CN102928257A - 一种自然水体悬浮物分级采集装置及其采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自然水体悬浮物分级采集装置及其采集方法。本发明的采集装置包括：过滤组合套件、操控箱、潜水泵及水管；过滤组合套件进一步包括：入水元件、过滤元件和出水元件，多个过滤元件叠加在一起设置在入水元件和出水元件之间。本发明采用多个过滤元件叠加在一起，过滤元件的孔径从上至下依次递减，逐层分离不同粒径的悬浮物，能够实现一次性分离不同粒径的悬浮物，使得操作简单快捷，并提高精度。本发明更易于在野外采样时使用，配合深度、流量等仪表可以对不同深度的自然水体进行定量采样，能尽量在原位分离悬浮物，保证悬浮物的原始状态；克服了沉降法对于生物颗粒的分离则困难；通量更大，节省时间；并且成本十分低廉。

Description

一种自然水体悬浮物分级采集装置及其采集方法

技术领域

本发明涉及水环境悬浮物监测技术，具体涉及一种自然水体悬浮物分级采集装置及其采集方法。

背景技术

水体悬浮物指悬浮在水中的固体物质，包括不溶于水中的无机物、有机物及泥砂、黏土、微生物等。水中悬浮物含量是衡量水污染程度的指标之一。悬浮物是造成水浑浊的主要原因。水体中的有机悬浮物沉积后易厌氧发酵，使水质恶化。悬浮物在水环境中广泛存在，由于其比表面积较大，成为输送和分解污染物的载体，不同粒径的悬浮物影响着污染物在水体中的物理化学性质，是污染物迁移的重要指标。水体中污染物如金属、营养盐和持久性有机污染物易于吸附在悬浮物上，对于不同粒径的悬浮物，其吸附污染物的潜力不尽相同，因此，粒径分布对于污染物的浓度、形态有重要影响。目前，对于不同粒径与污染物关系的研究多见于实验室内的模拟研究，实验室内不同粒径的悬浮物易于制备，与污染物的关系易于判定，可以部分解释野外的悬浮物与不同污染物之间的关系。为了研究野外水体中悬浮物粒径分布与污染物的真实关系，有必要对野外水环境中的不同粒径的悬浮物先进行分离，而后对其中的污染物含量进行测定。

对于悬浮物的分离方法主要有沉降法、离心分离法、干式筛分法、湿式过滤法、复合分离法和流式细胞仪分离法。

1）沉降法：沉降法是利用不同粒径的悬浮物在水体中的沉降速率与其粒径有一定的相关性，一般情况下，粒径越大的悬浮物沉降速率越快。沉降法是经典分离不同粒径悬浮物的方法，有着广泛的应用，适用于悬浮物较大的粒级范围，而粒径较小的悬浮物很难分离，并且存在粒级交叉的情况，对于悬浮物的适用性仍然不强。现有文献一般是利用该方法分离浮游生物含量少、泥沙含量高的黄河水体中的不同粒径悬浮物，该法如果应用到浮游藻类含量较高的悬浮物不同粒径悬浮物分离时，粒径较大的浮游动物或者植物在存活状态下均不会沉入底部，而死亡的浮游生物沉入底部后分离的样品会限制研究范围，这使得沉降法用于富营养湖泊悬浮物不同粒径悬浮物分离受到很大的限制。

2）离心分离法：离心分离法是沉降法的一个延伸，离心会加速悬浮物的沉降速率，这样能够有效分离粒径较小的悬浮物，通过恒定时间和恒定离心转速，可以获得固定粒径的悬浮物，相对传统分离方法更为节约时间。与传统沉降法相比，该方法可以分离大悬浮物的浮游生物，离心分离法对沉降法进行了较大的改进，但现有离心分离法仍然是只能对固定粒级进行分离，连续分离多个粒径的悬浮物仍然存在技术困。

3）干式筛分法：干式筛分法是将收集到的大量水样过滤或者冷干收集到大量的悬浮物干物，然后将其置于不同孔径的筛网中，利用筛网的孔径大小进行分离。干式筛分法需要采集大量的水体才能获得足够进行筛分的悬浮物，无论是冷干还是过滤水样都费时费力。该法一般应用于悬浮物含量较多的水体，如地表径流、黄河水等，应用范围有一定的局限性。

