專利名稱：水體實(shí)驗(yàn)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種環(huán)境保護(hù)和治理領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)裝置及方法，特別是涉及一種研究水-底泥-水生生物系統(tǒng)生物化學(xué)過程的水體實(shí)驗(yàn)裝置及方法。
背景技術(shù)：
底泥是湖泊水體的三大組成要素之一，是湖泊營養(yǎng)物質(zhì)的地球化學(xué)循環(huán)的重要環(huán)節(jié)與界面。水-底泥界面營養(yǎng)物質(zhì)的地球化學(xué)行為對湖泊，尤其是淺水湖泊的水環(huán)境質(zhì)量與生態(tài)系統(tǒng)有著極為重要的影響。研究表明，重金屬、有機(jī)物、氮磷污染物等在在外界條件(如溶解氧、PH值、氧化還原電位、溫度、生物及水體的擾動等)適宜時(shí)，底泥中的污染物質(zhì)(如氮、磷、重金屬、有機(jī)物等)可能會重新釋放到水體中造成二次污染，對水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成長期威脅。長期以來，國內(nèi)外學(xué)者對湖泊水-底泥界面開展了諸多的研究，歸納起來，主要集中在界面結(jié)構(gòu)與特征、營養(yǎng)元素的賦存形態(tài)、吸附-解吸及其動力學(xué)與環(huán)境因子影響等方面。而這些研究是基于水-底泥界面二相結(jié)構(gòu)這一基礎(chǔ)開展的，對生物(尤其是藻類和沉水植物)在這兩相間的存在與作用考慮較少，得出的結(jié)論可能存在偏差。同時(shí)沉水植物生長過程與水華暴發(fā)過程也伴隨水-底泥界面微生物菌落結(jié)構(gòu)與數(shù)量，界面溶解氧(DO)、pH值、可溶性有機(jī)質(zhì)(DOC)的劇烈變化，這些條件的變化將直接導(dǎo)致水環(huán)境中營養(yǎng)鹽、重金屬和有機(jī)污染物形態(tài)、生物可利用性、毒性和生物地球化學(xué)循環(huán)及歸宿發(fā)生改變。目前已有的底泥室內(nèi)模擬裝置多是以水-底泥界面二相結(jié)構(gòu)研究為主，這些裝置對研究底泥的釋放作用及其影響因素起到了很好的借鑒作用。但是這些裝置都不能模擬水華發(fā)生過程、沉水植物生長過程與底泥污染物釋放的動態(tài)耦合關(guān)系；不能批量研究生態(tài)工程(環(huán)保疏浚工程、沉水植物恢復(fù)工程)對水體富營養(yǎng)化的影響。因此尚缺少功能豐富、實(shí)時(shí)、快速、用于研究生物(沉水植物、藻類)與底泥釋放相互作用的裝置。有鑒于上述現(xiàn)有的水體實(shí)驗(yàn)裝置存在的缺陷，本發(fā)明人基于從事此類研究多年豐富的實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)及專業(yè)知識，積極加以研究創(chuàng)新，以期創(chuàng)設(shè)一種新型結(jié)構(gòu)的水體實(shí)驗(yàn)裝置，能夠改進(jìn)一般現(xiàn)有的水體實(shí)驗(yàn)裝置及方法，使其更具有實(shí)用性。經(jīng)過不斷的研究、設(shè)計(jì)，并經(jīng)反復(fù)試作樣品及改進(jìn)后，終于創(chuàng)設(shè)出確具實(shí)用價(jià)值的本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于，提供一種新的水體實(shí)驗(yàn)裝置及方法，所要解決的技術(shù)問題是使其能夠模擬水體底泥釋放與浮游藻類、沉水植物耦合關(guān)系，從而更加適于實(shí)用。本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題是采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。依據(jù)本發(fā)明提出的一種水體實(shí)驗(yàn)裝置，其包括底泥釋放單元、培養(yǎng)單元、控制單元、水體控制系統(tǒng)和水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)；所述的底泥釋放單元、培養(yǎng)單元和控制單元依次相鄰，兩兩相鄰的單元之間用擋板連接，從而形成三個(gè)單元相互連通的試驗(yàn)箱體；所述的水體控制系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置中水體的理化指標(biāo)；所述的水質(zhì)檢測系統(tǒng)，用于檢測實(shí)驗(yàn)裝置中水體、底泥、浮游生物和/或水生植物的理化指標(biāo)數(shù)值。