CZ18924U1 - Detritový kontinuální vzorkovat* pro drobné toky se spádem - Google Patents

Description

Detritový kontinuální vzorkovač pro drobné toky se spádem

Oblast techniky

Technické řešení se týká odběru zakoneentrovanýeh vzorku jemně suspendovaných částic z vodních toků, vodních kanálů nebo gravitačních potrubí s dostatečným spádem, včetně vzorků pro analýzu stopových množství chemických látek a vzorků mikrobiologických.

Dosavadní stav techniky

Sledování chemických, biologických a dalších charakteristik jemných suspenzí nacházejících se ve vznosu ve vodním prostředí má kratší tradici, než sledování látek v roztoku.

Odběr plaven in, v biologické oblasti bývá tato frakce označována jako jemný detrit (frakce

FPOM - fíne particulate organic matter, čili jemně partikulovaná organická hmota), se potýká s několika problémy. Jde především o zakoncentrování příliš naředěného vzorku ve velmi čistých tocích a postihnutí rychlé časové fluktuace koncentrací na drobných tocích. Problematické bývá rovněž získání natolik reprezentativního vzorku, aby mohl být proveden přepočet množství plavenin na litr vody.

i5 Tyto složité operace jsou většinou řešeny prostřednictvím velmi složitých stabilních analyzátorových stanic s kontinuálním odběrem vzorků nebo prostřednictvím přenosných samočinných programovatelných vzorkovačů. Zásadním limitem použití těchto zařízení pro rozsáhlejší plošné monitorovací programy je jejich cena a nemožnost ponechat zařízení bez dozoru pracovat na lokalitě bez jeho zabezpečení v pevném stavebním objektu. I pro odběr bodových vzorkuje proto například v síti ČHMÍÍ (Český hydrometeorologický ústav) používán především ruční odběr prostřednictvím v místě žijící pověřené osoby.

S výjimkou analyzátorových stanic vybavených nákladným zařízením pro filtraci vzorku nedokáže žádný z těchto přístupu provést zakoncentrování vzorku přímo pri odběru. V případě nízkých koncentrací v toku a potřeby větší navážky materiálu pro analýzu je tedy nutné odebrat buď

4^-—velmi objemné vzorky vody a nebo ručně.provést filtraci přímo při odběru vzorku na lokalitě.

V oblasti biologického výzkumu s odlišnými nároky na šetrnost odběru se dosud používají složitá stabilní zařízení na experimentálních povodích, která jsou svou cenou i stavební náročností analogická analyzátorovým stanicím pro monitoring jakosti vod. Jiným jednodušším přístupem je metoda sedimentační pasti. Do nádoby o definovatelné ploše vzhůru obráceného ústí se nechá po definovatelnou dobu sedimentovat materiál z okolní vody. Použití těchto relativně jednoduchých zařízení je však doporučované a vhodné ve stojatých vodách a na malých proudných vodních tocích je jeho funkce nestandardní, pokud ho vůbec lze použít. Pokud je takováto sedimentační past zasazena do dna toku. je možné ji použít i na relativně malém toku, nezískáme však vzorek umožňující bilancovat teoretický látkový odnos. Pokud materiál chceme dále použít k biologickým respektive mikrobiologickým analýzám, jeví se jako problém také rychlý nástup anoxických podmínek neumožňující delší expozici. Jinou variantou je sedimentační past v podobě plastové krabičky se zasíťovanými stranami plněná vypraným a vystenlizo váným pískem. Toto uspořádání sice umožňuje zakoncentrování vzorku (vychytává do prostor mezi zrny písku plavené partikule i pri malých koncentracích v toku) a delší dobu expozice, je však náročné na

4o vymytí vzorku z písku a poskytne pouze kvalitativní vzorek.

Na trhu se nevyskytují zařízení umožňující získat kvantitativní vzorek jemně suspendovaných partikulí současně aplikovatelné ve velkých sériích pro pokrytí většího území nebo řady paralelních odběrů.

