專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于電磁動(dòng)力的底泥耗氧速率測(cè)定裝置及使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種便攜式電磁動(dòng)力底泥耗氧速率(SOD)測(cè)定裝置及使用方法，尤其是能夠?qū)崿F(xiàn)水動(dòng)力條件下底泥耗氧速率測(cè)定，使得水動(dòng)力條件下SOD的測(cè)定更加方便準(zhǔn)確。
背景技術(shù)：
底泥的耗氧作用是河流、湖泊等水體耗氧過(guò)程的一個(gè)重要組成部分，通常以SOD(sediment oxygen demand),即底泥耗氧速率來(lái)表征水體底泥的耗氧情況。SOD主要包括兩部分，一部分是底泥中的還原性物質(zhì)被氧化過(guò)程以及這些還原性物質(zhì)擴(kuò)散到上覆水產(chǎn)生的化學(xué)性耗氧(CSOD);另一部分是棲息在底泥表層的無(wú)脊椎動(dòng)物和好氧微生物的呼吸作用所產(chǎn)生的生物性耗氧(BSOD)。已有研究表明，底泥耗氧量約占水體總耗氧量的40°/Γ50%，在一些感潮河流中，甚至達(dá)到90%。因此，研究SOD對(duì)于評(píng)價(jià)水體本底狀況和水體污染治理與修復(fù)工程實(shí)踐的有效開(kāi)展均具有重要的意義。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于SOD的測(cè)定可分為實(shí)驗(yàn)室移位測(cè)定法和現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)定法兩類(lèi)，但主要以實(shí)驗(yàn)室移位測(cè)定為主。其方法通常是將采集的底泥與上覆水帶回實(shí)驗(yàn)室后置于測(cè)定裝置中進(jìn)行，借助于循環(huán)泵或機(jī)械攪動(dòng)使上覆水DO濃度均勻分布，通過(guò)測(cè)定一定時(shí)間內(nèi)容器中溶解氧(Dissolved Oxygen, DO)的變化來(lái)計(jì)算SOD。雖然實(shí)驗(yàn)室移位測(cè)定方法可以良好地控制測(cè)試條件，并使上覆水DO分布均勻，但這種SOD的測(cè)定受到D0、pH、溫度、水深、底泥懸浮狀況和流場(chǎng)等多種因素的影響，難以準(zhǔn)確模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，尤其是水動(dòng)力條件下的測(cè)定。雖然SOD的現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)定有利于還原水體真實(shí)條件，但如何實(shí)現(xiàn)裝置內(nèi)DO均勻分布是SOD現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)定的關(guān)鍵問(wèn)題。目前主要采用水泵和利用軸承使電機(jī)或防水電機(jī)傳動(dòng)槳片循環(huán)水體以促進(jìn)DO的均勻 分布，然而軸承在泥沙懸浮過(guò)程中易產(chǎn)生卡死的狀況，電機(jī)的生銹問(wèn)題也不可避免，且防水電機(jī)普遍價(jià)格昂貴同時(shí)也存在卡沙的問(wèn)題。盡管也有研究者使用以軸承連接的雙向風(fēng)車(chē)式漿片固定在裝置內(nèi)，通過(guò)河流自身的流速帶動(dòng)漿片轉(zhuǎn)動(dòng)，但這種無(wú)動(dòng)力的傳動(dòng)方式在流速較小時(shí)很難使用，且軸承的弊病依舊存在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供的一種適合于水動(dòng)力條件下現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)定SOD測(cè)定裝置及使用方法，其裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于拆卸、體積小巧便于攜帶、制作成本低，能夠有效實(shí)現(xiàn)不同水動(dòng)力作用下的底泥耗氧速率測(cè)定，大大降低了測(cè)試費(fèi)用。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的具體技術(shù)方案是:
一種基于電磁動(dòng)力的底泥耗氧速率測(cè)定裝置，特點(diǎn)在于該裝置包括測(cè)試室、動(dòng)力室、磁力轉(zhuǎn)子、磁極、電機(jī)、溶氧儀探頭插口、支架固定接口、蓄電池，所述測(cè)試室為底端敞開(kāi)而橫截面為跑道型的柱體結(jié)構(gòu)，其底端邊緣為鋸齒形，測(cè)試室頂部一側(cè)設(shè)有溶氧儀探頭插口，測(cè)試室頂部?jī)啥朔謩e設(shè)有支架固定接口 ；動(dòng)力室為圓柱筒體倒置固定于測(cè)試室頂部為封閉狀態(tài)，動(dòng)力室內(nèi)設(shè)有連接磁極的電機(jī)，電機(jī)通過(guò)連接線外接蓄電池；磁力轉(zhuǎn)子置于動(dòng)力室底部的測(cè)試室內(nèi)并與磁極磁力連接。所述電機(jī)通過(guò)電機(jī)固定支架固定于動(dòng)力室內(nèi)頂部。所述蓄電池上裝有變頻調(diào)速器與開(kāi)關(guān)。上述底泥耗氧速率測(cè)定裝置的使用方法是:首先將手持支架通過(guò)所述裝置的支架固定接口連接固定，手持支架將裝置浸沒(méi)于水中，待上覆水完全充滿測(cè)試室后，將溶氧儀探頭插入溶氧儀探頭插口中并密封，然后手持支架將裝置插入水底并固定，接著調(diào)控測(cè)試室的上覆水循環(huán)，待數(shù)分鐘后讀取并記錄溶氧儀DO讀數(shù)至測(cè)試結(jié)束。所述測(cè)試室的上覆水循環(huán)調(diào)控方式為:打開(kāi)蓄電池的開(kāi)關(guān)，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻調(diào)速器旋鈕改變連接有磁極的電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制磁力轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速率來(lái)調(diào)控測(cè)試室內(nèi)上覆水循環(huán)速率的大小，以此來(lái)模擬不同的水動(dòng)力作用。本發(fā)明巧妙地運(yùn)用了電磁作用原理，將充當(dāng)“槳片”的磁力轉(zhuǎn)子與作為動(dòng)力來(lái)源的電機(jī)分離開(kāi)來(lái)，有效地解決了電機(jī)在水下作業(yè)的不利問(wèn)題；同時(shí)由于磁力轉(zhuǎn)子與磁極之間的無(wú)軸連接不會(huì)出現(xiàn)軸承的生銹、卡沙等情況。另外，裝置底部的鋸齒形設(shè)計(jì)可以使裝置穩(wěn)穩(wěn)地抓住底泥，即使在水流湍急或者多砂石等水底環(huán)境下也能正常工作。本發(fā)明的底泥耗氧速率測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于拆卸、體積小巧便于攜帶、制作成本低，能夠有效實(shí)現(xiàn)不同水動(dòng)力作用下的底泥耗氧速率測(cè)定，也大大降低了測(cè)試費(fèi)用。`


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意 圖2為圖1的俯視 圖3為本發(fā)明蓄電池結(jié)構(gòu)示意 圖4為DO不同測(cè)試方式隨時(shí)間變化圖。
具體實(shí)施例方式參閱圖1、圖2和圖3，本發(fā)明包括測(cè)定裝置的構(gòu)造、測(cè)試裝置的連接與固定以及測(cè)試室中上覆水循環(huán)調(diào)控方式，具體如下:
(I)測(cè)定裝置的構(gòu)造:該測(cè)定裝置由測(cè)試室1、動(dòng)力室2、磁力轉(zhuǎn)子3、磁極4、電機(jī)固定支架5、電機(jī)6、溶氧儀探頭插口 7、手持支架固定接口 8、12V蓄電池9、變頻調(diào)速器10、電源開(kāi)關(guān)11組成。測(cè)試室I為底端敞開(kāi)而橫截面為跑道型的柱體結(jié)構(gòu)，底端邊緣為鋸齒形結(jié)構(gòu) ’動(dòng)力室2位于測(cè)試室頂部且處于封閉狀態(tài)，為圓柱筒體結(jié)構(gòu)；動(dòng)力室2內(nèi)設(shè)置有連接磁極4的電機(jī)6并通過(guò)電機(jī)固定支架5固定在動(dòng)力室I內(nèi)頂部，磁極4距離動(dòng)力室2底部約為3mm ；磁力轉(zhuǎn)子3置于動(dòng)力室2下方的測(cè)試室I內(nèi)并由磁極4的引力作用吸引在測(cè)試室I頂部；測(cè)試室I頂部遠(yuǎn)離動(dòng)力室2 —側(cè)設(shè)置有溶氧儀探頭插口 7，可供溶氧儀插入測(cè)試室I內(nèi)；測(cè)試室I兩端分別設(shè)置有手持支架固定接口 8，可插入手持式支架；動(dòng)力室2內(nèi)的電機(jī)6通過(guò)連接線外接12V蓄電池9，變頻調(diào)速器10與開(kāi)關(guān)也分別通過(guò)導(dǎo)線連接后安裝在12V蓄電池9上。