本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還可采用以下技術(shù)措施進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步的，前述的水體實(shí)驗(yàn)裝置，其中所述的水體控制系統(tǒng)包括pH值控制系統(tǒng)、溶解氧控制系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)中的一種或多種；所述的PH值控制系統(tǒng)由PH電極、pH控制儀、酸貯槽、堿貯槽、酸計(jì)量泵、堿計(jì)量泵及加酸堿口組成，pH電極和加酸堿口設(shè)置在控制單元內(nèi)；所述的溶解氧控制系統(tǒng)由溶解氧電極、溶解氧控制儀、氧氣瓶、氮?dú)馄?、流量控制器以及暴氣管組成，溶解氧電極用于對水體的溶解氧值進(jìn)行檢測，并將測定值反饋給溶解氧控制儀，暴氣管用于提供氧氣或者氮?dú)?；水循環(huán)系統(tǒng)由泵和水管組成，用于循環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)水體的流動；照明系統(tǒng)有多個(gè)光源組成，用于向?qū)嶒?yàn)裝置提供多種光照強(qiáng)度的照明；水溫控制系統(tǒng)由溫控儀、加熱器和溫度探頭組成，用來控制調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置中的溫度。進(jìn)一步的，前述的水體實(shí)驗(yàn)裝置，其中所述的擋板由排水板和浮游植物網(wǎng)組合而成；培養(yǎng)單元與底泥釋放單元之間的擋板的下部為浮游生物網(wǎng)，上部為排水板；培養(yǎng)單元與控制單元之間的擋板的上部為浮游生物網(wǎng)，下部為排水板，所述的排水板為有機(jī)玻璃板或者PVC板或者玻璃板。進(jìn)一步的，前述的水體實(shí)驗(yàn)裝置，其中所述的底泥釋放單元設(shè)置多個(gè)帶有卡口的底座和樣品采集管，通過所述的卡口可以將樣品采集管相連而穩(wěn)定地固定在底座上。進(jìn)一步的，前述的水體實(shí)驗(yàn)裝置，其中所述的樣品采集管為柱狀，從底部每隔一定距離設(shè)有兩個(gè)相對稱的電極孔，其孔徑大小應(yīng)用監(jiān)測系統(tǒng)的電極相匹配。進(jìn)一步的，前述的水體實(shí)驗(yàn)裝置，其中所述的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)由電極探頭、水質(zhì)分析儀和數(shù)據(jù)處理器構(gòu)成，電極探頭為一個(gè)或多個(gè)，設(shè)置于底泥釋放單元和/或培養(yǎng)單元內(nèi)。進(jìn)一步的，前述的水體實(shí)驗(yàn)裝置，其還包括設(shè)置于控制單元內(nèi)的攪拌器，以及一個(gè)可以從底泥釋放單元或培養(yǎng)單元采集水樣的可移動的虹吸采樣管。本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還可采用以下技術(shù)措施進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明還提出一種水體研究實(shí)驗(yàn)方法，采用上述水體實(shí)驗(yàn)裝置，該方法包括以下步驟用樣品采集管從被研究的湖泊或河流中采集底泥，并在底泥上保留上覆水；將采集底泥后的樣品采集管安裝在底泥釋放單元中；將被研究的湖泊或者河流的上覆水或者根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要配置好的溶液注入實(shí)驗(yàn)裝置中；使整個(gè)裝置中液面的高度超過柱狀樣品采集管的高度；調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置中的水溫處在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)水體的PH值和/或溶解氧的含量，調(diào)節(jié)光照時(shí)間和強(qiáng)度；在培養(yǎng)單元中接種實(shí)驗(yàn)所需的藻種或者種植沉水植物；通過水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，測定藻類或沉水植物生長過程中的水體和間隙水體的理化指標(biāo)；同時(shí)可以取柱狀樣品采集管的底泥，研究藻類生長或者沉水植物生長過程對底泥中污染物的總量及其形態(tài)的變化規(guī)律。