Podstata technického řešení

Detritový kontinuální vzorkovač pro drobné toky se spádem (vzorkovač DDG) pracuje na principu spojených nádob bez využití elektrické energie. Dochází v něm k odvedení potoční vody do

- i CZ 18924 Ul sedimentačního prostoru, kde probíhá vlivem snížení rychlosti proudění vody sedimentace partikulovaných částic, jejichž sedimentační rychlost je větší než rychlost proudění vody. Nastavením rozdílu výšek přívodní a odtokové hadice lze regulovat průtok zařízením - tedy poměry proudění v sedimentačním prostoru a charakter šedimentujících částic. Princip funkce je znázorněn na obrázku 1.

Zařízení začíná sacím košem opatřeným vnější mříží z potahovaného kovového pletiva pro odclonění hrubých unášených předmětů. Vnitřní část sacího koše je opatřena PE (polyethylen) síťovinou o zvolené okatosti - např. 1 mm - dovnitř zařízení tak vstupuje např. pouze frakce jemného detritu (FPOM). Od sacího koše k sedimentační nádobě vede flexibilní sací potrubí. Nápustní ío část uvnitř sedimentační nádoby je opatřena nápustným košem s otvory do jeho boků a dna omezujícími zkratové proudění a zátěží, která udržuje nápustní koš vždy v dolní části sedimentační nádoby, bez ohledu na její položení, postavení či šikmou polohu. Sedimentační nádobu tvoři standardizovaná vzorkovnice z PET (polyethylentereftalát). Odpadní potrubí začíná nasávací

Častí opatřenou síťovinou pro zamezení vzniku zkratovitého proudění. Jeho konec je volná trubi15 ce s ústím ležícím alespoň o 10 cm níže než sací koš.. Testovaný prototyp byl opatřen hadicemi z měkčeného PVC (polyvinylchlorid) o vnitřním průměru 4 mm a vnějším 6 mm a sedimentační nádobou o objemu 5000 ml. Zachycoval a koncentroval dobře i jemné částice. Pro zachycování části s rychlejší sedimentační dobou je možné použít hadice s větším průměrem ěi menší sedimentační nádobu. V celém zařízení se nikde nevyužívá elektrická energie a je proto nezávislé na dodávce proudu ze sítě nebo trvanlivosti baterií.

Celé zařízení je vyrobeno na stavebnicovém principu z přesně zhotovených plastových komponent a sestavuje se z jednotlivých dílů bez použití lepidla, šroubů nebo spojovacího materiálu. Sedimentační nádoba a koše jsou k přírubám připojeny šroubovacím závitem. Konce jednotlivých hadic jsou seříznuty do šikmá pro snazší protahování otvory. Vzorkovač DDG lze tedy kdykoli bez nástrojů rozebrat, vyčistit a opět složit a to i v terénních podmínkách. Při poškození některých částí je lze doplnit z dalších kusů.

Pro přesné analýzy nebo mikrobiologická stanovení ve velmi čistých vodách nebo kultivace mikroorganismů z plaveného materiálu, kde je nutné zachování sterility, je s výhodou možné použít vždy nový vzorkovač DDG. Zřízení je tedy vhodné i pro jednorázové použití. Pro běžné užití lze .ío vzorkovač DDG vymýt a případně chemicky vystenlizovat.

Konstrukce zařízení je vytvořena tak, aby mohlo být při použití v případě potřeby zcela ponořeno ve vzorkovaném prostředí. Vzorkovaná kapalina je vedena sedimentační nádobou tak, že po celou dobu expozice omývá vzorek plavenin a nedochází proto ke změnám kyslíkového režimu a chemismu v postupně hromaděném vzorku. Tenkostěnná průhledná konstrukce vede k zachovám teplotních poměrů okolního prostředí v postupně hromaděném vzorku, stejně jako obdobného světelného režimu, včetně přítomnosti ultrafialové složky procházející dobře stěnami sedimentační nádoby z PET. Tyto funkce jsou podstatné při odběru dlouhodobých vzorků pro citlivé biologické analýzy živých složek plavenin a chemické analýzy labilních látek.

