一种用于模拟不同光照对水体营养盐影响的装置及方法

摘要

一种用于模拟不同光照对水体营养盐影响的装置，容器顶端设有排气口和进样口，容器内的顶部安装有光源，容器侧壁设有多个取样口，容器的侧壁外包裹有夹层，容器内设有曝气装置，转轴上连接有搅拌浆，搅拌浆的叶片为中空结构并设有出气孔；照度控制器连接容器内的光源；循环水浴装置分别连接容器的进水口和出水口；温度控制器连接容器内的温度探头，温度控制器同时与循环水浴装置连接；溶解氧控制器连接并控制氮氧混合气体输送装置通过转轴和曝气装置对容器内的水样进行曝气；溶解氧控制器与溶解氧检测仪；氮磷检测仪用于检测容器内水样的氮磷浓度；pH值控制器与pH值检测仪连接。

说明书

技术领域

本发明属于湖泊水环境研究领域，具体涉及一种用于模拟不同光照对 水体营养盐组分影响的实验装置。

本发明还涉及利用上述实验装置进行实验的方法。

背景技术

近年来，随着社会经济的发展和农工业技术的进步，进入湖泊或城市 内河水体的以氮磷为主的营养物质和有机质不断增加，导致藻类等水生生 物大量繁殖，水体质量下降，功能减退，最终呈现不同程度的水体富营养 化。湖泊等天然水体中氮磷有机质等污染物的来源主要包括外源输入及自 生来源贡献，这些不同来源的有机质通过细菌降解及光化学降解等过程发 生转化。一些研究表明，在表层水中，光化学降解是氮磷等污染物环境归 趋的一种重要途径，对氮磷有机质等污染物的性质及生物地球化学活性的 变化起着重要作用。因此，为了降低氮磷有机质等污染物对生态环境和人 体健康产生的环境风险，有必要研究氮磷有机质等污染物在湖泊水体中的 光解行为。

然而，由于氮磷有机质污染物在湖泊水体中的光化学行为机理较为复 杂，因此其迁移转化机制尚不清楚。在这种背景下，如能通过有效的实验 装置对水体中氮磷有机质等污染物的光解机制进行模拟和研究，就有了十 分重要的意义。但由于不同湖泊区域光照条件不同，及水环境受到多种因 素的影响，因此各区域湖泊水体光解机制有所区别，如何设计一种能够严 格控制光质、光强模拟条件的实验装置，是本领域的一个重要课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于模拟不同光照对水体营养盐组分影响的 实验装置。

本发明的又一目的是提供一种利用上述装置进行模拟不同光照对水 体营养盐影响的方法。

为实现上述目的，本发明提供的用于模拟不同光照对水体营养盐影响 的装置，包括容器和水体在线监测系统，其中：

容器部分为：

多个容器，顶端设有排气口和进样口，容器内的顶部安装有光源，容 器侧壁自上而下地设有多个取样口，容器的侧壁外包裹有夹层，夹层侧壁 分别设有进水口和出水口，容器内设有曝气装置，该曝气装置的转轴为中 空管结构，与氮氧混合气体输送装置连通，转轴底部设有曝气头，曝气头 位于容器内的底部，转轴上连接有搅拌浆，搅拌浆的叶片为中空结构并设 有出气孔，转轴由驱动装置带动旋转；