進(jìn)一步的，前述的水體研究實(shí)驗(yàn)方法，若僅進(jìn)行水體底泥釋放與浮游藻類、沉水植物生長耦合關(guān)系的研究，則無需調(diào)節(jié)水體的PH值和溶解氧的含量。實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的水體在實(shí)驗(yàn)過程中處于循環(huán)流動狀態(tài)。借由上述技術(shù)方案，本發(fā)明水體實(shí)驗(yàn)裝置及方法至少具有下列優(yōu)點(diǎn)·本發(fā)明裝置的特點(diǎn)在于通過將底泥樣品采集、底泥污染物的釋放與藻類、沉水植物生長有機(jī)結(jié)合，便于模擬不同水環(huán)境條件改變對底泥的釋放作用，同時(shí)可以減少人為擾動，保持上覆水和底泥的原始性狀。通過底泥釋放單元與藻類培養(yǎng)單元聯(lián)合，可以模擬水華暴發(fā)過程中水環(huán)境因子變化過程與符合污染污染物遷移轉(zhuǎn)化過程的動態(tài)耦合關(guān)系，闡釋富營養(yǎng)化條件下水環(huán)境中復(fù)合污染物遷移轉(zhuǎn)化的響應(yīng)機(jī)制。通過調(diào)整pH、溶解氧、溫度、光照等物理因子，可以模擬水體理化因子的變化對底泥污染釋放的影響。通過底泥釋放單元與沉水培養(yǎng)單元聯(lián)合，可以模擬沉水植物生長過程中水環(huán)境因子的變化過程與復(fù)合污染物遷移轉(zhuǎn)化的動態(tài)耦合關(guān)系，闡釋沉水植物對水體的凈化機(jī)制及生態(tài)因子的影響。可將沉水植物種植與垂直采樣管結(jié)合，研究不同種類沉水植物生態(tài)修復(fù)對水體-底泥中污染物的形態(tài)及釋放的影響，為生態(tài)修復(fù)沉水植物的選擇提供科學(xué)依據(jù)?？梢允褂弥鶢顦悠凡杉懿杉煌瑢哟蔚牡啄嗷蛘卟杉杩Ｇ昂蟮牡啄?，批量研究不同環(huán)保疏浚深度對上覆水體的影響，從而為污染底泥環(huán)保疏深度的確定提供技術(shù)支持。綜上所述，本裝置可以較好的模擬底泥中污染物釋放與水華發(fā)生過程、沉水植物生長過程的動態(tài)耦合關(guān)系，同時(shí)可以將污染物在水-底泥-生物系統(tǒng)中的遷移、轉(zhuǎn)化的多個(gè)過程結(jié)合到一個(gè)裝置中，實(shí)現(xiàn)裝置的多功能化；本裝置的體積較小，可以隨意安置在實(shí)驗(yàn)場地的各個(gè)角落，便于開展各種模擬實(shí)驗(yàn)，另外本裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，裝拆更換零部件方便，可長時(shí)間不斷運(yùn)作，使用壽命長。上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例的水體實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是柱狀采集管結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合附圖及較佳實(shí)施例，對依據(jù)本發(fā)明提出的水體實(shí)驗(yàn)裝置及方法其具體實(shí)施方式
、結(jié)構(gòu)、特征及其功效，詳細(xì)說明如后。請參閱圖I和圖2所示，圖I是本發(fā)明實(shí)施例的水體實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是實(shí)施例中柱狀采集管結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明提出一種應(yīng)用于模擬水體底泥釋放與浮游藻類、沉水植物耦合關(guān)系的裝置，將底泥樣品采集、底泥污染物的釋放與藻類、沉水植物生長有機(jī)結(jié)合，用于模擬不同水環(huán)境條件底泥的釋放作用，同時(shí)可定量研究不同生態(tài)工程(環(huán)保疏浚工程、沉水植物恢復(fù)工程)對水體富營養(yǎng)化和水體污染的影響。