CN202794089U

CN202794089U - 一种底泥呼吸及氮内源释放的原位测定装置

Info

Publication number: CN202794089U
Application number: CN 201220523177
Authority: CN
Inventors: 张路; 杜应旸
Original assignee: Nanjing Institute of Geography and Limnology of CAS
Current assignee: Nanjing Institute of Geography and Limnology of CAS
Priority date: 2012-10-15
Filing date: 2012-10-15
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2022-10-15

Abstract

一种底泥呼吸及氮内源释放的原位测定装置，包括测定箱和测量电极，所述的测定箱包括箱体、透明的顶盖和限位裙边；所述的顶盖上开有圆形排水孔并安装单向阀；顶盖上还设有一组内嵌密封环的电极装配孔；所述的测定箱内设有循环水泵；所述的测量电极至少包括溶解氧电极和氨电极，测量电极插入顶盖上的电极装配孔中。本实用新型的装置在测定现场投放后，箱体内存留水样即为上覆水，由测量电极实时获取水体溶解氧和氨氮浓度和变化速率，能够原位、同步、快速地测定底泥呼吸及氮内源释放速率。

Description

一种底泥呼吸及氮内源释放的原位测定装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于湖泊、河流及湿地等污染水体底泥内源污染的测定装置，特别涉及一种底泥呼吸和氮内源释放的原位测定装置，属于生态和环境技术领域。

背景技术

近年来，随着湖泊、河流及湿地等受人类活动影响，这些水体的污染越趋严重。由于底泥是这些水体污染物的最终承纳者，其污染状况反映和记录了水体及流域的污染状况。同时，污染底泥也对这些水体的环境状况产生密切的反馈作用，称为内源污染。而底泥的呼吸作用以及氨氮的内源污染，常常是底泥内源污染中表现最为明显的和强烈的。其主要原因是，内源污染来自于表层底泥中有机质，包括有机氮的有氧呼吸和矿化，以及更为强烈的下层底泥的厌氧呼吸和有机氮矿化。前一个过程首先形成了底泥对氧气的消耗，与底栖生物对氧气的直接利用共同形成底泥呼吸作用，并产生上层底泥氨氮的蓄积。后一个过程中的厌氧呼吸作用虽然其速率较有氧呼吸慢，但由于上层底泥的阻隔，往往在底泥下层形成大量的氨氮蓄积，并在分子扩散、底栖生物扰动、水流扰动等作用下，向水体迁移，从而形成氮的内源负荷。底泥呼吸形成的缺氧状态，强烈影响底泥氨氮的蓄积和释放。因此，底泥呼吸以及氮内源污染的测定对于了解水体污染的来源和强度等具有重要作用。

国内乃至世界上许多国家都将底泥疏浚作为改善湖泊、河流以及湿地水体较严重的底泥内源污染的手段之一，而疏浚的位置、面积等因素的决策，常常依赖于底泥呼吸和氨氮释放强度的分析。而且底泥疏浚的效果，也将底泥呼吸作用和氨氮释放强度的改善作为指标之一。因此，能快速、原位进行底泥呼吸和氮内源释放的测定装置和方法，将有助于上述问题的解决。

底泥的呼吸作用和氨氮内源释放测定，传统上采用底泥柱样采集-室内培养-实验室分析-结果计算的步骤得到。由于湖泊、河流和湿地底泥的物理化学特征在空间上往往存在差异（底泥空间异质性），因此，较小直径的底泥柱样往往只能代表范围较小的底泥特征。而由于底泥柱样采样器的限制，往往不能获得直径较大的底泥柱样，必须通过多柱样平行来解决，也因此增加了采样和后续培养分析的工作量。采集的底泥柱样在进入实验室培养前，往往需要长距离运输，运输过程中的颠簸和晃动带来的压实和扰动效应，往往会改变底泥，特别是影响底泥呼吸和内源释放关键的表层底泥的物理化学特性，使得培养的样品与原位样品具有一定差异。因而样品采集和培养的过程中往往带来表层底泥物理化学特征的变化，如溶解氧、上层水体营养盐含量等。现有技术中解决的方法往往是缩短运输距离和小心运输。而这些解决方案往往不能彻底解决样品代表性的问题。室内培养过程中，无论是静态培养法，还是流动培养法，均是在模拟现场条件（如温度、溶解氧、pH）下进行的，尽管模拟条件可以接近现场条件，但仍无法完全再现现场的环境条件。室内培养法测定底泥呼吸和氨氮释放过程必须测定上覆水的溶解氧变化和氨氮变化，因此涉及到较繁复的样品分析工作，虽然有其他测定的替代方案，但培养过程的冗长和操作的繁复仍无法克服。

