CN114047228B - 一种沉积物耗氧污染物的解析装置及方法 - Google Patents

一种沉积物耗氧污染物的解析装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种沉积物耗氧污染物的解析装置及方法，其中解析装置包括了测量室，以及用于向测量室内加入药剂的加药装置，以使药剂与测量室内的沉积物发生反应，以及用以发出超声波的超声波发生装置，以辅助药剂加快到达沉积物处，以及用于检测水中溶解氧浓度的溶解氧电极；解析方法包括了通过解析装置的辅助计算沉积物总耗氧量(SOD)，再通过除解生物耗氧因素，计算生物和化学SOD，再通过解除S2‑耗氧因素，计算S2‑和Fe2+引起的化学SOD。本发明通过解析装置与解析方法的结合，可以简单的测定得到水体中各个因素引起的耗氧量，对更加深入地研究沉积物耗氧具有重要的意义，为其污染治理提供了理论依据。

Description

一种沉积物耗氧污染物的解析装置及方法
技术领域
本发明涉及水质监测技术领域，具体为一种沉积物耗氧污染物的解析装置及方法。
背景技术
水体中溶解氧含量是影响水环境的重要因素，是评价水质的重要指标，对水体中生物的生长繁殖具有重要作用。受到严重污染的河流，其沉积物耗氧量(sediment oxygendemand，简称SOD)占了河流总耗氧的绝大部分。相关研究指出SOD约占水体总耗氧量的40％～50％，在感潮河流中甚至能达到90％。这导致SOD成为水系统中的关键元素。因此，有必要估算水生系统中沉积物的耗氧量，这对评价水生系统本底状况和水体污染修复的工程实践均具有重要意义。
溶解氧的消耗通常划分为四阶段：①还原性耗氧阶段；②生物化学碳耗氧第Ⅰ阶段(CBODⅠ)；③生物化学氮消耗(NBOD)阶段；④生物化学碳耗氧第Ⅱ阶段(CBODⅡ)。在沉积物耗氧分析中，还原性耗氧阶段的耗氧量属于沉积物化学耗氧量(CSOD)，其他三阶段的耗氧量属于沉积物生物耗氧量(BSOD)。CSOD是沉积物中还原物质(如S2-和Fe2+)的需氧量，这些物质在氧气存在下会迅速氧化，从而产生耗氧量。BSOD包括生活在沉积物中的所有生物的耗氧量(即包括微生物和微生物呼吸)。
沉积物中总是或多或少有生物存在，在沉积物耗氧中占有一定的地位，如何解析沉积物中的BSOD和CSOD是个相当复杂的问题。目前国内外对于SOD的测定可分为实验室移位测定法和现场原位测定法两类。但是，现有的SOD测定装置只能测定总的SOD，不能为更加深入地研究沉积物耗氧提供数据支撑，从而不能为水质污染的治理提供理论依据。另外，SOD测定装置在测量时，由于装置中的溶解氧探头长期放在水体中使用，探头表面容易生成污垢，需要经常清洗和维修，极大的增加了测量SOD的成本。
基于上述，本发明公开一种沉积物耗氧污染物的解析装置及方法，用以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种沉积物耗氧污染物的解析装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种沉积物耗氧污染物的解析装置，包括：测量室，所述测量室包括有上端封闭、下端敞口的筒体，所述筒体用以将水质和沉积物圈设于其内；加药装置，所述加药装置用于向所述测量室内加入药剂；超声波发生装置，所述超声波发生装置用以发出超声波，以辅助药剂加快到达沉积物处；溶解氧电极，所述溶解氧电极用于检测水中的溶解氧浓度。
