CN114814131A - 底泥污染过程与控制智能模拟装置及实验方法 - Google Patents

底泥污染过程与控制智能模拟装置及实验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种底泥污染过程与控制智能模拟装置及实验方法，涉及底泥污染实验技术领域，包括实验水槽，实验水槽连接有进水箱和回流水箱；造浪系统、光照系统、加药系统和曝气系统；环境条件参数在线监测仪，能够在线测定水体环境参数；在线水体水质指标分析仪，实时监测水体水质指标；水样自动采样装置，按照单次或循环模式自动采集水样；离线分析仪，能够测定所采集水样的水质指标或沉积物理化指标；自动化控制模块，对上述各个装置进行自动化控制。本发明还提供一种基于底泥污染过程与控制智能模拟装置的实验方法。本发明具有自动化、可视化、智能化和模块化等特点，实现多项沉积物/水界面氮磷环境过程的模拟及沉积物污染控制技术的研发验证。

Description

底泥污染过程与控制智能模拟装置及实验方法
技术领域
本发明涉及底泥污染实验技术领域，特别是涉及一种底泥污染过程与控制智能模拟装置及实验方法。
背景技术
现有沉积物/水界面污染物环境过程模拟装置亟需解决的技术问题包括：(1)沉积物/水界面环境条件参数调控功能有限，不能实现界面多种环境参数的精准控制；(2)不具备多类水质指标和环境参数的在线检测以及水样自动化采集功能；(3)缺乏智能控制系统，人工运行模拟装置，效率低，无法实时显示工艺参数以及监测数据变化曲线，以及连续多天(60天以上)的持续运行以及实时数据的自动保存。
因此，提供一种底泥污染过程与控制智能模拟装置及实验方法，以解决现有技术中所存在的上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种底泥污染过程与控制智能模拟装置及实验方法，以解决上述现有技术存在的问题，具有自动化、可视化、智能化和模块化等特点，能够实现多项沉积物污染控制技术的研发验证。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种底泥污染过程与控制智能模拟装置，包括：
实验水槽，所述实验水槽能够用于沉积物/水界面氮磷过程模拟，所述实验水槽连接有进水箱和回流水箱，所述进水箱能够保存实验用水，并能够向所述实验水槽内加水；所述回流水箱与所述实验水槽连接，能够实现实验水槽与回流水箱水体之间的回流。
造浪系统，所述造浪系统安装于所述实验水槽的内壁上部，所述造浪系统能够制造沉积物/水界面风浪；
光照系统，所述光照系统安装于所述实验水槽的正上方，所述光照系统能够模拟光照；
加药系统，所述加药系统安装于所述实验水槽的下方，所述加药系统能够将实验药剂(例如：酸碱)加入所述实验水槽内，用于控制所述实验水槽内水体的pH或加入污染物或絮凝剂；
曝气系统，所述曝气系统所述实验水槽的内壁上部，所述曝气系统能够对所述实验水槽内的水体进行曝气处理，控制实验水槽水体的溶解氧；
环境条件参数在线监测仪，所述环境条件参数在线监测仪安装于所述实验水槽的内壁上，并能够伸入所述实验水槽的水体内的不同深度，在线测定水体环境参数，所述环境参数包括pH、Eh、DO和电导率；
在线水体水质指标分析仪，所述在线水体水质指标分析仪能够实时监测水体水质指标，所述水体水质指标包括总氮、氨氮、总磷和CODcr；
水样自动采样装置，所述水样自动采样装置与所述实验水槽或回流水箱连接，能够按照单次或循环模式自动采集水样；
离线分析仪，所述离线分析仪能够用于快速测定所采集水样的水质指标或沉积物理化指标；
自动化控制模块，所述造浪系统、所述光照系统、所述加药系统、所述曝气系统、所述环境条件参数在线监测仪、所述在线水体水质指标分析仪、所述水样自动采样装置以及所述离线分析仪均与所述自动化控制模块连接，由所述自动控制化块控制，按照设置参数运行并在线收集数据。
优选的，所述实验水槽以及所述进水箱均安装于支架上，所述支架下方设置有支架空腔，所述支架空腔能够用于容纳实验装置等，所述实验装置包括蠕动泵、阀门、管道、回流水箱，电磁阀、采样杯和三通；所述实验水槽通过回流管连接有一回流水箱，所述实验水槽上还设置有溢流堰，所述溢流堰通过溢流管与所述回流水箱连接。
优选的，所述实验水槽与所述进水箱均对应设置有四个，四个所述实验水槽能够独立运行；或者，四个所述实验水槽串联连接后水体流通运行。
优选的，所述造浪系统的主体装置是造浪泵，所述造浪泵固定在所述实验水槽的内壁上，所述造浪泵能够在表层水中进行高度调节；
所述光照系统的主体装置是光照灯具，所述光照灯具的色温为400k、功率为150W、光照强度为0～10000Lux，所述光照灯具能够自动模拟一天24小时内的太阳光照变化，并能够设定固定的光照强度。
优选的，所述加药系统包括试剂瓶，所述试剂瓶设置有三个，三个所述试剂瓶分别能够放置酸、碱和药剂，所述试剂瓶通过加药管道与所述回流水箱连接，所述加药管道上连接有计量泵；
所述曝气系统包括曝气头，所述曝气头通过气路连接有供气系统，所述气路还连接有空气泵，所述气路上设置有流量计、控制阀门和减压阀门。
优选的，所述环境条件参数在线监测仪包括监测探头，所述监测探头包括pH电极、荧光法溶氧传感器、电导率电极和Eh电极，所述监测探头固定在所述实验水槽的内壁上，通过铝合金标尺架能够调整所述监测探头在水体中的深度。
优选的，所述在线水体水质指标分析仪包括氨氮自动分析仪、总磷总氮自动分析仪和CODCr自动分析仪，所述在线水体水质指标分析仪与所述实验水槽连接。
优选的，所述水样自动采样装置设置有两个，所述水样自动采样装置采用冰箱式采样仪，所述水样自动采样装置能够与所述回流水箱或实验水槽的水体相连接；
所述离线分析仪包括多功能酶标仪、GC/MS分析仪、ICP-MS分析仪、激光粒度分析仪、Unisense微电极和平面光极系统。
优选的，所述自动化控制模块采用PLC(可编程逻辑控制器控制系统)，所述自动化控制模块安装于控制机柜；所述自动化控制模块的工控机触屏页面能够展示智能模拟装置的结构以及运行状况，设置分体装置运行参数，实时显示在线监测数以及环境参数、水质指标和其它数据随时间的变化曲线。
本发明还提供一种基于上述底泥污染过程与控制智能模拟装置的实验方法，包括以下步骤：
步骤一、采集沉积物和水样；
步骤二、向实验水槽加入沉积物；
步骤三、向实验水槽加入水样；
步骤四、启动自动化控制模块，开启造浪系统和光照系统；
步骤五、启动环境条件参数在线监测仪，在线测定水体环境参数；
步骤六、启动在线水体水质指标分析仪，实时监测水体水质指标；
步骤七、启动水样自动采样装置；
步骤八、控制环境条件；
步骤九、开始模拟实验；
步骤十、模拟实验完成后，中止实验；排水、排沉积物；
步骤十一、准备下一次模拟实验。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
