CN111766181B - 原位水生态营养盐沉积物-上覆水界面迁移转化模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明是原位水生态营养盐沉积物‑上覆水界面迁移转化模拟系统,其特点是，包括：循环水系统、模拟水生态实验系统、曝气系统、监测系统和取样系统，模拟水生态实验系统铺设沉积物；循环水系统通过上覆水流动，由进水口进入进水室，并经稳流孔进入模拟水生态实验系统；曝气系统通过多孔鼓风曝气管，向上覆水提供溶解氧；监测系统对模拟培养过程进行实时水质监测；可用于不同环境条件下，水生态系统中营养盐内源释放的研究，准确定量营养盐在沉积物‑上覆水界面处的迁移转化规律，为水生态系统的修复提供理论依据和技术参考。

Description

原位水生态营养盐沉积物-上覆水界面迁移转化模拟系统

技术领域

本发明涉及水生态系统工程技术领域，特别涉及原位水生态营养盐沉积物-上覆水界面迁移转化模拟系统。

背景技术

随着我国经济的快速发展，工业化进程的不断加快，水污染问题也日益凸显，虽然国家出台了一系列关于水污染防治的法律法规，对水环境的外源污染控制力度逐渐加大，使得外源污染得到了有效的拦截，但在一定条件下，沉积物作为内源污染仍可源源不断的向上覆水释放污染物，使上覆水维持较高的营养水平。

中国发明专利公布号CN105585129A公开了“一种模拟原位河道生态系统氮素归趋的装置及方法”，该装置能够对模拟过程中的温度、pH、溶解氧进行实时监控，同时对沉积物氮素浓度、水体氮素浓度和产气氮含量进行同时测定，研究河道生态系统各个脱氮途径间的氮素输出与转化；中国发明专利公布号CN110082484A公开了“一种水-沉积物降解实验装置”，该系统由供气装置、密封装置和排气采样装置组成，保证厌氧实验条件，用于水-沉积物降解实验和实验室模拟內源污染物释放等实验；CN110578318A提供了一种可模拟河道沉积物环境的循环水槽，可模拟河流等沉积物环境、通过所设的多个培养箱以检测不同时间点的沉积物状态，并通过循环水系统可实现水深和流速的调节；中国发明专利公布号CN108872528A公开了“一种基于连续过程的沉积物氮循环速率测定方法”，通过向血清瓶投加沉积物，置换瓶顶空气，添加尿素，恒温培养，可计算沉积物的反硝化、硝化和氨化作用速率；中国发明专利公布号CN110528454A公开了“一种河道交汇处沉积物吸附释放污染物的模拟实验装置与方法”，该装置包括水流循环装置、流量调节装置、沉积物铺设装置和采样装置，可通过铰链改变交汇角，干支流交汇流量比，适用于自然条件下不同汇流比的河道；中国发明专利公布号CN110967279A公开了“一种模拟近海水-沉积物中污染物迁移转化行为的实验装置、实验方法及其应用”，该装置包括外源污染物储存室、水源输送系统和泥水交换系统，以实现模拟污染物输入、停留及样品采样；中国发明专利公布号CN109490084A公开了“一种模拟波浪作用下海洋沉积物中內源污染物释放量的原位测试装置及方法”，可用于海底沉积物原位实验，维持采样过程中沉积物原装结构，模拟不同自然条件下荷载的状况，揭示海底沉积物內源释放规律；中国发明专利公布号CN107449638A公开了“一种研究氧气影响下沉积物-水界面营养盐通流量的装置”，实验容器由可分离的上下两部分组成，上部设有好氧/厌氧控制装置及上覆水采集器，下部设有间隙水采集孔，可实现在氧气充足及缺乏条件下实现沉积物-水界面营养盐通量的比较研究；中国发明专利公布号CN104360014A公开了“一种模拟水位变化对沉积物氮磷和重金属释放风险影响的装置”，在装置内设置多个台阶，台阶高度呈梯度设置且设置沉积物盛放槽，可有效模拟沉积物的高程梯度和水位变化；中国发明专利公布号CN104075872A公开了“一种模拟往复流作用下沉积物再悬浮的循环直水槽装置”，可模拟底泥在潮感河段潮汐往复水流作用下的起动和再悬浮过程，并能在一定水力条件下进行不同深度水体样品的采集。

