模拟河流底泥污染物释放的装置、系统及方法与流程

1.本发明涉及模拟河流底泥污染物释放的领域，具体而言，涉及模拟河流底泥污染物释放的装置、系统及方法。


背景技术：

2.随着经济高速发展和城市化进程，河流接纳着越来越多的富含氮、磷、cod等污染物的工业废水和生活废水。进入水体中的污染物经过运输、吸附、沉淀等作用后，逐渐沉积、富集到河流底泥中，其浓度常常远高于上覆水体。随着环境因素的变化，底泥中的污染物又重新释放到其上覆水体中，造成河流水体的再次污染。
3.河流底泥中污染物的释放是一个相当复杂的动态过程。大量的研究表面，一些环境因素，如溶解氧、水温、ph值、生物活性、营养盐水平、水体搅动等都会对沉积物中氮、磷和有机质等物质的释放造成影响。因此，设计出一种实验装置，来模拟不同环境条件下河流底泥污染物富集和释放的真实情况，弄清其规律，对于进一步管理和治理成都市河流中的底泥污染物是非常重要的。
4.现有模拟河道的试验装置存在以下缺点：(1)采用长达十几米的直线形的倾斜水槽，利用重力作用模拟河流流动，其占地面积大，设备运输、组装非常麻烦；(2)通过电动搅拌机搅拌静态的水体来模拟河流扰动，不能真实的反应河水流动的情况；(3)缺乏空白对比实验组，或变量控制不合理。


技术实现要素：

5.第一方面，本发明的目的在于提供模拟河流底泥污染物释放的装置，以解决现有试验装置存在的占地大、使用不变、真实性差的技术问题。
6.为了实现上述第一方面的目的，本发明首先提供了第一种模拟河流底泥污染物释放的装置，技术方案如下：
7.模拟河流底泥污染物释放的装置，包括模拟单元；所述模拟单元包括模拟组件，模拟组件包括：闭环通道，所述闭环通道包括嵌套的内筒体、外筒体以及连接所述内筒体和外筒体的下端的底板；动力结构，所述动力结构用于驱动水样在所述闭环通道内按照设计流速循环流动。
8.为了实现上述第一方面的目的，本发明其次提供了第二种模拟河流底泥污染物释放的装置，技术方案如下：
9.模拟河流底泥污染物释放的装置，包括模拟单元和温控单元；其中，所述模拟单元包括两个模拟组件，每个模拟组件包括：闭环通道，所述闭环通道包括嵌套的内筒体、外筒体以及连接所述内筒体和外筒体的下端的底板；动力结构，所述动力结构用于驱动水样在所述闭环通道内按照设计流速循环流动；所述温控单元用于控制闭环通道内水样的温度在设计范围。优选地，所述模拟单元为至少两个，水样在每个模拟单元中的流速或温度不相同；并且/或者，在每个模拟单元中，仅在其中一个模拟组件的闭环通道内放置河流底泥。
10.首先，上述两种装置的模拟组件通过动力结构让水样较为稳定的保持类似河流中的水流速度，能够较好地模拟了水体和底泥在真实河流中的情况，从而得到更接近于事实的实验结论。其次，上述两种装置采用闭环通道形成的环形循环水流的设计，结构紧凑，占地面积小，显著节约空间，运输、组装、操作明显更加方便。
11.在上述有益效果的基础上，第二种装置还能对比空白(无底泥)和试验组(有底泥)的检测结果以及较好的控制单一变量(如水温和水样流速)，有助于更加科学地分析环境因素对河流底泥污染物释放情况的影响，因此设计更加合理，实验更加科学。当然，也可在第一种装置中增设温控单元，以较好地控制水样流速为单一变量或在不同温度下进行试验。进一步地，当第二种装置中含有多个模拟单元时，能够显著提升试验效率及准确性。
12.作为上述两种模拟河流底泥污染物释放的装置的进一步改进，所述闭环通道的横截面为椭圆形；或者，所述闭环通道具有：直线形通道，所述直线形通道为两个且平行设置；弧线形通道，所述弧线形通道为两个且跨接于所述两个直线形通道的两端。
13.作为上述两种模拟河流底泥污染物释放的装置的进一步改进，所述内筒体的长径为50～70cm，短径为15～25cm；或者，所述两个直线形通道的间距为15～25cm，所述两个弧线形通道的间距为50～70cm，所述弧线形通道呈圆弧形。
14.作为上述两种模拟河流底泥污染物释放的装置的进一步改进，所述闭环通道的垂直于水样流动方向的截面的高度为30～50cm，宽度为8～12cm。
15.作为上述两种模拟河流底泥污染物释放的装置的进一步改进，所述闭环通道的高度方向设有刻度；并且/或者，所述闭环通道由有机玻璃筒板体拼接而成。
