水體重金屬現場監測系統的製作方法
2023-06-04 05:31:06 2
專利名稱：水體重金屬現場監測系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及水體監測技術領域，尤其涉及一種水體重金屬現場監測系統。
背景技術：
由於人口增加和工農業生產的發展，人類賴以生存的水生態系統日益退化，例如水體重金屬汙染、水體富營養化等問題，已嚴重威脅社會經濟的持續發展和人類健康。水體監測包括常規監測和應急監測，對水體水質進行監測能夠掌握水質現狀及其變化趨勢，具有重要的理論和現實意義。現有技術公開了多種水體監測的方法，主要分為化學方法、物理方法和生物學方法，其中，物理方法一般只能作定性描述，必須與化學方法相配合；而化學方法包括化學分析方法和儀器分析方法，化學分析方法以汙染物質的化學特性為基礎，適用於常量分析，設備簡單、準確度高，但操作比較費時；儀器分析方法以汙染物質的化學或物理化學特性為基礎，使用特定儀器進行分析，如比色分析法、分光光度分析、原子吸收光譜分析等，適於快速分析和微量分析，但設備複雜，而且對於低濃度複合汙染水體來說，由於水體中汙染物種類多且含量低，化學分析法難以實現對每種汙染物進行定量分析，不利於評價水體複合汙染的綜合毒性。生物學方法是根據生物與環境相適應的原理，通過測定水生生物的變化，間接判斷水質的方法，包括指示生物法、群落結構法、生物測試法和殘毒測定法等，生物學方法可以用於水體複合汙染的綜合毒性，但是，生物學方法一般是利用選定的生物模型在已知汙染物的種類與濃度等特定實驗體系中完成的，與實際水環境汙染情況相差較遠。由於著生藻類是附著在水體固體界面上生活的藻類，能夠準確地反映特定空間與時間上的水質狀況，並且由於著生藻類位於水生食物鏈最前端，對水環境變化的響應更為敏感和快速，目前被廣泛用於海洋生物監測中。但是，目前一般以天然或人工選定的固體材料，如石頭、載玻片等作為藻類附著生長的載體，這些載體不具有對汙染物的選擇性富集特徵，因此需要較長時間才能形成著生生物種群之間的差異，而且必須與未受汙染試驗區作對照。進一步的，僅當汙染程度超出預定程度時，水汙染才會影響著生藻類的生長，在未達到預定程度的情況下，著生藻類的生長不會發生變化，難以判斷水體是否存在汙染。另外， 多種因素會影響著生藻類的生長模式，如重金屬汙染、有機物汙染等，著生藻類發生變化時也難以現場區分是哪種汙染物引起的生物毒性，需要另行進行分析。
實用新型內容有鑑於此，本實用新型提供了一種水體重金屬現場監測系統，本實用新型提供的水體重金屬現場監測系統能夠即時監測水體的汙染狀態並判斷是否是受重金屬汙染。為實現上述目的，本實用新型提供如下技術方案一種水體重金屬現場監測系統，包括可富集水體內重金屬的功能載體層；附著於所述功能載體層上、對重金屬具有響應的第一重金屬響應層。[0010]優選的，所述功能載體層包括生態基層；複合在所述生態基層表面、可富集水體內重金屬的功能層。優選的，所述功能層為冠醚類樹脂層、硫脲類樹脂層或巰基樹脂層。優選的，所述第一重金屬響應層為著生藻類層。優選的，還包括與所述功能載體層對照設置的載體層，所述載體層上附著有對重金屬具有響應的第二重金屬響應層。優選的，所述載體層為生態基層。優選的，所述第二重金屬響應層為著生藻類層。優選的，所述功能載體層與所述載體層設置在同一個水平面上。優選的，所述功能載體層與所述載體層疊置。優選的，還包括固定所述功能載體層的載體固定支架。與現有技術相比，本實用新型提供的水體重金屬現場監測系統包括可富集水體內重金屬的功能載體層；附著於所述功能載體層上、對重金屬具有響應的第一重金屬響應層。在本實用新型提供的水體重金屬現場監測系統中，功能載體層可選擇性富集水體內的重金屬，區分並放大水體內重金屬汙染物的影響，使附著於所述功能載體層上的第一重金屬響應層對重金屬作出快速響應，從而即時監測水體的汙染狀態並判斷是否是受重金屬汙染。本實用新型提供的水體重金屬現場監測系統可選擇性富集重金屬，因此可對重金屬汙染物作出快速響應，且無需重金屬汙染超出預定程度即可快速響應，實現對水體中重金屬汙染的即時監測，不僅監測速度快，而且具有提前預警的作用。此外，本實用新型提供的水體重金屬現場監測系統結構簡單、使用方便、分析成本低。