本發(fā)明較佳實(shí)施例的水體實(shí)驗(yàn)裝置包括底泥釋放單元I、培養(yǎng)單元2、控制單元3、pH值控制系統(tǒng)13、溶解氧控制系統(tǒng)6、水循環(huán)系統(tǒng)21、照明系統(tǒng)22、溫控系統(tǒng)24和水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)29。所述的底泥釋放單元I、培養(yǎng)單元2、控制單元3分別是長方體箱體，分別由有機(jī)玻璃板材(或者玻璃板材)所組成。底泥釋放單元I、培養(yǎng)單元2和控制單元3依次相鄰，兩兩相鄰的單元之間用擋板連接，從而形成三個(gè)單元相互連通的長方體試驗(yàn)箱體。所述的擋板由排水板和浮游植物網(wǎng)(4)組合而成。所述的底泥釋放單元I的底板上設(shè)置多個(gè)帶有卡口的底座37，優(yōu)選為20個(gè)，該卡口可以直接與柱狀樣品采集管相連而穩(wěn)定地固定在底座上，并且可以隨意拆卸。所述的底泥釋放單元I內(nèi)還設(shè)置多根帶塞的柱狀樣品采集管5，優(yōu)選為20根樣品采集管，用于研究不同層次底泥的理化性質(zhì)變化。柱狀樣品采集管的外壁直徑為9cm，可直接與柱狀采樣器連接，其高度為10 40cm,優(yōu)選方案為20cm-30cm。如圖2所示，所述的柱狀樣品采集管5從底部每隔一定距離設(shè)有兩個(gè)相對稱的電極孔34，其孔徑大小應(yīng)用監(jiān)測系統(tǒng)的電極相匹配。所述的電極35可以包括pH電極、溶解氧(DO)電極、氧化還原電位(Eh)電極、硫化氫微電極、氨氮電極等。在不插入電極的情況下，采用橡膠塞36將電極孔34封堵，防止采集管中的底泥39泄露，在采集管中的底泥39之上為水相38。所述的培養(yǎng)單元2為浮游藻類和/或沉水植物培養(yǎng)單元2，用于培養(yǎng)浮游藻類和/或沉水植物。該培養(yǎng)單元通過擋板與左側(cè)的底泥釋放單元相連，該擋板的上部為有機(jī)玻璃板或者PVC板或者玻璃板，，下部為浮游生物網(wǎng)4。該浮游生物網(wǎng)的高度為5-20cm，優(yōu)選為10-15cm ;上部的有機(jī)玻璃板或者PVC板或者玻璃板的高度為培養(yǎng)單元2的總高度減去浮游生物網(wǎng)4高度。所述的培養(yǎng)單元2的右側(cè)也通過另一擋板與控制單元3相連通，該擋板的上部為 浮游生物網(wǎng)4，下部為有機(jī)玻璃板或者PVC板或者玻璃板。該浮游生物網(wǎng)的高度為5-20cm，優(yōu)選為10-15cm。上部的有機(jī)玻璃板或者PVC板或者玻璃板的高度為培養(yǎng)單元2的總高度減去浮游生物網(wǎng)4高度。上述的浮游生物網(wǎng)4為25號浮游生物網(wǎng)(網(wǎng)孔O. 064mm)，可直接固定在培養(yǎng)單元的兩側(cè)的內(nèi)壁上，其下部和/或上部安裝在有機(jī)玻璃板材上。所述的控制單元3，是調(diào)節(jié)或者配制實(shí)驗(yàn)所需水質(zhì)的場所，主要用于控制實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)水體的pH值和/或溶解氧含量。所述的pH值控制系統(tǒng)13由pH電極19、pH控制儀16、酸貯槽14、堿貯槽15、酸計(jì)量泵17、堿計(jì)量泵18及加酸堿口 20組成。pH值控制系統(tǒng)13的pH電極19和加酸堿口 20設(shè)置在控制單元內(nèi)，并潛入箱體的水體中，其他設(shè)備可以設(shè)置在水體之外。酸貯槽14中的酸可用鹽酸和/或硫酸配制，堿貯槽15中的堿可用氫氧化鈉配制，其濃度由實(shí)際需要決定。pH值控制系統(tǒng)13通過pH電極19的探頭對控制單元3內(nèi)水體的pH值進(jìn)行檢測，反饋給pH控制儀16，根據(jù)pH控制儀16設(shè)定pH的控制范圍，若pH檢測值超過pH設(shè)定值，pH控制儀16就會給出一個(gè)邏輯信號，從而啟動PH調(diào)節(jié)劑通過酸計(jì)量泵17或堿計(jì)量泵18添加酸貯槽14或堿貯槽15中的酸或堿到控制單元中，調(diào)整控制單元內(nèi)水體的pH值至設(shè)定的范圍之內(nèi)，然后停止計(jì)量泵。所述的溶解氧控制系統(tǒng)6，用于控制實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)水體的溶解氧含量，其由溶解氧電極12、溶解氧控制儀7、氧氣瓶8、氮?dú)馄?