CN215866652U

CN215866652U - 一种测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置

Info

Publication number: CN215866652U
Application number: CN202122035329.XU
Authority: CN
Inventors: 张鹂; 夏永秋; 颜晓元
Original assignee: Institute of Soil Science of CAS
Current assignee: Institute of Soil Science of CAS
Priority date: 2021-08-26
Filing date: 2021-08-26
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2031-08-26

Abstract

本实用新型涉及环境监测装置技术领域，尤其是一种测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置，包括模拟培养桶，顶部敞口且内盛装有原位上覆水，其的底部设有至少三个固定位；驱动组件具有电机和与所述电机连接的磁力转动件；采集装置固定于固定位上且没入模拟培养桶内的上覆水的液面以下，包括两端敞口且一端设有密封盖、另一端设有密封胶塞的培养柱，固定于密封盖上的磁力搅拌机构以及贯通设置于密封盖的进水管和出水管，进水管的进口与补给装置相连通，进水管和出水管上均设有止水夹，磁力搅拌机构随磁力转动件的转动而转动。更符合原位条件，与膜进样质谱法(MIMS)结合可以直接测定水样中的溶解性氮气，测定精度可达0.03％。

Description

一种测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置

技术领域

本实用新型涉及环境监测装置技术领域，尤其涉及一种测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置。

背景技术

目前反硝化速率测定方法包括乙炔抑制法、氮素质量平衡法、硝态氮损耗法、¹⁵N同位素配对技术等。虽然上述方法各自优势，但是都是间接测定，而且分别存在不同的缺陷，如低估反硝化损失量、误差大、高估反硝化速率、不能准确定量各种氮通量等。反硝化主要产物N₂在大气中的背景值很高(约79％)，要在这么高的背景环境中直接测定反硝化产物，需要方法的精度达到0.1％，一般的方法很难达到此要求。

而测定水体反硝化速率在实际检测中并没有固定有效的实验仪器。采用乙炔抑制培养法测反硝化作用的仪器，通常密封性无法保证，乙炔气体在沉积物土壤中扩散不均匀，沉积物反硝化作用所需营养盐混合不均匀，样品容易污染，导致测量结果误差偏大。

采用同位素示踪实验测反硝化速率的装置，通常在采集气体后曝氧气将培养装置内时间间隔中产生的¹⁵N₂吹出，由于氧气一直处于饱和状态，会影响水体及沉积物中的生物活性，且需要进行多步处理，造成工作量繁多。

现有的室内培养实验或采集原位柱样进行室内培养的半原位实验、以及原位测定水体反硝化速率的装置都存在不同的缺陷：(1)装置内原有气体无法完全排尽，或是添加了新的气体，原位模拟误差太大；(2)装置无法保证完全密封，会与外界环境有轻微的气体交换，这对气体(如含量低的N₂O)的测定结果影响很大，导致测量数据不准确；(3)处理步骤多、工作量大，平行样相差太大；(4)培养装置内无法重现水体悬浮物悬浮状态或水体扰动状态、原位水体沉积物表层与水扰动溶解现象。

因此急需提供一种新的可以更符合原位条件的测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术中的问题，而提出的一种能实现密闭条件下悬浮物的搅拌及反硝化产物N₂的混匀，模拟野外流动水体悬浮物所处状态，可培养测定出更符合原位条件的反硝化速率的培养装置。

为达到以上目的，本实用新型采用的技术方案为：

本实用新型提供的一种测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置，包括：

模拟培养桶，其的顶部敞口且内盛装有上覆水，其的底部设有至少三个固定位；

驱动组件，安装在设于所述模拟培养桶内的安装结构上，其具有电机和与所述电机连接的磁力转动件；

采集装置，放置于所述固定位上且没入所述模拟培养桶内的上覆水的液面以下，其包括两端敞口且一端设有密封盖、另一端设有密封胶塞的培养柱，一端固定于所述密封盖上、另一端朝向所述培养柱内延伸的磁力搅拌机构以及并排贯通设置于所述密封盖的进水管和出水管，所述进水管的进口与补给装置相连通，所述进水管和出水管上均设有止水夹，所述磁力搅拌机构随所述磁力转动件的转动而转动。