优选的，所述测量室还包括：柱凸，所述柱凸有若干个，间隔设置于所述筒体的下端敞口处；支撑板，所述支撑板位于所述筒体外部的侧壁上；刻度线，刻度线位于所述筒体外壁上。
优选的，所述筒体由PVC材料或ABS材料制备。
优选的，所述加药装置包括有：加药箱，所述加药箱位于所述筒体外部；加药泵，所述加药泵的输入端通过第一管路与所述加药箱连接；喷头，所述喷头位于所述筒体内，且所述喷头的输入端通过第二管路与所述加药泵的输出端连接；所述超声波发生装置接入于所述喷头的输入端。
一种沉积物耗氧污染物的解析方法，包括：
S1.将权利要求1～4任意一条所述的一种沉积物耗氧污染物的解析装置置于具有沉积物的水中，其中所述解析装置的下端被沉积物密封；
S2.计算第一时间段Δt1内的总SOD；
S3.去除解析装置中的生物耗氧因素，计算第二时间段Δt2内的CSOD；
S4.计算第二时间段Δt2内的BSOD；
S5.去除解析装置中的S2-耗氧因素，计算第三时间段Δt3内的Fe2+引起的化学SOD；
S6.计算第三时间段Δt3内的S2-引起的化学SOD；
其中Δt1＝Δt2＝Δt3。
优选的，所述步骤S2具体包括：分别检测Δt1端点时刻的溶解氧浓度，计算出Δt1内的总SOD，具体可表示为：
其中Δt为Δt1时间段，t-1和t分别为Δt时间段内的前一端点时刻和后一端点时刻，DO(t-1)和DO(t)分别为t-1和t时刻的溶解氧浓度，V为上覆水的水体体积，24为换算系数，As为沉积物与上覆水接触的表面积。
优选的，所述步骤S3具体包括：向所述解析装置中置入灭菌药剂，至解析装置内上覆水中灭菌药剂的浓度达到设定浓度，分别检测Δt2端点时刻的溶解氧浓度，计算出Δt2内的CSOD，具体可表示为：
其中Δt为Δt2时间段，t-1和t分别为Δt时间段内的前一端点时刻和后一端点时刻，DO(t-1)和DO(t)分别为t-1和t时刻的溶解氧浓度，V为上覆水的水体体积，24为换算系数，As为沉积物与上覆水接触的表面积；
所述步骤S4中生物耗氧量表示为：
BSOD＝SOD-CSOD (3)。
优选的，所述步骤S5具体包括：向所述解析装置中置入抑制剂，至解析装置内上覆水中抑制剂的浓度达到设定量，分别检测Δt3端点时刻的溶解氧浓度，计算出Δt3内Fe2+引起的化学SOD，具体表示为：
其中Δt为Δt3时间段，t-1和t分别为Δt时间段内的前一端点时刻和后一端点时刻，DO(t-1)和DO(t)分别为t-1和t时刻的溶解氧浓度，V为上覆水的水体体积，24为换算系数，As为沉积物与上覆水接触的表面积；
所述步骤S6中S2-引起的化学SOD表示为：
S2-引起的化学SOD＝CSOD-Fe2+引起的化学SOD (5)。
优选的，所述步骤S3中的灭菌药剂具体为甲醛或氯化汞溶液，所述灭菌药剂的设定浓度为0.5％甲醛或3g/L氯化汞；
所述步骤S5中的抑制剂具体为氯化锌，所述氯化锌溶液的设定量为0.1M；
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
1、本发明公开的一种沉积物耗氧污染物的解析装置，利用下端开口的筒状结构，可直接将本装置安置于水体中，并利用水体中的沉积物对装置下端进行密封，即利用简单的装置就可以对水体中沉积物的耗氧量进行测定，且利用超声波装置可使药物快速到达沉积物处,另外超声波还可以对溶解氧电极产生清洗作用，使得本解析装置的维护频率降低；