、流量控制器10以及暴氣管(11)組成。該系統(tǒng)通過溶解氧控制儀7設(shè)定溶解氧的范圍值，通過溶解氧電極的探頭12對控制單元內(nèi)水體的溶解氧值進(jìn)行檢測，并將測定值反饋給溶解氧控制儀7，若溶解氧檢測值低于前述設(shè)定溶解氧的范圍值，溶解氧控制儀就會給出一個(gè)邏輯信號調(diào)節(jié)流量控制器10向曝氣管11提供氧氣；若溶解氧檢測值高于設(shè)定溶解氧的范圍值，溶解氧控制儀就會給出一個(gè)邏輯信號調(diào)節(jié)流量控制器10向曝氣管11提供氮?dú)?，從而使控制單元?nèi)水體的溶解氧處于設(shè)定的范圍之內(nèi)。在控制單元3內(nèi)設(shè)有攪拌器33，優(yōu)選為可調(diào)速攪拌器，通過攪拌器33來實(shí)現(xiàn)控制單元中PH值和/或溶解氧的均勻混合。水循環(huán)系統(tǒng)21，用于循環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)水體的流動，其由可調(diào)速蠕動泵21和水管組成。在底泥釋放單元I的側(cè)壁上設(shè)有進(jìn)水口，在控制單元的側(cè)壁上設(shè)置出水口，通過可調(diào)速恒流泵21和水管將控制單元的出水口和底泥釋放單元的進(jìn)水口連接，出水口的稍低于進(jìn)水口，具體流速根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況由可調(diào)速恒流泵21控制。照明系統(tǒng)22，用于向?qū)嶒?yàn)裝置提供光照，其安裝在整個(gè)裝置的上部，通過四個(gè)圓柱形的柱子與裝置的四個(gè)角連接，光源為由四個(gè)并排的日光燈組成的光源板構(gòu)成，可通過開關(guān)分別控制每個(gè)日光燈而調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度。所述四個(gè)圓柱形的柱子的高度為5-20cm，為了防止光源照射引起水溫升高，柱子的高度優(yōu)選方案為10cm。水溫控制系統(tǒng)24，用來控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的水溫，其由溫控儀25、溫度顯示計(jì)26、力口熱器27和溫度探頭28所組成，根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)情況，所述加熱器27和溫度探頭28可以安裝在底泥釋放單元I、培養(yǎng)單元2和控制單元3中的一處或幾處。通過溫控儀25設(shè)定實(shí)驗(yàn)裝置的水體溫度范圍，優(yōu)選溫度控制范圍為5-40°C。溫度探頭28用于檢測實(shí)驗(yàn)裝置中水體的溫度，并將檢測的溫度值反饋到溫控儀25，如果水體溫度低于所設(shè)定的溫度控制范圍，則溫控儀啟動加熱器27對水體進(jìn)行加熱，直至水體溫度達(dá)到溫度設(shè)定范圍內(nèi)。水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)29由電極探頭32、水質(zhì)分析儀31和數(shù)據(jù)處理器30三部分構(gòu)成，電極探頭32可以為多個(gè)，分別設(shè)置于底泥釋放單元I和/或培養(yǎng)單元2的上覆水體以及柱狀樣品采集管的電極孔34內(nèi)。底泥釋放單元I與培養(yǎng)單元2中可分別設(shè)置一個(gè)可以移動的虹吸采樣管，該取樣管道深度和位置可以根據(jù)需要而改變，采樣管可采取水樣，以測定水質(zhì)分析儀不能測定的理化指標(biāo)。本發(fā)明還提出一種水體研究實(shí)驗(yàn)方法，該方法包括以下步驟I、從自然水體中采集樣本，針對進(jìn)行研究的湖泊或者河流，將柱狀樣品采集管與采樣器相連，并從研究對象水體采集原狀底泥樣品，柱狀樣品采集管上部保留稍許上覆水，以減少底泥樣品的擾動。所采集的樣本數(shù)量為多個(gè)，例如為20根。然后隨機(jī)選擇5跟柱狀樣品采集管，將分析測試所需電極安裝在采樣管中。待上述步驟完成后，將20跟柱狀樣品采集管穩(wěn)定地固定在底泥釋放單元的底座上。2、將現(xiàn)場采集上覆水或者根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要配置好溶液注入培養(yǎng)單元和控制單元中，使整個(gè)裝置中液面的高度超過柱狀樣品采集管的高度IOcm以上。