底泥呼吸和氨氮内源释放的测定，也可借助于底泥间隙水扩散模型计算得到。但是，底泥间隙水的获取，往往需要长时间（20-30天）的平衡（Peeper法），或者需要采集原状底泥后，再采用压榨、离心、Rizhon抽提、DET、DGT等方式，尽管通过一些复杂的间隙水获取技术，能得到间隙水垂向变化剖面，并在此基础上利用Fick第一定律计算理论上的释放通量，但是，技术的复杂性和操作的冗长，都是间隙水扩散模型不能克服的缺点。同时，扩散模型计算的释放通量往往是理论上的，具有一定的前提假设和条件，如不考虑底栖生物扰动、扩散过程完全受控于溶解态氨氮的浓度梯度等因素，也因此往往不能代表氨氮的原位实际释放通量。

通过以上分析可知，一种能用于野外的，原位快速测定底泥呼吸作用和氨氮释放的测定装置，将有助水生态、水环境研究中涉及底泥呼吸和氨氮内源释放问题的解决，以及疏浚方案制定和疏浚效果分析的背景参数获取。

发明内容

针对上述底泥呼吸及氮内源释放测定中现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种便于在湖泊、河流及湿地现场进行原位同步测定底泥呼吸及氮内源释放的装置，达到有效降低样品采集及室内模拟分析测定工作量，提高样品代表性和分析准确度的效果。

本实用新型的原位测定装置提供了底泥呼吸和氮内源释放的封闭水体，并采用具有快速响应和测定功能的溶解氧和氨氮电极（以及其他辅助性测定电极），获取实时测定的、随时间变化的水体溶解氧和氨氮等物质浓度和变化速率。

本实用新型的目的是通过如下技术方案实现的：

一种底泥呼吸及氮内源释放的原位测定装置，包括测定箱和测量电极，所述的测定箱包括箱体、透明的顶盖和限位裙边；所述的顶盖上开有圆形排水孔并安装单向阀；顶盖上还设有一组内嵌密封环的电极装配孔；所述的测定箱内设有循环水泵；所述的测量电极至少包括溶解氧电极和氨电极，测量电极插入顶盖上的电极装配孔中。

优选地，所述的箱体由不锈钢或有机玻璃圆筒构成。

所述的限位裙边围绕箱体水平地固定在箱体外侧，位于箱体底部向上2-10cm。

所述的单向阀的作用在于，在投放过程中单向地将测定箱中的水自排水孔排出，从而测定箱在水体中下降到达底泥表面时，箱内存留的为底泥上覆水，而非表层水。单向阀的一个具体实现方式，如实施例中所描述的，包括阀体、磁钢阵列及铰链；其中，所述的阀体为圆形复合硅胶片，内衬圆形铁片，其半径大于排水孔半径；所述的磁钢阵列，为嵌入顶盖内的一组圆周状排列的永磁钢，磁钢中心所在的圆与排水孔形成同心圆，磁钢顶面略低于顶盖表面；所述的阀体通过铰链连接在顶盖上并平覆在排水孔上。单向阀依其阀体内衬的圆形铁片与永磁钢阵列间磁力将复合硅胶片压紧于顶盖的排水孔四周形成密封。

所述的测量电极可根据测定需要增加，如pH电极等。溶解氧电极优选荧光法溶解氧电极，该电极响应快速、不消耗氧气；氨电极优选为氨气敏离子选择电极（ISE）。

所述的测定箱上还包括投放底座，投放底座固定在顶盖上，用于连接投放绳索或投放杆等。

所述的原位测定装置中，测量电极通过电极电缆与测定仪连接，实时读取测定数据，用于分析与计算。

本实用新型与现有技术相比，其优势在于：

（1）采用本实用新型的装置可在河流、湖泊和湿地现场直接测定，无需经过采样、培养、测定等过程，可以原位快速获取底泥呼吸作用和氨氮释放速率。

（2）本实用新型的装置在测定过程无扰动，不破坏底泥的原始形状，更好的反映现场底泥的物理和化学特性。

（3）本实用新型的装置进行底泥呼吸及氮内源释放的测定更为经济、实用，不需要样品运输、培养、测定等过程，除电池充电外，其消耗品和消耗费用基本为零。

（4）本实用新型的装置采用大孔径单向阀，保证了原位测定箱投放成功后，箱体内存留水样即为上覆水，突破了传统的箱式法不能迅速获取底泥上覆水的缺点，可立即开展原位测定，不需要经过稳定，节省了培养时间。

（5）本实用新型的装置和还可以利用其他电极同步监测其他指标的变化，如pH，具有可扩展性。

（6）本实用新型的装置能够最大限度克服底泥空间异质性，利用原位测定装置进行测定，反映的水域底泥呼吸及氮释放更具代表性。

下面结合具体实施方式对本实用新型进行详细描述。本实用新型的保护范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求加以限定。