2、本发明公开的一种沉积物耗氧污染物的解析方法，结合解析装置，可以测定BSOD和CSOD对总的SOD占比情况，以及解析得到CSOD中不同还原态组分的贡献率，对更加深入地研究沉积物耗氧具有重要的突破意义，为水质污染的治理提供了理论依据，从而可以更具有针对性的治理河道污染。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明实施例1中一种沉积物耗氧污染物的解析装置的结构示意图；
图2是本发明实施例1中一种沉积物耗氧污染物的解析方法的流程示意图；
图中：
测量室1，筒体11，柱凸12，支撑板13，刻度线14；
加药装置2，加药箱21，加药泵22，喷头23；
超声波发生装置3；
溶解氧电极4。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：本实施例提供一种沉积物耗氧污染物的解析装置的最佳方案，并利用本解析装置对常州境内的长江南岸某河道的水质进行耗氧量检测计算；
首先，如图1，本解析装置具体包括了测量室1，将测量室1置于水质中，用于将水质和水底的沉积物进行圈设，为沉积物耗氧的测量提供有效的空间；
进一步的，测量室1包括一个筒体11，该筒体11的上端封闭、下端敞口，测量时将筒体11的敞口端置入沉积物层，将一部分的沉积物和水质圈设于筒体11内，优选的，筒体11为圆柱体结构，且由耐腐蚀、强度大的PVC材料或ABS材料制备；
进一步的，测量室1还包括若干间隔设置于筒体11下端敞口处的柱凸12，该柱凸12用于插入沉积物，利用沉积物将筒体11下端进行密封，使筒体11内具有相对稳定的测量环境，优选的，若干柱凸12形成的结构为沿着筒体11下端的环形锯齿结构，且锯齿结构与筒体11一体成型；
进一步的，筒体11外部的侧壁上设置有支撑板13，用于支撑筒体11，使筒体11相对稳定的置于沉积物层，优选的，支撑板13为环形板状结构，且该板状结构固定于筒体11外壁上，并接近筒体11的敞口端；
进一步的，筒体11外壁上还设置有刻度线14，且筒体11为透明结构，当筒体11置入水体中时，根据刻度线14可得知水体的水位，从而得知水体体积，为后续耗氧量的测量提供便利条件；
进一步的，本解析装置还包括了加药装置2，加药装置2用于向测量室1内加入药剂，以使药剂与测量室1内的微生物和化学还原物质发生反应；
进一步的，加药装置2包括有位于筒体11外部的加药箱21，用于储存药物，还包括通过第一管路与加药箱21连接的加药泵22，还包括通过第二管路与加药泵22连接的若干喷头23，其中喷头23位于筒体11内，加药箱21中的药剂通过加药泵22加压后由喷头23喷入筒体11内；
进一步的，本解析装置还包括了溶解氧电极4，溶解氧电极4用于检测水质中的溶解氧浓度；
进一步的，本解析装置还包括了超声波发生装置3，超声波发生装置3接入于喷头23的输入端，用以发出超声波，以辅助药剂加快到达沉积物处，同时超声波达到清洗溶解氧电极4的作用，优选的，超声波发生装置3为超声波发生器。
然后，将上述的解析装置置于常州境内的长江南岸某河道的水质中，利用环形锯齿结构使解析装置的下端被沉积物密封，开始解析本水质中各类物质的耗氧量占比情况，其中筒体的直径d＝20cm，得到沉积物与上覆水接触的表面积As＝0.0314m2，根据刻度线得知筒体中上覆水的高度h＝50cm，计算得到上覆水的体积V＝0.0157m3；
如图2，解析过程具体包括了以下步骤：
第一步：在未添加任何化学药剂的情况下，利用溶解氧电极先检测一次解析装置内的溶解氧浓度，待三个小时后再检测一次溶解氧浓度，将该段时间记为第一时间段Δt1，利用式(1)计算第一时间段Δt1内的总SOD：
式(1)中，Δt＝Δt1＝3h，24为换算系数；