(2)測(cè)試裝置的連接與固定:首先將手持式支架插入裝置兩端的支架固定接口 8連接固定，接著手持支架將裝置浸沒(méi)在水中，使氣泡從溶氧儀探頭插口 7溢出，待測(cè)試室I內(nèi)充滿水后將溶氧儀探頭插入溶氧儀探頭插口 7中并密封，最后手持支架將裝置插入水底固定。(3)測(cè)試室中上覆水循環(huán)調(diào)控方式:首先打開(kāi)12V蓄電池9的開(kāi)關(guān)11，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻調(diào)速器10旋鈕改變連接有磁極4的電機(jī)6的轉(zhuǎn)速，從而控制磁力轉(zhuǎn)子3的轉(zhuǎn)動(dòng)速率來(lái)調(diào)控測(cè)試室I內(nèi)上覆水循環(huán)速率的大小，并以此來(lái)模擬不同的水動(dòng)力作用。為了進(jìn)一步驗(yàn)證本裝置的實(shí)際測(cè)試效果，以曝氣條件下河道模擬裝置為研究對(duì)象，實(shí)施例為本發(fā)明方法水動(dòng)力條件下原位SOD測(cè)定；對(duì)比例I為實(shí)施箱式培養(yǎng)法原位SOD測(cè)定；對(duì)比例2為實(shí)驗(yàn)室移位傳統(tǒng)微泵循環(huán)條件下SOD測(cè)定；測(cè)試時(shí)水溫14.3°C ^14.5°C。
實(shí)施例本發(fā)明方法測(cè)定曝氣擾動(dòng)水動(dòng)力作用下的SOD
測(cè)試室I外殼材質(zhì)為鋁合金,動(dòng)力室2外殼材質(zhì)為透明有機(jī)玻璃。將手持支架通過(guò)本發(fā)明測(cè)定裝置中的支架固定接口 8連接固定，接著手持支架使裝置浸沒(méi)于水中，待測(cè)試室I內(nèi)完全充滿上覆水后，在溶氧儀探頭插口 7中插入帶有自制密封塞的筆式溶氧儀探頭并使之密封，然后手持支架將裝置插入水底并固定；然后打開(kāi)12V蓄電池9電源開(kāi)關(guān)11，根據(jù)雷諾相似準(zhǔn)則計(jì)算的流速來(lái)調(diào)節(jié)變頻調(diào)速10旋鈕至設(shè)定位置，等待IOmin后，開(kāi)始讀取溶氧儀讀數(shù)，前30min每Imin記錄一次DO數(shù)據(jù),30min后每5min記錄一次DO數(shù)據(jù)至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。對(duì)比例I
箱式培養(yǎng)法測(cè)定曝氣擾動(dòng)水動(dòng)力作用下的SOD
手持支架兩端，將本發(fā)明裝置插入與上述實(shí)驗(yàn)相同位置的水中至測(cè)試室完全充滿上覆水，并在溶氧儀探頭插口 7插入筆式溶氧儀探頭并密封，然后將裝置插入水底固定；等待IOmin后開(kāi)始記錄溶氧儀讀數(shù)，由于無(wú)上覆水循環(huán)模式DO變化較慢,故每5min記錄一次DO數(shù)據(jù)，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。對(duì)比例2
實(shí)驗(yàn)室移位傳統(tǒng)微泵循環(huán)法測(cè)定曝氣擾動(dòng)水動(dòng)力作用下的SOD在相同曝氣擾動(dòng)條件下，在相同測(cè)試位置處，取2.5 L上覆水與I L底泥，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室以供測(cè)試使用。首先將0.785 L底泥鋪設(shè)于內(nèi)徑10cm，高35cm的量筒中并輕輕壓平(泥層高度10cm)，然后以虹吸法輕輕注入上覆水高度25cm，插入溶氧儀探頭并密封，使用小型蠕動(dòng)泵以5mL/s的速率使上覆水循環(huán)。靜置IOmin后開(kāi)始讀取溶氧儀讀數(shù)，前30min每Imin記錄一次DO數(shù)據(jù),30min后每5min記錄一次DO數(shù)據(jù)至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。上述三種方法SOD測(cè)定結(jié)果的對(duì)比分析
參閱圖4，為三種方法測(cè)定過(guò)程中DO隨時(shí)間的變化分布。由圖中可以看出，箱式培養(yǎng)法測(cè)定過(guò)程中DO降低非常緩慢，從而導(dǎo)致所測(cè)得的底泥耗氧速率與真實(shí)情況有較大差距，主要是因?yàn)樵摲椒ㄔ诜忾]的裝置內(nèi)DO與底泥接觸不充分。相比之下，本發(fā)明裝置與實(shí)驗(yàn)室移位微泵循環(huán)法中測(cè)試室內(nèi)DO降低明顯，主要是由于在有動(dòng)力循環(huán)上覆水條件下可使DO與底泥充分接觸，能夠反映底泥水動(dòng)力條件下的實(shí)際耗氧情況。隨后，分別對(duì)本發(fā)明方法和實(shí)驗(yàn)室移位微泵循環(huán)法所測(cè)得的耗氧曲線進(jìn)行擬合，擬合度分別為0.9853和0.9655，據(jù)此可說(shuō)明本發(fā)明裝置在曝氣擾動(dòng)條件下的底泥耗氧速率測(cè)定中具有更高的準(zhǔn)確性。SOD的計(jì)算可根據(jù)以下公式:
權(quán)利要求
1.一種基于電磁動(dòng)力的底泥耗氧速率測(cè)定裝置，其特征在于該裝置包括測(cè)試室、動(dòng)力室、磁力轉(zhuǎn)子、磁極、電機(jī)、溶氧儀探頭插口、支架固定接口及蓄電池，所述測(cè)試室為底端敞開(kāi)而橫截面為跑道型的柱體結(jié)構(gòu)，其底端邊緣為鋸齒形，測(cè)試室頂部一側(cè)設(shè)有溶氧儀探頭插口，測(cè)試室頂部?jī)啥朔謩e設(shè)有支架固定接口 ；動(dòng)力室為圓柱筒體倒置固定于測(cè)試室頂部為封閉狀態(tài)，動(dòng)力室內(nèi)設(shè)有連接磁極的電機(jī)，電機(jī)通過(guò)連接線外接蓄電池；磁力轉(zhuǎn)子置于動(dòng)力室底部的測(cè)試室內(nèi)并與磁極磁力連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電磁動(dòng)力的底泥耗氧速率測(cè)定裝置，其特征在于所述電機(jī)通過(guò)電機(jī)固定支架固定于動(dòng)力室內(nèi)頂部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電磁動(dòng)力的底泥耗氧速率測(cè)定裝置，其特征在于所述蓄電池上裝有變頻調(diào)速器與開(kāi)關(guān)。
4.一種權(quán)利要求1所述基于電磁動(dòng)力的底泥耗氧速率測(cè)定裝置的使用方法，其特征在于首先將手持支架通過(guò)所述裝置的支架固定接口連接固定，手持支架將所述裝置浸沒(méi)于水中，待上覆水完全充滿測(cè)試室后，將溶氧儀探頭插入溶氧儀探頭插口中并密封，然后手持支架將裝置插入水底并固定；接著調(diào)控測(cè)試室的上覆水循環(huán)，等待數(shù)分鐘后讀取并記錄溶氧儀DO讀數(shù)至測(cè)試結(jié)束。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于電磁動(dòng)力的底泥耗氧速率測(cè)定裝置的使用方法，其特征在于所述調(diào)控測(cè)試室的上覆水循環(huán)具體為:打開(kāi)蓄電池的開(kāi)關(guān)，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻調(diào)速器旋鈕改變連接有磁極的電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制磁力轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速率來(lái)調(diào)控測(cè)試室內(nèi)上覆水循環(huán)速率的大小，以此來(lái)模擬不同的水動(dòng)力作用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于電磁動(dòng)力的底泥耗氧速率測(cè)定裝置及使用方法，其裝置包括測(cè)試室、動(dòng)力室、磁力轉(zhuǎn)子、磁極、電機(jī)、溶氧儀探頭插口、支架固定接口、蓄電池，所述測(cè)試室為底端敞開(kāi)而橫截面為跑道型的柱體結(jié)構(gòu)，測(cè)試室頂部一側(cè)設(shè)有溶氧儀探頭插口、兩端分別設(shè)有支架固定接口；動(dòng)力室為圓柱筒體倒置固定于測(cè)試室頂部，其內(nèi)設(shè)有連接磁極的電機(jī)，電機(jī)通過(guò)連接線外接蓄電池；磁力轉(zhuǎn)子置于測(cè)試室內(nèi)并與磁極磁力連接；將手持支架連接固定使裝置浸沒(méi)于水中并充滿上覆水，插入溶氧儀探頭并密封，再將裝置固定于水底并調(diào)控測(cè)試室上覆水循環(huán)后測(cè)定SOD。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于拆卸、體積小巧便于攜帶，可有效實(shí)現(xiàn)不同水動(dòng)力作用下的底泥耗氧速率測(cè)定。
文檔編號(hào)G01N33/24GK103207266SQ201310152318
公開(kāi)日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月27日
發(fā)明者沈叔云, 何巖, 黃民生, 潘建鵬, 張博, 姚麗平, 劉善文, 李志洪 申請(qǐng)人:華東師范大學(xué)