水体在线监测系统部分为：

照度控制器，连接容器内的光源，用于控制光源的光照强度；

循环水浴装置，分别连接容器的进水口和出水口；

温度控制器，连接容器内的温度探头，温度控制器同时与循环水浴装 置连接，以控制循环水浴装置的出水温度；

溶解氧控制器连接并控制氮氧混合气体输送装置通过转轴和曝气装置 对容器内的水样进行曝气；

溶解氧控制器与溶解氧检测仪连接，根据溶解氧检测仪的检测结果控 制氮氧混合气体输送装置通过转轴和曝气装置对水样进行曝气；

氮磷检测仪用于检测容器内水样的氮磷浓度；

pH值控制器与pH值检测仪连接，根据pH值检测仪的检测结果控制 酸碱滴定装置向水样中滴加酸或碱。

所述的用于模拟不同光照对水体营养盐影响的装置，其中，容器的进 样口设有过滤装置，以去除原水中的悬浮颗粒物。

所述的用于模拟不同光照对水体营养盐影响的装置，其中，容器内的 转轴的底端设有导气盘，导气盘为中空的环形盘状结构，导气盘位于容器 内的底部；

两个导气杆，分别沿导气盘的下端面向下延伸设置，两个导气杆在导 气盘的圆周方向上对称设置，且每个导气杆均贴近容器的内侧壁；

固定杆，沿转轴的轴线设置，并与容器的顶板固定连接，固定杆的下 端穿过导气盘的中心并延伸至导气盘的下方；

安装盘，与固定杆的下端固定连接，安装盘的上端面用于支撑导气盘 进行相对旋转，光源安装在安装盘的下端面上。

所述的用于模拟不同光照对水体营养盐影响的装置，其中，容器内且 位于导气盘上方设置有挡气板，挡气板上均匀设置有出气孔。

所述的用于模拟不同光照对水体营养盐影响的装置，其中，容器外部 包裹有黑色乙烯基薄塑料围布；在容器的侧壁上设置有上、中、下三个取 样口。

所述的用于模拟不同光照对水体营养盐影响的装置，其中，容器的顶 板与容器的壳体为可拆卸连接。

所述的用于模拟不同光照对水体营养盐影响的装置，其中，搅拌桨叶 片的厚度沿旋转方向由前到后逐渐增加，且叶片的底面沿旋转方向由前到 后逐渐抬高；位于前方的叶片底面上的曝气孔的高度低于位于后方的叶片 的前端高度；

每个叶片上的多个出气孔均沿导气杆的旋转半径排成一排设置。

所述的用于模拟不同光照对水体营养盐影响的装置，其中，水体在线 监测系统部分包括抑菌剂添加仪，用于向容器内的水样添加抑菌剂。

本发明提供的利用上述装置进行模拟不同光照对水体营养盐影响的 方法，过程为：

将水样通过容器的进样口输入容器内；

设置光照强度，监控容器中的温度、pH值，通过温度控制器控制循环 水浴装置使容器内的水样温度维持在预定温度范围；通过pH值控制器调 节水样pH维持在预定范围值内；

当水样pH高于或低于预定范围时，由pH值控制器控制酸碱滴定装置 向水样中加酸或碱；

利用氮磷检测仪检测容器内水样的氮磷浓度；

完成预定光照时间后分别通过各个取样口进行取样，以黑瓶为标准， 检测不同光照强度对水样中营养盐光解过程的影响。

所述的方法，其中，在模拟不同光照对水体营养盐影响的同时，通过 比较加抑菌剂和不加抑菌剂培养的实验结果，研究抑菌剂对营养盐浓度的 影响。

本发明提供的装置和方法能严格控制模拟条件，进而解决现有技术中 缺少能够有效模拟水体中营养盐(氮磷有机质污染物)光解过程的实验装 置和方法的技术问题。

附图说明

图1是本发明用于模拟不同光照对水体营养盐影响的装置的示意图；

图2是图1的容器部分放大示意图；

图3是图1中的搅拌桨叶片的结构示意图。

附图中标识符号说明

10容器，11排气口，12进样口，13光源，14a、14b、14c取样口， 15排水口，16过滤装置；

20夹层，20a夹层进水口、20b夹层出水口；

30转轴，31搅拌浆，31a搅拌浆叶片前端，31b搅拌浆叶片后端，31c 搅拌浆叶片的出气孔，32曝气头，33挡板；

40循环水浴装置，41pH值控制器，42溶解氧控制器，43氮磷检测仪， 43a氮磷检测探头，44温度控制器，44a温度探头，45照度控制器，46抑 菌剂添加仪。

具体实施方式

本发明的用于模拟不同光照对水体营养盐影响的实验装置，包括：

实验容器，为圆柱形筒体；在容器的顶端设置有排气口，在容器的侧 壁外包裹有夹层，在容器内且位于实验容器的顶部安装有光照装置。

循环水浴装置的出水口与夹层连通设置。

照度控制器与光照装置连接，用于控制光照装置的照度。

曝气装置安装在实验容器内，用于对容器内的水样进行曝气。

温度控制器，连接设置在容器内的温度探头，用于检测容器内水样温 度；温度控制器同时与循环水浴装置连接设置，用于控制循环水浴装置的 出水温度。

水体在线监测系统，包括氮磷检测仪、pH值检测仪、溶解氧检测仪， 用于检测实验容器内水样的氮磷浓度、pH值和溶解氧浓度。

还安装有pH值控制器，pH值控制器与pH值检测仪连接设置，用于 接收pH值检测仪传递的检测结果；与pH值控制器连接有酸碱滴定装置， pH值控制器用于控制酸碱滴定装置向水样中滴加酸或碱。