沉积物中的营养盐可通过解吸、微生物分解、氧化还原、分子扩散、再悬浮等过程释放到上覆水体，同时上覆水中的营养盐可通过吸附、沉淀/沉降、分子扩散等过程迁移至沉积物。当上覆水体缺氧时，Fe³⁺被还原为Fe²⁺，与Fe³⁺结合的磷被释放到上覆水中，同时钙结合态磷的溶解和有机质的分解也会释放磷到上覆水中，从而增加水体中的磷含量。与磷相比氮的迁移转化更为复杂，含氮有机质的分解、硝化\反硝化、氨氧化等过程均对氮在沉积物-上覆水之间的分布和存在形式产生重要的影响。沉积物-上覆水界面处的硝化和反硝化是垂向分层进行的，且仅在表层几厘米的沉积物薄层内发生。有氧条件下，沉积物中的有机氮经过矿化作用，生成NH₄ ⁺、NO₃ ^-等无机离子并扩散进入上覆水体，提高水体中的氮含量；上覆水中的NO₃ ^-进入沉积物的厌氧层，被反硝化细菌还原成N₂O和N₂，并最终溢散到空气中。研究不同环境条件下，营养盐在上覆水体、沉积物和沉积物间隙水之间的迁移转化，解析沉积物-上覆水之间的物质交换机制，有助于为水生态系统修复提供理论支持，并能够在此基础上为解决水环境问题，实现环境、经济和社会的可持续发展提供技术指导。

发明内容

本发明的目的是，针对现有技术中存在的问题，提供一种原位水生态营养盐沉积物-上覆水界面迁移转化模拟系统，能够准确定量水生态系统沉积物-上覆水界面处营养盐的迁移转化规律，模拟水生态实验系统铺设沉积物和设置沉积物取样口和沉积物间隙水取样口，上部加注上覆水体并设置上覆水取样口；循环水系统通过水泵推动上覆水流动，通过进水口进入进水室并经稳流板上开设的稳流孔进入模拟河道；曝气系统通过气管和多孔鼓风曝气管，向上覆水提供溶解氧；监测系统对模拟培养过程进行实时水质监测。

实现本发明目的采用的技术方案是：一种原位水生态营养盐沉积物-上覆水界面迁移转化模拟系统，它包括：循环水系统、模拟水生态实验系统、曝气系统、监测系统和取样系统，所述的循环水系统包括：水泵11、水管12、流量计13、阀门18和玻璃水箱19，在所述的玻璃水箱19的两侧端头板下部，分别设置进水口14和出水口17，所述的水泵11通过水管12分别连接进水口14和出水口17，构成密闭回路，在所述的水泵11与进水口14间的水管上设置流量计13，在所述的水泵11与出水口17间的水管上设置阀门18；所述的模拟水生态实验系统包括：稳流孔21、第一稳流板22、第二稳流板23、上覆水体7和沉积物8，所述的第一稳流板22和第二稳流板23将玻璃水箱19依次分隔成进水室15、水生态实验室24和出水室16，在所述的水生态实验室24底部设置沉积物8，在沉积物8的上部设置上覆水体7，沉积物8与上覆水体7间形成沉积物-上覆水界面，在所述的第一稳流板21和第二稳流板23上分别设置稳流孔22；所述的取样系统包括：水样采样口31、沉积物采样口32和沉积物间隙水取样口33，在所述的沉积物-上覆水界面以上的上覆水体7中设置水样采样口31，在所述的沉积物-上覆水界面以下的沉积物8中设置沉积物采样口32和沉积物间隙水取样口33；所述监测系统包括：流速仪探头41、流速仪主机42、ORP探头43、DO探头44、pH探头45、计算机主机46和显示器47，在所述的沉积物-上覆水界面以上的上覆水体7中设置流速仪探头41、ORP探头43、DO探头44和pH探头45，所述的ORP探头43、DO探头44、pH探头45与计算机主机46电连接，所述的计算机主机46与显示器47电连接，所述的流速仪探头41与流速仪主机42电连接；所述曝气系统包括：多孔鼓风曝气管51、气管52、气体流量计53和气源54，所述的多孔鼓风曝气管51与气源54通过气管52连接，在所述的多孔鼓风曝气管51与气源54间气管52上设置气体流量计53，在所述的沉积物-上覆水界面以上的上覆水体7中设置多孔鼓风曝气管51，通过调节气体流量计53控制模拟水生态系统中上覆水的曝气量。

它还包括补水系统，所述的补水系统包括补水口61、补水阀门62、补水流量计63、补水泵64和储水箱65，所述的补水口61设置在进水口14上部，在所述的储水箱65与补水口61连接的水管上设置补水泵64，在所述的补水泵64与补水口61间的水管上设置补水流量计63，在所述的补水流量计63与补水口61间的水管上设置补水阀门62，通过调节补水阀门62开启度控制补水量。

