水体原位多相界面反应器

1.一种水体原位多相界面反应器，包括安装在水底的主体反应器（3）、自动调节反应室软性密封膜（2）、水样采集系统和气样采集系统；其特征在于：
主体反应器（3）的下部依靠主体反应器（3）的直筒体自身重力深入到松软的底泥内部，在体反应器（3）的上部采用自动调节反应室软性密封膜（2）覆盖，使底泥表层、主体反应器（3）的筒体和自动调节反应室软性密封膜（2）构成一个密闭的反应主体，主体反应器（3）内由上至下依次设置有肋板（4）、十字吊装架（5）和支撑板（6），其中主体反应器（3）的底端深入至松软的底泥内部并由支撑板（6）支撑；
所述水样采集系统由隔膜泵（15）、软性取样管（16）、韧性取样管（17）组成，用于水样采集和器内水体更换，肋板（4）附近设置韧性取样管（17），韧性取样管（17）通过软性取样管（16）与水面的隔膜泵（15）相连；
所述气样采集系统由集气穿孔管（7）、输气软管（8）、集气袋（9）、调节浮球（10）、滑动杆（11）和万向球（12）组成，用于在反应器顶部中心位置采集气体样本，其中万向球（12）安装于十字吊装架（5）的中心，滑动杆（11）的两端分别与调节浮球（10）和万向球（12）相连，保证滑动杆（11）在调节浮球（10）的浮力和万向球（12）作用下保持竖直状态，确保调节浮球（10）位于主体反应器（3）的顶部中心位置，在滑动杆（11）的外部套接安装有套管（13），调节浮球（10）的顶端设置有集气穿孔管（7），集气穿孔管（7）通过输气软管（8）与集气袋（9）相连，万向球（12）设置在底座（14）的上方，且万向球（12）在底座（14）内自由转动。
2.如权利要求1所述的水体原位多相界面反应器，其特征在于，所述的自动调节反应室软性密封膜（2）是顶部密封的圆筒状高强度柔性膜。
3.如权利要求1所述的水体原位多相界面反应器，其特征在于，所述 的软性取样管（16）上有止水夹（18）。
4.如权利要求1所述的水体原位多相界面反应器，其特征在于，所述十字吊装架（5）上连接有吊索（20）和浮子（19）。

水体原位多相界面反应器\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种反应器，特别是一种用于研究水体－沉积物－微生物多相界面物质迁移转化的原位反应器。\n背景技术\n[0002] 目前随着湖泊、水库等地表水源外源污染得到了有效控制，内源污染成为影响水源水质的主导因素。内源污染对水源水质的影响日益凸现。造成内源污染的沉积物和水体物质交换的最重要过程发生在水体－沉积物－微生物多相界面上，这一界面是最重要的环境边界层。因此对发生在此界面的污染物质迁移转化过程、机理、影响因素的研究对于改善水源水质、降低水厂处理负荷具有重要意义。目前所采用的研究方法主要包括以下两类：一类是在实验室内利用反应器模拟自然条件进行研究；另一类是在湖泊水库等地表水源地进行实地实时连续监测或定期取样监测。第一类实验室的模拟反应器因其在环境温度、压力及底泥表层结构等方面不可避免要改变多相界面的自然状态，必然会导致所得研究结果存在偏差，其反映的水体中污染物迁移转化规律可靠性受到一定质疑。第二类原位反应器可以在真实自然条件下进行研究，其研究结果的真实性不容置疑，但在使用中受到水下安装施工难度大、水库（湖泊）底部地形复杂、取样困难等因素限制。水体－沉积物－微生物多相界面上由化学及生物化学反应产生的气体在研究中占有重要的地位，但是在目前已知的范围内没有一种反应器的设计可以很好地解决采集气体样品的问题。\n发明内容\n[0003] 针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种水体原位多相界面反应器，该反应器能够控制一定体积的自然水体，最大程度的保持水体－沉积物－微生物多相界面的自然条件不受干扰；能够适应水库（湖泊）底部的复杂地形条件，采集水样方便并且可以采集气体样本。\n[0004] 为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：\n[0005] 一种水体原位多相界面反应器，包括主体反应器、自动调节反应室软性密封膜、水样采集系统和气样采集系统；其特征在于：\n[0006] 所述主体反应器和自动调节反应室软性密封膜组成一个密闭反应主体；主体反应器由薄壁直管制成，主体反应器内由上至下依次设置有肋板、十字吊装架和支撑板；\n[0007] 所述水样采集系统由隔膜泵、软性取样管、韧性取样管组成，用于水样采集和器内水体更换；\n[0008] 所述气样采集系统由集气穿孔管、输气软管、集气袋、调节浮球、滑动杆和万向球组成，用于在反应器顶部中心位置采集气体样本。\n[0009] 本发明的水体原位多相界面反应器，所带来的技术效果是：该反应器设置的自动调节反应室软性密封膜可以自动调节主体反应器内部压力与外部压力保持一致。设置的万向球可适应水库（湖泊）复杂的地形条件从而可以保证采集到主体反应器内部产生的气体样品。主体反应器内通过更换水体可以实现多周期的实验监测，并针对不同监测周期调整研究方案，其所得数据能更好地反应多相界面的实际情况。本发明保证了水体－沉积物－微生物多相界面的自然状态不受破坏，解决了多相界面反应器采集气体样品的问题，可在原位实现水库（湖泊）多相界面污染物迁移转化过程的全面研究。