Rychlost průtoku lze na zařízení snadno regulovat výškovým nastavením flexibilního odpadního potrubí v místě jeho volného ústí. Průtok tedy není regulován škrticí tratí nebo kohoutem, kde by snadno docházelo k ucpání při dlouhodobé expozici.

Přehled obrázku na výkrese

Princip funkce je znázorněn na obrázku 1.

Příklad provedení

Příklad konkrétního provedení pro sběr jemného organického detritu v drobných tocích

CZ 18924 Ul

- sací koš I s okatostí vnějších ok 10 mm (železné pletivo potahované PE) ve tvaru zploštělého válce, menšího vnitřního PE pletiva 1 mm ve tvaru dlouhého válce (poměr průměru k délce 1:6),

- sací potrubí 2 délky 2000 mm (průměr vnější 6 mm, vnitřní 4 mm, PVC průsvitná hadice),

- PE nápustní koš se zátěží z praného křemenného oblázku a vrtanými otvory ve dně a bocích o průměru 5 mm), sedimentační nádoba 3 PET láhev s vroubkováním steny pro lepší sedimentaci se standardním závitem pro široko hrdle PET,

- odpadní potrubí 4 o délce 1000 mm na svcm počátku kryté síťovinou o okatostí 1 mm z PE pletiva ve tvaru válce (poměr průměru k délce 1 : 3) zhotovené z PVC hadice na konci volně zaio končené (průměr vnější průměr 6 mm, vnitrní 4 mm, PVC průsvitná hadice)

- hadice použitá pro konstrukci musí být tlustostěnná a pružná, aby současně zaj istila těsnost po provléknutí otvory o průměru mírně menším než vnější poloměr hadice a současné nemohla být náhodně stlačena pri zakládání do toku - běžné PVC hadice výše uvedeného průměru tuto podmínku splňují, silikonové jsou naopak příliš měkké,

Sací koš L je v toku umístěn na místo trvale zaplavené vodou. Je formovatelný, proto je možné ho přizpůsobit konkrétnímu mikrorelíéfu. Stabilizován je buď místními kameny, nebo ťixován do j dovitého či písčitého substrátu kotvou ve tvaru dlouhého U ze silného kovového drátu potaženého PVC.

Vlastní sedimentační nádoba 3 je uložena pod vodní hladinu a obložena kameny, nebo kotvena drátěnou kotvou. Poloha pod hladinou zajišťuje tepelné poměry pro sbíraný vzorek shodné s poměry v drobném toku. Sedimentační nádoba může být umístěna výškově mezi horní a dolní pracovní hladinou, nebo níže či výše, podle konkrétní dispozice v místě odběru. Odpadní potrubí 4 je stabilizováno kameny nebo kovovou kotvou do dna. Potrubí vedoucí od sacího koše k sedimentační nádobě a odpadní potrubí je založeno do dna nebo pod kameny. Při popsaném způsobu instalace je odběrové zařízení jen obtížně viditelné, což snižuje pravděpodobnost jeho poškození cizí osobou. Vzhledem k pořizovacím nákladům případné zcizeni jednoho nebo i série těchto zařízení představuje rozumné, riziko pro práeí.v terénních podminkfteh--¹-——

Nové nebo vyčištěné zařízení se před instalací naplní vodou z toku bez zákalu, uzavře se a nechá se tlakově stabilizovat. Poté se vytvořením podtlaku na konci odpadního potrubí 4 uvede do

3o chodu. Průtok vody probíhá na základě principu spojených nádob, kde jakožto homí hladina slouží hladina nad místem uložení sacího koše, dolní hladina je pak hladina nad odpadním potrubím. Rozdíl těchto hladin se měří na zvednuté části odpadního potrubí. Zde je také měřen odmémou nádobou a stopkami skutečný průtok zařízením. Pri měření musí být ústí odpadního potrubí umístěno do výšky dolní pracovní hladiny vody v toku.