所述的玻璃水箱19为有机玻璃水箱。

所述的稳流孔22呈矩阵排列，孔径由下向上逐渐增大，使上覆水体处于不同的流态分布中。

所述的模拟水生态实验系统还包括固定横架25，所述的固定横架25的两端头与玻璃水箱19固连，所述的固定横架25分别固连流速仪探头41、ORP探头43、DO探头44、pH探头45和多孔鼓风曝气管51，所述的固定横架25垂直高度可调，调节固定在其上的监测装置和多孔鼓风曝气管51的位置。

所述的水样采样口31设一个或多个，沉积物间隙水取样口33设一个或多个，同时需要外接专门间隙水取样器。

所述的气源54为空压机、氧气罐或氮气罐。

所述的储水箱65内为自来水、再生水或污水厂处理后出水。

所述的储水箱65内为自来水、再生水或污水厂处理后出水构成混合水。

本发明的原位水生态营养盐沉积物-上覆水界面迁移转化模拟系统的有益效果体现在：

1.能够用于不同环境条件下水生态系统中营养盐在多相间迁移转化的研究，准确定量水生态系统沉积物-上覆水界面处营养盐的迁移转化规律，为水生态系统生态修复的研究提供理论依据和技术参考；其结构简单，操作方便、功能强、性能优、适应性强；

2.取样系统通过取样口位点布置，实现上覆水、沉积物间隙水和沉积物样品的同步采集；

3.可通过调节水泵流量和稳流孔布置，实现不同的上覆水流场分布；

4.可通过控制条件，实现上覆水不同氧化还原条件。

附图说明

图1是本发明的原位水生态营养盐沉积物-上覆水界面迁移转化模拟系统结构示意图；

图2是图1中取样点的布置示意图；

图3是图1中稳流板上稳流孔一种布置图；

图4是实施实例中上覆水氮含量变化；

图5是实施实例中沉积物氮赋存含量变化；

图中：7.上覆水体，8.沉积物，11.水泵，12.水管，13.流量计，14.进水口，15.进水室，16.出水室，17.出水口，18.阀门，19.玻璃水箱，21.稳流孔，22.第一稳流板，23.第二稳流板24.水生态实验室，25.固定横架31.水样采样口，32.沉积物采样口，33.沉积物间隙水取样口，41.流速仪探头，42.流速仪主机，43.ORP探头，44.DO探头，45.pH探头，46.计算机主机，47.显示器，51.多孔鼓风曝气管，52.气管，53.气体流量计，54.气源，61.补水口，62.补水阀门，63.补水流量计，64.补水泵，65.储水箱。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：

室内模拟实验所用沉积物和上覆水样为原位河道采集的沉积物和水样，样品采集后低温避光保存，尽快送回实验室，并装填模拟水生态系统装置内，完成整个实验室内模拟环境的构建。

如图1所示，原位水生态营养盐沉积物-上覆水界面迁移转化模拟系统，其特征是，它包括：循环水系统、模拟水生态实验系统、曝气系统、监测系统和取样系统，所述的循环水系统包括：水泵11、水管12、流量计13、阀门18和玻璃水箱19，在所述的玻璃水箱19的两侧端头板下部，分别设置进水口14和出水口17，所述的水泵11通过水管12分别连接进水口14和出水口17，构成密闭回路，在所述的水泵11与进水口14间的水管上设置流量计13，在所述的水泵11与出水口17间的水管上设置阀门18；所述的模拟水生态实验系统包括：稳流孔21、第一稳流板22、第二稳流板23、上覆水体7和沉积物8，所述的第一稳流板22和第二稳流板23将玻璃水箱19依次分隔成进水室15、水生态实验室24和出水室16，在所述的生态实验室24底部设置沉积物8，在沉积物8的上部设置上覆水体7，沉积物8与上覆水体7间形成沉积物-上覆水界面，在所述的第一稳流板21和第二稳流板23上分别设置稳流孔22；所述的取样系统包括：水样采样口31、沉积物采样口32和沉积物间隙水取样口33，在所述的沉积物-上覆水界面以上的上覆水体7中设置水样采样口31，在所述的沉积物-上覆水界面以下的沉积物8中设置沉积物采样口32和沉积物间隙水取样口33；所述监测系统包括：流速仪探头41、流速仪主机42、ORP探头43、DO探头44、pH探头45、计算机主机46和显示器47，在所述的沉积物-上覆水界面以上的上覆水体7中设置流速仪探头41、ORP探头43、DO探头44和pH探头45，所述ORP探头43、DO探头44、pH探头45与计算机主机46电连接，所述的计算机主机46与显示器47电连接，所述的流速仪探头41与流速仪主机42电连接；所述曝气系统包括：多孔鼓风曝气管51、气管52、气体流量计53和气源54，所述的多孔鼓风曝气管51与气源54通过气管52连接，在所述的多孔鼓风曝气管51与气源54间气管52上设置气体流量计53，在所述的沉积物-上覆水界面以上的上覆水体7中设置多孔鼓风曝气管51，通过调节气体流量计53控制模拟水生态系统中上覆水的曝气量。