為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本實用新型實施例提供的水體重金屬現場監測系統的結構示意圖；圖2為本實用新型提供的藻類著生與培養裝置的結構示意圖。
具體實施方式
為了使本領域技術人員更好地理解本實用新型的技術方案，
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。本實用新型提供了一種水體重金屬現場監測系統，包括可富集水體內重金屬的功能載體層；附著於所述功能載體層上、對重金屬具有響應的重金屬響應層。參見圖1，圖1為本實用新型提供的水體重金屬現場監測系統的結構示意圖，其中，1為功能載體層，2為附著在功能載體層1上的第一重金屬響應層。功能載體層1可選擇性富集水體內的重金屬，從而區分與放大重金屬汙染的毒性，便於第一重金屬響應層2對重金屬作出響應。功能載體層1能夠從低濃度複合汙染水體中選擇性富集重金屬，又能夠作為重金屬響應層的載體。在本實施例中，功能載體層1包括載體層和複合在所述載體層表面、可富集水體內重金屬的功能層。所述載體層可以為比表面積大、生物相容性好的材料，如Aquamat生態基等，也可以為石頭、載玻片等載體。為了達到便於與功能層複合的目的，所述載體層由生態基形成， 即所述載體層為生態基層。所述功能層複合在所述載體層的表面，具有選擇性富集水體內重金屬的功能。所述功能層可以為對重金屬具有富集功能的功能性高分子材料，如冠醚類樹脂、硫脲類樹脂或巰基樹脂等，由此，所述功能層可以為冠醚類樹脂層、硫脲類樹脂層或巰基樹脂層。第一重金屬響應層2附著於功能載體層1上，由能夠對重金屬作出響應的物質形成，如可對重金屬生物毒性作出響應的著生藻類、附著動物、發光菌等。為便於對水體中各類重金屬的生物毒性進行監測和識別，本實施例中，第一重金屬響應層2由著生藻類形成， 即其為著生藻類層。在其他實施例中，第一重金屬響應層2可以由發光菌或附著動物形成。著生藻類通過培養著生於功能載體層上，形成包括功能載體層和著生藻類層的水體重金屬現場監測系統，該系統適於對低濃度複合汙染水體進行監測，原理如下將所述水體重金屬現場監測系統固定於待監測水體中，按照待監測水體的實際環境特點，如水流方向、取水口、支流匯入口、排汙口等，將3個以上所述水體重金屬現場監測系統固定；水體重金屬現場監測系統中的功能載體層1能夠選擇性富集水體中的重金屬，從而將重金屬汙染物對第一重金屬響應層2的毒性放大，使第一重金屬響應層2快速產生響應，從而監測水體汙染狀況。當第一重金屬響應層為著生藻類層時，功能載體層1中富集的重金屬會降低著生藻類層中著生藻類的色素合成，降低其生長速率，甚至使著生藻類死亡， 從而實現即時監測水體的汙染狀態並判斷是否是受重金屬汙染的目的。在本實用新型提供的水體重金屬現場監測系統中，功能載體層可選擇性富集水體內的重金屬，區分並放大水體內重金屬汙染物的影響，使附著於所述功能載體層上的第一重金屬響應層對重金屬作出快速響應，從而即時監測水體的汙染狀態並判斷是否是受重金屬汙染。本實用新型提供的水體重金屬現場監測系統可選擇性富集重金屬，因此可對重金屬汙染物作出快速響應，且無需重金屬汙染超出預定程度即可快速響應，實現對水體中重金屬汙染的即時監測，不僅監測速度快，而且具有提前預警的作用。