4）湿式过滤法：湿式过滤法与干式筛选法核心原理相似，均是利用不同孔径的网或膜截留大悬浮物，透过小悬浮物，前者无需将悬浮物变为干体，直接通过滤网或者滤膜以达到分离不同粒径悬浮物的目的，该方法是利用有一定尺寸的滤网（膜）分离悬浮物。与沉降法的动力学粒径相比，更为贴近悬浮物的实际粒径。然而，现有的这种方法不能一次性完成过滤筛选悬浮物的目的，必须多次重复，每次更换新的滤网（膜），实现不同粒径的悬浮物的分离。

5）复合分级法：复合分级法是结合了沉降法和筛滤法对悬浮物进行分离的一种新技术方法，复合分级法带有沉降系统意味着其会占用较大的使用面积，其在野外采样中的应用受到一定的局限性。

6）流式细胞仪分选法：流式细胞仪的分选功能是由细胞分选器来完成的，针对浮游生物，流式细胞仪分选法具有极大的优势，它能够分离浮游生物类型的悬浮物和非生物类悬浮物，分离不同类型的浮游生物，与传统粒径分离思路不同，进一步扩展了悬浮物分离的概念，但是该技术手段的实现成本相对于其他技术来说较为高昂。

发明内容

针对以上现有技术存在的问题，基于湿式过滤法，本发明提供一种在野外能快速、便捷、高效的分离采集富营养化的自然水体悬浮物分级采集装置及其采集方法。

本发明的一个目的在于提供一种自然水体悬浮物分级采集装置。

本发明的自然水体悬浮物分级采集装置包括：过滤组合套件、操控箱、潜水泵及水管；其中，操控箱通过电路连接至潜水泵，控制潜水泵的采集水样；过滤组合套件进一步包括入水元件、过滤元件和出水元件，多个过滤元件叠加在一起设置在入水元件和出水元件之间，按照过滤元件的孔径的大小，从上至下依次递减；入水元件的顶部设置有进水口，出水元件的底部设置有出水口，潜水泵通过水管与进水口相连，将水样输送至过滤组合套件，从出水口流出。

本发明采用多个过滤元件叠加在一起，过滤元件的孔径从上至下依次递减，逐层分离不同粒径的悬浮物，能够实现一次性分离不同粒径的悬浮物，使得操作简单快捷，并提高精度。

本发明的过滤元件包括滤盘和过滤层，过滤层固定在滤盘上。滤盘上设置有通孔阵列，通孔的孔径在2mm~5mm之间，从而水样从通孔阵列中流入下一层过滤元件。过滤层的孔径从上至下依次递减，从而实现过滤元件的孔径从上之下依次递减，实现逐层分离不同粒径的悬浮物。过滤层为过滤网或者过滤膜，材料采用尼龙或特氟龙。过滤层采用卡环固定在滤盘上。

入水元件与过滤元件、出水元件与过滤元件以及相邻的过滤元件之间设置有密封圈，以保证各个元件之间的密封，确保水样依次经过各层的过滤元件，而不会从侧面溢出。进一步，各个元件之间采用螺纹相连，拆卸方便。

本发明进一步设置有深度探头，深度探头的一端连接至操控箱，另一端连接至潜水泵，可实现对不同深度水体的定深采样。

进一步，本发明的采集装置设置有流量计，流量计通过电路与操控箱相连，一侧设有出水管，通过设置在出水元件的底部的出水口与过滤组合套件相连，以实现定量采样。

本发明通过操控箱实现可控性动力操作，操控箱包括：控制面板；控制面板上设置有电池、仪表和开关。根据具体需要，仪表包括电压仪表、流量仪表和深度仪表；开关包括潜水泵开关、流量仪表开关、深度仪表开关和电源转换开关。进一步，操控箱的箱体分为两部分：控制部分和装载部分；控制部分为控制面板；装载部分在不工作时放置潜水泵、水管、深度探头和过滤组合套件等，在工作时固定过滤组合套件。

本发明可实现对不同深度水体的定量采样；各个元件之间采用螺纹相连，拆卸方便；利用多层不同孔径的过滤层可以实现多级悬浮物的分离；既可以使用交流电源也可以使用直流电源，与其他大型野外采样装置相比，更具便携性，十分适用于小型水体中不同粒径悬浮物的采集。

本发明更为小巧，可以在快艇等小型水面运载物上使用，可以在大型船只无法进入的小型水体中采样使用，也可以在大型水体中使用。在野外进行分离工作时，配合深度、流量等仪表可以对不同深度的自然水体进行定量采样，保证水体的悬浮物在原位就能有效的分离开来。利用本发明的过滤元件，可以轻松便捷的实现多级的分离。