t-1和t分别为Δt1时间段内的前一端点时刻和后一端点时刻；
DO(t-1)为t-1时刻的溶解氧浓度，其中，DO(t-1)＝3.32mg/L；
DO(t)为t时刻的溶解氧浓度，其中，DO(t)＝2.84mg/L；
计算得到总SOD＝1.92g/(m2·d)；
第二步：通过加药装置向解析装置中置入氯化汞溶液，同时开启超声波发生器1min，将氯化汞溶液和沉积物充分混合，至上覆水中氯化汞溶液的浓度达到3g/L，即去除解析装置中的生物耗氧因素，接着利用溶解氧电极检测一次解析装置内的溶解氧浓度，待三个小时后再检测一次溶解氧浓度，将该段时间记为第二时间段Δt2，利用式(2)计算出第二时间段Δt2内的CSOD：
式(2)中，Δt＝Δt2＝3h，24为换算系数；
t-1和t分别为Δt2时间段内的前一端点时刻和后一端点时刻；
DO(t-1)为t-1时刻的溶解氧浓度，其中，DO(t-1)＝2.76mg/L；
DO(t)为t时刻的溶解氧浓度，其中，DO(t)＝2.48mg/L；
计算得到CSOD＝1.12g/(m2·d)；
第三步：将总SOD、CSOD的值代入式(3)计算第二时间段Δt2内的BSOD：
BSOD＝SOD-CSOD (3)；
计算得到BSOD＝0.80g/(m2·d)；
第四步：通过加药装置向解析装置中置入氯化锌溶液，同时开启超声波发生器1min，将氯化锌溶液和沉积物充分混合，至上覆水中氯化锌溶液的浓度达到0.1M，即去除解析装置中的S2-耗氧因素，接着利用溶解氧电极检测一次解析装置内的溶解氧浓度，待三个小时后再检测一次溶解氧浓度，将该段时间记为第三时间段Δt3，利用式(4)计算出Δt3内Fe2+引起的化学SOD：
式(4)中，Δt＝Δt3＝3h，24为换算系数；
t-1和t分别为Δt3时间段内的前一端点时刻和后一端点时刻；
DO(t-1)为t-1时刻的溶解氧浓度，其中，DO(t-1)＝2.43mg/L；
DO(t)为t时刻的溶解氧浓度，其中，DO(t)＝2.24mg/L；
计算得到Fe2+引起的化学SOD＝0.76g/(m2·d)；
第五步：将CSOD、Fe2+引起的化学SOD的值代入式(5)计算第三时间段Δt3内S2-引起的化学SOD：
S2-引起的化学SOD＝CSOD-Fe2+引起的化学SOD (5)；
计算得到S2-引起的化学SOD＝0.36g/(m2·d)；
最终，得到了常州境内的长江南岸某河道中各类物质的耗氧量占比情况。
实施例2：与实施例1的区别为对上海苏州河支流某河道的水质进行耗氧量检测，且第二步中的灭菌药剂为甲醛，上覆水中甲醛的设定占比为0.5％；
最终，计算得到总SOD＝0.63g/(m2·d)；
CSOD＝0.22g/(m2·d)；
BSOD＝0.41g/(m2·d)；
Fe2+引起的化学SOD＝0.10g/(m2·d)；
S2-引起的化学SOD＝0.12g/(m2·d)；
最终，得到了上海苏州河某支流河道中各类物质的耗氧量占比情况。
由实施例1～2可解析得到常州境内的长江南岸某河道和上海苏州河支流另一河道中各类物质的耗氧量占比情况，因此本发明对水质污染的治理具有重要意义，具备实用性。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种沉积物耗氧污染物的解析装置，其特征在于，包括：
测量室，所述测量室包括有上端封闭、下端敞口的筒体，所述筒体用以将水质和沉积物圈设于其内；所述测量室还包括：柱凸，所述柱凸有若干个，间隔设置于所述筒体的下端敞口处；支撑板，所述支撑板位于所述筒体外部的侧壁上；刻度线，刻度线位于所述筒体外壁上，当筒体置入水体中时，根据刻度线可得知水体的水位；