本发明首次将实验水槽、进水箱、蠕动泵、潜水泵、管路、阀门、环境条件控制系统、照明和风浪系统，水体自动采样装置、环境参数在线监测仪(pH/DO/Eh/电导率)、水质参数在线监测仪等子系统(分体装置)进行连接安装；开发智能控制系统自动运行上述子系统。智能控制系统设置模拟装置运行参数，能精准控制沉积物/水界面的多类环境条件，自动化测试沉积物/水界面环境条件参数、水质指标以及自动采集水样；工控机可以显示分体装置结构和运行状况，设置分体装置的运行参数，实时显示工艺参数和数据曲线，并保存数据。此外，模拟装置能加载原位测试技术(梯度扩散薄膜，平面光极或微电极装置)，实现沉积物/水界面高空间分辨率(～100μm)的精准测试(氨氮/硝氮/磷/重金属以及环境参数：DO/pH)。
本发明模拟装置可以实现：(1)精准揭示沉积物氮磷内源负荷形成机制、环境参数对氮磷迁移转化的影响、氮磷在水-沉积物-藻类-水生植物界面的迁移循环；(2)建立底泥污染物生态风险评估标准和控制技术方法体系；制订沉积物内源负荷控制技术指南以及沉积物质量基准和阀值；(3)完成沉积物污染控制技术(生态修复、沉积物钝化、环保疏浚)的研发验证。
附图说明
图1-1为本发明底泥污染过程与控制智能模拟装置的主要设备结构示意图；
图1-2为图1-1中Ⅰ处放大示意图；
图1-3为本发明模拟系统主要分体装置在实验室的布局示意图；
图1-4为本发明溢流堰/溢流管/回流管装置结构示意图；
图1-1至图1-4中：1-1：实验水槽(从左向右依次为：a，b，c，d)；1-2：进水箱(从左向右依次为：A，B，C，D)；1-3：溢流堰：1-4：溢流管；1-5：回流管；1-6：潜水泵；1-7：蠕动泵；1-8：阀门；1-9：电磁阀；1-10：回流水箱；1-11：采样杯；1-12：加药装置：1-13：加药装置出水管；1-14：三通；1-15：四通；1-16：总进水管；1-17：总排水管；1-18：进水管；1-19：排水分管；1-20：水样自动采样装置的取水管；1-21：采样杯的进出水管；1-22：PLC、集成电路，强电弱电和线路板；1-23：进水分管；1-24：排泥管；1-25：串联管道；1-26：光照灯具；1-27：造浪装置；1-28：曝气头；1-29：环境条件参数在线监测仪；1-30：在线水体水质指标分析仪；1-31：水样自动采样装置；1-32：自动化控制模块；1-33：总磷/总氮自动分析仪；1-34：氨氮自动分析仪；1-35：CODCr自动分析仪；1-36：GC/MS分析仪；1-37：ICP-MS分析仪；1-38：平面光极系统(PO)；1-39：多功能酶标仪；1-40：沉积物/水界面；
图2为本发明中实验水槽和进水箱及附属装置示意图；
图2中：2-1：实验水槽；2-2：实验水槽或进水箱支架；2-3：进水箱；2-4：沉积物/水界面；2-5：溢流堰：2-6：溢流管；2-7：回流管；2-8：潜水泵；2-9：蠕动泵；2-10：阀门；2-11：电磁阀；2-12：PLC、集成电路，强电弱电和线路板；2-13：回流水箱；2-14：采样杯；2-15：加药装置；2-16：加药装置出水管；2-17：三通；2-18：四通；2-19：总进水管；2-20：总排水管；2-21：进水管；2-22：排水分管；2-23：串联管道；2-24：进水分管；2-25：采样杯的进出水管；2-26：水样自动采样装置的取水管；2-27：排泥管；
图3-1为本发明中光照系统的结构示意图；
图3-2为本发明中造浪系统的结构示意图；
图3-3为本发明中自动加药装置的结构示意图；
图3-4为本发明中曝气装置的结构示意图；
图3-1至图3-4中：3-1：光照灯具(外接PLC)；3-2：造浪泵(外接PLC)；3-3-1：酸碱污染物试剂瓶；3-3-2：变频蠕动计量泵；3-3-3：加药装置进水管；3-4-1：曝气头；3-4-2：实验室集中供气系统(氩气/纯氧)；3-4-3：氩气钢瓶；3-4-4：纯氧气钢瓶；3-4-5：气路；3-4-6：减压阀门；3-4-7：控制阀门；3-4-8：流量计；3-4-9：空气泵；
图4为本发明环境条件参数在线监测仪的结构示意图；
图4中：4-1：Eh电极；4-2：电导率电极；4-3：荧光法溶氧传感器；4-4：pH电极；4-5：电极外壳；4-6：SC1000多参数通用控制器；4-7：多参数壁挂表头；4-8：不锈钢传感器固定架；4-9：信号电缆线；4-10：铝合金标尺架；
图5为本发明中氨氮自动分析仪的结构示意图；
图5中：5-1：电解液置换瓶；5-2：电极组件；5-3：膜帽固定件；5-4：电极板接头；5-5：连接到试管的接口；5-6：排放接口；5-7：取样管；5-8：试剂；5-9：标准溶液(高标准)；5-10：标准溶液(低标准)；5-11：清洗液；
图6为本发明中总磷/总氮自动分析仪示意图；
图6中：6-1：电源开关和线路板；6-2：液晶显示屏和按键；6-3：加热分解系统；6-4：显示计量泵；6-5：检测器；6-6：试剂泵；6-7：纯水槽；6-8：废液槽；6-9：仪器门；6-10：TN/TP标准溶液以及氢氧化钠/盐酸试剂；6-11：试剂：过硫酸钾/抗坏血酸/钼酸铵；
图7为本发明中CODCr自动分析仪示意图；
图7中：7-1：进样管；7-2：废液排放管；7-3：活塞泵；7-4：试剂瓶；7-5：仪器门；7-6：消解单元；7-7：液晶显示屏和按键；7-8：光度计；7-9：低液位光度计；7-10：高液位光度计；7-11：阀单元；7-12：计量管；
图8-1为本发明中水样自动采样装置的前视图；
图8-2为本发明中水样自动采样装置的左视图；
图8-3为本发明中水样自动采样装置的右视图；
图8-1至图8-3中：8-1：控制面板盖；8-2：控制面板；8-3：排放管；8-4：分配臂；8-5：采样瓶；8-6：瓶架；8-7：冰箱门；8-8：插销；8-9：高度调整机架；8-10：液体探测器和泵；8-11：支撑点；8-12：外部设施连接；8-13：制冷组件；8-14：交流电主线；
图9为本发明中控制机柜结构示意图；
图9中：9-1：开关；9-2：漏电保护器；9-3：插座；9-4：电源；9-5：交换机；9-6：保险丝端子；9-7：接线端子；9-8：数据采集模块；9-9：PLC；9-10：继电器；9-11：无线网桥；9-12：工控机主机；9-13：屏幕；9-14：控制机柜门；9-15：控制机柜上部；9-16：控制机柜下部；9-17：屏幕装置结构与参数示意图；9-18：屏幕参数设置与控制页面；9-19：屏幕的环境条件参数和水质指标在线变化曲线展示页面。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1-1至图9所示，本实施例提供一种底泥污染过程与控制智能模拟装置，图中，装置符号说明：
蠕动泵：
Figure BDA0003544287640000071
潜流泵：
Figure BDA0003544287640000072
阀门：
Figure BDA0003544287640000073
电磁阀:
Figure BDA0003544287640000074
三通阀：
Figure BDA0003544287640000075
