为竖直立柱，3为悬臂杆，4为滑轮Ⅰ，5为滑轮Ⅱ，6为滑轮Ⅲ，7为伺服电机，8为缆绳，9为采液管，10为供电装置，11为信号线，12为数据采集部件，13为采集控制部件，14为铅鱼，15为真空泵，16为入口孔，17为出口孔，18为液位传感装置，19为超声波测深装置，20为水温传感装置，21为连接杆，22为流速测量装置，23为采样进口，24为转换阀门，25为流量计，26为过滤桶顶盖，27为密封垫，28为过滤桶，29为筛板，30为“O”型密封圈，31为分级过滤器，32为采样出口。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
附图中，相同的附图标记代表相同的零部件或作用同等的零部件，所有附图仅仅是为了便于解释说明本发明的技术内容；构成最优实施方式所采用的数字、零部件的位置、零部件之间的相互关系以及零部件的尺寸等技术特征不构成对技术方案本身的限定，而应延伸至该技术领域所覆盖的整个领域。
具体的，为了更好理解本发明的技术方案，下面对本发明装置的部分实施例进行详细说明：
实施例：
本实施例为最大水深10米的水体提供一种水体中微塑料分级采集和水体参数同步监测的系统，如图1-3所示，包括移动底板1、竖直立柱2、悬臂杆3、滑轮Ⅰ4、滑轮Ⅱ5、滑轮Ⅲ6、伺服电机7、缆绳8、采液管9、供电装置10、信号线11、数据采集部件12、采集控制部件13、铅鱼14、真空泵15、入口孔16、出口孔17、液位传感装置18、超声波测深装置19、水温传感装置20，连接杆21、流速测量装置22、采样进口23、转换阀门24、流量计25、过滤桶顶盖26、密封垫27、过滤桶28、筛板29、“O”型密封圈30、分级过滤器31、采样出口32等，其中：真空泵15设置在铅鱼14内部，液位传感装置18、超声波测深装置19、水温传感装置20设置在铅鱼入口孔16处的，流速测量装置22通过连接杆21设置在铅鱼14入口孔16处的采液管9上；缆绳8一端通过滑轮Ⅱ5和滑轮Ⅲ6连接伺服电机7，另一端连接铅鱼14；信号线11一端连接真空泵15、液位传感装置18、超声波测深装置19、水温传感装置20和流速测量装置22，另外一端连接数据采集部件12和采集控制部件13；采液管9的一端通过滑轮I 4和滑轮II 5连接微塑料分级过滤装置的采样进口，另一端连接到设置在铅鱼背部上的出口孔17，并进入铅鱼内部延伸后经设置在铅鱼鱼嘴处的入口孔16延伸到水体中，真空泵15设置在位于铅鱼内部的采液管上；伺服电机7、供电装置10、数据采集部件12、采集控制部件13安装在移动底板1上；真空泵15、液位传感装置18、超声波测深装置19、水温传感装置20、流速测量装置22、数据采集部件12和采集控制部件13分别与供电装置10连接。
上述实施例的具体工作过程是：通过采集控制部件13发出的指令完成不同的操作。首先打开供电装置10，开启采集控制部件13，通过视窗操作，将铅鱼14放到水面，通过超声波测深装置19和流速测量装置22测量水体总深度以及水体流速；其次，在采集控制部件13输入待测量点的深度数据，真空泵15频率和采样时长；然后，在采集控制平台13和液位传感装置18的指令控制下伺服电机7开始转动通过缆绳8将铅鱼14置于设置的采样深度，然后，开始自动测量与采集，真空泵15开始工作，通过采液管将水输送至微塑料分级过滤装置；同时，数据采集部件12实时读取真空泵15、液位传感装置18、超声波测深装置19、水温传感装置20、流速测量装置22测得的参数，转换成数字信号后上传至采集控制部件13予以保存，以供后读取分析；最后，系统采样结束，等待回收，关闭供电装置。