16.作为上述两种模拟河流底泥污染物释放的装置的进一步改进，所述温控单元包括：容器，所述模拟组件放置于容器内，所述容器内容纳有加热介质；加热结构，所述加热结构用于控制容器内的加热介质的温度在设计范围。
17.作为上述两种模拟河流底泥污染物释放的装置的进一步改进，还包括支撑结构，所述支撑结构支撑于底板和容器底部之间并形成加热介质流向所述内筒体内侧的通道。
18.作为上述两种模拟河流底泥污染物释放的装置的进一步改进，所述动力结构包括第一水泵，所述第一水泵优选为两个且对称设于闭环通道内，所述第一水泵的流量优选为2300～3500l/h，功率优选为10～30w,扬程优选为1.7～3.5m。
19.第二方面，本发明的目的在于提供模拟河流底泥污染物释放的系统，以解决现有试验系统存在的占地大、使用不变、真实性差的技术问题。
20.为了实现上述第二方面的目的，本发明其次提供了模拟河流底泥污染物释放的系统，技术方案如下：
21.模拟河流底泥污染物释放的系统，包括上述第一方面所述的任意一种模拟河流底泥污染物释放的装置。将该模拟河流底泥污染物释放的装置与适配的配套设备如冷冻冰箱、取样器、水质检测设备等集成为系统，能够最大化提升试验效率。
22.第三方面，本发明的目的在于提供模拟河流底泥污染物释放的方法，以解决现有试验方法存在的难以实施、准确性差的技术问题。
23.为了实现上述第三方面的目的，本发明其次提供了模拟河流底泥污染物释放的方法，技术方案如下：
24.模拟河流底泥污染物释放的方法，采用上述第一方面所述的任意一种模拟河流底
泥污染物释放的装置或上述第二方面所述的模拟河流底泥污染物释放的系统。当采用上述的装置或系统时，能够显著提升模拟方法的效率和准确性，所得数据对于进一步管理和治理河流中的底泥污染物更具指导价值。
25.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
26.构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：
27.图1为本发明的模拟河流底泥污染物释放的装置的第一实施例中闭环通道的立体图。
28.图2为本发明的模拟河流底泥污染物释放的装置的第一实施例的俯视图。
29.图3为本发明的模拟河流底泥污染物释放的装置的第二实施例的俯视图。
30.图4为本发明的模拟河流底泥污染物释放的装置的第三实施例的俯视图。
31.图5为本发明的模拟河流底泥污染物释放的装置的第四实施例的第一实施方式的俯视图。
32.图6为本发明的模拟河流底泥污染物释放的装置的第四实施例的第二实施方式的俯视图。
33.图7为本发明的模拟河流底泥污染物释放的装置的第五实施例的第一实施方式的俯视图。
34.图8为本发明的模拟河流底泥污染物释放的装置的第五实施例的第二实施方式的俯视图。
35.图9为实例1-4的样品装填后闭环通道的剖视图。
36.图10为实例1-4的水样中化学需氧量的监测结果。
37.图11为实例1-4的水样中总氮的监测结果。
38.图12为实例1-4的水样中氨氮的监测结果。
39.图13为实例1-4的水样中总磷的监测结果。
40.上述附图中的有关标记为：
41.100-闭环通道，110-内筒体，120-外筒体，101-直线形通道，102-弧线形通道，200-动力结构，210-第一水泵，220-固定器，310-容器，320-支撑结构，330-加热结构，331-冷暖机，332-第二水泵，333-管道，400-模拟组件，500-模拟单元。
具体实施方式
42.下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：
43.本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。
44.此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而
不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
45.关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
