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关于一种浮游植物循环快速浓缩器装置的研制

2020-07-06 264 上传者：管理员

摘要：文中设计了一种浮游植物循环快速浓缩器装置，以解决现有虹吸式和静置浓缩器操作方法中存在的操作繁琐、易污染、效率低，时效性差等问题。其所涉及到的浓缩器，主要包括定时可调节流量的蠕动泵、浓缩器主体、浮游植物截留网、底座和定量瓶。文中详细的介绍了循环快速浓缩器设计原理、设计思路、操作流程以及材料选择，并通过与静置沉降器实验比对，以检测实际水样来检验本装置的有效性。结果显示，在时间节省约47h的情况下，得到的浮游植物生物量在合理范围内。

关键词：
实验比对
循环快速浓缩器
操作流程
浮游植物循环
生物物理学
设计原理
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浮游植物又称浮游藻类，是指在水中浮游生长的微小植物，同时也是水质监测的指示生物[1]。浮游植物的监测分为定性监测和定量监测,分别描述水体中浮游植物群落构成和优势种群。定量监测结果用浮游植物生物量表示。浮游植物生物量是湖库富营养化评价的最重要指标。根据SL733-2016《内陆水域浮游植物监测技术规程》中要求，浮游植物定量样品用采水器在所测水层采水1～2L，将用鲁哥氏液固定的水样，在实验室内倒入沉淀器中静置沉淀48h后，用虹吸管小心缓慢抽掉上清液，虹吸流速不能超过150mL/min，吸至澄清液1/3时，应进一步降低流速到10～20mL/min。整个虹吸过程不可扰动下层的沉淀物，一旦扰动，则需要重新静止沉淀。虹吸后余下20～25mL沉淀物转入定量瓶中。用少许上清液冲洗容器几次，冲洗液加到定量瓶中，定容至30mL，最后放入计数框进行镜检。

目前实验室应用的浮游植物生物量提取方法主要有两种：虹吸法和静置沉降器法。虹吸法主要存在的问题是：

1）操作步骤复杂，存在多次虹吸过程，实验误差较大。

2）虹吸过程限制因素多，存在搅动沉降物需重新沉降再虹吸的弊端。

3）虹吸过程慢，鲁哥氏液挥发，对实验者健康产生损伤。静置沉降器存在的问题是：

(1)静置时间为48h，时间过长，不能保证数据的时效性。(2)静置过程和取样过程对环境和操作手法要求严苛，不利于实验的快速进行。

国内关于浮游植物沉降器的研究和设计较多，如陈辰等发明的专利“一种浮游植物沉降收集装置”[2]，崔莹等发明的专利“一种两段式浮游植物浓缩器”[3]，杨瑞丰等发明的专利“一种浮游植物高效沉降装置”[4]等，均是以静置浓缩器为基础进行的升级改良。而关于快速浓缩装置的专利较少，且存在一定的弊端。如殷大从等发明的专利“浮游生物量快速沉淀装置”[5]中的快速浓缩器是应用多组浓缩器同时工作来提高沉降效率，但在实际操作中存在成本高，进出水口易富集浮游生物等问题。可投入使用的真正具有高效且可行的快速浓缩器的专利极少。

近年来，水华事件频发，环保和水利等相关部门迫切要求监测实验室对藻类生物量的监测数据及时准确的报送，以便了解发生水华水体中群落构成和优势种群，以便采取对应措施，故浮游植物生物量的快速监测技术急需研发，而生物量的快速浓缩过程就是最重要的制约因素。

1、浓缩器设计

1.1设计原理

截留、富集原理：《内陆水域浮游植物监测技术规程》中规定藻类定性样品采集应用25号浮游生物网，其网孔直径为0.064mm，可以收集需监测水体中全部种类的浮游植物。生物网的应用原理，一是生物网孔径对浮游植物产生的物理截留作用；二是在“∞”形循回拖动过程中，不断富集浓缩的浮游植物密度越来越大，前一次富集浓缩的浮游植物对后续的浮游植物同样产生截留作用。本循环快速浓缩器的设计思路依据定性样品采集的原理，将25号浮游生物采集网应用到定量样品浓缩过程中，通过蠕动泵将待检测水体中的浮游植物，多次通过生物网而被截留，从而产生富集作用，使水体中的浮游植物全部富集在生物网上。

1.2设计思路

循环浮游植物快速浓缩器应用定时可调节流量蠕动泵为水样的循环浓缩提供动力。该浓缩器主体包括底座和主体瓶体。底座上半部分为圆柱形状，圆柱内直径略大于主体瓶体外直径。进行浓缩实验时瓶体放置于底座上，为了防止水样渗漏，两者相接触的地方有防水密封圈。收集器底座下半部分为倒锥形，底端为放置圆形25号浮游植物网的圆形底座凹槽，底座凹槽的作用主要是固定浮游植物网，防止水循环时生物网被搅动。底座凹槽下端为直径小于生物网的玻璃的实底空心管，其作用一是作为循环水的出水管，二是防止生物网被水循环时被带入蠕动泵中，三是作为排放废液的通道。浓缩过程结束后，通过空心管连接的止逆阀和排水阀共同调节将水体排出。液体全部排出后，将底座与瓶体分离，拿出浮游植物网，放入定量瓶中，用原水定容到整数刻度，将定量瓶放入振荡器中振荡一定时间和频次后，可进行镜检。