还安装有溶解氧控制器，与溶解氧检测仪连接，用于接收溶解氧检测 仪传递的检测结果；与溶解氧控制器连接有氮氧混合气体输送装置，氮氧 混合气体输送装置与曝气装置连通设置；溶解氧控制器用于控制氮氧混合 气体输送装置通过曝气装置对水样进行曝气。

在容器的中轴上设置有转轴，转轴上安装有搅拌桨，转轴为中空管； 转轴插入至容器的底部，曝气装置安装在转轴的底端，曝气装置通过转轴 与氮氧混合气体输送装置连接；搅拌桨为圆盘涡轮式搅拌桨。

在容器内且位于曝气头上方设置有挡气板，在挡气板上面均匀设置有 出气孔。

在容器的外部包裹有黑色乙烯基薄塑料围布；在容器的侧壁上设置有 上、中、下三个取样口。

所述曝气装置包括：

转轴，为中空管结构；

驱动装置，与转轴连接设置，用于驱动转轴沿轴向进行旋转；

导气盘，为中空的环形盘状结构，导气盘于转轴的底端固定连接且与 转轴连通设置；

导气杆，设置有两个，分别沿导气盘的下端面向下延伸设置，两个导 气杆在导气盘的圆周方向上对称设置，且每个导气杆均贴近容器的内侧壁 设置；

搅拌桨叶片，设置有两个，分别安装在两个导气杆的底端且与导气杆 连通设置，在每个搅拌桨叶片的底面上设置有多个出气孔；

用于模拟不同光照对水体营养盐影响的装置还设置有：

固定杆，沿转轴的轴线设置，同时与容器的顶板固定连接，固定杆的 下端穿过导气盘的中心并延伸至导气盘的下方；

安装盘，与固定杆的下端固定连接，安装盘的上端面适宜于支撑导气 盘进行相对旋转，光照装置安装在安装盘的下端面上。

搅拌桨叶片的厚度沿旋转方向由前到后逐渐增加，且叶片的底面沿旋 转方向由前到后逐渐抬高；位于前方的叶片底面上的曝气孔的高度低于位 于后方的叶片的前端高度。

每个叶片上的多个出气孔均沿导气杆的旋转半径排成一排设置。

容器的顶部壳体与下方壳体可拆卸连接。

容器可以根据需要设置为多个。

本发明的用于模拟不同光照对水体营养盐影响的实验装置，优点在 于：

(1)本发明的容器的侧壁上包裹有夹层，与夹层连接设置有循环水浴 装置，与循环水浴装置连接设置有温度控制器，温度控制器通过对循环水 浴装置的出水温度进行控制，将水样温度控制在10℃-25℃范围之间，从 而实现对四季温度的模拟。此外在枉发明的装置内还设置有光照装置、照 度控制器、曝气头和水体在线监测系统，用于检测、控制容器内水样的照 度、氮磷浓度、pH值和溶解氧浓度，从而可对水样中的多种环境因素进行 控制和监测，实现了对实验模拟条件的严格控制，提高模拟实验的精度。

本发明的装置中还进一步设置有pH值控制器和溶解氧控制器。通过 pH值检测仪可在线监测实验装置内pH值，为了实现对湖泊水样的精确模 拟，在实验过程中利用pH值控制器调节水样pH值保持在8.5-9.3，如果 水样pH值超过该pH范围，则pH值控制器控制酸碱滴定装置进行自动加 酸或加碱，对水样进行调节。同样的，本发明中的溶解氧控制器适宜于通 过调节输入的氮氧混合气体来控制水样的DO值。

(2)本发明的装置中还设置有搅拌浆，搅拌浆包括转轴和安装在转轴 上的搅拌桨，转轴为中空管；转轴插入至容器的底部，曝气头安装在转轴 的底端。搅拌浆可有效防止酸/碱聚集，在加酸/碱的同时，搅拌浆自动开 启，使得酸/碱快速在实验装置内混匀，之后自动停止。搅拌浆须较为接近 酸/碱滴定头以利于酸/碱尽快扩散开。采用圆盘涡轮式搅拌桨，具有较大 循环能力和较高的剪切能力。此外，搅拌浆的转轴为中空管，该中空管插 入至容器的底部，底端为曝气头。曝气头上方设有360扩圆形挡板，挡板 上面设有若干圆形小孔，以利于曝气过程可以让气体快速均匀分布于实验 装置的水体。

