一种无扰动取样的沉积物原位修复模拟装置及方法

摘要

本发明所述无扰动取样的沉积物原位修复模拟装置及方法，包括反应装置和取样装置，反应装置的反应器本体包括上层容器和下层容器，便于依次放置污染沉积物和上覆水，几乎不存在沉淀稳定时间，加快了沉积物原位修复模拟实验的准备进程。上层容器内部设有取样装置定位架，所述下层容器的底部设有若干取样孔，所述取样装置穿过所述取样装置定位孔后，其轴线与所述取样孔的轴线相重合，能够实现取样装置的精确定位，进而精确取出不同深度的沉积物样品。所述取样装置包括依次嵌套的固定套筒、取样套筒和取样柱。通过在取样套筒中推动取样柱将样品从取样孔推出，取样后，固定套筒保留在原处，可以防止周围沉积物塌陷，实现无扰动取样。

说明书

技术领域

本发明涉及沉积物原位修复技术领域，具体涉及一种无扰动取样的沉积物原位修复模拟装置及方法。

背景技术

污染沉积物的修复根据处理过程中是否需要移动沉积物，分为原位修复和异位修复两大类，由于异位修复工程量大且容易造成二次污染，故而沉积物原位修复技术被认为是更具有发展前景的污染沉积物修复技术。沉积物原位修复技术，是指无需将污染沉积物移出水体，就在原位进行污染物治理的技术。目前，对水体污染沉积物的原位修复技术相对于异位修复技术普遍存在修复效率较低、无法维持较长时期的良好修复效果等缺点，其主要原因是原位修复环境多变，修复过程不可控等不利因素。故而，需要对原位修复技术中具体的修复机理进行详细研究，以提高修复效果并对修复过程进行监控和合理干预，这些都需要经过长期大量的试验进行模拟验证。

然而，目前的沉积物原位修复模拟装置的规格/尺寸较小，从而无法有效模拟沉积物原位修复的环境，同时也无法对不同剖面深度的沉积物的修复机理与修复效果进行研究。此外，目前的沉积物原位修复模拟装置也不能进行长期持续的修复过程监控，且每次沉积物采样均会对沉积物内部环境造成较大扰动，不利于进行原位修复技术的连续修复过程研究。因此，需要研发一种规格/尺寸较大且便于修复模拟操作的、能够进行连续修复研究且无扰动取样的沉积物原位修复模拟装置，用于对具体的修复机理进行详细研究，从而为提高沉积物原位修复效果提供有力依据。

发明内容

本发明提供一种无扰动取样的沉积物原位修复模拟装置及方法，该装置既能够在原位修复模拟过程中，采集到不同剖面深度的沉积物柱状样品，同时又能够有效阻止取样后导致的沉积物的坍塌，从而实现沉积物原位修复的长时间连续模拟修复过程研究。

本发明技术方案如下：

一种无扰动取样的沉积物原位修复模拟装置，包括反应装置和取样装置，所述反应装置包括反应器本体和用于使所述反应器本体的底面悬空的反应器放置架，所述反应器本体包括上层容器和下层容器，所述上层容器内部从上至下至少设有两层相互平行的取样装置定位架，所述取样装置定位架设有若干取样装置定位孔，所述下层容器的底部设有若干取样孔，所述取样装置穿过所述取样装置定位孔后，其轴线与所述取样孔的轴线相重合；所述取样装置包括固定套筒、取样套筒和取样柱，所述固定套筒的外径与所述取样装置定位孔直径相同且内径大于所述取样孔的直径，所述取样套筒的外径稍小于所述固定套筒的内径，所述取样柱的直径稍小于所述取样套筒的内径。

作为优选，所述上层容器与下层容器通过密封法兰对接固定。

作为优选，所述无扰动取样的沉积物原位修复模拟装置还包括多个密封螺栓，所述取样孔为与密封螺栓相匹配的密封螺纹孔。

作为优选，所述上层容器的顶部设有可拆卸密封法兰盖，所述可拆卸密封法兰盖上设有进气孔、出气孔和电极放置孔。

作为优选，所述无扰动取样的沉积物原位修复模拟装置还包括固定件密封于所述电极放置孔内的电极，所述电极包括用于测定体系pH值、氧化还原电位和电导率等环境指标的电极。

作为优选，所述取样装置定位架为与所述上层容器内壁连接的且与所述下层容器底部平行的圆形板，所述取样装置定位孔在所述圆形板上中心对称设置，且每层所述取样装置定位架上设置的取样装置定位孔的轴线与上下对应的所述取样孔的轴线相互重合。