3、根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，使用溫度控制系統(tǒng)控制整個(gè)裝置的水溫，使用光照系統(tǒng)控制整個(gè)裝置的光照強(qiáng)度，使用控制單元控制整個(gè)裝置水體的PH值和溶解氧。當(dāng)本裝置中的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求后，啟動裝置的水循環(huán)系統(tǒng)，讓裝置中的三個(gè)單元的水體處于可交換狀態(tài)。4、根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，在培養(yǎng)單元中接種實(shí)驗(yàn)所需的藻種或者種植沉水植物。若僅僅開展水體底泥釋放與浮游藻類、沉水植物生長耦合關(guān)系的研究，可暫時(shí)關(guān)閉裝置的PH和/或DO控制系統(tǒng)。5、通過水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，測定藻類或沉水植物生長過程中的水體和間隙水體的理化指標(biāo)；同時(shí)可以取柱狀樣品采集管的底泥，研究藻類生長或者沉水植物生長過程對底泥中污染物的總量及其形態(tài)的變化規(guī)律。實(shí)例I水華暴發(fā)過程中污染物遷移轉(zhuǎn)化的響應(yīng)機(jī)制研究I)利用采樣器采集不同污染程度的底泥于柱狀樣品采集管中，將pH電極、氧化還原電位(Eh)電極、氨氮的電極安裝在柱狀樣品采集管的電極孔中，然后固定在底泥釋放單元的底座上。2)將現(xiàn)場采集上覆水緩緩注入本裝置中，使水體的液面超過柱狀樣品采集管IOcm0 3)開啟溫控系統(tǒng)，設(shè)置裝置水溫為27±1°C ;開啟光照系統(tǒng)，使系統(tǒng)的光照與黑暗的比為12/12，即12小時(shí)光照，12小時(shí)黑暗。同時(shí)關(guān)閉pH和/或DO控制系統(tǒng)。4)接種。將處于生長對數(shù)期的銅綠微囊藻的藻種接種到藻類培養(yǎng)單元中，使水體的藻密度處于5 X IO4個(gè)/L。5)啟動裝置的水循環(huán)系統(tǒng)，底泥釋放單元的水體與藻類培養(yǎng)單元的水體處于循環(huán)流動狀態(tài)。6)結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，測定水華暴發(fā)過程(測定培養(yǎng)單元的生物量)水-底泥界面環(huán)境因子(pH、Eh和D0)、硫化物、藻類生物量、總氮、總磷、氨氮、硝氮、無機(jī)磷、有機(jī)碳(T0C)、重金屬(鉻、鎳、銅、鋅、砷、鎘、鉛、汞)等指標(biāo)的含量。7)污染物水-底泥界面擴(kuò)散通量參照Fick第一定律的模型公式'P =,
式中F為通過上覆水的擴(kuò)散通量；為表層底泥的孔隙度；為上覆水-底泥界面的營養(yǎng)鹽梯度；Ds為考慮了底泥效應(yīng)的實(shí)際分子擴(kuò)散系數(shù)。8)結(jié)合不同污染程度底泥試驗(yàn)，研究水華暴發(fā)整個(gè)過程中水-底泥界面污染物的動態(tài)變化，探討水體富營養(yǎng)化脅迫下，氮磷、重金屬等污染物遷移轉(zhuǎn)化行為如何響應(yīng)，水環(huán)境中氮磷、重金屬污染是否得到抑制或增強(qiáng)，從而揭示水華暴發(fā)過程與污染物遷移轉(zhuǎn)化過程之間動態(tài)耦合關(guān)系。實(shí)例2pH值和/或溶解氧的變化對底泥中污染物釋放的影響I)利用采樣器采集不同污染程度的底泥于柱狀樣品采集管中，將pH、氧化還原電位(Eh)電極、氨氮等電極安裝在柱狀樣品采集管的電極孔中，然后固定在底泥釋放單元的底座上。2)將現(xiàn)場采集上覆水緩緩注入本裝置中，使水體的液面超過柱狀樣品采集管IOcm03)開啟溫控系統(tǒng)，設(shè)置裝置水溫為27±1°C ;關(guān)閉開啟光照系統(tǒng)。4)設(shè)置不同梯度的pH系列實(shí)驗(yàn)和/或不同梯度DO系列實(shí)驗(yàn)，開展pH和/或DO變化對底泥中污染物釋放的影響研究。5)啟動裝置的水循環(huán)系統(tǒng)，底泥釋放單元的水體與pH和/或DO控制單元的水體處于循環(huán)流動狀態(tài)。 6 )結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，測定水體和底泥中總氮、總磷、氨氮、硝氮、無機(jī)磷、有機(jī)碳(T0C)、重金屬(鉻、鎳、銅、鋅、砷、鎘、鉛、汞)等指標(biāo)的含量。7)結(jié)合對照試驗(yàn)，研究環(huán)境因子(pH和/或D0)變化對水-底泥界面氮磷、重金屬等污染物遷移轉(zhuǎn)化行為的影響。本文中所述的被研究水體包括水、底泥與水生生物。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動或修飾