附图说明

图1为本实用新型的底泥呼吸及氮内源释放的原位测定装置立体结构示意图。

图2为本实用新型的原位测定装置中单向阀的结构示意图。

图3为本实用新型的原位测定装置中投放底座的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型涉及一种可以用于湖泊、河流及湿地污染水体底泥呼吸和氮内源释放进行原位测定的装置。

如图1所示，一种底泥呼吸及氮内源释放的原位测定装置，包括测定箱和测量电极。其中，测定箱包括有机玻璃制作的圆柱形箱体1、顶盖3及限位裙边2，溶解氧、氨、pH三种测量电极插入顶盖3上的电极装配孔6中。顶盖3上除开有3个电极装配孔6外，还开有一大孔径排水孔11并安装单向阀5；顶盖3上端固定有投放底座4；测定箱内固定有循环水泵9，循环水泵9与直流电源8连接。

如图2所示，上述单向阀5包括阀体13、磁钢阵列12及固定阀体的铰链14。阀体13为圆形复合硅胶片，内衬圆形铁片。磁钢阵列12包括顶盖3上的一组永磁钢，在半径大于排水孔11的同心圆上呈圆周排列，形成圆周状磁钢阵列。磁钢阵列的圆周半径小于阀体13半径。阀体13通过铰链14铰接在顶盖3上并平覆在排水孔11上。

上述原位测定装置制作的具体方法如下：

（1）测定箱采用透明聚异丁烯酸树脂制作。针对浅水湖泊、河流和湿地水体水深较浅的特点，在水体透明度较高的情况下，光补偿深度往往大于水深，因此，底泥表面往往受光照影响。采用透明材料制作测定箱，便于真实反映底泥的光照情况，并能测定底泥呼吸和底栖藻类的光合作用，并测定受光照影响的氮内源释放。此设计在浅水湿地，特别是有底栖藻类和水生植物覆盖的底泥表面进行测定时，具有显著优势。

（2）测定箱的箱体1为圆柱形，便于箱体1内部水流均匀分布及混合。同时箱体1内置直流电驱动的循环水泵9，其流量的设定依据箱体体积大小确定。可在顶盖3固定一直流电源8（蓄电池）为循环水泵9供电，一般取容量为20安时锂电池。直流电源8与循环水泵9采用防水连接，由电源线10穿入箱体内与循环水泵9连接。

（3）箱体1底端5cm处水平焊接一宽度为50mm的环形限位裙边2。其主要作用为：在湖泊和河流底泥表层放置时，保证裙边与底泥表面较大的接触面积，降低箱体对底泥的正压力，防止箱体下陷，保证箱体与底泥表面围合体积的固定。

（4）测定箱的顶盖3上开有3个电极装配孔6，每孔内嵌橡胶密封环，并用硫化硅胶胶合剂固定，密封环内径略小于测量电极测量端外径，便于电极插入箱体1，并形成密封。

（5）单向阀5制作

该单向阀5保证在投放过程中是开启的，以使测定箱内水体在箱体1下降过程中可以自大孔径排水孔11被排出，从而使测定箱在到达底泥表面时，箱体1内存留的为底泥上覆水，而非表层水。在箱体1插入底泥后，该阀被关闭，从而形成密封的上覆水环境。

具体制作方法如下：

阀体13采用胶合的圆形复合硅胶片，内衬圆形铁片。铁片被无缝粘接在圆形硅胶片中间。

测定箱的顶盖3上开圆形排水孔11，半径为圆形铁片半径减1.0 cm。

顶盖3上沿排水孔11周边，在半径为排水孔11半径加0.5 cm的同心圆上，圆周布置半径为2mm的圆形永磁钢，磁钢中心孔距为8mm，形成圆周状永磁钢阵列12。磁钢顶端略低于测定箱顶盖3表面1mm，上用硅胶密封。

阀体13以铰链14平覆在圆形排水孔11上端，依其内衬的圆形铁片与磁钢阵列间磁力将硅胶片压紧于顶盖3的排水孔11四周形成密封。

（6）测定箱的投放装置

如图3所示，测定箱顶盖3上用ABS胶固定一圆形带内螺纹（φ50mm）的有机玻璃投放底座4，并用不锈钢固定螺丝15加强固定于顶盖3上，固定螺丝15由顶盖3贯穿孔，由下向上将投放底座4固定，以加强投放底座4与顶盖3的粘合强度。另配一投放杆，投放杆采用ABS空心硬杆，底端带外螺纹（φ50mm），长度依据现场水深而定。一般地，其长度应大于现场水深1-2m为宜。过长则不易操作，过短则无法用力。

