CN204613185U - 一种模拟湖泊底泥覆盖对底栖生物毒性效应的装置 - Google Patents

Abstract

一种模拟湖泊底泥覆盖对底栖生物毒性效应的装置，属于湖泊修复技术的环境生物效应研究领域，其解决了目前关于湖泊底泥覆盖对底栖生物毒性效应方面的研究受到野外条件复杂、影响因子多等困难影响的问题。本实用新型包括保温柜和控制系统，所述的保温柜内部设有水槽；所述的控制系统包括水动力扰动系统、曝气系统、控温系统、光照控制系统和控制装置箱。本实用新型研究覆盖技术对底栖生物的生物毒性效应得到的数据结果真实、说服力强，给湖泊沉积物覆盖技术对底栖生物的生物毒性方面的研究提供了科学技术支撑。

Description

一种模拟湖泊底泥覆盖对底栖生物毒性效应的装置

技术领域

本实用新型涉及湖泊修复技术的环境生物效应研究领域，具体地涉及一种模拟湖泊底泥覆盖对底栖生物毒性效应的装置。

背景技术

早在19世纪70年代，覆盖技术就开始应用于沉积物内源修复，该技术因具有经济、快速和效果稳定等特点在底泥内源污染治理中得到较广泛的应用。该技术的原理是通过向水体或沉积物加入钝化剂，在沉积物表层形成一个“钝化层”，使沉积物中不稳定态污染物与钝化剂结合或被钝化剂吸附，以有效减少沉积物中的污染物质向上覆水体释放。

目前针对湖泊底泥覆盖技术的研究更多的还是关注于覆盖材料的研制以及覆盖对沉积物污染释放抑制效果的研究，例如中国专利申请号201310382732.7，公开日2013年11月27日的专利申请文件，公开了一种利用改性沸石原位控制底泥磷释放的方法，具体来说就是以来源广泛、价格低廉的天然沸石作为锆的载体，以可溶性锆盐作为改性剂，按质量比沸石∶改性剂为1∶1～10∶1制备锆改性沸石，再以锆改性沸石作为底泥改良剂按照质量比锆改性沸石：底泥为1∶2～1∶20将改良剂添加进底泥中。利用锆改性沸石对磷的固定能力，将锆改性沸石作为地表水体底泥改良剂可以明显增强底泥对磷的固定能力，并降低底泥中磷的释放，从而可以实现对地表水体内源磷的释放控制。锆改性沸石的化学性质稳定、无毒、不溶于水，且对底泥中磷固定效率高，因此利用锆改性沸石作为底泥改良剂控制底泥磷释放技术适于推广应用；又例如中国专利申请号201310330282.7，公开日2013年10月23日的专利申请文件，公开了一种研究沉积物中重金属和/或磷酸盐释放的设备：主体为沉积物-水界面系统和溶解氧控制装置，沉积物-水界面系统由水槽构成，水槽底部沿中心线长度方向并列插有数组板式DGT；水槽顶部装有微电极控制系统，由四通道主机、马达控制器、pH、DO、ORP探针构成；水槽两侧刻有凹槽，凹槽内设有交错放置的挡板；水槽一端设有接口通过蠕动泵与溶解氧控制装置相连，水槽另一端接口紧挨上液面与溶解氧控制装置直接相连；溶解氧控制装置为一水槽，内部装有过滤后的水样，顶部设有两个接口，接口一端分别连接N₂和O₂钢瓶，接口另一端连接曝气头，曝气头伸入水中进行曝气。

上述两份专利申请文件所述湖泊覆盖技术虽然可以抑制内源污染物向上覆水体释放，但也可能会带来一定的生态环境风险，尤其会对生活在沉积物中的底栖生物(水丝蚓、河蚬、螺蛳等)产生直接的影响，因此急需有关覆盖技术对沉积物中的底栖生物的毒性效应方面的研究。底栖生物作为湖泊生态系统的重要组成部分，是湖泊生态系统食物链的重要环节，对于评价湖泊环境的健康程度具有较好的指示作用。因此，研究底泥覆盖对底栖生物的生物毒性效应对于湖泊沉积物覆盖技术的推广和应用具有重要的意义。但是在实践过程中发现，浅水湖泊覆盖对底栖生物毒性效应方面的研究面临着野外条件复杂、影响因子多、条件不可控且在野外大水域尺度下进行毒性研究成本较高、受监测工具因素的限制等等困难，在野外很难实现该方面的研究。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对目前关于湖泊底泥覆盖对底栖生物毒性效应方面的研究受到野外条件复杂、影响因子多、条件不可控、成本较高和监测工具限制等困难影响，且普通模拟装置模拟效果差的问题，本实用新型提供一种模拟湖泊底泥覆盖对底栖生物毒性效应的装置，该装置可以模拟实际的湖泊环境，同时营造适宜底栖生物的生存环境，在该种条件下开展覆盖技术对底栖生物的生物毒性效应影响的相关实验研究得到的数据结果真实，说服力强，给湖泊沉积物覆盖技术对底栖生物的生物毒性方面的研究提供了科学技术支撑。

