[发明专利]一种模拟研究河流水-悬浮颗粒-沉积物体系氮转化的装置及方法

说明书

本发明属于环境科学与工程领域，具体为一种模拟研究河流水‑悬浮颗粒‑沉积物体系氮转化的装置及方法。该发明先构建一种能够模拟河流尤其是使悬浮颗粒在水中保持悬浮态的实验装置，其特征包括控制盖、容器、电动机及其传动装置、氙灯光照设备、控制板和搅拌桨。控制盖与容器通过螺纹相连形成密封体系，控制板用于调节氙灯光照强度和调节搅拌桨转速使颗粒物保持悬浮态。涉及方法为通过添加河流各相样品、同位素示踪物质和其他试剂进行模拟实验，实验过程中通过辅助孔随时监测水体各项指标和收集样品，同时曝气充氧以保证水相的好氧条件。该方法在保证体系气密性的前提下能真实还原河流水‑悬浮颗粒‑沉积物体系的状况，反映氮在河流中的转化特征。

技术领域

本发明涉及环境科学与工程领域，具体为一种模拟研究河流水-悬浮颗粒-沉积物体系氮转化的装置及方法。

背景技术

随着人类对自然干预的加强，越来越多的氮通过农田施肥、化石燃料燃烧、畜禽养殖排污等人类活动的方式进入到自然环境中，加大了生态系统的氮负荷。其中会有相当一部分的氮通过地表径流、下渗、大气沉降等方式进入水体中。过多的氮元素容易引发氮污染，从而导致水体富营养化等环境问题。河流是一个丰富的氮资源宝库，同时也是发生氮转化的重要场所，对生态系统中氮的合理分配与调节做出了巨大贡献。以往的研究表明，河流沉积物是发生氮转化的主要地区；然而当前越来越多的研究发现，河流上覆水体中的悬浮颗粒也是发生氮转化的重要地点，如果不考虑悬浮颗粒上脱氮作用对氮转化的贡献，则河流在全球氮排放的贡献将会被低估。因此，关于悬浮颗粒对河流中的氮转化的影响需要深入地研究。

经检索，文献“Liu，Ting，et a1.″Acceleration of Denitrification in TurbidRivers Due to Denitrification Occurring on Suspended Sediment in OxicWaters.″Environmental ScienceTech-nology 47.9(2013)：4053-4061.”中提到一种模拟装置，虽然该装置通过外接搅拌器搅拌水体使悬浮颗粒保持悬浮态，但装置过于简单，无法解决在实验过程中装置顶部氮气(N₂)和一氧化二氮(N₂O)的逸散问题，影响实验结果。该文献中未提及在实验过程中与实验相关的水体各项指标如溶解氧(DO)、氧化还原电位(ORP)、pH、电导率(Conductivity)、水温的监测步骤以及气体、水样品收集的操作顺序，因此实验过程不明确。

为了在实验室中能够真实地还原天然河流中水-悬浮颗粒-沉积物的环境条件，解决实验过程中装置的密封性问题，同时方便氮转化产物的收集和水体各项指标的测定，有必要研发出一套能够形成水-悬浮颗粒-沉积物微宇宙体系的自然河流模拟装置；且该装置构建完成后能够通过特定的操作步骤收集装置内的样品，监测水体的相关指标，以获得较为准确的实验结果。

发明内容

要解决的问题

针对在河流微宇宙体系氮转化模拟实验中，装置气密性不足、实验产物难以收集的问题，本发明提出一种模拟研究河流水-悬浮颗粒-沉积物体系氮转化的装置及方法，该发明首先采用一种特定的实验装置模拟自然河流的运动状态，使微生物在体系内进行氮转化，然后利用一定的操作步骤进行模拟实验、监测水中各项指标，并收集体系中产物，以达到较为真实的模拟效果，提高实验的准确性。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案。

第一方面，本发明实施例提供一种研究河流水-悬浮颗粒-沉积物体系氮转化作用的模拟装置，所述装置用于执行第二方面的方法，所述装置包括顶部的控制盖(高15.0-20.0cm，内径40.0-60.0cm，壁厚0.5-2.0cm，内径∶高＝3∶1)和底部的容器(内径12.0-40.0cm，容器内径小于控制盖内径，高16.0-53.0cm，内径∶高＝3∶4，容积1.8-67.0L壁厚0.5-2.0cm)。