CN108709920B - 一种监测沉积物高度变化的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于沉积物微生物燃料电池监测污泥膨胀或淤积过程中高度变化的装置和方法，所述装置包括了固定于沉积物上覆水中的阴极、N个阳极、给上覆水曝气的装置、电阻和信号采集装置，N个固定于沉积物和水中的不同高度阳极，其中最低的阳极位于所述沉积物与水的界面以下，最高的阳极位于界面以上；阳极相互之间及阳极与阴极之间留有一定距离；N个阳极各自通过电阻连接阴极，信号采集装置分别连接N个阳极，采集并记录电压。本发明的装置和方法除能够利用电化学信号有效的监测污泥的膨胀、淤积情况，同时该装置能够实现连续长期运行，能耗低，成本低。

Description

一种监测沉积物高度变化的装置和方法

技术领域

本发明属于环境检测技术领域，具体涉及一种基于沉积物微生物电化学检测地表水体沉积物的膨胀过程与淤积过程中沉积物高度变化的装置和方法。

背景技术

水体沉积物是生态***中能量转化和碳循环的重要场所。水体中的沉积物由于上流水土流失、周边人类的生活、工业的输入、自然沉降等因素，高度逐渐增高，从而造成湖泊河流的水容量减少，同时导致河道的堵塞。在有些湖泊、河道当中，由于沉积物及上覆水体的变化导致沉积物发生膨胀，在发生膨胀的时候上层沉积物的理化性质发生了改变，会对水环境造成危害。

现在，在河道、湖泊、水库等中沉积物的高度对湖泊生态环境具有重要意义。同时在底泥疏浚的等修复工程中是一个重要的数据指标。而在一般的现场人工测量中，测量数据不够稳定，测量值会随着操作人员、水文、天气等的不同而发生变化，现场实时监测较难实现。而生物反应具有高度的专一性，生物传感器正是利用这一特性对待测物的浓度、性质等进行精准测量的。与传统的化学、物理测定方法相比，生物传感器一般具有测定周期短，操作简单等特点。

发明内容

为了克服现有对沉积物高度变化的实时监测手段的不足，本发明基于微生物电化学技术，提供一种沉积物高度变化的测定方法和装置，以准确测定沉积物高度变化，实现对沉积物高度变化的实时监测，同时可以起到提高水质，降低水体“湖泛”发生的几率的作用，具有省时、装置简单、操作容易、能耗低、投资和运行费用少，应用前景广阔等优点。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种监测沉积物高度变化的装置，包括阴极、N个阳极、曝气装置、电阻和信号采集装置，其中N为大于等于2的整数，

所述阴极固定于所述沉积物的上覆水中；所述曝气装置的曝气出口设置于所述上覆水中，为所述阴极提供氧气；

所述的N个阳极全部没于水体内，并固定于不同高度，由低至高分别为第一阳极、第二阳极…第N阳极，其中，第一阳极位于所述沉积物与水的界面以下，第N阳极位于所述沉积物与水的界面以上；所述N个阳极相互之间的距离大于等于3cm；任意所述阳极与所述阴极的距离大于等于15cm；

所述的N个阳极通过导线连接所述阴极，所述导线上设置所述电阻，所述信号采集装置分别连接所述N个阳极，所述信号采集装置为电压采集及记录装置。

进一步的，所述阳极或所述阴极为碳毡。

进一步的，所述阳极或所述阴极的固定方式为：采用固定于所述沉积物中的支架固定。

进一步的，所述N优选为7。

进一步的，所述7个阳极中第一阳极至第四阳极位于所述沉积物与水的界面以下，第五阳极位于所述沉积物与水的界面处，第六阳极和第七阳极位于所述沉积物与水的界面以上。

进一步的，所述N个阳极俯视呈一条直线排列。

进一步的，所述曝气装置还包括空气泵，所述空气泵通过气管连接所述曝气出口，为所述曝气出口提供空气。

进一步的，所述电阻为电阻箱。

进一步的，所述信号采集装置为多通道的电压采集及记录装置，可同时采集并记录多个阳极与阴极间的电压。

进一步的，所述导线与所述阳极或所述阴极的连接处涂抹有导电银胶，并经过防水处理。

优选的，所述沉积物为自然水体沉积物、湿地、稻田土壤、污泥或淤泥。

本发明的另一目的是提供一种监测沉积物高度变化的方法，以快速、准确的对沉积物高度变化进行数据检测。

为实现第二目的，本发明采用如下技术方案：

一种采用上述装置监测沉积物高度变化的方法，所述方法包括如下步骤；

（1）将所述装置设置完成后，记录各个阳极的高度，由所述信号采集装置记录各个阳极的电压值。

（2）在沉积物高度改变后，根据电压信号发生变化的阳极所在高度换算所述沉积物的高度变化。

本发明巧妙的运用沉积物微生物燃料电池原理，将电压信号与沉积物深度相关联，由于沉积物高度的变化，改变了某处深度的阳极与沉积物的接触或不接触状态，从而反映至其电压信号，监测仪器或监测人员即可准确地得知沉积物的实时深度。

本发明的有益效果如下：

1、本发明利用多阳极微生物燃料电池构建监测沉积物高度变化的传感器，克服现有对沉积物高度变化实时监测的费时费力、操作不稳定等缺陷，同时减少了人工工作量。

2、本发明用于沉积物高度变化的监测，通过大量实验总结得到利用多阳极沉积物微生物燃料电池的最适宜检测条件，使得所述检测方法更加客观、操作过程简单并可程序化、测定过程稳定和快捷、测定结果准确、灵敏度高、误差小、可实现在线监测、成本低、可普遍推广运用。