四通阀：
Figure BDA0003544287640000076
采样杯：
Figure BDA0003544287640000077
加药装置：
Figure BDA0003544287640000078
PLC、集成电路，强电弱电和线路板：
Figure BDA0003544287640000079
本实施例的底泥污染过程与控制智能模拟装置能精准控制沉积物/水界面多类环境条件、实时监测界面环境参数和水质参数、自动采集水样；本实施例能够实现自动化、可视化、智能化和模块化，实验水槽水体水环境参数和水质指标的实时在线监测以及沉积物水样的离线监测；拓展性强，基于模拟装置可实现沉积物/水界面污染物环境过程模拟。
本实施例中，模拟装置主要由多个子系统(分体装置)以及管道/泵/阀门之间的严密组合安装而形成，能模拟湖泊沉积物和水体多种类型的水环境条件(pH/DO/Eh/电导率)，水动力条件(风浪)和光照条件；实现水环境参数和水质指标的实时监测；以及自动采集水样。工控机和PLC(可编程逻辑控制器)为核心的自动化控制模块，控制本装置的自动化运行，在线显示测试数据曲线和保存数据。如图1-1至图1-3所示，分体装置与管道/泵/阀门的结构功能与使用方法如下所示：
(1)四个进水箱(体积：1.20×0.80×1.00m)，用于贮存采集的湖水或实验水槽排出的水；材质：亚克力制作(厚：30mm)。启动蠕动泵，通过PVC(硬聚氯乙烯)硬管或PU(聚氨酯)软管能实现进水箱和实验水槽之间的进出水操作。实验水槽(体积：1.20×0.80×1.20m)，材质：超白玻璃(厚：12mm)，实验水槽用于放置沉积物和水，进行沉积物/水界面氮磷环境过程模拟实验；器壁透明，可以清晰地观察到沉积物/水界面以及实验水槽内的小型装置。实验水槽顶部安装了光照系统，内部器壁安装了造浪系统、环境条件参数在线监测仪、造浪装置和曝气装置的曝气头。实验水槽内部还设置或连接溢流堰、溢流管和回流管。四个实验水槽可以独立运行，也能通过管道和蠕动泵实现多个实验水槽的串接和水在多个实验水槽的连续流动。
实验水槽和进水箱都放置在支架之上，支架是下部开口的长方体，体积：1.20×0.80×0.60m，上部平面器壁厚：20mm；四周侧面器壁厚：5mm；内部是一个空腔；材质：碳钢喷塑制作，表面进行了绝缘和防腐蚀处理。支架空腔用来安放一系列小型装置。实验水槽支架空腔的小型装置包括：蠕动泵、阀门、各类管道、回流水箱，电磁阀、采样杯、三通、潜水泵、加药系统、线路板、强弱电线路和信号电缆。进水箱支架空腔的小型装置包括：蠕动泵、阀门、管道、回流水箱、潜水泵、PLC、线路板和强弱电线路。
实验水槽内部的溢流堰和回流管(图1-1至图3-4)，用于实现实验水槽和回流水箱之间的水循环。溢流堰外壳(材质：超白玻璃)是一个中空长方体，高度为：1.07m；壁厚：12mm；横截面边长：15cm。溢流堰由实验水槽右侧角落的两个平面以及两个条形超白玻璃板粘合形成，两个条形玻璃板底部与实验水槽底部粘合。在溢流堰外壳的正中间，安装一个垂直的溢流管道(材质：PVC硬管)，总高度为：1.15m；内径：3cm；实验水槽底部以上部分高度为：1.06m。溢流管道的下部穿过实验水槽底部，末端连接一个PVC波纹软管(长度：9cm；内径：4cm)；实验水槽液面若超过溢流管，能通过此管道导入回流水箱中。回流水箱的长宽高为50×40×30cm；材质：亚克力。回流管为一个90度弯管，材质：PVC硬管，内径：1.5cm；水平方向长度：1.00m；垂向高度：1.30m)。垂向部分的回流管安装在溢流管道正中间，同圆心套装，水平方向的回流管道跨过溢流堰外壳顶端后，其顶端延伸至实验水槽的左侧。垂向部分的回流管道底端穿过实验水槽底部，然后和PU软管(内径：2cm；长度：5cm)和一个变径管(两个开口内径：1.5或2cm；长度：2cm)连接，这段PU软管另一端连接一个三通(材质：硬PVC)的一个开口；回流水箱的潜水泵通过另一PU软管(内径：2cm；长度：5cm)和三通连接，水通过上述三通的开口、PU软管、回流管，能导入实验水槽左侧顶端，能实现实验水槽和回流水箱之间的水循环。潜水泵三通的另一个开口通过PU软管(内径：2cm；长度：12cm)与在线水体水质指标分析仪采样杯接口连接，用于在线水体水质指标分析仪的取水。水样自动采样装置的取水硬管(PVC)(内径：2cm)与一段PU软管(内径：2cm；长度：5cm)相连接，而这段PU软管一端开口固定在回流水箱液面之下，实现水样自动采样装置的取水。此外，实验水槽左侧固定安装的一个PVC硬管以及联结的三个分管(水样自动采样装置的取水管)，固定在实验水槽左侧内壁的表层，中层和底层中，PVC硬管下部拐弯后横穿实验水槽底部，另一端与水样自动采样装置的取水水样自动采样装置硬管相连接，能实现取表层，中层和底层水的采样。实验水槽左侧底部还设置一个排泥管和阀门。排泥管的材质：PVC波纹软管(内径：4cm；长度：12cm)，此排泥管安装一个阀门，一般情况下，关闭；实验结束时，打开排出底泥。
进水箱下方支架空腔中的小型装置包括：蠕动泵、回流水箱、潜水泵、管道、PLC、线路板和强弱电线路。小型装置的尺寸、材质和功能与实验水槽下方的水型装置完全一样。可以将进水箱的水通过蠕动泵、进水管(村质：PVC硬管；内径：2.0cm)和阀门导入实验水槽；实验结束后可以将实验水槽的水再通过排水分管，总排水管，进水分管，阀门导入进水箱保存；实验水槽的水还可以通过排水分管，总排水管和阀门排入下水道。排水箱的水可以通过蠕动泵，阀门、进水管，总排水管排至下水道。总进水管、进水分管、蠕动泵和阀门也可将实验室外接的自来水或实验用水通入进水箱保存，然后再通过进水管、蠕动泵和阀门导入实验水槽。总进水管、进水管、蠕动泵和阀门也可以将实验室外接的自来水直接通入实验水槽，由加药系统加入污染物试剂，配制模拟污水。实验水槽或进水箱的进水和排水也可以通过PU软管(内径：3.0cm；长度：3.0m)和蠕动泵完成。
实验水槽内部上部侧壁固定安装一个环境条件参数在线监测仪、一个造浪系统(造浪泵)和一个曝气系统；实验水槽上方正中央1.0m高度处，安装一个光照系统，实验水槽下方支架空腔内安装加药系统。其中，(i)环境条件参数在线监测仪实时监测水体的pH/DO/Eh/电导率(美国哈希公司)，包括：pH、DO、Eh、电导率传感器；不锈钢传感器固定架将上述传感器探头固定在实验水槽器壁，可以调整其在水中的深度，在线测定表层、中层和底层水环境条件参数；(ii)造浪泵；固定在实验水槽器壁，可以在表层水(0～30cm)中进行高度调节，模拟风浪效应，制造表层沉积物的再悬浮；(iii)曝气头和曝气泵；联接纯氧和氩气管路，可以通过曝气头曝空气，纯氧或氩气；可调整曝气深度：在表层水和中层水体曝气；(iv)光照灯具：能自动模拟一天24h内的变化，光照强度：0～10000Lux(勒克斯)；(v)加药系统包括：试剂瓶；变频蠕动计量泵；PLC模块以及加液管道。控制机柜内部的接线端子、数据采集模块、PLC和继电器相连接加药系统，工控机设置运行参数，控制其向回流水箱中加酸、碱或试剂。
