CN103207266B

CN103207266B - 一种基于电磁动力的底泥耗氧速率测定装置及使用方法

Info

Publication number: CN103207266B
Application number: CN201310152318.7A
Authority: CN
Inventors: 沈叔云; 何岩; 黄民生; 潘建鹏; 张博; 姚丽平; 刘善文; 李志洪
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2013-04-27
Filing date: 2013-04-27
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2033-04-27
Also published as: CN103207266A

Abstract

本发明涉及一种基于电磁动力的底泥耗氧速率测定装置及使用方法，其装置包括测试室、动力室、磁力转子、磁极、电机、溶氧仪探头插口、支架固定接口、蓄电池，所述测试室为底端敞开而横截面为跑道型的柱体结构，测试室顶部一侧设有溶氧仪探头插口、两端分别设有支架固定接口；动力室为圆柱筒体倒置固定于测试室顶部，其内设有连接磁极的电机，电机通过连接线外接蓄电池；磁力转子置于测试室内并与磁极磁力连接；将手持支架连接固定使装置浸没于水中并充满上覆水，***溶氧仪探头并密封，再将装置固定于水底并调控测试室上覆水循环后测定SOD。本发明结构简单、易于拆卸、体积小巧便于携带，可有效实现不同水动力作用下的底泥耗氧速率测定。

Description

一种基于电磁动力的底泥耗氧速率测定装置及使用方法

技术领域

本发明涉及环保技术领域，具体地说是一种便携式电磁动力底泥耗氧速率（SOD）测定装置及使用方法，尤其是能够实现水动力条件下底泥耗氧速率测定，使得水动力条件下SOD的测定更加方便准确。

背景技术

底泥的耗氧作用是河流、湖泊等水体耗氧过程的一个重要组成部分，通常以SOD（sediment oxygen demand），即底泥耗氧速率来表征水体底泥的耗氧情况。SOD主要包括两部分，一部分是底泥中的还原性物质被氧化过程以及这些还原性物质扩散到上覆水产生的化学性耗氧(CSOD)；另一部分是栖息在底泥表层的无脊椎动物和好氧微生物的呼吸作用所产生的生物性耗氧(BSOD)。已有研究表明，底泥耗氧量约占水体总耗氧量的40%~50%，在一些感潮河流中，甚至达到90%。因此，研究SOD对于评价水体本底状况和水体污染治理与修复工程实践的有效开展均具有重要的意义。

目前国内外对于SOD的测定可分为实验室移位测定法和现场原位测定法两类，但主要以实验室移位测定为主。其方法通常是将采集的底泥与上覆水带回实验室后置于测定装置中进行，借助于循环泵或机械搅动使上覆水DO浓度均匀分布，通过测定一定时间内容器中溶解氧（Dissolved Oxygen, DO）的变化来计算SOD。虽然实验室移位测定方法可以良好地控制测试条件，并使上覆水DO分布均匀，但这种SOD的测定受到DO、pH、温度、水深、底泥悬浮状况和流场等多种因素的影响，难以准确模拟现场环境，尤其是水动力条件下的测定。

虽然SOD的现场原位测定有利于还原水体真实条件，但如何实现装置内DO均匀分布是SOD现场原位测定的关键问题。目前主要采用水泵和利用轴承使电机或防水电机传动桨片循环水体以促进DO的均匀分布，然而轴承在泥沙悬浮过程中易产生卡死的状况，电机的生锈问题也不可避免，且防水电机普遍价格昂贵同时也存在卡沙的问题。尽管也有研究者使用以轴承连接的双向风车式浆片固定在装置内，通过河流自身的流速带动浆片转动，但这种无动力的传动方式在流速较小时很难使用，且轴承的弊病依旧存在。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种适合于水动力条件下现场原位测定SOD测定装置及使用方法，其装置结构简单、易于拆卸、体积小巧便于携带、制作成本低，能够有效实现不同水动力作用下的底泥耗氧速率测定，大大降低了测试费用。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种基于电磁动力的底泥耗氧速率测定装置，特点在于该装置包括测试室、动力室、磁力转子、磁极、电机、溶氧仪探头插口、支架固定接口、蓄电池，所述测试室为底端敞开而横截面为跑道型的柱体结构，其底端边缘为锯齿形，测试室顶部一侧设有溶氧仪探头插口，测试室顶部两端分别设有支架固定接口；动力室为圆柱筒体倒置固定于测试室顶部为封闭状态，动力室内设有连接磁极的电机，电机通过连接线外接蓄电池；磁力转子置于动力室底部的测试室内并与磁极磁力连接。