此外，本實用新型提供的水體重金屬現場監測系統結構簡單、使用方便、分析成本低。為了使對水體汙染的判斷更為準確，所述水體重金屬現場監測系統還包括與所述功能載體層對照設置的載體層，所述載體層上附著有對重金屬具有響應的第二重金屬響應層。載體層與功能載體層1對照設置，其不具有選擇性富集水體中重金屬的能力，可以為比表面積大、生物相容性好的材料，如Aquamat生態基等，也可以為石頭、載玻片等載體。所述載體層可以採取與功能載體層中的載體層相同的材料，如Aquamat生態基。[0040]載體層上附著有對重金屬具有響應的第二重金屬響應層，為了便於比較判斷，第二重金屬響應層與第一重金屬響應層相同，均為著生藻類層、附著動物層或發光菌層等。載體層及附著於所述載體層上的第二重金屬響應層主要是為功能載體層及附著於所述功能載體層上的第一重金屬響應層提供參照物，便於判斷第一重金屬響應層是否對重金屬作出了響應，進而判斷水體是否遭受汙染，是否遭受了重金屬汙染，其監測原理如下將包含功能載體層、載體層和分別附著於所述功能載體層和載體層上的第一重金屬響應層和第二重金屬響應層的水體重金屬現場監測系統固定於待監測水體中，按照待監測水體的實際環境特點，如水流方向、取水口、支流匯入口、排汙口等，將3個以上所述水體重金屬現場監測系統固定；水體重金屬現場監測系統中的功能載體層1能夠選擇性富集水體中的重金屬，從而將重金屬汙染物對第一重金屬響應層2的毒性放大，使第一重金屬響應層2快速產生響應，從而監測水體汙染狀況。當第一重金屬響應層為著生藻類層時，功能載體層1中富集的重金屬會降低著生藻類層中著生藻類的色素合成，降低其生長速率，甚至使著生藻類死亡； 載體層不具有選擇性富集水體中重金屬的能力，因此，當水體中有較低濃度重金屬汙染時， 第二重金屬響應層不會作出響應，當第二重金屬響應層為著生藻類層時，該藻類不會發生色度、生長速率等的變化，從而通過對比功能載體層上的著生藻類與載體層上的著生藻類的生物學反應、色度、形貌等因素的變化進行水體是否遭受重金屬汙染的判斷。另外，當功能載體層上著生的著生藻類與載體層上著生的著生藻類同時發生色素變化、生長緩慢或者死亡等情況時，可判斷水體遭受了汙染，而且不是重金屬汙染，可根據該信息進一步判斷水體遭受了何種汙染，從而快速判斷汙染物的致毒機制。由此可見，本實用新型提供的水體重金屬現場監測系統不僅能夠監測水體是否遭受汙染，而且能夠監測水體是否遭受重金屬汙染，方法簡單、操作簡便。由於載體層及附著在載體層上的第二重金屬響應層的主要作用是對照、參比，本實用新型對所述載體層與所述功能載體層的位置關係沒有特殊限制，可以在同一個水平面內平行設置，也可以在同一個豎直面內平行設置，載體層可以位於功能載體層的上方，也可以位於功能載體層的下方，還可以將載體層與功能載體層疊置，即將載體層未附著重金屬響應層的一面與功能載體層未附著重金屬響應層的一面疊置，形成第一重金屬響應層、功能載體層、載體層和第二重金屬響應層的結構。在本發明中，載體層及附著在載體層上的第二重金屬響應層只要能夠實現對照、參比的作用即可。為了使所述水體重金屬現場監測系統在水體中更好地發揮監測作用，所述水體重金屬現場監測系統還包括固定所述功能載體層的載體固定支架，所述載體固定支架可將功能載體層固定，並使功能載體層保持平直，使之更利於監測。以下結合實施例對本實用新型提供的水體重金屬現場監測系統及其應用進行詳細說明。實施例1以圖2所示的藻類著生與培養裝置進行藻類的著生與培養，所述藻類著生與培養裝置包括保溫箱體；設置於所述保溫箱體內部的集水槽；與所述集水槽相連的循環泵；與所述循環泵的出水口相連的培養水槽，所述培養水槽上固定有藻類載體；與所述培養水槽的出水口相連的浮遊植物過濾器，所述浮遊植物過濾器的出水口與所述集水槽相連；設置在所述保溫箱體內的光照控制裝置及溫度控制裝置。