可选的，所述的测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置，所述磁力搅拌机构包括：

连接管，一端固定于所述密封盖的底部，另一端沿所述培养柱的轴线方向朝向所述培养柱内部延伸；

小磁转子，固定于所述连接管的另一端上且所述小磁转子的轴线垂直于所述培养柱的轴线；

支撑环圈，固定连接在所述小磁转子的底部，其由至少两个沿所述培养柱的轴线方向布置的呈十字交叉的圆环构成。

可选的，所述的测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置，所述磁力搅拌机构还包括：

螺旋桨，固定连接在所述支撑环圈的远离所述小磁转子的所述圆环的底部。

可选的，所述的测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置，所述螺旋桨为三叶螺旋桨正桨。

可选的，所述的测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置，所述小磁转子与所述磁力转动件位于同一平面。

可选的，所述的测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置，所述电机为可调速电机。

可选的，所述的测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置，所述密封盖与所述培养柱连接处设有橡胶垫圈。

可选的，所述的测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置，所述安装结构为同轴设置在所述模拟培养桶内的高度高于所述模拟培养桶并延伸出所述模拟培养桶的顶部的安装柱，所述安装柱的外壁与所述模拟培养桶的内壁具有间隔，所述电机固定安装在所述安装柱的顶部；

所述磁力转动件安装在所述安装柱的内部。

可选的，所述的测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置，在所述模拟培养桶的内壁面沿周向间隔设有多个沿径向朝向所述安装柱的外壁面延伸的挡板，所述挡板将所述模拟培养桶内分隔成多个隔间，任意所述隔间的底部设有三个所述固定位。

可选的，所述的测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置，所述模拟培养桶的外壁上对应每个所述隔间设有一个出水口。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1.本实用新型的测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置，能够建立较为复杂和精密的密闭培养系统以及制备与待测水样环境条件一致的标准水样，整个动力装置都在密闭水体中进行，无需担心密封条件，培养柱淹没在采集的原位上覆水下，保证培养柱内体系与外界无物质交换，更符合原位条件，可以直接测定水样中的溶解性氮气，通过不同培养时间N₂浓度和时间做线性回归计算反硝化速率，实现密封条件下水体悬浮物反硝化产物N₂的直接测定，其测定精度可达0.03％。

2.本实用新型的测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置，电机为可调速电机，电机可以通过调节功率来控制磁力转动件的转速，从而影响小磁转子的转速，以此来确保悬浮物处于悬浮状态、柱内所产氮气混合均匀。

3.本实用新型的测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置，当小磁转子转动带动支撑环圈转动起来后，支撑环圈自身的惯性力减少了转动阻力，且支撑环圈加大了搅动范围，使搅动位置不是只局限于小磁转子的小范围，有利于培养柱内悬浮物及所产气体自下而上、自内向外混合均匀。

4.本实用新型的测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置，可根据实验需求对螺旋桨进行安装或拆除。磁力转动件顺时针转动吸引小磁转子逆时针旋转，从而使得小磁转子下的支撑环圈和螺旋桨一起逆时针旋转，螺旋浆产生向下的推力把水体向下推进，而螺旋桨则会形成一个向上的力，即推进力，进而减轻了小磁转子的负重，加快了搅拌速率，增加了搅拌强度，且实现了培养柱中水体自中心向四周，自下而上的流动混合，有利于水中悬浮物、离子、所产气体的混合。对于河口、潮汐湾等水流扰动大的情况也能实现更符合原位条件的模拟。当原位水体流动性不强，或者水体悬浮物浓度较低时，可对螺旋桨进行拆除，保留支撑环圈，从而降低搅拌强度。

5.本实用新型的测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置，螺旋桨为三叶螺旋桨正桨，与培养柱中沉积物表面距离的远近可以达到不同的底泥翻涌效果。螺旋桨距离沉积物表面越近，沉积物翻涌程度越大，悬浮物增加。通过该调整可以实现不同浓度的水体悬浮物培养实验。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置的结构示意图；