所述电机通过电机固定支架固定于动力室内顶部。

所述蓄电池上装有变频调速器与开关。

上述底泥耗氧速率测定装置的使用方法是：首先将手持支架通过所述装置的支架固定接口连接固定，手持支架将装置浸没于水中，待上覆水完全充满测试室后，将溶氧仪探头***溶氧仪探头插口中并密封，然后手持支架将装置***水底并固定，接着调控测试室的上覆水循环，待数分钟后读取并记录溶氧仪DO读数至测试结束。

所述测试室的上覆水循环调控方式为：打开蓄电池的开关，通过调节变频调速器旋钮改变连接有磁极的电机转速，控制磁力转子的转动速率来调控测试室内上覆水循环速率的大小，以此来模拟不同的水动力作用。

本发明巧妙地运用了电磁作用原理，将充当“桨片”的磁力转子与作为动力来源的电机分离开来，有效地解决了电机在水下作业的不利问题；同时由于磁力转子与磁极之间的无轴连接不会出现轴承的生锈、卡沙等情况。另外，装置底部的锯齿形设计可以使装置稳稳地抓住底泥，即使在水流湍急或者多砂石等水底环境下也能正常工作。本发明的底泥耗氧速率测试装置结构简单、易于拆卸、体积小巧便于携带、制作成本低，能够有效实现不同水动力作用下的底泥耗氧速率测定，也大大降低了测试费用。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明蓄电池结构示意图；

图4为DO不同测试方式随时间变化图。

具体实施方式

参阅图1、图2和图3，本发明包括测定装置的构造、测试装置的连接与固定以及测试室中上覆水循环调控方式，具体如下：

（1）测定装置的构造：该测定装置由测试室1、动力室2、磁力转子3、磁极4、电机固定支架5、电机6、溶氧仪探头插口7、手持支架固定接口8、12V蓄电池9、变频调速器10、电源开关11组成。测试室1为底端敞开而横截面为跑道型的柱体结构，底端边缘为锯齿形结构；动力室2位于测试室顶部且处于封闭状态，为圆柱筒体结构；动力室2内设置有连接磁极4的电机6并通过电机固定支架5固定在动力室1内顶部，磁极4距离动力室2底部约为3mm；磁力转子3置于动力室2下方的测试室1内并由磁极4的引力作用吸引在测试室1顶部；测试室1顶部远离动力室2一侧设置有溶氧仪探头插口7，可供溶氧仪***测试室1内；测试室1两端分别设置有手持支架固定接口8，可***手持式支架；动力室2内的电机6通过连接线外接12V蓄电池9，变频调速器10与开关也分别通过导线连接后安装在12V蓄电池9上。

（2）测试装置的连接与固定：首先将手持式支架***装置两端的支架固定接口8连接固定，接着手持支架将装置浸没在水中，使气泡从溶氧仪探头插口7溢出，待测试室1内充满水后将溶氧仪探头***溶氧仪探头插口7中并密封，最后手持支架将装置***水底固定。

（3）测试室中上覆水循环调控方式：首先打开12V蓄电池9的开关11，通过调节变频调速器10旋钮改变连接有磁极4的电机6的转速，从而控制磁力转子3的转动速率来调控测试室1内上覆水循环速率的大小，并以此来模拟不同的水动力作用。

为了进一步验证本装置的实际测试效果，以曝气条件下河道模拟装置为研究对象，实施例为本发明方法水动力条件下原位SOD测定；对比例1为实施箱式培养法原位SOD测定；对比例2为实验室移位传统微泵循环条件下SOD测定；测试时水温14.3℃~14.5℃。

实施例

本发明方法测定曝气扰动水动力作用下的SOD

测试室1外壳材质为铝合金，动力室2外壳材质为透明有机玻璃。

将手持支架通过本发明测定装置中的支架固定接口8连接固定，接着手持支架使装置浸没于水中，待测试室1内完全充满上覆水后，在溶氧仪探头插口7中***带有自制密封塞的笔式溶氧仪探头并使之密封，然后手持支架将装置***水底并固定；然后打开12V蓄电池9电源开关11，根据雷诺相似准则计算的流速来调节变频调速10旋钮至设定位置，等待10min后，开始读取溶氧仪读数，前30min每1min记录一次DO数据，30min后每5min记录一次DO数据至实验结束。