(2)造浪和光照系统：用于制造沉积物/水界面风浪和实验水槽上方的日光。造浪和光照系统光照的示意图如图3所示。造浪泵(5000型；德国伊罕公司功率：5w；频率：50HZ)；固定在实验水槽器壁，可以在表层水(0～30cm)中进行高度调节，模拟风浪效应，制造表层沉积物的再悬浮。光照灯具(LED)：色温：400k；功率：150W；广州迈光电子科技有限公司)：接近太阳光谱性能，能自动模拟一天24h内的变化，光照强度：0～10000Lux(勒克斯)，也可以设定固定的光照强度。控制机柜的工控机能设置运行参数，控制造浪和光照系统运行，同时显示屏展示光照系统的在线参数。
(3)自动加药和曝气装置：实验水槽支架下方还设置加药模块(图3)，用于控制水体环境参数pH和DO，也可加入污染物或絮凝剂。加药模块包括：放置酸、碱和药剂的试剂瓶3个(体积：2L)；变频蠕动计量泵(型号：BW-100；中国河北省保定创锐泵业有限公司)；PLC模块以及加液管道(三个)，材质：FEP(全氟乙烯丙烯共聚物)。加液管道一端和计量泵相连，一端放在回流水箱中。控制机柜的工控机设置目标参数值(设定的实验水槽pH值或加药剂量)，PLC控制变频蠕动计量泵以一定流量(0～10ml/min)向实验水槽的加酸碱或药剂；直至实验水槽的在线监测模块测试的水体pH达到设置目标值时或达到加药剂量，自动中止加药。自动加药模块与控制柜连接，预先设置目标pH值；根据设置目标pH值以及在线监测仪反馈的pH，控制变频蠕动计量泵的开关和流量，实验水槽水体pH达目标值或污染物加入量达到目标值时，自动中止加酸碱或试剂。曝气装置包括：空气泵和曝气头(型号：200-3702，德国伊罕公司)、实验室集中供气系统(氩气/纯氧)、氩气/纯氧钢瓶、气路(不锈钢管；BA级)、流量计、控制阀门、减压阀门等。空气泵的最大排气量为400L/min；功率：3.5W；用于实验水槽的水体。盘式曝气头的材质：乙烯丙烯橡胶(EPDM)。曝气装置的PLC和变频器与控制柜连接，根据工控机设置的DO目标值以及在线监测仪反馈的数据控制曝气的开关和流量，达到目标值就中止曝气。自动加药和曝气装置的运行状态以及参数都自动在工控机屏幕上显示。
(4)环境条件参数在线监测仪：用来实时监测水体的pH/DO/Eh/电导率；包括：在线测定水体环境参数(pH/Eh/DO/盐度)的监测探头(图4)，包括：pH电极(型号：PD1R1；Hach，美国)、荧光法溶氧传感器(型号：LDOII；Hach，美国)、电导率电极(型号：3725E2T；Hach，美国)，Eh电极(型号：HQ30D；Hach，美国)、SC1000多参数通用控制器、多参数壁挂表头、不锈钢传感器固定架、铝合金标尺架。四参数测量范围：pH：1-14；DO：0-20mg/L；Eh：铂电极与Ag-AgCl参比电极于一体，-1999～1999mv；电导率：0-2000000μs/cm。上述传感器探头固定在实验水槽器壁，采用铝合金标尺架调整其在水中的深度，在线测定表层、中层和底层水环境条件参数，垂直空间分辨率为1.0cm。在线监测的环境参数数据输入控制机柜(PLC)，工控机实时保存并在线显示四个环境条件参数随时间的变化曲线；同时，四个环境参数也在工控机屏幕的电极图像位置上自动显示。
(5)在线水体水质指标分析仪：用于实时监测水体水质指标：总氮、总磷、铵氮、CODcr，并且在线测试数据能传输至控制机柜的工控机，实时保存并在线显示上述参数随时间的变化曲线；同时，参数也在工控机屏幕的分析析图像位置上自动显示。水质指标分析仪选用Hach国际品牌，包括：氨氮(美国哈希，Amtax sc100)，总磷/总氮(美国哈希，NPW160H)以及CODcr自动监测仪(美国哈希，CODmaxplus sc)等三个监测装置，实现氨氮、总磷总氮、CODcr实时准确的检测分析。实验水槽的回流水箱中设置进样口，潜水泵提供动力，通过采样杯的进出水管将水样导入在线水体水质指标分析仪；控制机柜的控制系统对电磁阀编程控制，实现进入在线分析仪的水样具备典型性和实时性。控制机柜的智能控制系统(可编程逻辑控制器PLC和工控机)控制水质指标分析仪，能实现四个实验水槽的单次测定(仅分析一次)和循环测定(一天连续分析二至六次)。
(i)氨氮自动分析仪(如图5所示)采用氨气敏电极法进行氨氮快速测定，测试量程：0-5～500mg/L。最低检测限为0.02mg/L，精度高；具有自动清洗、自动标定和自动诊断功能，维护工作量小。数据传输：sc1000多参数通用控制器配有数据线。组块包括：外壳，压缩机，收集盘，湿度传感器，电极组件(电极体，电极，密封盖，膜帽，接头)，电解液置换瓶，取样管，溢流容器，过滤器，空气管，试剂，标准溶液(高/低标准)，清洗液，试剂泵(阀泵)，泵头活塞泵(10毫升)，排放管，加热排放管，FILTRAX取样管，排放管等。
(ii)总磷/总氮自动分析仪(如图6所示)的消解基于GB11893-89：过硫酸钾做氧化剂，在120℃条件下消解水样30min，将磷化物传化成磷酸根离子，钼蓝法吸光光度法(测量波长：700nm)；总氮：过硫酸钾做氧化剂(符合GB11893-89)：过硫酸钾做氧化剂，在120℃条件下消解30min；将氮化物传化成硝酸根离子，样品溶液的pH调节为2～3；紫外光吸光光度法检测(测量波长：220nm，275nm；浊度补正：A＝A220-A275×2)。总磷或总氮的测试量程：0.00～0.5/20.00/50.00/100.00mg/L或0.00～2.00/50.00/100.00/200.00mg/L；最低检出限：0.01mg/L。其分析单元包括：消解单元，检测器(紫外可见光分光光度计)，阀单元，显示计量泵，计量管，试剂泵，加热分解装置，量程校准液槽，试剂槽，溶液罐，纯水槽，废液槽，纯水，试剂(过硫酸钾，氢氧化钠，盐酸，钼酸铵，抗坏血酸)和标准溶液(TN/TP)。此外，还有操作面板和显示屏。
(iii)CODCr自动分析仪(如图7所示)采用重铬酸钾法测定CODCr，原理：水样、重铬酸钾、硫酸银溶液(催化剂使直链芳香烃化合物氧化更充分)和浓硫酸的混合液在消解池中被加热到175℃，在此期间铬离子作为氧化剂从VI价被还原成III价而改变了颜色，颜色的改变度与样品中有机化合物的含量成对应关系，仪器通过比色换算直接将样品的CODCr显示出来。CODmax II重铬酸钾法CODCr速测仪进行废水CODCr检测时的主要干扰物为氯化物，可加入硫酸汞形成络合物去除。CODCr自动分析仪的测量范围：10-5000mg/L。其分析单元包括：进样管，活塞泵，消解单元，分光光度计，高液位光度计，低液位光度计，阀单元，计量管，试剂(重铬酸钾溶液，硫酸汞溶液，硫酸)；标准溶液。此外，还有操作面板和显示屏。