（7）电极选择与装配

选择水下测量电极，防水深度和电极电缆长度均大于测定水体深度。选择溶解氧、氨、pH三种电极。其中溶解氧电极为快速响应、不消耗氧气的荧光法溶解氧电极，氨电极为离子选择氨气敏电极（ISE），pH电极为传统pH玻璃电极。将测量电极插入顶盖3上的电极装配孔6并形成密封。

利用上述原位测定装置进行底泥呼吸及氮内源释放原位测定的方法如下：

（1）原位测定装置装配：在测定现场装配上述原位测定装置，三种电极均在实验室内预先校准、标定，在测定现场插入顶盖3上的电极装配孔6并形成密封，测量电极的测量端伸入箱体1内约2cm。用电极电缆将测量电极与手持测定仪连接，手持测定仪可直接读出三种电极的测定值。

（2）原位测定装置投放：在测定现场，将投放杆旋入投放底座4，将测定箱放入水中，接通箱内循环水泵9电源，打开单向阀5。手持投放杆，缓慢将原位测定装置降低到底泥表面，使测定箱插入底泥至限位裙边2达到底泥表面。关闭单向阀5，测定箱内形成密封空间。

（3）测定起点：测定箱投放到位后，放置1min左右，以使箱内水体在循环水泵9作用下，形成均匀混合的水体，待测定电极读数稳定后，开始计时。

（4）测定：开始计时记为时刻“0”，并记录下三个电极测定读数，溶解氧、氨氮浓度和pH分别记为D0、N0和P0；

在记录“0”时刻读数后，Δt=2～30min后测定记录第一组电极测定读数，溶解氧、pH、氨氮分别记为D1、P1和N1。此后，每隔Δt测定并记录一组读数，得到一组电极测定读数的时间序列。

（5）测定终点：测定结束的时间由溶解氧浓度的变化率决定，其原则为溶解氧含量变化不超过70%，即当Dt / D0 ≤ 0.7时，记为测定终点。或者，当底泥存在水草或者底栖藻类，在光合作用下导致底部放氧过程时，溶解氧会出现升高的趋势，此时，将Dt / D0 ≥ 1.3作为测定终点。

（6）测定结果计算：

以溶解氧、氨氮浓度与时间进行线性回归，得到下述回归方程：

溶解氧D的回归公式为 Dt= A_D + B_D× t，其中A_D为D与t的线性回归截距，B_D为斜率

氨氮N的回归公式为 Nt=A_N + B_N × t，其中A_N为N与t的线性回归截距，B_N 为斜率

斜率B_D、B_N与底泥表面到箱顶的高度（H）的乘积即释放速率，即：

底泥呼吸速率（SOD）= B_D× H

氨氮释放速率（F_N）= B_N× H。

Claims

1.一种底泥呼吸和氮内源释放的原位测定装置，其特征在于，所述的装置包括测定箱和测量电极，所述的测定箱包括箱体（1）、透明的顶盖（3）和限位裙边（2）；所述的顶盖（3）上开有圆形排水孔（11）并安装单向阀（5）；顶盖（3）上还设有一组内嵌密封环的电极装配孔（6）；所述的测定箱内设有循环水泵（9）；所述的测量电极至少包括溶解氧电极和氨电极，测量电极插入顶盖（3）上的电极装配孔（6）中。

2.根据权利要求1所述的原位测定装置，其特征在于，所述的箱体（1）由不锈钢或有机玻璃圆筒构成。

3.根据权利要求1所述的原位测定装置，其特征在于，所述的限位裙边（2）围绕箱体（1）水平地固定在箱体（1）外侧，位于箱体（1）底部向上2-10cm。

4.根据权利要求1所述的原位测定装置，其特征在于，所述的单向阀（5）包括阀体（13）、磁钢阵列（12）及铰链（14）；其中，所述的阀体（13）为圆形复合硅胶片，内衬圆形铁片，其半径大于排水孔（11）半径；所述的磁钢阵列（12），为嵌入顶盖（3）内的一组圆周状排列的永磁钢，磁钢中心所在的圆与排水孔（11）形成同心圆，磁钢顶面略低于顶盖（3）表面；所述的阀体（13）通过铰链（14）连接在顶盖（3）上并平覆在排水孔（11）上。

5.根据权利要求1所述的原位测定装置，其特征在于，所述的溶解氧电极为荧光法溶解氧电极，氨电极为氨气敏离子选择电极。

6.根据权利要求1所述的原位测定装置，其特征在于，所述的测定箱上还包括投放底座（4），投放底座（4）固定在顶盖（3）上。

7.根据权利要求1所述的原位测定装置，其特征在于，所述的原位测定装置中，测量电极通过电极电缆与测定仪连接。

8.根据权利要求1所述的原位测定装置，其特征在于，所述的原位测定装置中，测量电极还包括pH电极。