(3)本发明还进一步限定曝气装置，包括转轴、导气盘、导气杆和中 空桨叶。现有技术在进行光照实验时，如使用搅拌、曝气装置，会使得实 验容器内的设置过于复杂，会对光照形成一定的遮挡，从而影响实验效果。 本发明的设计方案使得搅拌桨叶片可以兼具曝气和搅拌的作用，大大简化 了设备，并且由于两个导气杆均贴近侧部设置，可以进一步降低对光照的 影响。实验用的湖泊水样中会含有一定的颗粒物，本发明将曝气孔设置在 搅拌桨叶片的底部，可有效防止曝气孔发生堵塞。并且由于搅拌桨叶片兼 具曝气和搅拌作用，从曝气孔出来的氮氧混合气体在第一时间即被叶片搅 拌，从而保证了混合气体与水样的均匀混合。从而在将曝气孔设置在底部 有效防止堵塞的同时，还能保证水样的均匀曝气。

(4)本发明进一步限定搅拌桨叶片的厚度沿旋转方向由前到后逐渐增 加，且叶片的底面沿旋转方向由前到后逐渐抬高；位于前方的叶片底面上 的曝气孔的高度低于位于后方的叶片的前端高度；使得从一个叶片出来的 气体在上升的过程中被来自后方的叶片前端进行切割，进一步提高了均匀 曝气的效果。

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对 本发明的实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

本实施例提供了一种用于模拟光照对水体营养盐影响的装置，如图1 和图2所示，主要由容器部分和水体在线监测系统两部分组成。具体地包 括：

一个以上用于实验的容器10，为圆柱形筒体；为了减少对实验的干扰， 容器10的内壁采用有机玻璃制成；在容器的顶端设置有排气口11和进样 口12，在容器的侧壁外包裹有夹层20，夹层20设有进水口20a和出水口 20b，进水口20a和出水口20b分别连接至循环水浴装置40；光源13安装 在容器10内的顶部；照度控制器45连接并用于控制光源13的照度；曝 气装置32(可采用曝气头)安装在容器10内，用于对容器内的水样进行 曝气；温度控制器44连接容器内的温度探头44a，用于检测容器内水样的 温度；温度控制器44同时与循环水浴装置40连接，以控制循环水浴装置 40的出水温度；实际应用中，循环水浴装置40的型号为501-A型超级恒 温水浴。

水体在线监测系统中还包括：

氮磷检测仪43通过放置在水样中的氮磷监测探头43a监测容器内水样 的氮磷浓度，实际应用中，氮磷检测仪的型号为德国TresCon在线氮磷分 析仪。

pH值控制器41与pH值检测仪连接，用于接收pH值检测仪传递的检 测结果，并根据该结果由pH值控制器控制酸碱滴定装置向水样中滴加酸 或碱；实际应用中，pH值检测仪为pH值联动检测仪，其型号比如为台湾 上泰在线pH联动仪表(PC3110/405-60-SC)。

溶解氧控制器42与溶解氧检测仪连接，用于接收溶解氧检测仪传递 的检测结果，溶解氧控制器42还连接氮氧混合气体输送装置，该氮氧混 合气体输送装置与曝气装置连通设置。溶解氧控制器42根据溶解氧检测 仪的检测结果控制氮氧混合气体输送装置通过曝气装置对水样进行曝气。 实际应用中，溶解氧检测仪型号为美国YSI便携式溶解氧在线测量仪 (A301884)。

本实施例的曝气装置是将中空状的转轴30设置在中轴上，转轴上安 装有搅拌桨，搅拌桨为圆盘涡轮式搅拌桨。转轴插入容器的底部，曝气头 安装在转轴的底端，曝气头通过转轴与氮氧混合气体输送装置连接。

为了实现均匀曝气，本实施例在容器内且位于曝气头上方设置有挡气 板33，在挡气板上均匀设置有出气孔。为了避免受到自然光的影响，在容 器的外部包裹有黑色乙烯基薄塑料围布；为了便于不同深度的取样，在容 器的侧壁上设置有上、中、下三个不同高度的取样口14a、14b、14c。