2.技术方案

为解决上述问题，本实用新型采用如下的技术方案。

一种模拟湖泊底泥覆盖对底栖生物毒性效应的装置，包括保温柜和控制系统，所述的保温柜内部设有水槽；所述的控制系统包括水动力扰动系统、曝气系统、控温系统、光照控制系统和控制装置箱；所述的控制装置箱内设有日期输入面板、主控制器、第一控制器和第二控制器，所述的日期输入面板、第一控制器和第二控制器均与主控制器相连；所述的第一控制器包括温度控制器和光照控制器，所述的第二控制器包括曝气控制器和水动力控制器；所述的水动力扰动系统包括搅拌杆，所述的搅拌杆位于水槽内；所述的曝气系统包括曝气头，所述的曝气头位于水槽内，曝气头通过气管与曝气控制器相连；所述的控温系统包括热交换器，所述的热交换器设置在水槽的外壁上，热交换器与温度控制器相连；所述的光照系统包括光源，所述的光源设置在水槽的上方，光源与光照控制器相连。

优选地，所述的保温柜为长方体结构，保温柜分为上、下两层，所述的水槽设置在上层，所述的控制装置箱设置在下层。

优选地，所述的水动力扰动系统还包括调频电机，所述的调频电机设置在水槽上方，调频电机下端连接搅拌杆，调频电机的上端通过电线与水动力控制器相连。

优选地，所述的水槽为长方体敞口有机玻璃水槽，水槽的上方固定有支架，所述的调频电机固定在支架上。

优选地，所述的热交换器为直径1～2cm的铜管，环绕设置在水槽的外壁上。

优选地，所述的光源为常用的日光节能灯管，光源设置在保温柜的顶部。

一种模拟湖泊底泥覆盖对底栖生物毒性效应的试验方法，其步骤如下：

1)设置参数的采集；针对某一湖泊，观察其n年间湖泊温度、水下光强以及风浪扰动强度24小时的实时数据，进行汇总，然后将这n年的数据按照12个月份求平均值，得到个12个24小时连续的历史数据表；建立时间(某月某时某分)与参数(温度、光照、风浪强度和溶解氧)的对应关系；

2)模拟湖泊底泥覆盖；首先采集沉积物，去除其中的底栖生物，混合均匀后平铺于水槽底部，然后放入湖泊中常见的底栖生物，待底栖生物迁移至沉积物内部后将待检测覆盖材料覆盖于沉积物表面，再将水加到覆盖材料上部；

3)营造实际湖泊环境；在日期输入面板上输入步骤1)中得到的与参数(温度、光照、风浪强度和溶解氧)对应的时间(某月某时某分)，主控制器接收信号，并发出信号给第一控制器和第二控制器，控制水动力系统、温度控制系统、光照控制系统以及曝气系统从输入时间开始按历史数据表连续变化，模拟实际湖泊环境；

4)判断模拟试验结果；装置运行1～2周后，将水槽中的沉积物取出，挑选存活的底栖生物，计算底栖生物死亡率是否大于50％，即判定该待检测覆盖材料是否对底栖生物具有生物毒性。

优选地，步骤1)中的n年等于6～10年。

优选地，步骤2)中所述的沉积物的高度为15～25cm，所述的待检测覆盖材料的覆盖高度根据材料的覆盖效果调整。

优选地，步骤4)中底栖生物死亡率大于50％时判断步骤2)所用待检测覆盖材料对所加入的底栖生物有毒，反之则无毒。

3.有益效果

相比于现有技术，本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型包括保温柜，保温柜可以隔绝外界环境影响，精确湖泊生态环境因素；控制系统控制模拟湖泊生态环境中的各种自然因素，并将各种复杂的影响因素限定化，排除了未知因子的影响，统一了环境变量，使模拟试验更具有针对性，试验结果更加精确；