综上实施例，本发明能够实现野外不同深度水体的流速、水深、水温的同步测量和微塑料同步采样，可有效避免采样过程中的外界污染，数据自动存储，并提供测量位置，集成一体化，易携带、安装、拆卸，单人即可完成测量操作。
以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种水体中微塑料分级采集和水体参数同步监测的系统，包括移动平台、铅鱼、水深测量装置、液位传感装置、水温传感装置、流速测量装置、采水装置、微塑料分级过滤装置和采集控制装置，其中：
所述移动平台，包括安装平台、动力部件和缆绳收放部件，所述动力部件和所述缆绳收放部件固定在所述安装平台上，所述缆绳收放部件与所述动力部件连接，所述铅鱼通过缆绳与所述缆绳收放部件相连；
所述采水装置包括采液管和真空泵，采液管的一端通过滑轮连接微塑料分级过滤装置的采样进口，另一端连接到设置在铅鱼背部上的出口孔，并进入铅鱼内部延伸后经设置在铅鱼鱼嘴处的入口孔延伸到水体中，真空泵设置在位于铅鱼内部的采液管上；
所述采集控制装置设置于所述安装平台上，包括数据采集部件和采集控制部件，采用PLC可编程控制器进行系统数据的采集与自动控制，用于获取所述水深测量装置、所述液位传感装置、所述水温传感装置和所述流速测量装置的监测数据，并控制所述动力部件的工作；
所述流速测定装置通过连接杆设置于所述铅鱼入口孔外采液管上部；
所述水深测量装置、所述液位传感装置和所述水温传感装置设置于所述铅鱼入口孔处；
所述微塑料分级过滤装置包括：过滤桶、过滤桶顶盖和和分级过滤器，所述过滤桶顶盖通过锁扣可拆卸的地连接在所述过滤桶顶部，过滤桶顶盖和过滤桶之间通过密封垫进行密封，所述过滤桶顶盖上设有采样进口，过滤桶底部设置有采样出口，分级过滤器设置在过滤桶内部。
2.根据权利要求1所述的水体中微塑料分级采集和水体参数同步监测的系统，其特征在于：所述安装平台包括移动底板，移动底板上设置有竖直立柱，竖直立柱顶端水平固定有悬臂杆，悬臂杆上设置有三组定滑轮。
3.根据权利要求2所述的水体中微塑料分级采集和水体参数同步监测的系统，其特征在于：所述滑轮是为缆绳和采液管运动提供导向和减少摩擦力的滚动部件。
4.根据权利要求1所述的水体中微塑料分级采集和水体参数同步监测的系统，其特征在于：所述动力部件包括供电装置和伺服电机。
5.根据权利要求1所述的水体中微塑料分级采集和水体参数同步监测的系统，其特征在于：所述水深测量装置、所述液位传感装置、所述水温传感装置、所述流速测量装置、所述真空泵通过通信线缆与所述采集控制装置相连。
6.根据权利要求书1所述的水体中微塑料分级采集和水体参数同步监测的系统，其特征在于：所述分级过滤器包括多级过滤装置，且由上到下，下一级过滤装置的筛网孔径小于上一级，所述过滤装置上下直径不等，且上部直径大于下部直径，上级过滤装置的下半部插入下级过滤装置的上半部中，且在上级过滤装置与下级过滤装置连接处设置“O”型密封圈。
7.根据权利要求书1所述的水体中微塑料分级采集和水体参数同步监测的系统，其特征在于：所述微塑料分级过滤装置还包括流量计和转换阀门，所述流量计与所述微塑料分级过滤装置的采样进口连接，所述转换阀门设置于所述流量计上部。
8.根据权利要求书6所述的水体中微塑料分级采集和水体参数同步监测的系统，其特征在于：所述微塑料分级过滤装置的采样进口端下部还设置一孔径为5mm的筛板。
9.根据权利要求1的水体中微塑料分级采集和水体参数同步监测的系统，所述过滤桶和过滤桶顶盖采用透明有机玻璃材质。
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