上述三个监测设备的水样采集采用设备配管系统，控制机柜的工控机设定采样时间频率等；通过潜水泵，电磁阀和回流水箱附近的采样杯，自动从四个实验水槽采集样品，输入到上述三个自动监测仪中，测试四水质指标。三个自动监测仪均有操作界面，可以执行手动菜单界面，实现参数设定，校正、清洗、操作、管理、警报等功能；也可以通过现场总线控制来实现自动化运行。也就是通过4芯电缆以及RS485/RS232接口和工控柜的智能控制系统(PLC和数据读取器)相连接，工控机上设定测试参数，控制监测仪的自动运行。工控机选择一个或多个实验水槽，设定测定时间，单次或循环测试等，然后引发三个自动监测仪的运行，实时反馈测试数据至工控机并进行保存，显示屏在线显示四个参数，水质指标随时间变化曲线。
(6)水样自动采样装置：一共设置2台水样自动采样装置，采用Isco 4700冰箱式采样仪(美国Teledyne Isco 4700)，如图8所示。全自动水样采样器可以控制和编程，采样快速、简单、容易操作；控制器能够灵活的控制和显示采样温度，并能在4℃下保存24个水样；蠕动泵产生负压采集样品，并通过控制器分配到采样瓶。自动采样装置包括：吸水管-线性FEP(全氟乙烯丙烯共聚物)、蠕动采样泵、采样管、液体探测器、分配臂、泵过滤器、控制器、样品瓶(24个1L聚乙烯瓶；自动压缩机控制样瓶保存温度)。水质自动采样装置通过4芯电缆以及RS485接口和与控制机拒的PLC和数据采集模块相连接，可以在工控机上设置采样频率和体积，采样实验水槽或回流水箱的水样、单次或循环采样；自动采样装置自动运行，取出水样暂时放置在采水器的冷藏柜。通过控制系统对电磁阀和水质自动采样装置编程可以实现单次采样(仅采样一次)和循环采样(一天多至六次)。
(7)离线分析仪：包括：用于重金属、氮、磷和有机物分析的仪器：SpectraMaxM2/M2e多功能酶标仪、Agilent/安捷伦GC/MS仪；Agilent/安捷伦ICP-MS；用于沉积物粒度测定的新帕泰克激光粒度分析仪；用于沉积物微界面环境条件测定的丹麦Unisense微电极；平面光极系统(PO)。
(8)管道，阀门和泵：管道用来连接各个实验水槽、进水箱、回流水箱、在线水体水质指标分析仪以及水样自动采样装置，控制进水、排水、溢流、回流、取水等。本装置的管道分为圆柱形的PVC(硬聚氯乙烯)硬管、PU(聚氨酯)软管和PVC波纹软管。
实验水槽下方支架空腔内的回流管以及溢流管都是PVC硬管(内径：1.5或3.0cm)，溢流管在实验水槽底部以下连接一个变径管(两个开口分别为：3.0或4.0cm；长度：3cm)和PVC波纹软管(长度：9cm；内径：4cm)。潜水泵出水口连接一段PU软管(内径：2cm；长度：5cm)，上面安装一个阀门(德国宝德)，这段PU软管末端接一个三通(材质：硬PVC)，三通的两个开口分别连接两个PU软管(内径：2cm)，它们分别与在线水体水质测试仪采样杯进水口或回流管道的变径管(两个开口内径：1.5或2cm；长度：2cm)相连接。实验水槽底部排泥管材质为PVC波纹软管(内径：4cm；长度：12cm)，上面安装一个阀门。总排水管、总进水管、进水管、排水分管、进水分管、串联管道、采样杯的出水管、水样自动采样装置的取水管以及串联管道均为PVC硬管(内径：2.0cm)。总进水管和进水管相连接处是一个四通，由附近的阀门控制进出水走向。其中，总排水管、总进水管、进水管和串联管道的PVC硬管与蠕动泵接近区域，是一段PU软管(内径：2cm；长度：15cm)，PU软管中部安置在蠕动泵凹槽中，两端与上述PVC硬管接口连接；排水分管和进水分管全部是PVC硬管，不与PU软管或蠕动泵连接。
实验水槽下方的采样杯是立方体(5×5×10cm)，安装两个电磁阀(型号：CWX-25S；24V DN20铜；功率：5W；中国上海新骄阀门有限公司)，控制采样杯的进出水；采样杯下方的出水管是PVC硬管(内径：0.5cm；长度：2m)，与在线水体水质指标分析仪连接，采样杯进水口连接一段PU软管(内径：2cm；长度：12cm)，它与潜流泵出水三通一个开口连接，潜水泵将回流水箱的水通入三通、PU软管和电磁阀导入采样杯，再通过另一个电磁阀和出水管(PVC硬管)通入在线水体水质指标分析仪。采样杯侧面还安装一个排液管(材质：PVC硬管直径：0.5cm；长度：0.5m)，用于将采样杯残液排至下水道。两个电磁阀由工控机程序控制，清洗采样杯时，只开启控制出水的阀门，采样杯残余的水从排液管排出；然后，同时开启另一个阀门，潜水泵的水通入进出水管和采样杯，然后进入在线水质分析仪。
实验水槽进水或排水也可采用PU软管(内径：2.0cm；长度：3.0m)进行人工操作：将PU软管中间的一部分(长度：12cm)放置在蠕动泵凹槽中，PU软管一端放在实验水槽中，另一端连接进水箱或水桶，实现实验水槽进水。或是将PU软管的另一端放在下水道，直接排水。除了上述的管道阀门(德国宝德)和电磁阀以外，还配备弯头、三通、四通、变径、闷头等零部件，用于上述管道的连接，转弯，变直径，封闭等。
实验水槽支架下面安装两种类型的泵，为整个实验水槽的实验提供动能以及传输水和沉积物。包括：(1)两个变频蠕动计量泵(型号：BW-100或CT1000；中国河北省保定创锐泵业有限公司)，流量分别为：0.04～36ml/min或0.4～360ml/min；两种型号的泵分别用于：(i)自动加药模块或者(ii)实验水槽和进水箱的进/排水，实验水槽的串联或排泥；(2)一个潜水泵(型号HQB-4500；功率：100W；流量：0.4～75ml/min；中国浙江省森森实业有限公司)，放置在回流水箱，既能将回流水箱的水返回至实验水槽，又能向在线水体水质测试仪的进出水管导水。造浪装置安装在实验水槽上部侧面，其主体装置是一个造浪泵(型号：劲浪+5000；德国伊罕)，最大功率：800w；频率：50Hz。
(9)自动化控制模块：也就是智能管理系统，安装在控制机柜(如图9所示)，由PLC(可编程逻辑控制器)、工控机(工业控制计算机)及显示屏、交换机、数据采集块(数据读取器)、智能管理软件等组成。自动化控制模块采用PLC控制系统，设置人机交互界面，通过数据采集块实现传感器、小型装置、检测设备的数据通信、数据采集与处理、参数设置和在线展示各项参数和数据变化的功能。传感器将检测信号输出到PLC模块，PLC编程控制泵阀的开启度以及各项装置的运行，达到控制部分管路的开关和流量、造浪、光照、自动加药、曝气、水质自动采样、在线水体水质指标分析，实时收集环境条件参数在线监测仪以及上述各项装置的数据。各子系统具备完整的独立控制功能，互不干扰。智能管理软件具备如下功能：数据采集；设置工艺参数、保存数据、实时显示数据以及参数随时间的变化曲线、身份识别、远程控制。工控机触屏页面能展示主要装置结构，设置参数，实时显示在线监测数据，以及环境参数和水质指标随时间的变化曲线。
(10)模拟装置的使用方法
“底泥污染过程与控制智能模拟装置”的启动步骤如下所示：加沉积物→加水→启动造浪系统→启动光照系统→启动环境条件参数分析仪→启动水质指标分析仪→启动水样自动采样装置→控制环境条件(曝气或加药)→模拟实验，包括：环境条件参数/水质指标的在线分析，离线分析水体样品，沉积物样品的采集与测试等)→中止实验→排水→排泥→准备下一次模拟实验。由于模拟装置有四个实验水槽和对应的进水箱，通常情况下，可以平行做四个实验水槽或只做一个实验水槽的模拟实验，实验方法基本一样。如有特别实验要求，也将串联管道，蠕动泵和阀门打开，完成二个以上实验水槽表层水的串联流动和闭合回流。