曝气系统包括多孔鼓风曝气管51、气管52、气体流量计53和气源54，通过调节气体流量计53控制模拟水生态系统中上覆水的曝气量，气源54可根据实际需求，更换气源，如果实验为好氧条件，则要增加上覆水中的溶解氧含量，气源54则为空压机或氧气罐，如果实验为缺/厌氧条件，气源54则为氮气罐。

补水系统包括补水口61、补水阀门62、补水流量计63、补水泵64和储水箱65，通过调节补水阀门62开启度控制补水量，保证模拟水生态系统中上覆水水位维持恒定，储水箱65可为自来水、再生水、污水厂处理后出水等。

如图2所示，取样系统包括沉积物-上覆水界面以上一个或多个水样采样口31、界面以下的沉积物采样口32和一个或多个需要外接专门间隙水采样器的沉积物间隙水取样口33。

模拟水生态实验系统包括稳流孔21、第一稳流板22、第二稳流板23、固定横架25，加注的上覆水体7和底部铺设的沉积物8，该部分为有机玻璃组成的透明长方体，长1.2米，宽0.45米，高0.7米，其中进水口和出水口距离稳流板为0.1m，第一稳流板22和第二稳流板23的作用不仅可以使上覆水体中的水流速度分布均匀，防止出现射流现象，同时也可以阻挡沉积物随出水流失，并可通过控制稳流孔21的孔径大小和布孔位置，使上覆水体处于不同的流态分布，稳流孔布置如图3所示，固定横架25的垂直高度可调，不仅可以起到加固实验装置的目的，还可以调节固定在其上的监测装置和曝气管的位置。

具体实验步骤如下：

1、将取自原位的河道沉积物去除树叶等杂物装填入实验装置内部，沉积物装填高度为10cm，采用虹吸法沿装置内壁缓缓注入上覆水，上覆水高度为50cm；装填时关闭阀门18和补水阀门62；

2、在上覆水7水深5cm、25cm和45cm处开设水样采样口31，在沉积物-上覆水界面以下5cm处开设一个沉积物采样口32，在沉积物-上覆水界面以下0.5cm、1cm、1.5cm、2cm和2.5cm处开设沉积物间隙水取样口33，取样口外接Rhizon间隙水采样器，采样口布置位置如图2所示；

3、开启水泵11，调节阀门18，维持上覆水的循环周期为24h,循环流量为0.2l/min；

4、气源54选择空压机，向上覆水曝气，维持上覆水处于好氧状态，水体中的溶解氧为6.0-7.0mg/l；

5、选择再生水为补水水源，储水箱65储存再生水，起动补水泵64，调节补水阀门62，维持模拟水生态系统中上覆水水位维持恒定，根据该地区的蒸发量计算，补水量为3ml/min。

6、实验维持运行20天，并在实验起动的第0、1、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20天取上覆水样品和沉积物间隙水样品，在实验开始和结束取沉积物样品，同时每天监测上覆水中流速、DO、ORP和pH。结果表明，如图4所示，上覆水中的氨氮含量大幅下降，总磷和活性磷也有一定程度下降，存在沉积物向上覆水释放风险，而磷则有向沉积物迁移趋势，且以磷灰石磷形式存储在沉积物中，如图5所示，污染物在界面之间的迁移主要以湍流扩散为主。