作为优选，所述固定套筒的长度至少高于反应器本体内上覆水的高度且低于所述反应器本体的高度，所述取样套筒和取样柱的长度稍高于所述固定套筒的长度，所述取样柱上标注有刻度，以精确取出相应深度的沉积物进行分析。

作为优选，所述反应器放置架的悬空水平底面设置有与所述下层容器底部设置的取样孔分布一致且直径大于取样孔的圆孔，且所述悬空水平底面的周围向上延伸有环绕所述反应器本体的护栏。

作为优选，还包括虹吸装置。

一种无扰动取样的沉积物原位修复模拟方法，使用上述的无扰动取样的沉积物原位修复模拟装置进行模拟实验，包括如下步骤，

步骤一、将所述下层容器放置于所述反应器放置架上，在所述下层容器内置入污染沉积物，或将沉积物放置于所述下层容器内后，一起置于所述反应器放置架上；按照密封要求将上层容器与下层容器装配到一起，并充入适量的上覆水后，在密闭的反应器本体中进行沉积物原位修复；

步骤二、需要取样时，打开所述反应器本体的可拆卸密封法兰盖，将所述固定套筒依次通过所述上层容器室内壁所连接的取样装置定位架上设置的取样装置定位孔，插入下层容器的沉积物中，直至所述下层容器的底部；所述固定套筒的底部刚好被上下布置的至少两个取样装置定位孔固定在所述下层容器底部的对应取样孔位置；

步骤三、利用所述虹吸装置取出步骤二中所述固定套筒中的上覆水；

步骤四、将所述取样套筒插设于所述固定套筒直至所述下层容器的底部；

步骤五、打开所述固定套筒所在位置对应的取样孔；

步骤六、将用于储存沉积物样品的样品容器放于所述反应器放置架的下方，并对准该打开的取样孔，将所述取样柱插入所述取样套筒，到达取样套筒内沉积物表面后，继续向下缓慢推进所述取样柱，将所述沉积物按照刻度依次推出，并依次落入相应的所述样品容器；

步骤七、使用橡胶塞或密封螺栓堵住所述取样孔；并将所述取样套筒和取样柱从上方取出，将所述固定套筒保留在原处，以防止周围沉积物塌陷，使该取样过程对反应器本体内部的其余沉积物反应过程没有扰动，进而对后续实验不产生干扰。

本发明相对于现有技术优势在于：

1、本发明所述无扰动取样的沉积物原位修复模拟装置及方法，反应器本体采用双层结构，便于依次放置污染沉积物和上覆水，几乎不存在沉淀稳定时间，加快了沉积物原位修复模拟实验的准备进程，且在上层容器内放置至少两层相互平行的取样装置定位架，能够实现取样装置的精确定位，进而精确取出不同深度的沉积物样品；且取样装置取样后，固定套筒保留在原处，可以防止周围沉积物塌陷，实现无扰动取样。

2、本发明设置多套取样装置，可同时多方位取得沉积物平行样，有利于对其进行更多维度的、连续的污染沉积物原位修复分析；且通过所述取样柱推出沉积物，而非取样后从上方将沉积物取出，取样过程简单，不会出现上方取样时的样品脱落现象，不仅避免了对反应器本体内反应物的额外扰动、方便精确取出不同深度的沉积物样品，整个装置还有搭建步骤简单，操作容易控制，成本较低的优点。

