CN117571394A - 一种可视化河道厌氧底泥自动取样器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的可视化河道厌氧底泥自动取样器，包括浮水机箱以及进泥主管；所述进泥主管一端可延伸至河道水底，另一端延伸至浮水机箱内；所述浮水机箱内设有与进泥主管相连的进泥泵；所述进泥泵的排泥口处依次装设有用于泥水混合物中大杂质的除杂转筛，以及用于泥水分离的泥水分离机构；所述进泥主管靠近河道水底的一端还设置有水下探头以及泥水搅拌器。该采样器在密闭厌氧环境下自动采泥取样，将河道厌氧底泥吸上岸后，自动去除杂质、浓缩底泥，使底泥上岸后，可直接用于科研工作。该采样器组装拆卸便捷、自动化程度高、适用性好、功能齐全，特别适用于水中石头较多的情形，具有显著的技术及经济优势。

Description

一种可视化河道厌氧底泥自动取样器

技术领域

本发明涉及河道底泥取样技术领域，具体为一种可视化河道厌氧底泥自动取样器。

背景技术

在研究水体污染时，为探究水体底泥中厌氧微生物(如产甲烷菌、硫酸盐还原菌)与水体水质变化的关系，需要采集水体中的厌氧底泥(含有厌氧菌的底泥)，目前常用的是抓斗式采泥器，其为一种人工型、抓斗式采泥设备。如图4所示，采样时先将抓斗打开，将卡扣搭在螺母上，同时用力提起绳索，使钢丝绳绷直，从而在张力作用下保证卡扣和螺母接触牢固，使抓斗保持张开状态；然后，在预先的河道采样点，将抓斗缓慢放入水中，待抓斗接触到河底后，松开绳索使钢丝绳突然松弛，从而卡扣与螺母脱落，抓斗在重力作用下开始闭合，将河道底泥抓入泥斗中；最后，缓慢提起绳索，将抓斗提上岸边，通过抓斗顶上的泄水孔，将泥斗内的水撇除，打开抓斗并将泥斗内底泥倒入收集容器，即完成整个采样过程。

常用的抓斗式采泥器在使用过程中会存在以下缺点：

1)采用人工采泥的方式，体力劳动工作强度大；

2)对于河道岸边水中石头较多的情况下，实用性较差；

3)容易抓取到河道底泥中的沙袋、水草等导致抓斗很难提上岸；

4)抓取的底泥杂质(如螺蛳、水草、生化垃圾等残体)较多且含水率较高，后续预处理工作量大；

5)采样以及后续厌氧底泥预处理过程中，为敞开式环境，与空气接触时间较长，会影响采集的底泥中厌氧微生物的存活，影响科研结果的准确性。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种可视化河道厌氧底泥自动取样器来解决上述底泥取样过程效率低下，且取样效果差的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种可视化河道厌氧底泥自动取样器，包括浮水机箱以及进泥主管；所述进泥主管一端可延伸至河道水底，另一端延伸至浮水机箱内；所述浮水机箱内设有与进泥主管相连的进泥泵；所述进泥泵的排泥口处依次装设有用于泥水混合物中大杂质的除杂转筛，以及用于泥水分离的泥水分离机构；所述进泥主管靠近河道水底的一端还设置有水下探头以及泥水搅拌器。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述进泥主管的进泥口设置有底阀。

进一步，所述泥水搅拌器相对进泥主管均匀环绕设置有多组，且泥水搅拌器一侧还设有浊度传感器。

进一步，所述泥水分离机构包括浓缩离心桶；所述浓缩离心桶上层连通有用于排出上清液的排水管路，且其下层设有用于排出底泥的排泥管路；所述排水管路和排泥管路上分别装设有排水阀和排泥阀。