(2)本实用新型真实并直观地反应了覆盖技术对于湖泊底栖生物的生物效应，成本低，给湖泊沉积物覆盖技术对底栖生物的生物毒性方面的研究提供了有力的科学技术支撑；

(3)本实用新型操作简单，维护方便，适于普及推广使用；

(4)应用本实用新型模拟湖泊底泥覆盖对底栖生物毒性效应的方法步骤简单，试验成本低，试验变量控制精确，实验结果可靠，能够较为真实地反映覆盖技术中覆盖材料对湖泊底栖生物的毒性影响；

(5)应用本实用新型模拟湖泊底泥覆盖对底栖生物毒性效应的方法中沉积物的高度为15～25cm，以确保底栖生物有足够的迁移空间；

(6)应用本实用新型模拟湖泊底泥覆盖对底栖生物毒性效应的方法中采集n年间湖泊温度、水下光强以及风浪扰动强度24小时的实时数据，并制作成12个24小时的历史数据表，输入至试验装置，使得试验能够在短时间内真实模拟一整年的湖泊环境变化情况，大大缩短了试验时间，提高了试验效率，而且使试验更加真实、精确；

(7)本实用新型通过在控制装置箱的日期输入板上输入需要模拟的某个月份及某个时间，主控制器接收时间信号，并查询历史数据表，向第一控制器和第二控制器输出对应的参数数值，并从输入时间开始，使水动力系统、温度控制系统、光照控制系统以及曝气系统随历史数据值连续变化，达到模拟实际湖泊环境的目的，模拟效果真实，精确，大大提高了试验结果的准确性。

附图说明

图1为本实用新型装置的立体结构示意图；

图2为本实用新型装置中水槽内部模拟示意图。

图中：1、保温柜；2、日期输入面板；3、主控制器；4、第一控制器；5、第二控制器；6、水槽；7、热交换器；8、电线；9、曝气头；10、调频电机；11、光源；12、搅拌杆；13、沉积物；14、覆盖材料；15、上覆水。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本实用新型作详细描述。

实施例1

如图1和图2所示，一种模拟湖泊底泥覆盖对底栖生物毒性效应的装置，包括保温柜1和控制系统，控制系统包括水动力扰动系统、曝气系统、控温系统、光照控制系统和控制装置箱；保温柜1为长方体结构，保温柜1分为上、下两层，上层设有水槽6，控制装置箱设置在下层；水槽6为长方体敞口有机玻璃水槽，其规格为60cm×30cm×60cm，水槽6的数量为四个，分别编号为A、B、C和D；控制装置箱内设有日期输入面板2、主控制器3、第一控制器4和第二控制器5，日期输入面板2、第一控制器4和第二控制器5均与主控制器3相连；第一控制器4包括温度控制器和光照控制器，第二控制器5包括曝气控制器和水动力控制器；水动力扰动系统包括电线8、调频电机10和搅拌杆12，水槽6的上方固定有支架，调频电机10固定在支架上，调频电机10下端连接搅拌杆12，调频电机10的上端通过电线8与水动力控制器相连；曝气系统包括曝气头9，曝气头9固定在水槽6的内壁上，曝气头9和曝气控制器通过通气软管相连；控温系统包括热交换器7，热交换器7为直径1cm的铜管，环绕设置在水槽6的外壁上，热交换器7和温度控制器相连；光照系统包括光源11，光源11为常用的日光节能灯管，光源11设置在保温柜1的顶部，光源11和光照控制器通过导线相连。

一种模拟湖泊底泥覆盖对底栖生物毒性效应的试验方法，其步骤如下：

1)设置参数的采集；针对我国最大的淡水湖泊太湖，观察其2004～2014年10年间湖泊温度、水下光强以及风浪扰动强度24小时的实时数据，进行汇总，然后将这10年的数据按照12个月份求平均值，得到个12个24小时连续的历史数据表；建立时间(某月某时某分)与参数(温度、光照、风浪强度和溶解氧)的对应关系；

2)模拟湖泊底泥覆盖；首先采集太湖竺山湾沉积物，去除其中的水丝蚓，混合均匀后平铺于规格为60cm×30cm×60cm，编号分别为A、B、C和D的四个水槽底部，沉积物厚度为15cm，然后分别放入10条长度约2.5cm的水丝蚓，待水丝蚓迁移至沉积物内部后，在编号为B的水槽中的沉积物上覆盖一层厚度为2cm的沸石，在编号为C的水槽中的沉积物上覆盖一层厚度为2cm的海泡石，在编号为D的水槽中的沉积物上覆盖一层厚度为2cm的红壤，编号为A的水槽作为对照组，不加入覆盖材料；最后将水缓缓注入到A、B、C和D中，沉积物与水的体积比为1比5；如图2所示，形成水槽6内从下至上依次为沉积物13、覆盖材料14、上覆水15的状态；