附图说明

图1为本发明一种无扰动取样的沉积物原位修复模拟装置一种实施方式的结构示意图；

图2为本发明一种无扰动取样的沉积物原位修复模拟装置一种实施方式的取样装置分开后的结构示意图；

图3为本发明一种无扰动取样的沉积物原位修复模拟装置一种实施方式的可拆卸密封法兰盖的俯视结构示意图；

图4为本发明一种无扰动取样的沉积物原位修复模拟装置一种实施方式的下层容器底部示意图或用于与下层容器底部相对接的支撑基座的悬空水平底面结构示意图；

图5为本发明一种无扰动取样的沉积物原位修复模拟装置一种实施方式的第一取样装置定位孔或第二取样装置定位孔的打孔分布示意图；

图中各标记为：

反应装置，11-反应器本体，111-上层容器，112-下层容器，1121-取样孔，113-第一取样装置定位架，1131-第一取样装置定位孔，114-第二取样装置定位架，1141-第二取样装置定位孔，115-密封法兰，117-可拆卸密封法兰盖，1171-进气孔，1172-出气孔，1173-电极设备放置孔，12-反应器放置架，121-悬空水平底面，122-护栏，2-取样装置，21-固定套筒，22-取样套筒，23-取样柱，3-电极设备，4-沉积物，5-上覆水。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合具体实施例，对本发明进行更详细的说明。

实施例1

如图1-5所示，为一种无扰动取样的沉积物原位修复模拟装置实施方式的结构示意图，包括反应装置1和取样装置2，所述反应装置1包括反应器本体11和用于使所述反应器本体11的底面悬空的反应器放置架12，所述反应器本体11包括上层容器111和下层容器112，所述下层容器112用于放置沉积物，放好沉积物后，将所述上层容器111通过密封法兰115与所述下层容器固定密封，固定密封后加入适量上覆水。反应器本体11的双层结构便于依次放置污染沉积物和上覆水，几乎不存在沉淀稳定时间，加快了沉积物原位修复模拟实验的准备进程。所述上层容器111内从上至下设有相互平行第一取样装置定位架113和第二取样装置定位架114，如图4所示，所述第一取样装置定位架113和第二取样装置定位架114上均设有若干取样装置定位孔，如图5所示，所述下层容器112的底部设有若干取样孔，其中，位于第一取样装置定位架113的第一取样装置定位孔1131、位于第二取样装置定位架114的第二取样装置定位孔1141以及位于所述下层容器112的取样孔1121均上下对应且轴线重合，能够实现取样装置2的精确定位，进而精确取出不同深度的沉积物样品。所述取样装置2穿过所述第一取样装置定位孔1131和第二取样装置定位孔1141后，其轴线与所述取样孔1121相互重合；所述取样装置2包括固定套筒21、取样套筒22和取样柱23，所述固定套筒21、取样套筒22为空心圆柱套筒，所述取样柱23为实心圆柱，并且取样柱23本身刻有刻度或贴有刻度尺。所述固定套筒21的外径等于所述取样装置定位孔1131以及1132的直径且内径大于所述取样孔1121的直径，使得所示固定套筒21可以在插到沉积物底部后，将所述取样孔1121完全包裹在固定套筒21的内部，而不使固定套筒21外部的沉积物从所述取样孔1121溢出。所述取样套筒22的外径稍小于所述固定套筒21的内径，所述取样柱23的外径稍小于所述取样套筒22的内径，便于将所述取样套筒22插入所述固定套筒21进行预取样，且便于通过取样柱23在所述取样套筒22内将沉积物样品从底部的取样孔推出，进而取样。且取样后，固定套筒21保留在原处，可以防止周围沉积物塌陷，实现无扰动取样。具体地，所述反应器本体11内径不小于30厘米，所述上层容器111高度不小于60厘米，所述下层容器112高度不小于40厘米，以便于得到较大规格/尺寸的装置，从而进行连续的长期修复模拟操作。

作为优选，所述无扰动取样的沉积物原位修复模拟装置还包括多个密封螺栓116，所述取样孔1121为与密封螺栓相匹配的密封螺纹孔，放置沉积物前，使用所述密封螺栓116将所述取样孔1121密封。所述反应器放置架对应所述密封螺栓的位置设有圆孔，以使所述密封螺栓116不用承受反应器本体的本身重力所带来的压力。