进一步，所述浓缩离心桶内还设有液位传感器。

进一步，所述浓缩离心桶内还设有底泥限位器；

所述底泥限位器包括限位基座和泥位接触件，所述泥位接触件通过转动轴与限位基座铰接；当所述浓缩离心桶内底泥装填至标准收集量时带动泥位接触件相对限位基座向上偏转。

进一步，所述底泥限位器还包括用于检测泥位接触件相对水平面上扬角度的信号开关。

进一步，所述泥位接触件底部为平面、顶部为三角斜面状。

进一步，所述泥水分离机构还包括设置于排泥管路末端的出泥泵。

进一步，所述进泥主管可采用快速接头多节连续拼接。

进一步，所述除杂转筛内填充有缓释除氧颗粒；所述缓释除氧颗粒由内部除氧剂以及外部缓释包覆材料组成。

并且，本发明提供的可视化河道厌氧底泥自动取样器，与现有技术相比，至少具有以下有益效果：

1)通过水下探头，可初步筛选合适的采样点，避免采样器被水草缠绕、与石头碰撞等极端情况出现，提升了采样器的安全性和采样效率。

2)整个采样过程中，底泥通过进泥主管进入浮水机箱，为一个连续的封闭环境，减少了底泥与空气的接触，最大程度保证了底泥内的厌氧微生物不受影响。

3)集约化程度高，组装及拆卸便捷、占地面积小、易于携带。

4)可视化河道厌氧底泥自动取样器为自动化采样作业，劳动强度低。

5)与常用的抓斗式采泥器相比，本发明可视化河道厌氧底泥自动取样器，杂质已被筛除，含水率更低(可降低至60-80％)，减轻了后续实验室对底泥预处理的工作量，同时也避免了底泥上岸过程及预处理过程中底泥与空气的接触，保护了底泥中的厌氧微生物。

6)与常用的抓斗式采泥器相比，本发明底泥采样器特别适用于河道岸边水中石头较多的情形，具有显著的技术及经济优势。

7)缓释除氧颗粒可充分去除泥水混合物和空气中的氧气，避免了常规采样及后续底泥预处理过程中，厌氧微生物因长时间大量接触氧气而大量死亡的现象发生。

附图说明

图1为本发明采用过程示意图；

图2为本发明浮水机箱内部结构示意图；

图3为本发明底泥限位器的结构示意图；

图4为现有抓斗式采泥器的原理示意图；

图5为缓释除氧颗粒结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、浮水机箱，2、进泥主管，2.1、底阀，3、进泥泵，4、除杂转筛，5、水下探头，6、泥水搅拌器，7、浊度传感器，8、浓缩离心桶，8.1、排水阀，8.2、排泥阀，8.3、液位传感器，8.4、限位基座，8.5、泥位接触件，8.6、出泥泵，9、缓释除氧颗粒。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

需要说明的是，除非另有明确规定和限定，术语中“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型结构。对于本领域的普通技术人员，可以根据具体情况理解该类术语在本专利中的具体含义。

如图1和图2所示，本发明设计的可视化河道厌氧底泥自动取样器，包括浮水机箱1以及进泥主管2；所述进泥主管2一端可延伸至河道水底，另一端延伸至浮水机箱1内；所述浮水机箱1内设有与进泥主管2相连的进泥泵3；所述进泥泵3的排泥口处依次装设有用于泥水混合物中大杂质的除杂转筛4，以及用于泥水分离的泥水分离机构；所述进泥主管2靠近河道水底的一端还设置有水下探头5以及泥水搅拌器6。