本发明的另一个目的在于提供一种自然水体悬浮物分级采集方法。

本发明的自然水体悬浮物分级采集方法，包括以下步骤：

1）针对水体中悬浮物的粒径的范围，选择不同孔径的过滤层，为获得各级悬浮物质量，需要对过滤层进行恒重，称得过滤前重量；

2）组装过滤组合套件，过滤层的孔径从上至下依次递减，顶部的进水口与潜水泵相连；

3）将潜水泵深入水体中一定深度，打开潜水泵开关，水样进入过滤组合套件中开始分级过滤；

4）拆解过滤组合套件，取出过滤层后，冷藏保存带回实验室，置于保干器中恒重后称量，利用过滤前的重量差减可以得到各级悬浮物重量。

其中，在步骤1）中，针对污染物的类型不同，过滤层的材质可不同，可采用尼龙或特氟龙的过滤网或过滤膜。

本发明的采集方法进一步包括，在进行分级采集之前判定水体中的悬浮物的粒径分布，具体包括以下步骤：

a）确定待研究水体悬浮物的粒径分布特征：利用粒度仪或者文献数据获得待研究水体的悬浮物的粒径分布的特征，即悬浮物粒径范围和服从的分布曲线；

b）根据悬浮物的粒径分布特征确定划分级别和划分方式：在悬浮物的粒径范围内确定粒径级别，既可以采用等差数列划分，也可以采取等比数列划分，前者针对粒径分布服从正态分布或者类似正态分布，后者针对粒径分布服从对数正态或者类似对数正态分布。

进一步，对于分级采集后的悬浮物，进行污染物分析。对于研究重金属、营养盐和持久性有机污染物，可以将称重后的过滤层用于相应的前处理工作中。

本方法结合上述装置对快速、高效的对陆地富营养湖泊水体的不同粒径悬浮物进行分离，且适用于各类型水体，装置的便携性和功能性使得方法的应用范围更加广泛，为研究污染物在各类水体中不同粒径悬浮物中的分配和归趋提供了有效手段。

本发明的优点：

（1）更易于在野外采样时使用，能尽量在原位分离悬浮物，保证悬浮物的原始状态，避免了在转移带回实验室分离前可能出现的浮游生物死亡、悬浮物聚沉和水质变化的发生；

（2）易于与其他技术相结合使用，在使用其他方法时，本发明的方法可以先行分离一些干扰物质，如仅研究非浮游生物悬浮物时，可以利用相应孔径的过滤层阻挡大部分的浮游生物；

（3）针对自然水体，特别是富营养化严重的水体（含有丰富的藻类）有很好分离能力，克服了沉降法对于生物颗粒的分离困难；

（4）与沉降法相比，通量更大，节省时间；

（5）与流式细胞仪分选法相比，成本十分低廉。

附图说明

图1为本发明的自然水体悬浮物分级采集装置的实施例的示意图；

图2为本发明的过滤组合套件的示意图，其中，（a）为外观图，（b）为剖面图；

图3为本发明的具有一个过滤元件的过滤组合套件的爆炸图；

图4为本发明的操控箱的一个实施例的电路连接的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步阐述本发明。

如图1所示，本发明的自然水体悬浮物分级采集装置包括：过滤组合套件2、操控箱1、潜水泵3及水管4；其中，操控箱1连接至潜水泵3，控制潜水泵3的采集水样。本实施例设置有深度探头5和流量计6，深度探头5的一端连接至操控箱1，另一端连接至潜水泵3。过滤组合套件2进一步包括：入水元件21、过滤元件22和出水元件23，多个过滤元件22叠加在一起设置在入水元件21和出水元件23之间，按照过滤元件22的孔径的大小，从上至下依次递减；入水元件21的顶部设置有进水口，出水元件23的底部设置有出水口，潜水泵3通过水管4与进水口相连，将水样输送至过滤组合套件2，从出水口通过出水管流入到流量计6，如图2所示。