本实施例中，一个实验水槽对应的模拟实验步骤如下所示：
加沉积物：桶装沉积物和水混合物，可采用蠕动泵(型号：CT1000；中国河北省保定创锐泵业有限公司)和PU软管(内径：4cm；长度：2.0m)将其注入实验水槽。装沉积物的塑料桶容积为50L。桶装沉积物也可通过导流板从实验水槽上部直接倒入。最后将实验水槽底部沉积物摊平。若有水生植物植被恢复实验，可以在沉积物中种植水生植物幼苗。
加水：进水箱内的实验用水可通过蠕动泵(型号：CT1000；中国河北省保定创锐泵业有限公司)、进水管(材质：PVC硬管；内径：2.0cm)和阀门将水通入实验水槽。实验室内的桶装实验用水可采用蠕动泵和PU软管(内径：
2.0cm)直接通入实验水槽；实验水槽的水超过溢流堰，会通过溢流管通入下方的回流水箱，当回流水箱的水面超过潜流泵时，打开潜流泵，使回流水箱的水能通过回流管通入实验水槽。直至液面接近回流水箱高度时，中止实验水槽的进水。装实验用水的塑料圆桶容积为100L。也可以在实验水槽中自配实验用水：实验室自来水的管口与总进水管口连接，通过总进水管、进水管、蠕动泵和阀门将自来水直接通入实验水槽以及回流水箱，中止进水后，控制机柜的工控机上打开加药装置，在潜流泵，溢流管和回流管的作用下，酸/碱或试剂能在回流水箱和实验水槽之间多次循环，混合均匀。可以采用PU软管将桶装实验水通入进水箱及其回流水箱，然后，采用上述方法将进水箱的水通入实验水槽。
造浪：控制机柜的工控机能打开造浪系统，根据实验要求，调节造浪泵转速(0～100转/min)，使水体具有类似于湖泊的波浪。
光照：工控机上打开光照灯具开关，设置24h规律照射的日光照度，实验水槽上方日光一天内的变化和湖泊一致；或是输入固定的光照强度。
启动环境条件参数在线监测仪：通过铝合金标尺架和不锈钢传感器固定架调整环境参数传感器探头(pH/Eh/DO/电导率)的高度，控制监测探头在水体层的深度，工控机显示屏显示上述四个环境参数数据和随时间的数据变化曲线，同时能实时保存数据。为了研究沉积物/水界面环境条件参数的～100μm的空间分布特征，可采用微电极或平面光极(PO)在界面进行测试，获得pH/Eh/DO的一维垂直分布或pH/DO的二维空间分布图像。
启动水质指标分析仪：总磷总氮在线分析仪、氨氮在线分析仪和CODCr在线分析仪能通过信号电缆线与控制机柜的数据采集模块和PLC相连接，其供电线路和控制机柜的开关连接。工控机显示屏页面上设置测试和校准参数，然后点击“水质指标分析仪模块”的按纽，确定四个实验水槽的测试方式；可以选择一个或多个实验水槽；以及“单次“或“循环”测试方式；这样可以设置实验水槽四个水质指标的单次或一天之内的多次测定；最多可以设置一天12次的循环测定。每个实验水槽的环境条件参数、水质指标和其它数据随时间变化的曲线能在工控机显示屏上自动显示，并且能保存数据在工控机。
启动水样自动采样装置：两台水样自动采样装置通过微型电磁阀、采样器取样管路(4路)采集实验水槽或回流水箱的水，电磁阀信号电缆和采样器控制线与控制机柜的数据采集模块、开关和PLC相连接；控制柜可以设置“单次“或“循环”方式，实现单次或一天之内的多次采样，最多可设置一天循环采水样12次，每次采样体积：50～400mL；自动采样装置的冷藏柜可以在4℃下保存24瓶水样。离线监测仪进行后续分析测试，分析水样氮磷重金属有机质等。
控制环境条件(曝气或加药)：根据模拟实验的水体DO目标值以及环境条件参数在线监测仪反馈至工控机的DO在线数据，可选择曝气装置的三种方式(空气、氩气和纯氧)之一，工控机设置DO目标值，然后启动曝气系统；工控机在线显示的DO达到设置值，曝气头自动中止曝气。根据模拟实验的水体pH目标值以及在线反馈至工控机的pH在线数据，工控机选择加酸(HCl)还是加碱液(NaOH)以及加药量，设置pH目标值，然后启动加药装置；工控机在线显示的pH达到设置值时，自动中止加药。若模拟实验要求加药剂，工控机设置“污染物”的加药时间，试剂加至目标值，自动结束加药。
模拟实验：水环境条件、光照、曝气、风浪条件以及各类在线测试仪和水样采样仪运行平稳后，沉积物/水界面分层稳定，水生植物生长达到要求。这时可以进行模拟实验，例如：(1)沉积物氮磷迁移释放机制实验；(2)研究沉水植物根际氮磷过程以及植物提取机制的实验；或者(3)沉积物钝化实验及氮磷生态修复机制研究。所需要的实验或启动的装置包括：自动加药或曝气装置控制水体pH或DO；自动加药装置向水体投放净水试剂或人工在沉积物表层加钝化剂；光照或造浪装置控制光照或水力扰动条件；环境条件参数在线监测仪和在线水体水质指标分析仪测定水环境参数以及水质指标；水样自动采样装置的水样采集和保存；采用离线监测仪测定水样(氮磷形态；重金属元素；有机物)。工控机保存上述在线数据，用于研究水体和沉积物/水界面的氮磷生物有效性以及界面循环特征。人工采集沉积物和水生植物样品，分析沉积物氮磷重金属总量和形态，有机质含量，水生植物组织重量，元素含量以及根表面积。沉积物或水生植物根际还可以进行原位测试(DGT，Peeper，微电极，平面光极)，能后续分析测试获得沉积物或水生植物根际元素或环境条件参数的一维或二维高空间分辨率分布(100μm～mm)。综合在线参数和水质指标以及离线分析理化性质指标，揭示不同环境条件下，沉积物氮磷内源负荷形成机制，水生植物根际氮磷迁移转化过程以及沉积物钝化机制以及技术工艺。
中止实验：完成上述模拟实验，取出沉积物/水界面原位测试装置(DGT，Peeper，微电极，平面光极)，控制机柜的工控机用来关闭造浪装置、光照装置、回流水箱的潜水泵、环境条件参数在线监测仪、在线水体水质指标分析仪以及水样自动采样装置，使上述装置处于待机状态。然后采用铝合金标尺架将环境参数传感器探头从水中提出，将电极放置在保护液中。
排水：实验水槽的水可以通过蠕动泵、阀门、排水分管和总排水管排至下道。实验水槽的水也可以通过蠕动泵、阀门、排水分管、总进水管和进水分管导入进水箱中保存。直至实验水槽无水时，关闭蠕动泵和阀门，结束排水。回流水箱的水可以通过蠕动泵和PU软管，将其排入下水道或进水箱。若要排去进水箱及其回流水箱的水，可以采用蠕动泵和PU软管，将其排入下水道。
排泥：实验水槽下部沉积物可加入少量水，人工搅拌成稀浆后，打开实验水槽的排泥管，将其排入贮泥桶；或者直接用排泥泵和PU软管将实验水槽的沉积物抽出，排入贮泥桶。最后用水冲洗实验水槽，再采用上述的操作，将实验水槽的泥水混合物排入贮泥桶。
准备下一次模拟实验：重新开启模拟系统，根据上述步骤，进行新的实验。