对比例1

箱式培养法测定曝气扰动水动力作用下的SOD

手持支架两端，将本发明装置***与上述实验相同位置的水中至测试室完全充满上覆水，并在溶氧仪探头插口7***笔式溶氧仪探头并密封，然后将装置***水底固定；等待10min后开始记录溶氧仪读数，由于无上覆水循环模式DO变化较慢，故每5min记录一次DO数据，直至实验结束。

对比例2

实验室移位传统微泵循环法测定曝气扰动水动力作用下的SOD

在相同曝气扰动条件下，在相同测试位置处，取2.5 L上覆水与1 L底泥，运回实验室以供测试使用。首先将0.785 L底泥铺设于内径10cm，高35cm的量筒中并轻轻压平（泥层高度10cm），然后以虹吸法轻轻注入上覆水高度25cm，***溶氧仪探头并密封，使用小型蠕动泵以5mL/s的速率使上覆水循环。静置10min后开始读取溶氧仪读数，前30min每1min记录一次DO数据，30min后每5min记录一次DO数据至实验结束。

上述三种方法SOD测定结果的对比分析

参阅图4，为三种方法测定过程中DO随时间的变化分布。由图中可以看出，箱式培养法测定过程中DO降低非常缓慢，从而导致所测得的底泥耗氧速率与真实情况有较大差距，主要是因为该方法在封闭的装置内DO与底泥接触不充分。相比之下，本发明装置与实验室移位微泵循环法中测试室内DO降低明显，主要是由于在有动力循环上覆水条件下可使DO与底泥充分接触，能够反映底泥水动力条件下的实际耗氧情况。

随后，分别对本发明方法和实验室移位微泵循环法所测得的耗氧曲线进行拟合，拟合度分别为0.9853和0.9655，据此可说明本发明装置在曝气扰动条件下的底泥耗氧速率测定中具有更高的准确性。SOD的计算可根据以下公式：

式中SOD---——底泥耗氧速率量，g/m²·d；

ks---——装置内总耗氧速率，mg/L·min；

V——上覆水体积，L；

A -——底泥面积， m²；

SOD₁= (0.2243-0.0003)×0.10×1.44×100=3.2256 g/m²·d（本发明方法）

SOD₂= (0.0724-0.0003)×0.25×1.44×100=2.5956 g/m²·d（实验室移位微泵循环法）

通过以上三种测试方法比较可知，本发明在测定水动力条件下底泥耗氧速率的准确性上拥有明显的优势，同时本发明装置结构简单，不存在电机防水和轴承卡沙及生锈等问题，而且制作成本低，便捷小巧，方便于SOD的现场原位测定。

本发明的上述实施案例并不是对本发明的限制。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中。

Claims

1.一种基于电磁动力的底泥耗氧速率测定装置，其特征在于该装置包括测试室、动力室、磁力转子、磁极、电机、溶氧仪探头插口、支架固定接口及蓄电池，所述测试室为底端敞开而横截面为跑道型的柱体结构，其底端边缘为锯齿形，测试室顶部一侧设有溶氧仪探头插口，测试室顶部两端分别设有支架固定接口；动力室为圆柱筒体倒置固定于测试室顶部为封闭状态，动力室内设有连接磁极的电机，电机通过连接线外接蓄电池；磁力转子置于动力室底部的测试室内并与磁极磁力连接。

2.根据权利要求1所述的基于电磁动力的底泥耗氧速率测定装置，其特征在于所述电机通过电机固定支架固定于动力室内顶部。

3.根据权利要求1所述的基于电磁动力的底泥耗氧速率测定装置，其特征在于所述蓄电池上装有变频调速器与开关。

4.一种权利要求1所述基于电磁动力的底泥耗氧速率测定装置的使用方法，其特征在于首先将手持支架通过所述装置的支架固定接口连接固定，手持支架将所述装置浸没于水中，待上覆水完全充满测试室后，将溶氧仪探头***溶氧仪探头插口中并密封，然后手持支架将装置***水底并固定；接着调控测试室的上覆水循环，等待数分钟后读取并记录溶氧仪DO读数至测试结束。

5.根据权利要求4所述基于电磁动力的底泥耗氧速率测定装置的使用方法，其特征在于所述调控测试室的上覆水循环具体为：打开蓄电池的开关，通过调节变频调速器旋钮改变连接有磁极的电机转速，控制磁力转子的转动速率来调控测试室内上覆水循环速率的大小，以此来模拟不同的水动力作用。