46.图1为本发明的模拟河流底泥污染物释放的装置的第一实施例中闭环通道100的立体图。图2为本发明的模拟河流底泥污染物释放的装置的第一实施例的俯视图。
47.如图1-2所示，模拟河流底泥污染物释放的装置包括模拟单元500，所述模拟单元500包括模拟组件400，模拟组件400包括闭环通道100和动力结构200。
48.所述闭环通道100包括嵌套的内筒体110、外筒体120以及连接所述内筒体110和外筒体120的下端的底板，所述闭环通道100的横截面为椭圆形，内筒体110的长径a1为50～70cm，短径a2为15～25cm，所述闭环通道100的垂直于水样流动方向的截面的高度d1为30～50cm，宽度d2为8～12cm，所述闭环通道100的高度方向设有刻度，所述闭环通道100由有机玻璃筒板体拼接而成。
49.所述动力结构200用于驱动水样在所述闭环通道100内按照设计流速循环流动，所述动力结构200包括第一水泵210，所述第一水泵210为两个且对称设于闭环通道100内，所述第一水泵210的流量为2300～3500l/h，功率为10～30w，扬程为1.7～3.5m；为了便于第一水泵210的拆装，动力结构200还包括固定器220，所述固定器220具有第一水泵210的安装部以及与闭环通道100的壁厚匹配的钩部。
50.图3为本发明的模拟河流底泥污染物释放的装置的第二实施例的俯视图。
51.与第一实施例相比，本实施例的模拟河流底泥污染物释放的装置具有的区别是：如图3所示，所述闭环通道100具有直线形通道101和弧线形通道102，所述直线形通道101为两个且平行设置，所述弧线形通道102为两个且跨接于所述两个直线形通道101的两端，所述两个直线形通道101的间距l1为15～25cm，所述两个弧线形通道102的间距l2为50～70cm，所述弧线形通道102呈圆弧形。
52.图4为本发明的模拟河流底泥污染物释放的装置的第三实施例的俯视图。
53.再第一实施例或第二实施例的基础上，本实施例的模拟河流底泥污染物释放的装置进一步具有：如图4所示，装置还包括控制闭环通道100内水样的温度在设计范围的温控单元。
54.所述温控单元包括容器310、加热结构330和支撑结构320；所述模拟组件400放置于容器310内，所述容器310内容纳有加热介质；所述加热结构330用于控制容器310内的加热介质的温度在设计范围，所述加热结构330包括冷暖机331以及输送加热介质的第二水泵332和管道333；所述支撑结构320支撑于底板和容器310底部之间并形成加热介质流向所述内筒体110内侧的通道，所述支撑结构320采用不锈钢支架，高度为10cm；为了确保传热效果，容器310内加热介质的液面高于或等于闭环通道100内水样的液面。
55.通过水浴控温，具有占地小和能耗低的优点。当然，也可以采用其它换热方式来控制闭环通道100内水样的温度在设计范围。
56.图5为本发明的模拟河流底泥污染物释放的装置的第四实施例的第一实施方式的俯视图。图6为本发明的模拟河流底泥污染物释放的装置的第四实施例的第二实施方式的俯视图。
57.与第三实施例相比，本实施例的模拟河流底泥污染物释放的装置具有的区别是：如图5-6所示，所述模拟单元500包括两个模拟组件400；所述两个模拟组件400可以进行互为试验和空白的对照底泥释放模拟试验(相同温度和水样流速)，也可以进行不同水样流速、相同温度(水样流速为单一变量)的底泥释放模拟试验。
58.当进行相同温度的试验时，所述温控单元具有两个分别与所述两个模拟组件400适配的容器310，两个容器310通过管道333串联(如图5所示)，或者，所述温控单元仅包括一个容器310，两个模拟组件400整体放置于容器310内(如图6所示)。优选采用图6所示的实施方式，此时不仅可以省去管道333串联的步骤，还可以防止两个容器310出现水位差和温度不均的问题。
59.当然，也可以采用多个第三实施例所示的模拟河流底泥污染物释放的装置同时进行相同水样流速、不同温度(温度为单一变量)的底泥释放模拟试验。
60.图7为本发明的模拟河流底泥污染物释放的装置的第五实施例的第一实施方式的俯视图。图8为本发明的模拟河流底泥污染物释放的装置的第五实施例的第二实施方式的俯视图。