特别地，若要同时进行两个或多个实验水槽的模拟实验，可以先对第一个实验水槽进行“加沉积物、加水、造浪、启动环境条件参数在线监测仪“等四项操作，然后，依次对第二或更多的实验水槽采用上述操作；完成所有实验水槽上述操作后，再依次启动水质指标分析仪和水样自动采样装置，控制环境条件(曝气或加药)，实验水槽沉积物/水界面稳定后，分别进行所有实验水槽的模拟实验。等某个实验水槽模拟实验结束时，进行“中止实验，排水，排泥”操作，然后依次进行其它实验水槽的“中止实验，排水，排泥”操作。若其它实验水槽实验未结束，仍可继续进行实验。注意：上述实验水槽的“加水，排水”时，正确开通或关闭总排水管和总进水管的阀门，确保水不通入其它实验水槽或排水箱。
实施例二
基于本实施例模拟装置，可以进行“湖泊缺氧沉积物氨氮/硝氮/磷迁移释放机制和内源负荷评估研究”所对应的实验；实验主要包括：(1)模拟装置沉积物/水界面环境条件的调控；(2)基于DGT(梯度扩散薄膜)和Peeper装置的沉积物/水界面的测试；(3)沉积物氨氮/硝氮/磷迁移释放机制以及内源负荷评估；具体包括如下步骤：
(1)采集沉积物和水样：模拟实验所用的沉积物和水来源于中国内蒙古自治区达理湖。采样船上使用抓斗采样器采集达理湖沉积物200L，用水桶采集800L水；然后将沉积物和水样分别装进50L或100L的圆形塑料桶中，运至实验室，分析测试沉积物和水样的氮磷重金属等理化性质。用蠕动泵和PU软管将桶装实验用水通入一个进水箱，等水位(98cm)达到进水箱溢流堰以上，并且水通过溢流管导入回流水箱，达到回流水箱液位时，启动潜水泵，回流管和溢流管实现进水箱和回流水箱之间的水循环，中止桶装水向进水箱的导入。
(2)加沉积物：采集的湿沉积物从实验水槽上部倒入一个实验水槽；每铺5cm厚，就加少量水(5L)使沉积物湿润，并使沉积物尽量保持平整状态；沉积物一共铺4次，共使用192L的沉积物。最后的沉积物厚度大约20cm。
(3)加水：加沉积物后，进水箱的水通过进水管，蠕动泵和阀门通入实验水槽，保持流速为4L/min，实验水槽共注入768L水，厚度为92cm，水位超过溢流堰，同时下方的回流水达到液位，启动潜流泵，使进实验水槽和回流水箱之间实现水循环。此时，继续加水，直至实验水槽水位达到98cm，中止通水。
(4)启动自动化控制模块，开启造浪系统和光照系统：待沉积物/水界面稳定后，启动自动化控制模块，工控机上能显示模拟装置示意图和参数框；然后，工控机上开启造浪装置，使实验水槽表层水形成一定的波动，同时设置光照装置自动变化的24h规律照射的日光照度，实验水槽上方日光一天内的变化和自然湖泊一致。
(5)环境条件参数在线监测仪的启动：通过铝合金标尺架和不锈钢传感器固定架调整环境参数传感器探头(pH/Eh/DO/电导率)的高度，控制监测探头在水体中层水深度(40cm)。工控机启动环境条件参数在线监测仪，监测水环境参数(pH/Eh/DO/电导率)，并将数据传输至工控机，工控机屏幕实时展示每15分钟的环境参数变化曲线。当上述四个环境参数连续三天，保持稳定时(RSD<5％；n＝15；相同间隔时间采集的15个数据)，可以进行下面的实验。实验水槽做模拟实验前，水体稳定时，pH＝8.0，DO＝8.5mg/L，Eh＝231.1mv，电导率＝322.8μs/s。
(6)启动水质指标在线分析仪：工控机启动NPW160总氮总磷在线分析仪、CODPlusCOD在线分析仪和AmtaxSC氨氮在线分析仪，设置为一天采样测定2次，每12小时分析1次。工控机采集数据，在线显示随时间变化的水质指标曲线。
(7)启动水样自动采样装置：工控机启动水样自动采样装置，设置为一天采样测定2次，每12小时分析1次。每个水体自动采样装置内部冰箱可保存24瓶水样。多余水样转移保存在实验室冰箱。
(8)环境条件的控制(曝气+加药)：基于环境条件参数在线监测仪测定的水体环境条件参数，并且根据实验要求，调节水体环境条件的目标值：pH＝8.50，DO＝2.2mg/L。方法：工控机启动曝气和加药装置。曝气装置采用曝氩气的方式进行水体的缺氧化处理，直至DO至2.2mg/L为止；加药装置采用加碱液(NaOH)的方式进行水体的碱性化处理，直至pH达到8.50为止。环境条件参数在线监测仪实时监测中层水的pH/DO等参数，实时反馈至工控机，当DO或pH达到目标值时，工控机立即中止曝气和加药装置运行。若DO或pH偏离目标值时，就继续曝氩气或纯氧(DO高于或低于2.2mg/L)；或加碱液(NaOH)或酸液(HCl)(pH低于或高于8.50)，直至DO或pH达到目标值为止。
(9)模拟实验：采用环境条件参数在线监测仪测定中层水的环境参数(每15分钟监测一次)，水质指标在线分析仪分析中层水四个指标(1天2次)；水样自动采样装置和离线监测仪分析表层水其它水质指标(1天2次)；然后分析上述数据，连续五天，各类参数的RSD<5％(n＝7)时，沉积物/水界面环境条件和氮磷循环达到稳定状态。可以进行沉积物/水界面氨氮，硝氮和磷的原位DGT测试。
氨氮，硝氮和磷迁移释放机制实验：将两个双面DGT探针：
AMP-TH&ZrO-chelex和Zr-oxide&AgI DGT以及一个HR-Peeper探针水平相距2cm面对面地垂直插入沉积物/水界面，上覆水部分的DGT探针和Peeper窗口为2cm或5cm，沉积物分别为13或15cm。DGT和HR-Peeper探针测试时间分别为：24和48h。然后将DGT和HR-Peeper探针取回，进行后续分析。同时，用柱状沉积物采样器采集DGT和HR-Peeper测试的沉积物柱样，用于及DGT和HR-Peeper的后续分析。
(10)后续DGT和HR-Peeper探针分析：取出两个双面DGT探针的AMP-TH、ZrO-chelex、Zr-oxide和AgI吸附膜，AMP-TH或ZrO-chelex采用陶瓷排刀切割器以2mm的垂直分辨率进行切割，胶条放在离心试管中加洗酸或碱液洗脱，然后采用酶标仪进行分析：磷钼蓝分光光度分析磷、水杨酸-次氯酸盐比色分析氨氮、紫外分光光度分析硝氮，绘制氨氮、硝氮和磷的一维DGT浓度剖面。Zr-oxide和AgI吸附膜干燥后，平板扫描仪扫描其图像，计算机成像密度计量法(CID)运算磷或硫DGT浓度的二维空间分布图像，然后，将DGT-磷和DGT-硫转化为水平方向一致的二维分布图像。HR-Peeper的每个小室的溶液(400μL)抽取至离心试管中，同时加20μL的盐酸(0.1mol/L)保存。仍采用采用酶标仪进行分析：紫外磷钼蓝光度分析磷、水杨酸-次氯酸盐比色分析氨氮、紫外分光光度分析硝氮，邻菲啰啉分光光度测Fe(II)，绘制沉积物空隙水的氨氮、硝氮、铁和磷浓度一维剖面以及硫和磷的二维图像。
(11)柱状沉积物的测试：将取出的柱沉积物的PVC管侧壁的橡皮塞打开，用微型电极探头(德国Presens公司)测试柱状沉积物(0～-15cm)的pH/DO，其垂直空间分辨率为1.0cm，获得沉积物空隙水的DO剖面。将沉积物柱样(0～-18cm)进行切割，分成15段，干燥，研磨，过100μm筛，然后测定氮磷重金属(铁铝钙)总量和分级含量，同时分析有机质。