本实施例进行光照对水体营养盐影响的模拟实验的方法为：

将湖泊水样通过过滤装置15有效去除湖泊原水中悬浮颗粒物(避免 光照对颗粒物的降解作用)经进样口12送入容器内，先用曝气装置对欲 研究的水样进行曝气，以调节其中的溶解氧情况，然后设置光照强调，在 本实施例中设置光照强度为69001ux，实时监控模拟装置中温度和pH值， 通过温度控制器控制循环水浴加热，使容器内的水样温度维持在18℃ -20℃；通过pH值控制器调节水体pH在8.5-9.3，在实验过程中，当水样 pH升高至9.3以上时，pH值控制器下达指令至酸碱滴定装置，向水样中 滴加HCl，并开启搅拌浆进行搅拌，当pH降至9.3以下时，pH值控制器 控制酸碱滴定装置停止滴定。反之，当水样pH降低至8.5以下时，pH值 控制器下达指令至酸碱滴定装置，向水样中滴加NaHCO₃，并开启搅拌浆 进行搅拌，当pH升至8.5以上时，pH值控制器控制酸碱滴定装置停止滴 定。每组实验时间为5小时，实验结束后通过取样口进行取样。取样后对 容器进行冲洗，从排水口15排尽后继续填满湖水，以进行下一组实验研 究。通过设定光照强度分别为57001ux，40001ux，27001ux以及黑瓶(关 闭光照装置)，可模拟不同光照强度对影响盐含量的影响。

除了单纯模拟光照强度实验，还可通过对比加抑菌剂和不加抑菌剂培 养的实验效果，研究抑菌剂对营养盐浓度的影响，需要添加抑菌剂时是通 过抑菌剂添加仪46加入容器内。实验结果如表1至表4所示：

实施例2

本实施例是在实施例1的装置基础上采用的又一种形式。

本实施例的曝气装置包括：转轴的底端连接导气盘，两个导气杆分别 沿导气盘的下端面向下延伸设置，两个导气杆在导气盘的圆周方向上对称 设置，且每个导气杆均贴近容器的内侧壁设置，本实施例中每个导气杆与 内侧壁之间的距离均在1-2cm之间。

本实施例的装置还设置有：固定杆，沿转轴的轴线设置，同时与容器 的顶板固定连接，固定杆的下端穿过导气盘的中心并延伸至导气盘的下 方；安装盘，与固定杆的下端固定连接，安装盘的上端面用于支撑导气盘 进行相对旋转，光照装置安装在安装盘的下端面上。作为可选择的实施方 式，在安装盘的上表面上，沿安装盘的圆周方向可固定设置一个环形的弹 性件，弹性件的上端嵌套安装在导气盘下表面的环形凹槽内，从而对导气 盘进行支撑，同时导气盘可相对于弹性件发生旋转。

作为优选的实施方式，为了进一步提高均匀曝气效果，本实施例中的 中空状的搅拌桨叶片的厚度沿旋转方向由前到后逐渐增加，且叶片的底面 沿旋转方向由前端31a到后端31b逐渐抬高；位于前方的叶片底面上的出 气孔的高度低于位于后方的叶片的前端高度；每个叶片上的多个出气孔 31c均沿导气杆的旋转半径排成一排设置，且相邻两个出气孔间的间距相 同(请参阅图3)。

作为优选的实施方式，为了便于进样和清洗，本实施例中实验容器的 顶部壳体与下方壳体可拆卸连接，并且容器设置为2个。

使用本实施例中的实验装置进行光照对水体营养盐影响的模拟实验 的方法为：

将水样放入两个实验容器内，设置两个实验容器的光照度均为 6900lux；利用两个实验容器分别进行加抑菌剂和不加抑菌剂的培养实验， 实验过程中设置不同培养时间：0.5h、1h、3h、5h、8h，分别进行取样。 利用水体在线监测系统实时监控模拟装置中的温度、pH、DO值，通过温 度控制装置控制循环水浴加热，使水体温度维持在18℃-20℃；利用pH值 控制器，调节水体pH在8.5-9.3。本实施例中的实验结果如表5至表8所 示。

取样后实验完成后，将实验容器的顶部壳体拆卸下来，对实验容器和 曝气装置进行清洗，然后继续填满湖水，安装上顶部壳体，即可进行下一 组实验研究。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方 式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可 以做出其它不同形式的变化或变动，而由此所引伸出的显而易见的变化或 变动仍处于本发明的保护范围之中。

表1

表2

表3

表4

表5

表6

表7

表8