61.与第四实施例相比，本实施例的模拟河流底泥污染物释放的装置具有的区别是：如图7-8所示，所述模拟单元500为两个，水样在每个模拟单元500中的温度不相同；在每个模拟单元500中，水样在两个模拟组件400中的水样流速相同，但是仅在其中一个模拟组件400的闭环通道100内放置河流底泥；由此，每个模拟单元500中的两个模拟组件400进行互为试验和空白的对照底泥释放模拟试验，而两个模拟单元500之间进行水样流速为单一变量的试验。
62.本发明的模拟河流底泥污染物释放的系统的实施例为包括上述六个实施例中任意一个所述的模拟河流底泥污染物释放的装置。进一步的是，本发明的系统还包括冷冻冰箱、取样器、水质检测设备；其中，所述冷冻冰箱用于对样品进行储存，储存温度优选为-23℃；所述取样器用于从闭环通道100中提取水样；所述水质检测设备用于检测所取水样中的指标浓度，所述指标可以但是不限于为氨氮、总氮、总磷、溶解性磷、cod(化学需氧量)、电导率、ph、溶解氧、水温、泥沙率中的任意几种。
63.本发明的模拟河流底泥污染物释放的方法的实施例为采用上述六个实施例中任意一个所述的模拟河流底泥污染物释放的装置或系统。
64.以下通过实例来说明本发明的模拟河流底泥污染物释放的装置、系统和方法的有益效果。
65.以下实例中，所采用的闭环通道100具有两个直线形通道101和两个弧线形通道102，两个直线形通道101的间距l1为20cm(即2r)，两个弧线形通道102的间距l2为60cm(即l3 2r)，所述两个直线形通道101的长度l3为40cm，所述弧线形通道102呈半圆形，半径r均为10cm，所述闭环通道100的垂直于水样流动方向的截面的高度d1为40cm，宽度d2为10cm；
66.采样时间为2021年10月26日，采用于成都市府河某处的河流水及其下方的距表层约10cm的底泥，河流水和底泥分别在-23℃的冷冻冰箱中储存，使用当天化冻；
67.图9为实例1-4的样品装填后闭环通道100的剖视图。如图9所示，装填样品时，首先将底泥均匀地铺设于闭环通道100内，厚度h1为3cm，然后将水样以尽可能不扰动底泥的速度注入底泥之上，底泥和水样的总深度h2为30cm；然后再安装两个第一水泵210；
68.实验过程中，每日同一时刻采用取样器从闭环通道100中取走500ml水样并测试其各项指标浓度，并且在取样后将化冻的500ml河流水补充进闭环通道100中，连续取样11天；采样当天和试验结束当天，分别取泥样进行监测；
69.为了模拟真实的河流状态，所设置的温度为采用当天河流的真实水温。
70.采用图8所示的模拟河流底泥污染物释放的装置进行相同温度、两个流速的对照底泥释放模拟试验，其中，实例1-4的部分试验参数如表1所示。
71.表1
72.实例编号有无底泥水流速度(m/s)实例1有0.25实例2有0.50实例3无0.25实例4无0.50
73.图10为实例1-4的水样中化学需氧量的监测结果。图11为实例1-4的水样中总氮的监测结果。图12为实例1-4的水样中氨氮的监测结果。图13为实例1-4的水样中总磷的监测结果。
74.从图10-13可以看出，无河流底泥的实例3和实例4的水样中各项指标含量随时间的变化不大，而不同流速下有河流底泥的水样中各污染物含量随时间的变化规律具有明显区别；例如，实例2(水样流速较快)中的化学需氧量和总磷的含量始终高于实例1(水样流速较慢快)中的化学需氧量和总磷的含量；又如，两种水样流速下，化学需氧量和总磷的含量随时间均呈现近似直线型变化，与之不同的是，总氮和氨氮的含量随时间均呈现不规则的曲线形变化；又如，两种水样流速下，化学需氧量、总氮和总磷的含量随时间整体上升，而氨氮的含量随时间整体下降。
75.综上可知，通过实例1-4验证，本发明的模拟河流底泥污染物释放的装置、系统和方法可成功模拟河流与底泥的相互作用关系，有助于分析研究底泥污染物的释放情况，且较为真实的反应改变单一变量后底泥污染物释放的变化规律，有助于对底泥污染物释放展开持久深入研究。
76.以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。