\n附图说明\n[0010] 图1是本发明的水体原位多相界面反应器结构示意图；\n[0011] 图中的附图标记分别表示：1、固液界面，2、自动调节反应室软性密封膜， 3、主体反应器，4、肋板，5、十字吊装架，6、支撑板，7、集气穿孔管，8、集气软管，9、集气袋，10、调节浮球，11、滑动杆，12、万向球，13、套管，14、底座，15、隔膜泵，16、软性取样管，17、韧性取样管，18、止水夹，19、浮子，20、吊索。\n[0012] 图2是万向调节球大样图；\n[0013] 图中附图标记分别表示：12、转动球，13、套管，14、底座。\n[0014] 以下通过附图和实施例以及反应器的使用方法对本发明作进一步的详细说明。\n具体实施方式\n[0015] 本发明解决上述问题的基本思路是：在水库（湖泊）底部安装一个直筒体，其下部依靠直筒体自身重力深入到松软的底泥内部，上部用一个特制的高强度柔性膜覆盖，使底泥表层、反应器筒体和压力调节膜构成一个密闭的反应主体。设置水样和气样采集系统：水样采集系统可以在不扰动内部水体及底泥、不改变内部连续反应条件的前提下自如取样。\n待密闭反应器内部沉积物释放污染物的过程达到平衡或者上覆水减少到最小体积时，可以通过隔膜泵反方向注水，从而开始下一个反应周期；气样采集系统由穿孔管、调节浮球、滑动杆、万向球组成，滑动杆和万向球共同作用可确保浮球位于反应器顶部中心位置，保证在水库（湖泊）底部地形情况复杂的情况下，由化学及生物化学反应产生的气体收集到反应器顶部中心并由穿孔管收集导出。\n[0016] 为了使所得的研究数据能够更好的反应实际情况，本发明还具有通过向反应器内部回注上覆水实现对水体－沉积物－微生物多相界面长期监测的功能，在不同的监测周期中可以及时调整研究方案。\n[0017] 如附图1所示，本实施例给出一种水体原位多相界面反应器，包括安装在水底的主体反应器3、自动调节反应室软性密封膜2、水样采集系统和气样采集系统；其中：\n[0018] 主体反应器3和自动调节反应室软性密封膜2组成一个密闭反应主体，主体反应器3内由上至下依次设置有肋板4、十字吊装架5和支撑板6。\n[0019] 自动调节反应室软性密封膜2是一个顶部密封的圆柱状高强度柔性膜，通过自紧性管卡和硅胶垫与主体反应器3的筒体密封连接。自动调节反应室软性密封膜2可以随密闭的主体反应器3内部上覆水的减少而收缩以防止反应器内部形成负压状态。\n[0020] 肋板4附近设置韧性取样管17，韧性取样管17通过软性取样管16与水面的隔膜泵15相连。\n[0021] 水样采集系统由隔膜泵15、软性取样管16、韧性取样管17组成，水样采集系统具有水样采集和器内水体更换的功能；\n[0022] 气样采集系统由集气穿孔管7、输气软管8、集气袋9、调节浮球10、滑动杆11和万向球12组成，用于在反应器顶部中心位置采集气体样本。其中，气样采集系统的核心是万向球12，万向球12安装于十字吊装架5的中心，其原理与外球面轴承类似。万向球12可以在-10°≤α≤10°的范围内的任意方向自由转动。\n[0023] 当主体反应器3在因水库（湖泊）底部地形不确定而发生倾斜时可以保证滑动杆\n11在调节浮球10的浮力和万向球12作用下保持竖直状态，从而确保调节浮球10位于主体反应器3的顶部中心位置。\n[0024] 在主体反应器3安装过程中，通过吊索20将主体反应器3平稳下放，下放过程中主体反应器3内部的空气可以通过顶部的气样采集点排出，最后主体反应器3内充满水并下放到水库（湖泊）的底部。当主体反应器3下放至水库（湖泊）底部时，依靠主体反应器3的自身重力，主体反应器3的底端可以深入至松软的底泥内部并由支撑板6支撑，使主体反应器3稳定在水库（湖泊）底部。\n[0025] 由化学及生物化学反应产生的气体聚集到主体反应器3顶部中心并由集气穿孔管7收集导入连接在水面的集气袋9内。浮子19为合成树脂或浮筒等能在水中漂浮的物体，用于指示水体原位多相界面反应器在水中的位置和固定软性样管16、集气袋9；浮子19通过不锈钢丝绳制成的吊索20固定在十字吊装架5上。\n[0026] 水样采集系统在采集水样时，打开软性取样管16上的止水夹18，将隔膜泵15连接到软性取样管16上，先排出软性取样管16中的存积水，再将取到的主体反应器3内部水样装入特定的取样容器中保存并对特定指标进行现场分析，如DO、T、ORP等。所采用隔膜泵的内部构件在工作时不与水样发生接触，不会对水样产生污染，其产生的水流剪切力低，也不会对水样产生物理影响。随着反应时间的延长，沉积物污染物的释放会达到平衡，这时可以通过软性取样管16更换主体反应器3内部水体，开始下一个周期的释放试验。通过器内水体更换的方式，可以进行多个周期的实验，根据前一周期的检测结果可以及时调节下一个周期的实验方案，从而使取得的研究成果更能反映真实情况。\n[0027] 气样采集系统的气样采集是实时进行的，通过万向球12和调节浮球10的调节，连接在集气软管8末端的集气袋9可以收集到反应器内部沉积物反应产生的气体。如附图2所示，万向球12的工作原理与外球面轴承的工作原理类似。底座14的内曲率半径与万向球12的曲率半径完全吻合，万向球12可以在底座14内自由转动。套管13的作用是约束滑动杆11在其内部上下滑动。\n[0028] 当反应器在因水库（湖泊）底部地形不确定而发生倾斜时，调节浮球产生的垂向浮力转化为带动万向球12的扭向力，使万向球12发生一定的转动，保持滑动杆始终可以沿一个竖直的方向上下滑动，从而确保调节浮球10始终位于反应器的顶部中心位置。