[发明专利]一种研究沉积物中重金属和/或磷酸盐释放的设备和方法

说明书

技术领域

本发明属于水生态研究领域，具体地涉及一种模拟沉积物中重金属和/或磷酸盐释放的设备。

本发明还涉及利用上述设备研究沉积物中重金属和/或磷酸盐释放的方法。

背景技术

在湖泊生物地球化学循环中，沉积物同时扮演着源和汇的双重角色，沉积物中的氮、磷、重金属等污染物可通过间隙水与上覆水进行物理、化学和生物的交换作用而释放到水体中。该过程影响了上覆水和间隙水中营养盐组分的浓度，导致了沉积物-水界面之间产生浓度梯度。沿着这一浓度梯度，污染物不断地在沉积物-水界面释放或沉积，使得沉积物-水界面总是处于生物地球化学动态平衡状态。其中，重金属和磷酸盐是沉积物中主要的污染物，重金属通过矿山开采、金属冶炼加工、化工生产、农业施肥等人为污染源，及地质侵蚀、风化等天然源形式进入水体，并沉积在底泥中，其含量往往高出水中几个数量级。与氮不同，磷在进入水体后不会消失，很容易沉积在底泥中，当环境条件改变时，沉积物中的磷又会发生间歇性再生作用，从而促进水体富营养化。因此，有必要对沉积物中重金属和磷酸盐的释放情况进行研究。

沉积物与上覆水体间的物质交换过程十分复杂，包括生物循环、早期成岩作用、溶解态物质的吸附于解吸、沉淀与溶解等。自上世纪90年代以来，也有陆续研究，通常采用野外原位观测和沉积物异位试验模拟法，前者简单、方便，且结果与实际较一致，但现场情况复杂，影响因素众多，结论各异。后者采用抓斗或其他装置取表层底泥，放入实验容器中进行静态或动态模拟实验，适用于研究污染物释放与影响因素之间的关系，或通过释放速率估算内源对湖泊的整体负荷，该方法简单易操作，因而被广泛应用。

大多数情形下，这类研究集中于沉积物对各种条件下污染物的释放研究，而关于释放过程中，沉积物-水界面的物理、化学变化的影响研究较少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种研究沉积物中重金属和/或磷酸盐释放的设备。

本发明的又一目的在于提供一种利用上述设备研究沉积物中重金属和/或磷酸盐释放的方法。

为实现上述目的，本发明提供的研究沉积物中重金属和/或磷酸盐释放的设备，主要包括沉积物-水界面系统和溶解氧控制装置；其中：

沉积物-水界面系统的主体为长方体有机玻璃水槽，沉积物-水界面系统水槽的一端设有进水口，另一端设有出水口；沉积物-水界面系统水槽内部用于盛装采集的表层沉积物和水样；

沉积物-水界面系统水槽底部沿中心线长度方向并列插有板式重金属和/或磷酸盐DGT探针（DGT：薄膜扩散梯度），用于吸附不同时期不同深度沉积物间歇水中释放的重金属和/或磷酸盐，原位测定间隙水中活性重金属和/或磷酸盐含量；

沉积物-水界面系统水槽顶部装有微电极控制系统，微电极控制系统中的主机通过马达控制器控制pH探针、DO探针（DO:溶解氧）和ORP探针(ORP:氧化还原电位）透过表层水插入沉积物中，用于实时监测沉积物-水界面附近pH、DO、ORP的变化；主机连接一参比电极；

沉积物-水界面系统水槽内设有数组挡板，各组挡板为交错放置，用于模拟不同水流下系统中产生的波浪；

沉积物-水界面系统水槽的进水口通过蠕动泵与溶解氧控制装置相连；

沉积物-水界面系统水槽的另一端接口紧挨上液面与溶解氧控制装置直接相连，使得多余的水通过溢流作用回到溶解氧控制装置；

溶解氧控制装置的主体为一长方体有机玻璃水槽，水槽内用于盛装水样，用于模拟真实的水体状况；

溶解氧控制装置水槽的顶部设有两个接口，接口一端分别连接N₂和O₂钢瓶，接口另一端连接曝气头，曝气头伸入水中进行曝气，用于控制水体中溶解氧含量。

所述的设备中，沉积物-水界面系统水槽内壁两侧设有凹槽，凹槽内用于安装板式重金属和/或磷酸盐DGT探针，凹槽上装有用于固定板式重金属和/或磷酸盐DGT探针的螺母。

所述的设备中，板式重金属和/或磷酸盐DGT探针与进水口之间的距离可以调节，以控制进水的流速。

所述的设备中，蠕动泵可精确控制进水流速，用于模拟静态和不同扰动条件对沉积物中重金属和磷酸盐释放的影响。

所述的设备中，板式重金属和/或磷酸盐DGT探针的结构为：顶层和底层各为一硬质板，在顶层硬质板和底层硬质板之间依次安装有第一层滤膜、扩散层、吸附层和第二层滤膜。

所述的设备中，溶解氧控制装置的水槽装有顶盖，顶盖上开设有孔，用于插设pH探针、DO探针和ORP探针，监测水槽内溶解氧含量的变化。