本实施例中，浮水机箱1外壳材质为不锈钢，外形尺寸为800×500×500mm，主机箱底部有万向轮，便于移动。

本实施例中，进泥主管2的进泥口设置有底阀2.1，控制底泥吸入。

本实施例中，进泥泵3为自吸泵、转子泵、电动隔膜泵，优选地为电动隔膜泵。

本实施例中，泥水搅拌器6转速为300～1500转/min，优选地，为750转/min。

为了提升底泥的搅拌效果，保证底部水体浑浊度足够，泥水搅拌器6相对进泥主管2均匀环绕设置有多组，且泥水搅拌器6一侧还设有浊度传感器7。

优选的，泥水搅拌器6设置有三组，同一平面互成120°夹角，搅动的范围更大，稳定性更好。

其中，浊度传感器7测量范围为0-1000NTU、0-2000NTU、0-4000NTU，优选地，为0-2000NTU。

本实施例中，除杂转筛4转动过程中，主要针对相对较大的杂质，如树叶残片、螺蛳碎壳、大颗粒砂石等，被除杂转筛4截留去除后，细腻的底泥和水则漏入泥水分离机构中。

其中，除杂转筛4，材质为聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、不锈钢，优选地，为不锈钢；筛网空隙为3-5mm，5-10mm，10-20mm，优选地，为3-5mm；转速为10-30转/min，优选地为，18-25转/min。

作为一种实施方式，所述泥水分离机构包括浓缩离心桶8；所述浓缩离心桶8上层连通有用于排出上清液的排水管路，且其下层设有用于排出底泥的排泥管路；所述排水管路和排泥管路上分别装设有排水阀8.1和排泥阀8.2。浓缩离心桶8离心转动时，可利用泥水密度差将泥水分离，分离后的上清液和底泥分别通过排水管路和排泥管路排出。

具体的，所述浓缩离心桶8内还设有液位传感器8.3。

其中，液位传感器8.3可为探针式液位开关、连杆式液位开关、鸭嘴式浮球开关，优选地，为鸭嘴式浮球液位开关。

具体的，所述浓缩离心桶8内还设有底泥限位器；

如图3所示，所述底泥限位器包括限位基座8.4和泥位接触件8.5，所述泥位接触件8.5通过转动轴与限位基座8.4铰接；当所述浓缩离心桶8内底泥装填至标准收集量时带动泥位接触件8.5相对限位基座8.4向上偏转。

优选的，所述底泥限位器还包括用于检测泥位接触件8.5相对水平面上扬角度的信号开关，泥位接触件8.5只能相对水平往上方向范围转动。当浓缩离心桶8内的底泥逐渐增加至泥斗满时，泥位接触件8.5在底泥的托举下，泥位接触件8.5将缓缓向上扬起，当上扬角度超过15°时，信号开关会输出信号，提示底泥已满，可通过排泥阀8.2导出以便于集中收集。

另外，所述泥位接触件8.5底部为平面、顶部为三角斜面状，斜面夹角为30-60°，优选地为45°，防止泥位接触件8.5筛分落下的底泥累积在泥位接触件8.5上部，导致其无法向上方向转动。

其中，泥位接触件8.5材质为聚丙烯PP、聚氯乙烯PVC、有机玻璃PMMA，优选地，为聚丙烯PP。

优选的，所述泥水分离机构还包括设置于排泥管路末端的出泥泵8.6。

其中，出泥泵8.6为自吸泵、转子泵、电动隔膜泵、螺杆泵，优选地为螺杆泵。

作为一种实施方式，所述进泥主管2可采用快速接头多节连续拼接，每节长度0.5-1.0m，优选为0.5m。

其中，快速接头形式，为卡扣式、螺纹式、插销式，优选为卡扣式。

浮水机箱1内还配置有用于系统供电的电源系统以及用于系统控制的控制系统。

作为一种实施方式，所述除杂转筛4内填充有缓释除氧颗粒9，缓释除氧颗粒9填充比例10％-30％，优选为15％；颗粒直径6-12mm，优选为6mm。

具体的，如图5所示，缓释除氧颗粒9由内部除氧剂以及外部缓释包覆材料组成；除氧剂为亚硫酸钠、亚硫酸钾晶体，优选为亚硫酸钠；缓蚀包覆材料为水泥、砂、水，质量比例为1：(0.5-5)：(0.5-1)，优选为1:2:0.5。

其中，水泥可采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥，水泥强度等级为32.5、42.5或52.5，优选为42.5硅酸盐水泥。

当进泥泵3开始抽吸工作时，泥水混合物进入除杂转筛4，会与除杂转筛4内的缓释除氧颗粒9接触。在除杂转筛4的转动下，泥水混合物与缓释除氧颗粒9充分接触，部分液体浸润进入缓释除氧颗粒9后，将缓释包覆材料中的除氧剂溶解后渗透包覆材料而析出除氧溶液，并随同厌氧底泥一起下落至浓缩离心桶8，缓释包覆材料则留在除杂转筛4中。