3)营造实际湖泊环境；在日期输入面板2上输入3月8时，启动主控制器3接收信号，根据步骤1)中得到的时间(某月某时某分)与参数(温度、光照、风浪强度和溶解氧)关系，发出参数信号给第一控制器4和第二控制器5，控制水动力系统、温度控制系统、光照控制系统以及曝气系统从输入时间3月8时开始按历史数据表连续变化，模拟实际湖泊环境；

4)判断模拟试验结果；12天后，培养实验结束，将存活的水丝蚓挑出，计算其死亡率，对照组A中水丝蚓死亡0条，试验组B中水丝蚓死亡2条，试验组C中水丝蚓死亡4条，试验组D中水丝蚓死亡2条，计算方法为(初始生物量—最终生物量)/初始生物量，计算结果为：编号为A的水槽中的水丝蚓死亡率为0％，编号为B的水槽中的水丝蚓的死亡率为20％，编号为C的水槽中的水丝蚓死亡率为40％，编号为D的水槽中的水丝蚓死亡率为20％，试验结果证明红壤、沸石和海泡石的覆盖对水丝蚓均无生物毒性。

实施例2

一种模拟湖泊底泥覆盖对底栖生物毒性效应的装置，与实施例1相同，所不同的是，交换器7为直径1.5cm的铜管。

一种模拟湖泊底泥覆盖对底栖生物毒性效应的试验方法，其步骤如下：

1)设置参数的采集；针对我国最大的淡水湖泊太湖，观察其2004年～2012年8年间湖泊温度、水下光强以及风浪扰动强度24小时的实时数据，进行汇总，然后将这8年的数据按照12个月份求平均值，得到个12个24小时连续的历史数据表；建立时间(某月某时某分)与参数(温度、光照、风浪强度和溶解氧)的对应关系；

2)模拟湖泊底泥覆盖；首先采集太湖竺山湾沉积物，去除其中的河蚬，混合均匀后平铺于规格为60cm×30cm×60cm，编号分别为A、B、C和D的四个水槽底部，沉积物厚度为20cm，然后分别放入10只重量为8g左右的河蚬，待河蚬迁移至沉积物内部后，在编号为B的水槽中的沉积物上覆盖一层厚度为2cm的沸石，在编号为C的水槽中的沉积物上覆盖一层厚度为2cm的海泡石，在编号为D的水槽中的沉积物上覆盖一层厚度为2cm的红壤，编号为A的水槽作为对照组，不加入覆盖材料；最后将水缓缓注入到A、B、C和D中，沉积物与水的体积比为1比5；如图2所示，形成水槽6内从下至上依次为沉积物13、覆盖材料14、上覆水15的状态；

3)营造实际湖泊环境；在日期输入面板2上输入7月12时，启动主控制器3接收信号，根据步骤1)中得到的时间(某月某时某分)与参数(温度、光照、风浪强度和溶解氧)关系，发出参数信号给第一控制器4和第二控制器5，控制水动力系统、温度控制系统、光照控制系统以及曝气系统从输入时间7月12时开始按历史数据表连续变化，模拟实际湖泊环境；

4)判断模拟试验结果；10天后，培养实验结束，将存活的河蚬挑出，计算其死亡率，对照组A中河蚬死亡0条，试验组B中河蚬死亡4条，试验组C中河蚬死亡7条，试验组D中河蚬死亡4条，计算方法为(初始生物量—最终生物量)/初始生物量，计算结果为：编号为A的水槽中的河蚬死亡率为0，编号为B的水槽中的河蚬的死亡率为40％，编号为C的水槽中的河蚬死亡率为70％，编号为D的水槽中的河蚬死亡率为40％，试验结果证明红壤和沸石的覆盖对河蚬无生物毒性，而海泡石的覆盖对河蚬有生物毒性。

实施例3

一种模拟湖泊底泥覆盖对底栖生物毒性效应的装置，与实施例1相同，所不同的是，交换器7为直径2cm的铜管。

一种模拟湖泊底泥覆盖对底栖生物毒性效应的试验方法，其步骤如下：

1)设置参数的采集；针对我国最大的淡水湖泊太湖，观察其2005年～2011年6年间湖泊温度、水下光强以及风浪扰动强度24小时的实时数据，进行汇总，然后将这6年的数据按照12个月份求平均值，得到个12个24小时连续的历史数据表；建立时间(某月某时某分)与参数(温度、光照、风浪强度和溶解氧)的对应关系；