以上所述仅是本发明的优选方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.原位水生态营养盐沉积物-上覆水界面迁移转化模拟系统，其特征是，它包括：循环水系统、模拟水生态实验系统、曝气系统、监测系统和取样系统，所述的循环水系统包括：水泵(11)、水管(12)、流量计(13)、阀门(18)和玻璃水箱(19)，在所述的玻璃水箱(19)的两侧端头板下部，分别设置进水口(14)和出水口(17)，所述的水泵(11)通过水管(12)分别连接进水口(14)和出水口(17)，构成密闭回路，在所述的水泵(11)与进水口(14)间的水管上设置流量计(13)，在所述的水泵(11)与出水口(17)间的水管上设置阀门(18)；所述的模拟水生态实验系统包括：稳流孔(21)、第一稳流板(22)、第二稳流板(23)、上覆水体(7)和沉积物(8)，所述的第一稳流板(22)和第二稳流板(23)将玻璃水箱(19)依次分隔成进水室(15)、水生态实验室(24)和出水室(16)，在所述的水生态实验室(24)底部设置沉积物(8)，在沉积物(8)的上部设置上覆水体(7)，沉积物(8)与上覆水体(7)间形成沉积物-上覆水界面，在所述的第一稳流板(22)和第二稳流板(23)上分别设置稳流孔(21)；所述的取样系统包括：水样采样口(31)、沉积物采样口(32)和沉积物间隙水取样口(33)，在所述的沉积物-上覆水界面以上的上覆水体(7)中设置水样采样口(31)，在所述的沉积物-上覆水界面以下的沉积物(8)中设置沉积物采样口(32)和沉积物间隙水取样口(33)；所述监测系统包括：流速仪探头(41)、流速仪主机(42)、ORP探头(43)、DO探头(44)、pH探头(45)、计算机主机(46)和显示器(47)，在所述的沉积物-上覆水界面以上的上覆水体(7)中设置流速仪探头(41)、ORP探头(43)、DO探头(44)和pH探头(45)，所述的ORP探头(43)、DO探头(44)、pH探头(45)与计算机主机(46)电连接，所述的计算机主机(46)与显示器(47)电连接，所述的流速仪探头(41)与流速仪主机(42)电连接；所述曝气系统包括：多孔鼓风曝气管(51)、气管(52)、气体流量计(53)和气源(54)，所述的多孔鼓风曝气管(51)与气源(54)通过气管(52)连接，在所述的多孔鼓风曝气管(51)与气源(54)间气管(52)上设置气体流量计(53)，在所述的沉积物-上覆水界面以上的上覆水体(7)中设置多孔鼓风曝气管(51)，通过调节气体流量计(53)控制模拟水生态系统中上覆水的曝气量。

2.根据权利要求1所述的原位水生态营养盐沉积物-上覆水界面迁移转化模拟系统，其特征是，它还包括补水系统，所述的补水系统包括补水口(61)、补水阀门(62)、补水流量计(63)、补水泵(64)和储水箱(65)，所述的补水口(61)设置在进水口(14)上部，在所述的储水箱(65)与补水口(61)连接的水管上设置补水泵(64)，在所述的补水泵(64)与补水口(61)间的水管上设置补水流量计(63)，在所述的补水流量计(63)与补水口(61)间的水管上设置补水阀门(62)，通过调节补水阀门(62)开启度控制补水量。

3.根据权利要求1所述的原位水生态营养盐沉积物-上覆水界面迁移转化模拟系统，其特征是，所述的玻璃水箱(19)为有机玻璃水箱。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的原位水生态营养盐沉积物-上覆水界面迁移转化模拟系统，其特征是，所述的稳流孔(21)呈矩阵排列，孔径由下向上逐渐增大，使上覆水体处于不同的流态分布中。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的原位水生态营养盐沉积物-上覆水界面迁移转化模拟系统，其特征是，所述的模拟水生态实验系统还包括固定横架(25)，所述的固定横架(25)的两端头与玻璃水箱(19)固连，所述的固定横架(25)分别固连流速仪探头(41)、ORP探头(43)、DO探头(44)、pH探头(45)和多孔鼓风曝气管(51)，所述的固定横架(25)垂直高度可调，调节固定在其上的监测装置和多孔鼓风曝气管(51)的位置。

6.根据权利要求1所述的原位水生态营养盐沉积物-上覆水界面迁移转化模拟系统，其特征是，所述的水样采样口(31)设一个或多个，沉积物间隙水取样口(33)设一个或多个，同时需要外接专门间隙水取样器。

7.根据权利要求1所述的原位水生态营养盐沉积物-上覆水界面迁移转化模拟系统，其特征是，所述的气源(54)为空压机、氧气罐或氮气罐。

8.根据权利要求2所述的原位水生态营养盐沉积物-上覆水界面迁移转化模拟系统，其特征是，所述的储水箱(65)内为自来水、再生水或污水厂处理后出水。

9.根据权利要求2所述的原位水生态营养盐沉积物-上覆水界面迁移转化模拟系统，其特征是，所述的储水箱(65)内为自来水、再生水或污水厂处理后出水构成混合水。

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