為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種水體實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于其包括底泥釋放單元、培養(yǎng)單元、控制單元、水體控制系統(tǒng)和水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)； 所述的底泥釋放單元、培養(yǎng)單元和控制單元依次相鄰，兩兩相鄰的單元之間用擋板連接，從而形成三個(gè)單元相互連通的試驗(yàn)箱體； 所述的水體控制系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置中水體的理化指標(biāo)和水體流動； 所述的水質(zhì)檢測系統(tǒng)，用于檢測實(shí)驗(yàn)裝置中水體、底泥、浮游生物和/或水生植物的理化指標(biāo)數(shù)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水體實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的水體控制系統(tǒng)包括PH值控制系統(tǒng)、溶解氧控制系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)中的一種或多種； 所述的PH值控制系統(tǒng)由pH電極、pH控制儀、酸貯槽、堿貯槽、酸計(jì)量泵、堿計(jì)量泵及加酸堿口組成，pH電極和加酸堿口設(shè)置在控制單元內(nèi)； 所述的溶解氧控制系統(tǒng)由溶解氧電極、溶解氧控制儀、氧氣瓶、氮?dú)馄俊⒘髁靠刂破饕约氨夤芙M成，溶解氧電極用于對水體的溶解氧值進(jìn)行檢測，并將測定值反饋給溶解氧控制儀，暴氣管用于提供氧氣或者氮?dú)猓? 水循環(huán)系統(tǒng)由泵和水管組成，用于循環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)水體的流動； 照明系統(tǒng)有多個(gè)光源組成，用于向?qū)嶒?yàn)裝置提供多種光照強(qiáng)度的照明； 水溫控制系統(tǒng)由溫控儀、溫度顯示計(jì)、加熱器和溫度探頭組成，用來控制調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置中的溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水體實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的擋板由排水板和浮游植物網(wǎng)組合而成； 培養(yǎng)單元與底泥釋放單元之間的擋板的下部為浮游生物網(wǎng)，上部為排水板； 培養(yǎng)單元與控制單元之間的擋板的上部為浮游生物網(wǎng)，下部為排水板。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水體實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的底泥釋放單元設(shè)置多個(gè)帶有卡口的底座和樣品采集管，通過所述的卡口可以將樣品采集管相連而穩(wěn)定地固定在底座上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的水體實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的樣品采集管為柱狀，從底部每隔一定距離設(shè)有兩個(gè)相對稱的電極孔，其孔徑大小應(yīng)用監(jiān)測系統(tǒng)的電極相匹配。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水體實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)由電極探頭、水質(zhì)分析儀和數(shù)據(jù)處理器構(gòu)成，電極探頭為一個(gè)或多個(gè)，設(shè)置于底泥釋放單元和/或培養(yǎng)單元內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的水體實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，還包括設(shè)置于控制單元內(nèi)的攪拌器，以及一個(gè)可以從底泥釋放單元或培養(yǎng)單元采集水樣的可移動的虹吸采樣管。