參見圖2，圖2為本實用新型提供的藻類著生與培養裝置的結構示意圖，其中，1為保溫箱體，2為設置在保溫箱體1內的集水槽； 3為與集水槽2的出水口相連的循環泵，41為與循環泵3的出水口相連的第一培養水槽，42 為與第一培養水槽41的出水口相連的第二培養水槽，43為與第二培養水槽42的出水口相連的第三培養水槽，5為與第三培養水槽43的出水口相連的浮遊植物過濾器，6為設置在保溫箱體1內的光照控制裝置，7為設置在保溫箱體1內的溫度控制裝置。從待監測水體中的固體界面上收集著生藻類的水溶液作為接種液，所述待監測水體含有以下成分:TN < 7. 75mg/L ；TP < 0. 31mg/L ；TK < 0. 36mg/L ；Mg2+ < 0. 45mg/L ；Ca2+ < 1.48mg/L;Na+< 11.79mg/L;將接種液置於藻類著生與培養裝置的集水槽2中，分別以 Aquamat生態基和由Aquamat生態基和複合在所述Aquamat生態基上的硫脲類樹脂層組成的功能載體為載體，開啟循環泵3進行藻類的著生與培養，培養液配方為總氮< 7. 75mg/ L，總磷< 0. 31mg/L，氮磷比為25 1 ；培養條件為水溫為25 30°C;流速為7. 0 15. Om/ min;光照強度為2500-35001UX，光暗比為12 12 ；待載體和功能載體上長滿綠色著生藻類時，結束培養，得到水體重金屬監測系統。對所述水體重金屬監測系統進行觀察，著生藻類以絲狀藻多、球形顆粒狀藻少；著生藻類中，綠藻為優勢種，硅藻次之，藍藻最少；功能載體層上，著生藻類的生長速度約為 1. 15 1. 56g(dr)/m2 · d ；載體層上，著生藻類的生長速度約為1. 00 1. 48g(dr)/m2 · d。實施例2以圖2所示的藻類著生與培養裝置進行藻類的著生與培養。從待監測水體中的固體界面上收集著生藻類的水溶液作為接種液，所述待監測水體含有以下成分:TN 7. 75-35. 88mg/L ；TP :0. 31-1. 36mg/L ；TK :0. 36-1. 81mg/L ；Mg2+ 0. 45-2. 23mg/L ；Ca2+ :1. 48-7. 41mg/L ；Na+ :11. 79-58. 94mg/L ；將接種液置於藻類著生與培養裝置的集水槽2中，分別以Aquamat生態基和由Aquamat生態基和複合在所述Aquamat生態基上的硫脲類樹脂層組成的功能載體為載體，開啟循環泵3進行藻類的著生與培養，培養液配方為總氮為7. 75-35. 88mg/L,總磷為0. 31-1. 36mg/L，氮磷比25 1 ；培養條件為 水溫為25 30°C;流速為4. 0 8. Om/min ；光照強度為2500_;35001ux，光暗比為12 12 ； 待載體和功能載體上長滿綠色著生藻類時，結束培養，得到水體重金屬監測系統。對所述水體重金屬監測系統進行觀察，著生藻類以顆粒狀藻多、絲狀藻少，藻類基本全部覆蓋在功能載體及載體上；著生藻類中，藍藻為優勢種，硅藻和綠藻次之；功能載體層上，著生藻類的生長速度約為3. 11 4. 55g(dr)/m2 · d ；載體層上，著生藻類的生長速度約為 2. 80 4. 23g(dr)/m2 · d。實施例3將實施例1得到的水體重金屬監測系統固定於待監測水體中進行監測，所述待監測水體含有以下成分:TN < 7. 75mg/L ；TP < 0. 31mg/L ；TK < 0. 36mg/L ；Mg2+ < 0. 45mg/L ； Ca2+ < 1. 48mg/L ；Na+ < 11. 79mg/L，水流速度為7. O 15. Om/min ；2周後進行著生藻類的觀察著生藻類以絲狀藻多、球形顆粒狀藻少；著生藻類中，綠藻為優勢種，硅藻次之，藍藻最少；功能載體層上，著生藻類的生長速度約為1. 