除氧溶液下落的过程中，与泥水混合物、空气充分接触，从而除去泥水混合物中的氧气以及消耗机箱内的氧气，保证整个采样过程均为厌氧状态。

反应原理如下：

2Na₂SO₃+O₂→2Na₂SO₄

2K_/22SO₃+O₂→2K₂SO₄

除氧剂亚硫酸钠/亚硫酸钾为白色晶体，易溶于水，可与水/空气中的氧气反应。

缓释除氧颗粒，在泥水混合物的水力冲刷，以及除杂转筛4转动作用下，颗粒之间相互摩擦、碰撞，保证了颗粒与泥水混合物、空气的充分接触，以及有效避免了颗粒孔隙的堵塞，从而确保了缓释除氧颗粒的除氧效率。

缓释除氧颗粒可充分去除泥水混合物和空气中的氧气，避免了常规采样过程中，厌氧微生物(产甲烷菌、硫酸盐还原菌等)因长时间大量接触氧气而大量死亡的现象发生。

缓释除氧颗粒中除氧剂与氧气反应形成的硫酸根离子，进入底泥样品中，可作为厌氧微生物硫酸盐还原菌生长代谢的电子受体，从而有利于后续底泥中硫酸盐还原菌的保存及进一步的扩大培养。

缓释除氧颗粒结构强度较高，在随除杂转筛4过程中，可对抽吸上来的泥水混合物中的大块泥饼，以及过滤时间长形成的滤饼，进行碰撞破碎，以及对网孔进行摩擦，从而防止转筛网孔堵。

本发明的工作原理如下：

1)采样前准备

采样前在河岸边，先用快速接头将进泥主管2与进泥泵3进口连接牢固，在进泥主管2吸入口首端上架设好泥水搅拌器6、水下探头5和浊度传感器7，最后将进泥主管2一节节搭接到预设长度。

2)确定采样点

缓慢将进泥主管2放入河岸水体中，通过水下探头5初步搜索筛选合适的取泥采样点，尽量避开以下采样点：

a.避开水草较多的位置，防止后续泥水搅拌器6桨叶被水草缠绕；

b.避开底泥表面石头较多的位置，防止后续泥水搅拌器6桨叶碰到大石头造成损坏；

c.避开底泥表面动植物残体(如螺蛳壳、水草枯枝等)、生活垃圾(如塑料袋、玻璃碎片等)较多的位置，防止后续进泥主管2吸泥过程中，吸入动植物残体导致堵塞。

3)开始取样

选择好合适的采样点后，将进泥主管2底部的吸入口固定在底泥上方约1-3cm的位置，此时泥水搅拌器6的桨叶开始旋转，将底泥扰动起来，造成底部水体浑浊，通过浊度传感器7将水体浊度上传至控制系统，当浊度达到2000NTU时，此时进泥泵3开始抽吸工作，底阀2.1在吸力作用下向上开启，泥水混合物开始通过进泥主管2进入除杂转筛4。

4)大杂质过滤

进泥泵3与除杂转筛4处于联锁状态，当进泥泵3开始抽吸工作时，除杂转筛4也开始转动状态。当泥水混合物进入除杂转筛4后，在筛网转动过程中，一些相对较大的杂质，如树叶残片、螺蛳碎壳、大颗粒砂石等，被筛网截留去除，而细腻的底泥和水则漏入浓缩离心桶8中，同时缓释除氧颗粒9保证了样本环境处于缺氧状态，使得获取的厌氧底泥中厌氧菌最大限度地与其原生态环境保持一致。

5)泥水分离

浓缩离心桶8内液位达到最高水位时，通过液位传感器8.3将信号传入控制系统，此时泥水搅拌器6、进泥泵3和除杂转筛4停止工作，而底阀2.1由于吸力消失，在重力作用下关闭，将泥水混合物留存于进泥主管2中，以便后续进泥泵2的二次启动抽吸工作。