图2为本实用新型的测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置的采集装置的结构示意图；

图3为本实用新型的测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置的采集装置的运行说明图。

附图标记说明：

1、电机；2、磁力转动件；3、挡板；4、出水口；5、培养柱；6、出水管；7、进水管；8、止水夹；9、补给瓶；10、密封盖；11、橡胶垫圈；12、连接管；13、小磁转子；14、支撑环圈；15、三叶螺旋桨正桨；16、密封塞。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1至图3所示的一种测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置，包括模拟培养桶、驱动组件和采集装置。其中模拟培养桶的顶部敞口且内盛装有上覆水，底部设有至少三个固定位，以便于做同一环境下的平行实验。驱动组件安装在设于模拟培养桶内的安装结构上，具有电机1和与电机1连接的磁力转动件2。采集装置放置于固定位上且没入模拟培养桶内的上覆水的液面以下，包括两端敞口且一端设有密封盖10、另一端设有密封胶塞的培养柱5，一端固定于密封盖10上、另一端朝向培养柱5内延伸的磁力搅拌机构以及并排贯通设置于密封盖10的进水管7和出水管6，出水管6的出口与膜进样质谱仪的进样器连接，进水管7的进口与补给装置相连通，进水管7和出水管6上均设有止水夹8，磁力搅拌机构随磁力转动件2的转动而转动。

需要说明的是，本实施例的培养装置和膜进样质谱法(MIMS)结合。利用采集装置采集原位水体及沉积物，置于盛满上覆水的模拟培养桶(模拟培养桶中液面高于采集装置的培养柱5上6cm)中预培养4-6小时后，在水中盖上密封盖10，注意在盖密封盖10时确保培养柱5中无气泡。然后依次插入进水管7和出水管6，夹紧止水夹8。打开电机1，调节档位到需要的转速。在培养柱盖上密封盖后，将进水管的一端放入补给瓶中，用洗耳球吸出上覆水后，另一端插入到培养柱的密封盖中，再插入出水管，夹上止水夹。每两小时取一次样品，取样时，依次打开进水管7和出水管6的止水夹8，注意往补给瓶9里加水，以免液面太低导致培养柱5中进入气泡。所取样品应用膜进样质谱法(MIMS)可以直接测定水样中的溶解性氮气，通过不同培养时间N₂浓度和时间做线性回归计算反硝化速率，实现密封条件下水体悬浮物反硝化产物N₂的直接测定。其测定精度可达0.03％，MIMS还具有测定速度快(单个样测定时间小于2分钟)、需要水样少(不超过7mL)以及操作简便、步骤少的优点。

如图2所示，磁力搅拌机构包括连接管12、小磁转子13、支撑环圈14和螺旋桨15。其中连接管12为白色PVC材质的中空竖管，一端固定于密封盖10的底部，另一端沿培养柱5的轴线方向朝向培养柱5内部延伸。小磁转子13固定于连接管12的另一端上且小磁转子13的轴线垂直于培养柱5的轴线，也即小磁转子13水平设置在中空竖管的底部。支撑环圈14固定连接在小磁转子13的底部，其由至少两个沿培养柱5的轴线方向布置的呈十字交叉的圆环构成。本实施例中支撑环圈14由两个呈十字交叉的圆环熔融固定而成且两个圆环的熔融节点处加螺钉防护，作为可替换的实施例，圆环也可以由三个、四个等等构成。采用十字交叉设计有利于旋转搅拌，最大程度减少阻力。两个圆环共同形成支撑环圈14，其长度是依据沉积物在培养柱5中的高度设计的，具体不做详细描述和限定。螺旋桨固定连接在支撑环圈14的远离小磁转子13的圆环的底部也即如图所示的最下方的圆环的底部。优选地，本实施例螺旋桨为三叶螺旋桨正桨15。模拟培养桶中电机1带动磁力转动件2顺时针旋转，从而吸引小磁转子13逆时针转动，螺旋桨正桨逆时针转动产生一个向下的推力，可以将下层的水体带动到上层，减小水层间差异，且减轻了小磁转子13的负重，加快了搅拌速率及强度，可将水体中物质的充分混匀。作为可替换的实施例，搅拌装置还可以不包括螺旋桨。