8.一種水體研究實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，采用上述權(quán)利要求1-7所述的水體實(shí)驗(yàn)裝置，該方法包括以下步驟 用樣品采集管從被研究的湖泊或河流中采集底泥，并在底泥上保留上覆水； 將采集底泥后的樣品采集管安裝在底泥釋放單元中； 將被研究的湖泊或者河流的上覆水或者根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要配置好的溶液注入實(shí)驗(yàn)裝置中；使整個(gè)裝置中液面的高度超過柱狀樣品采集管的高度；調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置中的水溫處在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)水體的pH值和/或溶解氧的含量，調(diào)節(jié)光照時(shí)間和強(qiáng)度； 在培養(yǎng)單元中接種實(shí)驗(yàn)所需的藻種或者種植沉水植物； 通過水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，測定藻類或沉水植物生長過程中的水體和間隙水體的理化指標(biāo)；同時(shí)可以取柱狀樣品采集管的底泥，研究藻類生長或者沉水植物生長過程對底泥中污染物的總量及其形態(tài)的變化規(guī)律。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的水體研究實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，若僅進(jìn)行水體底泥釋放與浮游藻類、沉水植物生長耦合關(guān)系的研究，則無需調(diào)節(jié)水體的PH值和溶解氧的含量。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的水體研究實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的水體在實(shí)驗(yàn)過程中處于循環(huán)流動狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于一種水體實(shí)驗(yàn)裝置及方法，該裝置包括底泥釋放單元、培養(yǎng)單元、控制單元、水體控制系統(tǒng)和水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)；所述的底泥釋放單元、培養(yǎng)單元和控制單元依次相鄰，兩兩相鄰的單元之間用擋板連接，從而形成三個(gè)單元相互連通的試驗(yàn)箱體；所述的水體控制系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置中水體的理化指標(biāo)；所述的水質(zhì)檢測系統(tǒng)，用于檢測實(shí)驗(yàn)裝置中水體、底泥、浮游生物和/或水生植物的理化指標(biāo)數(shù)值。本發(fā)明將底泥樣品采集、底泥污染物的釋放與藻類、沉水植物生長有機(jī)結(jié)合，用于模擬不同水環(huán)境條件底泥的釋放作用，同時(shí)可定量研究不同生態(tài)工程(環(huán)保疏浚工程、沉水植物恢復(fù)工程)對水體富營養(yǎng)化和水體污染的影響。
文檔編號G01N33/00GK102937637SQ20121040463
公開日2013年2月20日 申請日期2012年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月22日
發(fā)明者王書航, 姜霞, 王雯雯, 宋倩文, 胡佳晨, 張博, 王巖, 田怡濤 申請人:中國環(huán)境科學(xué)研究院