1.3结构图例

浮游植物循环快速浓缩器装置如图1所示，包括：(1)定时可调节流量蠕动泵、(2)浮游植物浓缩器底座、(3)底座出水管、(4)浮游植物浓缩器瓶体、(5)浮游植物浓缩器进水管、(6)底座凹槽、(7)圆形25号浮游植物网、(8)止逆阀、(9)排水阀。

图1浮游植物循环快速沉降器结构图例

1.4操作流程

1）首先连接好浓缩器进水管、瓶体和蠕动泵甭管，然后连接好底座出水管和蠕动泵，主体瓶体和底座分裂状态，止逆阀和排水阀为关闭状态。将25号浮游植物网放置在底座凹槽后，把主体瓶体放在底座上。

2）待测水体摇匀后倒入瓶体，设置好需要循环的时间和水流流量后，打开止逆阀，开启蠕动泵工作。

3）蠕动泵工作结束后，关闭止逆阀，打开排水阀，待液体排空后，取下主体瓶体，拿出25号浮游植物网放置在定量瓶中，用待测水体定容到50mL。

4）将容量瓶放置在振荡器中，振荡5min，进行镜检。

1.5材料选择

浓缩器底座和底座出水管采用高密度聚乙烯材料制作，具有强度大，质量轻，耐腐蚀和价钱低的优点；止逆阀和排水阀均为聚四氟乙烯材料，化学稳定性高；浓缩器进水管采用硅胶管；浓缩器瓶体应用玻璃材质，便于清洗。

2、实验方法比对

2.1浮游植物生物量比对

应用浮游植物循环快速浓缩器与静置沉降器，对大连市某月某6座水库进行藻类密度监测比对实验。实验采用SL733-2016规程中的定量检测方法，应用静置沉降器检测出各个水库的藻类密度。48h后静置沉降器方法监测的藻类密度作为标准值。具体结果见表1。

通过实验结果可知，6座水库应用两种方法监测得到的藻类密度相对误差，均在规程允许误差（30%）以内。循环快速浓缩器在沉降浓缩时间节省约47h的情况下，所监测的数据准确度高，具备

表16座水库采用循环快速浓缩法与静置沉降法浮游植物监测数据比对

监测浮游植物生物量的可行性。

2.2浮游植物群落构成比对

应用浮游植物循环快速浓缩器与静置沉降器，对大连市某月某饮用水源地进行进行藻类群落构成、优势群落和生物量的监测。藻类计数法采用长条计数法，具体结果见表2。通过此表看出，两种方法所监测的群落构成完全一致，优势群落均为束丝藻。循环快速浓缩器法对浮游植物群落构成的监测具有准确性和可行性。

表2采用循环快速浓缩法与静置沉降法浮游植物监测数据比对

3、浮游植物循环快速浓缩器意义

第一，根据SL733-2016中针对定量浓缩过程的要求，采集回来的样品须经过48h静置沉降过程才能对其进行镜检。应用此浓缩器极大的缩短了沉降时间，镜检前的浓缩操作只需15min。且循环水流的方式有效的消除了外界对水体稳定性的影响，有利于保证实验数据的稳定性和准确性。第二，通过比对实验可知，应用25号浮游植物网截留的方式，对浮游植物进行富集浓缩，其监测的藻类结果符合质控要求，说明本循环快速浓缩器设计原理合理，设计思路正确，具有可操作性。第三，循环快速浓缩器的研制及使用，为快速确定发生水华水体的优势种群及种类构成具有积极意义，具有良好的应用前景。

参考文献：

[1]于洋,彭福利,孙聪,等.典型湖泊水华特征及相关影响因素分析[J].中国环境监测,2017,2(33):88-93.

[2]陈辰,李琪,于瑞海.一种浮游植物沉降收集装置[P].中国专利:CN201120276851.0,2012-5-30.

[3]崔莹,付翔.一种两段式浮游生物浓缩器[P].中国专利:CN201620529597.3,2016-11-30.

[4]杨瑞丰,赵凯,滕昱,邸俊强,等.一种浮游植物高效沉降装置[P].中国专利:CN201820460803.9,2018-04-03.

[5]殷大从,许继军,桑连海,等.浮游生物量快速沉淀装置[P].中国专利:CN201720059678.6,2017-08-18.

[6]杨大魁.经济植物浮床系统对富营养化水体净化效果研究[J].水利规划与设计,2018(11):53-56.

邸俊强.浮游植物循环快速浓缩器设计应用[J].东北水利水电,2020,38(05):50-51+64.