如图3所示，过滤元件22包括滤盘221和过滤层222；过滤层222采用卡环223固定在滤盘221的凹槽中；入水元件21与过滤元件22、出水元件23与过滤元件22以及相邻的过滤元件22之间设置有橡胶的密封圈224，置于滤盘221的O型圈凹槽中。各元件之间采用螺纹相连。入水元件21的顶部设置有进水口与潜水泵相连，将潜水泵3抽上来的水样导入过滤组合套件2，水样流经各层的过滤层和滤盘后，经过设置在出水元件23的底部的出水口通过出水管流入到流量计6。

在本实施例中，潜水泵3为12V 50W的直流潜水泵，出水最大流速为70L/min，提升高度可达5m，如果采样量较大时可采用12V 90W的直流潜水泵，出水最大流速可达83L/min，提升高度可达7m；深度探头5为12V 10米液位探头，通过气压校正和盐度校正，可以测定淡水水体探头至水面的距离，即水深，测定偏差小于5%；水管4采用硅胶管；电池10采用内置的12V 30Ah的锂电池。

操控箱1的箱体分为左右两部分：左边为控制部分，以及右边为装载部分；控制部分包括控制面板、电池、仪表、开关和连接电路；装载部分在不工作时放置潜水泵3、水管4、深度探头5和过滤组合套件2，在工作时固定过滤组合套件2，流量计6设置在装载部分的一个侧壁内。

如图4所示，潜水泵3、深度探头5和流量计6分别与在操控箱中1的控制部分的各自的仪表、开关相连。潜水泵3与潜水泵开关32及电池10相连；深度探头5与深度仪表51、深度仪表开关52及深度探头插孔53相连；流量计6与流量仪表61及流量仪表开关62相连；电池10分别与电压仪表11和变压器12及深度仪表51相连，在充电时，电池10与插孔14、充电器13及电源转换开关15相连。深度探头5的连接线插入深度探头插孔53，开启深度仪表开关52，电压仪表11和深度仪表51同时显示，其中，电压仪表11需要5V电压供电，因此采用了变压器12将12V电压变为5V后电压仪表11才能正常工作。选择好合适的流量计6后，开启流量仪表开关62，显示累计流量读数（0.00L，最大可达到9.99L，达到该值后，迅速按复位键，可从0.00L继续计数）。将绑有深度探头5的潜水泵3放置水面下合适深度后，开启潜水泵开关32，水样抽入过滤组合套件2中，通过水管进入流量计6，累计流量度数显示在流量仪表61上。实验完成后，关闭潜水泵开关32、流量仪表开关62和深度仪表开关52，可以停止装置运行。在实验室内使用或者充电时，需要通过充电器13，接上充电器13于充电插孔14，开启电源转换开关15，即可充电和使用交流电操控仪器了。

本发明可实现对不同深度水体的定量采样；各个元件之间采用螺纹相连，拆卸方便；利用多层不同孔径的过滤层可以实现多级悬浮物的分离；既可以使用交流电源也可以使用直流电源，与其他大型野外采样装置相比，更具便携性，十分适用于小型水体中不同粒径悬浮物的采集。

结合本发明的实施例，描述在安徽巢湖采集水样的不同粒径的悬浮物的采集方法，包括以下步骤：

1）由于实验条件有限及巢湖水体悬浮物粒径分布数据缺乏，选择了60目尼龙的过滤网（250μm）、100目尼龙的过滤网（150μm）、200目尼龙的过滤网（75μm）、400目尼龙的过滤网（38μm）、500目尼龙的过滤网（25μm）和0.8μm尼龙的微孔的过滤膜共六级，进入野外采样前，先将过滤层裁剪成直径为88mm的尺寸，然后放置保干器，衡重测定过滤前过滤层的重量Wb，包装于铝箔自封袋中带入野外，仪器在使用前需提前充电；

2）组装过滤组合套件，过滤层按照上述要求从上之下依次递减固定好六个不同孔径的过滤层，组合好的过滤组合套件置于操控箱的装载盖上，底部的出水口与流量计连接，顶部进水口与潜水泵相连；

3）进入预先设定的样点处，稳住船体后，将潜水泵绑上深度探头，深入水体中一定深度，打开潜水泵开关，水样抽入过滤组合套件中开始分级过滤，根据流量仪表确定最后过滤的水样的体积，采集了两个点，采集的水量分别为6.5L和8.4L，耗时分别为20min和30min；