浓缩离心桶8上面的排泥阀8.2、排水阀8.1初始为关闭状态，进泥泵3和除杂转筛4停止工作后浓缩离心桶8开始离心转动，利用泥水密度差将泥水分离，离心5-10min后停止工作；然后排水阀8.1自动开启，排水3-5min后自动关闭。

排水阀8.1关闭后，再次自动开启泥水搅拌器6，当浊度达到2000NTU时，再次启动进泥泵3，即重复循环上述步骤，当泥位接触件被下方底泥向上顶起时，此时信号控制系统，最后一次自动开启排水阀8.1，排水3-5min后自动关闭，然后自动开启排泥阀8.2，启动出泥泵8.6，将底泥抽吸外排至盛装底泥的容器中，即完成一次采样周期。

6)采样完成

采样完成后，将进泥主管2缓慢提上岸边，通过卸载快速接头，再进泥主管2拆卸成短节，装于收纳袋内；将除杂转筛4和浓缩离心桶8拆卸下来，使用毛刷和清水，将其清洗干净安装回原位，最后将全部采样物件搬至采样车后备箱中，即完成整个采样过程。

需要说明的是，在本文中，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。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种可视化河道厌氧底泥自动取样器，其特征在于，包括浮水机箱(1)以及进泥主管(2)；所述进泥主管(2)一端可延伸至河道水底，另一端延伸至浮水机箱(1)内；所述浮水机箱(1)内设有与进泥主管(2)相连的进泥泵(3)；所述进泥泵(3)的排泥口处依次装设有用于泥水混合物中大杂质的除杂转筛(4)，以及用于泥水分离的泥水分离机构；所述进泥主管(2)靠近河道水底的一端还设置有水下探头(5)以及泥水搅拌器(6)。

2.根据权利要求1所述的可视化河道厌氧底泥自动取样器，其特征在于，所述进泥主管(2)的进泥口设置有底阀(2.1)。

3.根据权利要求1所述的可视化河道厌氧底泥自动取样器，其特征在于，所述泥水搅拌器(6)相对进泥主管(2)均匀环绕设置有多组，且泥水搅拌器(6)一侧还设有浊度传感器(7)。

4.根据权利要求1所述的可视化河道厌氧底泥自动取样器，其特征在于，所述泥水分离机构包括浓缩离心桶(8)；所述浓缩离心桶(8)上层连通有用于排出上清液的排水管路，且其下层设有用于排出底泥的排泥管路；所述排水管路和排泥管路上分别装设有排水阀(8.1)和排泥阀(8.2)。

5.根据权利要求4所述的可视化河道厌氧底泥自动取样器，其特征在于，所述浓缩离心桶(8)内还设有液位传感器(8.3)。

6.根据权利要求4所述的可视化河道厌氧底泥自动取样器，其特征在于，所述浓缩离心桶(8)内还设有底泥限位器；

所述底泥限位器包括限位基座(8.4)和泥位接触件(8.5)，所述泥位接触件(8.5)通过转动轴与限位基座(8.4)铰接；当所述浓缩离心桶(8)内底泥装填至标准收集量时带动泥位接触件(8.5)相对限位基座(8.4)向上偏转。

7.根据权利要求6所述的可视化河道厌氧底泥自动取样器，其特征在于，所述底泥限位器还包括用于检测泥位接触件(8.5)相对水平面上扬角度的信号开关。

8.根据权利要求6所述的可视化河道厌氧底泥自动取样器，其特征在于，所述泥位接触件(8.5)底部为平面、顶部为三角斜面状。

9.根据权利要求4所述的可视化河道厌氧底泥自动取样器，其特征在于，所述泥水分离机构还包括设置于排泥管路末端的出泥泵(8.6)。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的可视化河道厌氧底泥自动取样器，其特征在于，所述除杂转筛(4)内填充有缓释除氧颗粒(9)，所述缓释除氧颗粒(9)由内部除氧剂以及外部缓释包覆材料组成。