(12)氮氮、硝氮和磷地球化学过程研究：基于氨氮/硝氮/磷的DGT浓度剖面，以及它们的空隙水剖面(Peeper)，获得上述元素沉积物再补给参数(R)剖面，结合沉积物DO剖面以及沉积物分层理化性质，评估沉积物固相氮磷贮库的再补给能力；对比分析氨氮/硝氮/磷/铁的DGT剖面之间，以及上述DGT剖面与DO剖面或沉积物铁铝钙有机质，揭示缺氧沉积物层氨氮/硝氮/磷的迁移释放规律，地球化学过程和形成机制，以及铁铝钙有机质对上氨氮/硝氮/磷释放的影响机制。同时，分析磷和硫的DGT二维图像以及DGT-铁剖面，对比磷铁硫三元素的空间变化规律，研究三者的耦合地球化学反应导致的磷释放。分析沉积物磷微生境分布规律，研究缺氧沉积物中磷微生境形成机制。
(13)氮氮、硝氮和磷内源负荷估算与评估
基于氮氮/硝氮/磷的沉积物/上覆水DGT剖面，以及下列运算公式(1～2)，
可以估算沉积物/水界面营养元素的扩散通量以及内源负荷。
Figure BDA0003544287640000231
W＝F×A×t 公式2
F是沉积物/水界面的表观扩散通量(μg m-2d或mg m-2d)；Fs和Fw是表层沉积物和上覆水层中的扩散通量(μg m-2d或mg m-2d)；沉积物的扩散系数Ds(cm s-1)由水中分子扩散通量和沉积物空隙率(φ)的运算导出。
Figure BDA0003544287640000232
和
Figure BDA0003544287640000233
分别是表层沉积物和上覆水层的扩散梯度。W(μg a-1)是模拟装置沉积物的内源负荷；A是沉积物面积(m2)；t是一年的365天。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种底泥污染过程与控制智能模拟装置，其特征在于：包括：
实验水槽，所述实验水槽能够用于沉积物/水界面氮磷过程模拟，所述实验水槽连接有进水箱以及回流水箱，所述进水箱能够保存实验用水，并能够向所述实验水槽内加水；所述回流水箱与所述实验水槽连接，能够实现实验水槽与回流水箱水体之间的回流；
造浪系统，所述造浪系统安装于所述实验水槽的内壁上部，所述造浪系统能够制造沉积物/水界面风浪；
光照系统，所述光照系统安装于所述实验水槽的正上方，所述光照系统能够模拟光照；
加药系统，所述加药系统安装于所述实验水槽的下方，所述加药系统能够将实验药剂加入所述实验水槽内，用于控制所述实验水槽内水体的pH或加入污染物或絮凝剂；
曝气系统，所述曝气系统所述实验水槽的内壁上部，所述曝气系统能够对所述实验水槽内的水体进行曝气处理，控制实验水槽水体的溶解氧；
环境条件参数在线监测仪，所述环境条件参数在线监测仪安装于所述实验水槽的内壁上，并能够伸入所述实验水槽的水体内的不同深度，在线测定水体环境参数，所述环境参数包括pH、Eh、DO和电导率；
在线水体水质指标分析仪，所述在线水体水质指标分析仪能够实时监测水体水质指标，所述水体水质指标包括总氮、氨氮、总磷和CODcr；
水样自动采样装置，所述水样自动采样装置与所述实验水槽或回流水箱连接，能够按照单次或循环模式自动采集水样；
离线分析仪，所述离线分析仪能够用于测定所采集水样的水质指标或沉积物理化指标；
自动化控制模块，所述造浪系统、所述光照系统、所述加药系统、所述曝气系统、所述环境条件参数在线监测仪、所述在线水体水质指标分析仪、所述水样自动采样装置以及所述离线分析仪均与所述自动化控制模块连接，由所述自动控制化块控制，按照设置参数运行并在线收集数据。
2.根据权利要求1所述的底泥污染过程与控制智能模拟装置，其特征在于：所述实验水槽以及所述进水箱均安装于支架上，所述支架下方设置有支架空腔，所述支架空腔能够用于容纳实验装置，所述实验装置包括蠕动泵、阀门、管道、回流水箱，电磁阀、采样杯和三通；所述实验水槽通过回流管连接有一回流水箱，所述实验水槽上还设置有溢流堰，所述溢流堰通过溢流管与所述回流水箱连接。
3.根据权利要求2所述的底泥污染过程与控制智能模拟装置，其特征在于：所述实验水槽与所述进水箱均对应设置有四个，四个所述实验水槽能够独立运行；或者，四个所述实验水槽串联连接后水体流通运行。
4.根据权利要求1所述的底泥污染过程与控制智能模拟装置，其特征在于：所述造浪系统的主体装置是造浪泵，所述造浪泵固定在所述实验水槽的内壁上，所述造浪泵能够在表层水中进行高度调节；
所述光照系统的主体装置是光照灯具，所述光照灯具的色温为400k、功率为150W、光照强度为0～10000Lux，所述光照灯具能够自动模拟一天24小时内的太阳光照变化，并能够设定固定的光照强度。
5.根据权利要求2所述的底泥污染过程与控制智能模拟装置，其特征在于：所述加药系统包括试剂瓶，所述试剂瓶设置有三个，三个所述试剂瓶分别能够放置酸、碱和药剂，所述试剂瓶通过加药管道与所述回流水箱连接，所述加药管道上连接有计量泵；
所述曝气系统包括曝气头，所述曝气头通过气路连接有供气系统，所述气路还连接有空气泵，所述气路上设置有流量计、控制阀门和减压阀门。
6.根据权利要求2所述的底泥污染过程与控制智能模拟装置，其特征在于：所述环境条件参数在线监测仪包括监测探头，所述监测探头包括pH电极、荧光法溶氧传感器、电导率电极和Eh电极，所述监测探头固定在所述实验水槽的内壁上，通过铝合金标尺架能够调整所述监测探头在水体中的深度。
7.根据权利要求1所述的底泥污染过程与控制智能模拟装置，其特征在于：所述在线水体水质指标分析仪包括氨氮自动分析仪、总磷总氮自动分析仪和CODCr自动分析仪，所述在线水体水质指标分析仪与所述实验水槽连接。
8.根据权利要求1所述的底泥污染过程与控制智能模拟装置，其特征在于：所述水样自动采样装置设置有两个，所述水样自动采样装置采用冰箱式采样仪，所述水样自动采样装置能够与所述回流水箱或实验水槽的水体相连接；
所述离线分析仪包括多功能酶标仪、GC/MS分析仪、ICP-MS分析仪、激光粒度分析仪、Unisense微电极和平面光极系统。
9.根据权利要求1所述的底泥污染过程与控制智能模拟装置，其特征在于：所述自动化控制模块采用PLC，PLC为可编程逻辑控制器控制系统，所述自动化控制模块安装于控制机柜；所述自动化控制模块的工控机触屏页面能够展示智能模拟装置的结构以及运行状况，设置分体装置运行参数，实时显示在线监测数以及环境参数和水质指标随时间的变化曲线。
10.一种基于权利要求1-9任一项所述的底泥污染过程与控制智能模拟装置的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、采集沉积物和水样；
步骤二、向实验水槽加入沉积物；
步骤三、向实验水槽加入水样；
步骤四、启动自动化控制模块，开启造浪系统和光照系统；
步骤五、启动环境条件参数在线监测仪，在线测定水体环境参数；
步骤六、启动在线水体水质指标分析仪，实时监测水体水质指标；
步骤七、启动水样自动采样装置；
步骤八、控制环境条件；
步骤九、开始模拟实验；
步骤十、模拟实验完成后，中止实验；排水、排沉积物；
步骤十一、准备下一次模拟实验。
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