优选地，本实施例中小磁转子13与磁力转动件2位于同一平面。当小磁转子13与磁力转动件2位于同一水平面时，吸引力最优。

对于培养柱5而言，本实施例的培养柱5和密封盖10均由透明PVC材料制成，培养柱5的高度为33cm、内径8cm、外径9cm。优选地，如图2所示，密封盖10与主体的连接处设有橡胶垫圈11。增大密封盖10与培养柱5之间的接触面积，减小压力，紧固密封，防止柱内水体、水中所产气体泄漏，防止外部空间杂质与水分等侵入，以及当柱内搅拌时起到防震缓冲的作用。对于密封盖10和培养柱5的连接，采用螺纹连接，具体的，密封盖10的内壁设有内螺纹，培养柱5的顶端外壁设有相匹配的旋转咬合的外螺纹。螺纹连接，可以增大摩擦力，以便增加密封性。可选的，密封盖10上设有两个圆孔，具体为与进水管7对应密封连接的进水孔和与出水管6对应密封连接的出水孔，进水孔和出水孔关于中空竖管对称布置且大小相等。

优选地，电机1为现有市场上常规的可调速电机。

对于安装结构而言，如图1所示，安装结构为同轴设置在模拟培养桶内的高度高于模拟培养桶的顶部的中空安装柱，也就是说安装柱底部固定在模拟培养桶的底部，顶部延伸至模拟培养桶的顶部以上。安装柱的外壁与模拟培养桶的内壁具有间隔，从而形成用于盛装上覆水的空间，电机1固定安装在安装柱的顶部，防止上覆水损坏电机1，也就是说电机1可以不采用防水电机1，可以选用现有市场上常规的电机1，降低使用成本。可选的，本实施例的磁力转动件2包括三个两两之间呈120°夹角设置的磁棒。

如图1所示，在模拟培养桶的内壁面沿周向间隔设有多个沿径向朝向安装柱的外壁面延伸的挡板3，挡板3将模拟培养桶内分隔成多个不相通的隔间，任意隔间的底部设有至少三个固定位。对于固定位而言，可选为与培养柱5底部的密封塞16相匹配的卡槽。

可选的，如图1所示，模拟培养桶的外壁上对应每个所述隔间设有一个出水口。

正常情况下培养柱5L高33cm，密封盖10H高21cm，沉积物高度通常采10cm，螺旋桨为1.4cm位于沉积物上方1.7cm处，此时沉积物位于正常水位线。沉积物覆盖螺旋桨0.5cm以下时，小磁转子13皆能正常转动，当沉积物覆盖螺旋桨大于0.5cm时会影响小磁转子13，使其无法转动，故沉积物覆盖螺旋桨0.5cm处为极限水位线。当沉积物处于螺旋桨底部水位线上下0.5cm范围内会造成沉积物扰动，底泥上涌溶解于水中，此区为扰动区。

培养柱5中密封塞161cm+培养柱5中沉积物10cm＝正常水位线11cm。

正常水位线11cm+正常水位线到螺旋桨底部的位置1.7cm+沉积物盖住螺旋桨0.5cm＝极限水位线13.2cm。

扰动区范围在螺旋桨底部上0.5cm到螺旋桨底部下0.5cm之间，即正常水位线11cm+正常水位线到螺旋桨底部的位置1.7cm±螺旋桨底部上下0.5cm＝[12.2,13.2]cm。

特殊情况下去掉1.4cm的螺旋桨，则正常水位线、正常水位线和扰动区范围都加上1.4cm。

本实用新型的具体工作过程为：

采样时用采样器将培养柱5垂直打入沉积物中，保证沉积物保持其原有结构和层次。沉积物柱样带回实验室后，将其垂直置放于装满原位上覆水的模拟培养桶中，使培养柱5浸没入上覆水中，水面要高出培养柱5上6cm，不盖密封盖10静止培养4-6h。

开始取样时，将培养柱5的密封盖10没入上覆水中将其拧紧，密封盖10拧紧后，插入进水管7和出水管6，进水管7与放在较高位置的补给瓶9相连(补给培养柱5中由于取样流失的上覆水)。整个过程要确保密闭培养柱5中没有气泡产生，如有气泡产生，需要按上述流程重新进行操作。然后，开启培养装置中的电机1，调节档位使磁力转动件2吸引的小磁转子13转动速度合适。培养体系调试完毕后，立即取第一批水样作为0h样品，然后分别在2、4、6、8h采样，每次每根培养柱5都取三个平行样。通过不同培养时间N₂浓度和时间做线性回归计算反硝化速率，实现密封条件下水体悬浮物反硝化产物N₂的直接测定。