加药装置，所述加药装置用于向所述测量室内加入药剂；
超声波发生装置，所述超声波发生装置用以发出超声波，以辅助药剂加快到达沉积物处；
溶解氧电极，所述溶解氧电极用于检测水中的溶解氧浓度；
加药箱，所述加药箱位于所述筒体外部；
加药泵，所述加药泵的输入端通过第一管路与所述加药箱连接；
喷头，所述喷头位于所述筒体内，且所述喷头的输入端通过第二管路与所述加药泵的输出端连接；
所述超声波发生装置接入于所述喷头的输入端；
所述沉积物耗氧污染物的解析装置的解析方法，包括：
S1.将沉积物耗氧污染物的解析装置置于具有沉积物的水中，其中所述解析装置的下端被沉积物密封；
S2.计算第一时间段Δt1内的总耗氧量，具体分别检测Δt1端点时刻的溶解氧浓度，计算出Δt1内的总耗氧量；
S3.去除解析装置中的生物耗氧因素，计算第二时间段Δt2内的化学耗氧量，具体为向所述解析装置中置入灭菌药剂，至解析装置内上覆水中灭菌药剂的浓度达到设定浓度，分别检测Δt2端点时刻的溶解氧浓度，计算出Δt2内的化学耗氧量；
S4.计算第二时间段Δt2内的生物耗氧量；
S5.去除解析装置中的S2-耗氧因素，计算第三时间段Δt3内的Fe2+引起的化学SOD；
S6.计算第三时间段Δt3内的S2-引起的化学SOD；
其中Δt1＝Δt2＝Δt3。
2.根据权利要求1所述的一种沉积物耗氧污染物的解析装置，其特征在于，所述筒体由PVC材料或ABS材料制备。
3.根据权利要求1所述的一种沉积物耗氧污染物的解析装置，其特征在于，
所述步骤S2具体包括：
Δt1内的总耗氧量，具体表示为：
其中Δt为Δt1时间段，t-1和t分别为Δt时间段内的前一端点时刻和后一端点时刻，DO(t-1)和DO(t)分别为t-1和t时刻的溶解氧浓度，V为上覆水的水体体积，24为换算系数，As为沉积物与上覆水接触的表面积。
4.根据权利要求3所述的一种沉积物耗氧污染物的解析装置，其特征在于，
所述步骤S3具体包括：
Δt2内的化学耗氧量具体表示为：
其中Δt为Δt2时间段，t-1和t分别为Δt时间段内的前一端点时刻和后一端点时刻，DO(t-1)和DO(t)分别为t-1和t时刻的溶解氧浓度，V为上覆水的水体体积，24为换算系数，As为沉积物与上覆水接触的表面积；
所述步骤S4中生物耗氧量表示为：
BSOD＝SOD-CSOD(3)。
5.根据权利要求4所述的一种沉积物耗氧污染物的解析装置，其特征在于，
所述步骤S5具体包括：向所述解析装置中置入抑制剂，至解析装置内上覆水中抑制剂的浓度达到设定量，分别检测Δt3端点时刻的溶解氧浓度，计算出Δt3内Fe2+引起的化学SOD，表示为：
其中Δt为Δt3时间段，t-1和t分别为Δt时间段内的前一端点时刻和后一端点时刻，DO(t-1)和DO(t)分别为t-1和t时刻的溶解氧浓度，V为上覆水的水体体积，24为换算系数，As为沉积物与上覆水接触的表面积；
所述步骤S6中S2-引起的化学SOD表示为：
S2-引起的化学SOD＝CSOD-(Fe2+引起的化学SOD)(5)。
6.根据权利要求4所述的一种沉积物耗氧污染物的解析装置，其特征在于，所述步骤S3中的灭菌药剂具体为甲醛或氯化汞溶液。
7.根据权利要求5所述的一种沉积物耗氧污染物的解析装置，其特征在于，所述步骤S5中的抑制剂具体为氯化锌。
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