Před odběrem vzorku po ukončení vzorkovacího období se opět změří průtok. Zařízení umožňuje volbu mezi kompletní výměnou sedimentační nádoby nebo vylitím vzorku, či jeho poměrné části do přinesené vzorkovnice. Při obvyklých koncentracích plavenin v oligotroťních tocích vykazuje vzorkovač DDG opakované dobrou funkci pri expozičních dobách do 14 dnů, přičemž jíž za 24 hodin je sesbírán vzorek plavenin dostatečný pro analýzy. Zařízení vykazuje dobrou funkci při průtocích okolo 0,2 1 /min.

V době experimentálního ověřování sérií prototypů přestály instalace vzorkovače DDG provedené výše popsaným způsobem na tocích 2.řádu i povodňový průtok Q1 (povodňový průtok opakující se s pravděpodobností lx ročně). Došlo sice k částečnému vytrhání nebo odnesení sacích košů, všechny vzorky v sedimentačních nádobách ale byly zachovány a mohly být následně analyzovány.

Sedimentační nádoba pojme velké množství detritu, takže je rovněž možné použít ji k delším expozicím. Dctrit není nutné ze zařízení pracně vymývat a jc znám průtok zařízením pro bilanci látkového odnesu. Je možné ho umístit i do drobných potoků a vzhledem k malé velikosti sacího koše může fungovat i za nízkých průtoků. Po skončení doby expozice (otestované doby funkce

CZ 1SVZ4 Ul byly 24 h, 7, 10, 14 a 24 dnů) je buď celé zařízení vyjmuto, nebo je jen vyměněna sedimentační nádoba, která slouží současně jako velkokapacitní vzorkovnice.

Zařízení, pokud je sedimentační nádoba instalovaná přímo v toku, zachovává ve sbíraném vzorku kyslíkové poměry, chemismus vody, teplotu i osvit obdobný vzorkovanému prostředí i při dlou5 hodobých expozicích. Tato funkce je ověřena při expozici varianty zařízení popsané v příkladu provedení v oligotrofních tocích. Při vzorkování prostředí s vysokou trofií, jako jsou znečištěné řeky nebo odpadní vody, je nutno pro zachování vzorku v optimálních podmínkách přiměřené zkrátit dobu expozice, nebo zvýšit průtok.

Claims (6)

1. NÁROKY NA OCHRANU ío 1. Detntový kontinuální přenosný vzorkovač plavenin pro vody se spádem, vyznačující se tím, že zahrnuje sedimentační nádobu (3) ve tvaru válce se šroubovacím víkem se dvěma otvory, přes které jsou do sedimentační nádoby zavedeny sací a odpadní potrubí (
2. 2, 4), přičemž sací potrubí je na odběrném místě opatřeno košem (1) a výpustní konec odpadního potrubí (4) musí být alespoň 10 cm níže než sací koš (1),

   15 2. Vzorkovač podle nároku 1, vyznačující se tím, že je v sacím koši (1) opatřen síťkou s volitelnou velikostí ok.
3. 3. Vzorkovač podle nároku 1, vyznačující se tím, že konec sacího potrubí je opatřen nápustním košem s otvory a zátěží.
4. 4. Vzorkovač podle nároku 1, vyznačující se tím, že začátek odpadního potrubí je

   20 opatřen síťkou s volitelnou velikostí ok.
5. 5. Vzorkovač podle nároku 1, vyznačující se tím, že koncová část odpadního potrubí je výškově nastavitelná.
6. 6. Vzorkovač podle nároku 1, vyznačující se tím, že jeho jednotlivé komponenty jsou založeny na stavebnicovém principu.

   25 7. Vzorkovač podle nároku 1, vyznačující se tím, že je zcela vodě odolný.