2)模拟湖泊底泥覆盖；首先采集太湖竺山湾沉积物，去除其中的螺蛳，混合均匀后平铺于规格为60cm×30cm×60cm，编号分别为A、B、C和D的四个水槽底部，沉积物厚度为25cm，然后分别放入10只重量为5g左右的螺蛳，待螺蛳迁移至沉积物内部后，在编号为B的水槽中的沉积物上覆盖一层厚度为2cm的沸石，在编号为C的水槽中的沉积物上覆盖一层厚度为2cm的海泡石，在编号为D的水槽中的沉积物上覆盖一层厚度为2cm的红壤，编号为A的水槽作为对照组，不加入覆盖材料；最后将水缓缓注入到A、B、C和D中，沉积物与水的体积比为1比5；如图2所示，形成水槽6内从下至上依次为沉积物13、覆盖材料14、上覆水15的状态；

3)营造实际湖泊环境；在日期输入面板2上输入12月9时，启动主控制器3接收信号，根据步骤1)中得到的时间(某月某时某分)与参数(温度、光照、风浪强度和溶解氧)关系，发出参数信号给第一控制器4和第二控制器5，控制水动力系统、温度控制系统、光照控制系统以及曝气系统从输入时间12月9时开始按历史数据表连续变化，模拟实际湖泊环境；

3)判断模拟试验结果；10天后，培养实验结束，将存活的螺蛳挑出，计算其死亡率，对照组A中螺蛳死亡0条，试验组B中螺蛳死亡3条，试验组C中螺蛳死亡6条，试验组D中螺蛳死亡2条，计算方法为(初始生物量—最终生物量)/初始生物量，计算结果为：编号为A的水槽中的螺蛳死亡率为0，编号为B的水槽中的螺蛳的死亡率为30％，编号为C的水槽中的螺蛳死亡率为60％，编号为D的水槽中的螺蛳死亡率为20％，试验结果证明红壤和沸石的覆盖对螺蛳无生物毒性，而海泡石的覆盖对螺蛳有一定的生物毒性。

Claims (6)

1.一种模拟湖泊底泥覆盖对底栖生物毒性效应的装置，其特征在于：包括保温柜(1)和控制系统，所述的保温柜(1)内部设有水槽(6)；所述的控制系统包括水动力扰动系统、曝气系统、控温系统、光照控制系统和控制装置箱；所述的控制装置箱内设有日期输入面板(2)、主控制器(3)、第一控制器(4)和第二控制器(5)，所述的日期输入面板(2)、第一控制器(4)和第二控制器(5)均与主控制器(3)相连；所述的第一控制器(4)包括温度控制器和光照控制器，所述的第二控制器(5)包括曝气控制器和水动力控制器；所述的水动力扰动系统包括搅拌杆(12)，所述的搅拌杆(12)位于水槽(6)内；所述的曝气系统包括曝气头(9)，所述的曝气头(9)位于水槽(6)内，曝气头(9)通过气管与曝气控制器相连；所述的控温系统包括热交换器(7)，所述的热交换器(7)设置在水槽(6)的外壁上，热交换器(7)与温度控制器相连；所述的光照系统包括光源(11)，所述的光源(11)设置在水槽(6)的上方，光源(11)与光照控制器相连。

2.根据权利要求1所述的一种模拟湖泊底泥覆盖对底栖生物毒性效应的装置，其特征在于：所述的保温柜(1)为长方体结构，保温柜(1)分为上、下两层，所述的水槽(6)设置在上层，所述的控制装置箱设置在下层。

3.根据权利要求1所述的一种模拟湖泊底泥覆盖对底栖生物毒性效应的装置，其特征在于：所述的水动力扰动系统还包括调频电机(10)，所述的调频电机(10)设置在水槽(6)上方，调频电机(10)下端连接搅拌杆(12)，调频电机(10)的上端通过电线(8)与水动力控制器相连。

4.根据权利要求3所述的一种模拟湖泊底泥覆盖对底栖生物毒性效应的装置，其特征在于：所述的水槽(6)为长方体敞口有机玻璃水槽，水槽(6)的上方固定有支架，所述的调频电机(10)固定在支架上。

5.根据权利要求4任意一项所述的一种模拟湖泊底泥覆盖对底栖生物毒性效应的装置，其特征在于：所述的热交换器(7)为直径1～2cm的铜管，环绕设置在水槽(6)的外壁上。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的一种模拟湖泊底泥覆盖对底栖生物毒性效应的装置，其特征在于：所述的光源(11)为常用的日光节能灯管，光源(11)设置在保温柜(1)的顶部。