附图说明

图1是本发明实施例1所用装置的结构示意图，其中的第3阳极至第6阳极未画出。

图2是本发明实施例1不同时间测得的电压信号与深度的关系图。

其中，1是沉积物，2是上覆水，31是第一阳极，32是第7阳极，4是阴极，5是曝气装置，51是曝气出口，6是导线，7是电阻箱，8是信号采集装置。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种监测沉积物高度变化的装置，包括阴极、7个阳极、曝气装置、电阻和信号采集装置，

所述阴极固定于所述沉积物的上覆水中；所述曝气装置的曝气出口设置于所述上覆水中，为所述阴极提供氧气；

所述的7个阳极全部没于水体内，并固定于不同高度，由低至高分别为第一阳极、第二阳极…第七阳极，其中，第一阳极至第四阳极位于所述沉积物与水的界面以下，第五阳极位于所述沉积物与水的界面处，第六阳极和第七阳极位于所述沉积物与水的界面以上；所述7个阳极相互之间的距离大于等于3cm；任意所述阳极与所述阴极的距离大于等于15cm；

所述的7个阳极通过导线连接所述阴极，所述导线上设置所述电阻，所述信号采集装置分别连接所述7个阳极，所述信号采集装置为电压采集及记录装置。

所述阳极和所述阴极为碳毡。

所述阳极和所述阴极的固定方式为：采用固定于所述沉积物中的支架固定（支架未在图中画出）。

所述7个阳极俯视呈一条直线排列。

所述曝气装置还包括曝气进口，所述曝气进口设置于空气中，并通过气管连接所述曝气出口。

所述电阻为电阻箱。

所述信号采集装置为多通道的电压采集及记录装置，可同时采集并记录多个阳极与阴极间的电压。

所述导线与所述阳极或所述阴极的连接处涂抹有导电银胶，并经过防水处理。

所述沉积物为自然水体沉积物。

测试时，采用如下步骤；

（1）将所述装置设置完成后，记录7个阳极的高度，将初始沉积物-水界面的高度设置为0，沉积物-水界面以下的高度为负值，以上为正值，7个阳极的高度分别为-4cm、-3cm、-2cm、-1cm、0、1cm和2cm，由所述信号采集装置记录各个阳极的电压值，如图2中的第一天数据所示。

（2）在沉积物高度改变后（图2中第3-9天），根据电压信号发生变化的阳极所在高度换算所述沉积物的高度变化。

由图2可以看出，处于沉积物-水界面的第五阳极（泥-水界面处）的电压开始为37mv左右，当沉积物高度增加，且当第六阳极刚被覆盖后其电压增至37mV，则可推算出第3天左右沉积物高度有1cm增加，同时在第7天左右，根据第七阳极的变化可知，沉积物高度增加了约2cm。所以通过沉积物微生物燃料电池可对沉积物高度变化有这直接的反映与监测。

Claims (10)

1.一种监测沉积物高度变化的装置，其特征在于，包括阴极、N个阳极、曝气装置、电阻和信号采集装置，其中N为大于等于2的整数，

所述阴极固定于所述沉积物的上覆水中；所述曝气装置的曝气出口设置于所述上覆水中；

所述的N个阳极全部没于水体内，并固定于不同高度，由低至高分别为第一阳极、第二阳极…第N阳极，其中，第一阳极位于所述沉积物与水的界面以下，第N阳极位于所述沉积物与水的界面以上；所述N个阳极相互之间的距离大于等于3cm；任意所述阳极与所述阴极的距离大于等于15cm；

所述的N个阳极通过导线连接所述阴极，所述导线上设置所述电阻，所述信号采集装置分别连接所述N个阳极，所述信号采集装置为电压采集及记录装置。

2.根据权利要求1所述的监测沉积物高度变化的装置，其特征在于，所述阳极或所述阴极为碳毡。

3.根据权利要求1所述的监测沉积物高度变化的装置，其特征在于，所述阳极或所述阴极的固定方式为：采用固定于所述沉积物中的支架固定。

4.根据权利要求1所述的监测沉积物高度变化的装置，其特征在于，所述N个阳极俯视呈一条直线排列。

5.根据权利要求1所述的监测沉积物高度变化的装置，其特征在于，所述曝气装置还包括空气泵，所述空气泵通过气管连接所述曝气出口。

6.根据权利要求1所述的监测沉积物高度变化的装置，其特征在于，所述信号采集装置为多通道的电压采集及记录装置。

7.根据权利要求1所述的监测沉积物高度变化的装置，其特征在于，所述电阻为电阻箱。

8.根据权利要求1所述的监测沉积物高度变化的装置，其特征在于，所述导线与所述阳极或所述阴极的连接处涂抹有导电银胶，并经过防水处理。

9.根据权利要求1所述的监测沉积物高度变化的装置，其特征在于，所述沉积物为自然水体沉积物、湿地、稻田土壤、污泥或淤泥。

10.一种采用权利要求1-9任一所述装置监测沉积物高度变化的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

（1）将所述装置设置完成后，记录各个阳极的高度，由所述信号采集装置记录各个阳极的电压值；

（2）在沉积物高度改变后，根据电压信号发生变化的阳极所在高度换算所述沉积物的高度变化。