4）拆解过滤组合套件，取出过滤层后，保存于4摄氏度冰箱中带回实验室，置于保干器中恒重后称量Wa，利用过滤前的重量差减可以得到各级悬浮物重量W。

测定重金属、营养盐和持久性有机污染物可在随后的研究中展开，此处仅介绍一种采集实施例的方案。

最后应说明的是：虽然本说明书通过具体的实施例详细描述了本发明的具体参数和结构，但是本领域的技术人员应该理解，本发明的实现方式不限于实施例的描述范围，在不脱离本发明实质和精神范围内，可以对本发明进行各种修改和替换，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。

Claims (10)

1.一种自然水体悬浮物分级采集装置，其特征在于，所述采集装置包括：采集装置包括：过滤组合套件（2）、操控箱（1）、潜水泵（3）及水管（4）；其中，操控箱（1）连接至潜水泵（3），控制潜水泵（3）的采集水样；所述过滤组合套件（2）进一步包括入水元件（21）、过滤元件（22）和出水元件（23），多个过滤元件（22）叠加在一起设置在入水元件（21）和出水元件（23）之间，按照过滤元件（22）的孔径的大小，从上至下依次递减；所述入水元件（21）的顶部设置有进水口，所述出水元件（23）的底部设置有出水口，所述潜水泵（3）通过水管（4）与进水口相连，将水样输送至所述过滤组合套件（2），从出水口流出。

2.如权利要求1所述的采集装置，其特征在于，所述过滤元件（22）包括滤盘（221）和过滤层（222），过滤层固定在滤盘上；所述滤盘（221）上设置有通孔阵列，通孔的孔径在2mm~5mm之间；所述过滤层（222）为过滤网或者过滤膜，材料采用尼龙或特氟龙。

3.如权利要求1所述的采集装置，其特征在于，所述过滤层（222）采用卡环（223）固定在所述滤盘（221）上。

4.如权利要求1所述的采集装置，其特征在于，所述入水元件（21）与过滤元件（22）、出水元件（23）与过滤元件（22）以及相邻的过滤元件（22）之间设置有密封圈（224）；各个元件之间采用螺纹相连。

5.如权利要求1所述的采集装置，其特征在于，进一步设置有深度探头（5），所述深度探头（5）的一端连接至操控箱（1），另一端连接至潜水泵（3）。

6.如权利要求5所述的采集装置，其特征在于，进一步设置有流量计（6），所述流量计（6）通过电路与操控箱（1）相连，一侧设有出水管，通过设置在所述出水元件（23）的底部的出水口与过滤组合套件（2）相连。

7.如权利要求6所述的采集装置，其特征在于，所述操控箱（1）包括：控制面板；控制面板上设置有电池、仪表和开关；所述仪表包括电压仪表（11）、流量仪表（61）和深度仪表（51）；所述开关包括潜水泵开关（32）、流量仪表开关（62）、深度仪表开关（52）和电源转换开关（15）。

8.如权利要求7所述的采集装置，其特征在于，所述操控箱（1）的箱体分为两部分：控制部分和装载部分；所述控制部分为控制面板；所述装载部分在不工作时放置潜水泵（3）、水管（4）、深度探头（5）和过滤组合套件（2）等，在工作时固定过滤组合套件（2）。

9.一种自然水体悬浮物分级采集方法，其特征在于，所述采集方法包括以下步骤：

1）针对水体中悬浮物的粒径的范围，选择不同孔径的过滤层，为获得各级悬浮物质量，需要对过滤层进行恒重，称得过滤前重量；

2）组装过滤组合套件，过滤层的孔径从上至下依次递减，顶部的进水口与潜水泵相连；

3）将潜水泵深入水体中一定深度，打开潜水泵开关，水样进入过滤组合套件中开始分级过滤；

4）拆解过滤组合套件，取出过滤层后，冷藏保存带回实验室，置于保干器中恒重后称量，利用过滤前的重量差减可以得到各级悬浮物重量。

10.如权利要求9所述的采集方法，其特征在于，进一步包括在进行分级采集之前判定水体中的悬浮物的粒径分布，具体包括以下步骤：

a）确定待研究水体悬浮物的粒径分布特征：利用粒度仪或者文献数据获得待研究水体的悬浮物的粒径分布的特征，即悬浮物粒径范围和服从的分布曲线；

b）根据悬浮物的粒径分布特征确定划分级别和划分方式：在悬浮物的粒径范围内确定粒径级别，既可以采用等差数列划分，也可以采取等比数列划分，前者针对粒径分布服从正态分布或者类似正态分布，后者针对粒径分布服从对数正态或者类似对数正态分布。

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