实施例1

常用培养柱5L＝33cm，沉积物堆积高度A＝10cm位于正常水位线，要求确保培养柱5内水体中物质充分搅拌混匀而底泥不上涌。密封盖10总高度H为21cm，螺旋桨位于沉积物上方1.7cm处，使用正常橡胶底塞P＝1cm，可以达到所需要求。

实施例2

常用培养L＝33cm，沉积物堆积高度12.6cm＞A＞10cm(10cm+1.7cm+1.4cm-0.5cm＝12.6cm)高于正常水位线低于极限水位线，要求确保培养柱5内水体中物质充分搅拌混匀而底泥不上涌。将1.4cm高螺旋桨进行拆除，使用正常橡胶底塞P＝1cm，可以达到所需要求。

实施例3

常用培养柱5L＝33cm，要求三叶螺旋桨带动底泥上涌，使水中泥沙保持悬浮溶解状态。则需要沉积物达到[11.2,12.2]cm。(扰动区范围[12.2,13.2]cm-培养柱5中密封塞161cm)。

若要求沉积物堆积高度10cm不变，可在橡胶底塞上加塞1cm的橡胶垫塞以达到所需要求。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置，其特征在于，包括：

驱动组件，安装在设于所述模拟培养桶内的安装结构上，其具有电机(1)和与所述电机(1)连接的磁力转动件(2)；

采集装置，放置于所述固定位上且没入所述模拟培养桶内的上覆水的液面以下，其包括两端敞口且一端设有密封盖(10)、另一端设有密封胶塞的培养柱(5)，一端固定于所述密封盖(10)上、另一端朝向所述培养柱(5)内延伸的磁力搅拌机构以及并排贯通设置于所述密封盖(10)的进水管(7)和出水管(6)，所述进水管(7)的进口与补给装置相连通，所述进水管(7)和出水管(6)上均设有止水夹(8)，所述磁力搅拌机构随所述磁力转动件(2)的转动而转动。

2.根据权利要求1所述的一种测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置，其特征在于，所述磁力搅拌机构包括：

连接管(12)，一端固定于所述密封盖(10)的底部，另一端沿所述培养柱(5)的轴线方向朝向所述培养柱(5)内部延伸；

小磁转子(13)，固定于所述连接管(12)的另一端上且所述小磁转子(13)的轴线垂直于所述培养柱(5)的轴线；

支撑环圈(14)，固定连接在所述小磁转子(13)的底部，其由至少两个沿所述培养柱(5)的轴线方向布置的呈十字交叉的圆环构成。

3.根据权利要求2所述的一种测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置，其特征在于，所述磁力搅拌机构还包括：

螺旋桨，固定连接在所述支撑环圈(14)的远离所述小磁转子(13)的所述圆环的底部。

4.根据权利要求3所述的一种测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置，其特征在于，所述螺旋桨为三叶螺旋桨正桨(15)。

5.根据权利要求2-4任一项所述的一种测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置，其特征在于，所述小磁转子(13)与所述磁力转动件(2)位于同一平面。

6.根据权利要求1所述的一种测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置，其特征在于，所述电机(1)为可调速电机。

7.根据权利要求1所述的一种测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置，其特征在于，所述密封盖(10)与所述培养柱(5)连接处设有橡胶垫圈(11)。

8.根据权利要求1所述的一种测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置，其特征在于，所述安装结构为同轴设置在所述模拟培养桶内的高度高于所述模拟培养桶并延伸出所述模拟培养桶的顶部的安装柱，所述安装柱的外壁与所述模拟培养桶的内壁具有间隔，所述电机(1)固定安装在所述安装柱的顶部；所述磁力转动件(2)安装在所述安装柱的内部。

9.根据权利要求8所述的一种测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置，其特征在于，在所述模拟培养桶的内壁面沿周向间隔设有多个沿径向朝向所述安装柱的外壁面延伸的挡板(3)，所述挡板(3)将所述模拟培养桶内分隔成多个不相通的隔间，任意所述隔间的底部设有三个所述固定位。

10.根据权利要求9所述的一种测定水体悬浮物反硝化速率的培养装置，其特征在于，所述模拟培养桶的外壁上对应每个所述隔间设有一个出水口(4)。