作为优选，所述上层容器111的顶部设有可拆卸密封法兰盖117，所述可拆卸密封法兰盖117上设有进气孔1171、出气孔1172和电极设备放置孔1173。所述可拆卸密封法兰盖117在沉积物和上覆水装好后，便可与所述上层容器111上部的法兰装置相密封连接。所述进气孔1171和出气孔1172用于充入惰性气体如氮气，以保证所述反应器本体11内的厌氧环境。所述反应器本体11为有机玻璃材质，优选为亚克力材料。

作为优选，所述无扰动取样的沉积物原位修复模拟装置还包括电极设备3，所述电极设备3的固定件密封于所述电极设备放置孔1173内。所述电极设备可以是pH电极、ORP电极或电导率电极等。通过电极设备放置孔1173放置电极设备，用于持续测定反应器本体内部的pH、氧化还原电位和电导率等环境指标。

作为优选，所述取样装置定位架114为与所述上层容器111内壁连接的与所述下层容器112的底部相平行的圆形板，所述取样装置定位孔在所述圆形板上中心对称设置，具体如图5所示，虚线上的取样装置定位孔的圆心在该虚线圆上，且每层所述取样装置定位架上设置的取样装置定位孔的轴线与上下对应的取样孔的轴线相互重合。

作为优选，所述固定套筒21的长度至少高于反应器本体11内上覆水的高度且低于所述反应器本体11的高度，所述取样套筒22和取样柱23的长度稍高于所述固定套筒21的长度，所述取样柱23上标注有刻度，可以精确取出相应深度的沉积物进行多维度分析。比如可同时取距离同一水平截面上不同位置的沉积物进行分析，或在同一次取样时，将不同高度位置的样品分别取样，进行分析。且能保证经过较长时间后的多次取样的高度相同。

作为优选，所述反应器放置架12的悬空水平底面121设置有与所述下层容器112底部设置的取样孔1121分布一致且直径大于所述取样孔的圆孔，且所述悬空水平底面121的周围向上延伸有环绕所述反应器本体11的护栏122。所述护栏122为至少4个高度低于40厘米的边缘立柱。

作为优选，所述无扰动取样的沉积物原位修复模拟装置还包括用于取出上覆水或用于向反应器本体内充入上覆水的虹吸装置。

实施例2

一种无扰动取样的沉积物原位修复模拟方法，使用上述的无扰动取样的沉积物原位修复模拟装置进行模拟实验，包括如下步骤，

步骤一、将所述下层容器112放置于所述反应器放置架12上，在所述下层容器112内置入污染沉积物4，或将沉积物4放置于所述下层容器112内后，一起置于所述反应器放置架12上；按照密封要求将上层容器111与下层容器112装配到一起，并通过虹吸装置充入适量的上覆水5后，在密闭的反应器本体11中进行沉积物4的原位修复；

步骤二、需要取样时，打开所述反应器本体11的可拆卸密封法兰盖117，将所述固定套筒21依次通过所述上层容器111内壁所连接的第一取样装置定位架113上设置的第一取样装置定位孔1131和第二取样装置定位架114上设置的第二取样装置定位孔1141进行定位后，插入下层容器112的沉积物4中，直至所述下层容器112的底部；所述固定套筒21的底部刚好被上下布置的至少两个取样装置定位孔固定在所述下层容器112底部的对应取样孔1121位置；

步骤三、利用所述虹吸装置取出步骤二中所述固定套筒21中的上覆水；

步骤四、将所述取样套筒22插设于所述固定套筒21直至所述下层容器112的底部；

步骤五、打开所述固定套筒21所在位置对应的取样孔1121；

步骤六、将用于储存沉积物样品的样品容器放于所述反应器放置架12的下方，并对准该打开的取样孔1121，将所述取样柱23插入所述取样套筒22，到达取样套筒22内沉积物表面后，继续向下缓慢推进所述取样柱23，将所述沉积物样品按照其刻度依次推出，并依次落入相应的所述样品容器；

步骤七、使用橡胶塞或密封螺栓116堵住所述取样孔1121；并将所述取样套筒22和取样柱23从上方取出，将所述固定套筒21保留在原处，以防止周围沉积物塌陷，使该取样过程对反应器本体11内部的其余沉积物反应过程没有扰动，进而对后续实验不产生干扰。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改变，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。