15 1. 56g(dr)/m2-d ；載體層上，著生藻類的生長速度約為1. OO 1. 48g(dr)/m2 ·(!。結果表明，功能載體層和載體層上的著生藻類均呈綠色、健壯且色澤光亮，說明功能載體層和載體層上的著生藻類具有共同的變化趨勢， 能夠作為監測體系進行監測。實施例4將實施例2得到的水體重金屬監測系統固定於待監測水體中進行監測，所述待監測水體含有以下成分:TN 7. 75-35. 88mg/L ；TP :0. 31-1. 36mg/L ；TK :0. 36-1. 81mg/L ；Mg2+ 0. 45-2. 23mg/L ；Ca2+ :1. 48-7. 41mg/L ；Na+ :11. 79-58. 94mg/L ；流速為 4· 0 8. Om/min ； 2周後進行著生藻類的觀察著生藻類以顆粒狀藻多、絲狀藻少，藻類基本全部覆蓋在功能載體及載體上；著生藻類中，藍藻為優勢種，硅藻和綠藻次之；功能載體層上，著生藻類的生長速度約為3. 11 4. 55g(dr)/m2 · d ；載體層上，著生藻類的生長速度約為2. 80 4. 23g(dr)/m2 · d。結果表明，功能載體層和載體層上的著生藻類均呈綠黃色、健壯、顆粒圓潤且色澤光亮，說明功能載體層和載體層上的著生藻類具有共同的變化趨勢，能夠作為監測體系進行監測。實施例5將實施例1得到的水體重金屬監測系統固定於待監測水體中進行監測，所述待監測水體含有以下成分:TN < 7. 75mg/L ；TP < 0. 31mg/L ；TK < 0. 36mg/L ；Mg2+ < 0. 45mg/ L ；Ca2+ < 1. 48mg/L ；Na+ < 11. 79mg/L，檸檬酸0. 22 1. 321mg/L，水流速度為 1 Om/min ；2 周后進行著生藻類的觀察著生藻類以絲狀藻多、球形顆粒狀藻少；著生藻類中，綠藻為優勢種，硅藻次之，藍藻最少；功能載體層上，著生藻類的生長速度約為1. 10 1.60g(dr)/ m2 · d ；載體層上，著生藻類的生長速度約為1. OO 1. 50g(dr)/m2 · d。結果表明，功能載體層和載體層上的著生藻類均呈綠色、健壯且色澤光亮，說明功能載體層和載體層上的著生藻類具有共同的變化趨勢，能夠作為監測體系進行監測。實施例6將實施例2得到的水體重金屬監測系統固定於待監測水體中進行監測，所述待監測水體含有以下成分:TN 7. 75-35. 88mg/L ；TP :0. 31-1. 36mg/L ；TK :0. 36-1. 81mg/L ；Mg2+ 0. 45-2. 23mg/L ；Ca2+ :1. 48-7. 41mg/L ；Na+ :11. 79-58. 94mg/L ；檸檬酸0. 22 1. 32mg/L ； 流速為6m/min ；2周後進行著生藻類的觀察著生藻類以顆粒狀藻多、絲狀藻少，藻類基本全部覆蓋在功能載體及載體上；著生藻類中，藍藻為優勢種，硅藻和綠藻次之；功能載體層上，著生藻類的生長速度約為3. OO 4. 50g(dr)/m2 · d ；載體層上，著生藻類的生長速度約為2. 80 4. 2g(dr)/m2 · d。結果表明，功能載體層和載體層上的著生藻類均呈綠黃色、健壯、顆粒圓潤且色澤光亮，說明功能載體層和載體層上的著生藻類具有共同的變化趨勢，能夠作為監測體系進行監測。實施例7將實施例1得到的水體重金屬監測系統固定於待監測水體中進行監測，所述待監測水體含有以下成分:TN < 7. 75mg/L ；TP < 0. 31mg/L ；TK < 0. 36mg/L ；Mg2+ < 0. 45mg/L ； Ca2+ < 1. 48mg/L ；Na+ < 11. 79mg/L，檸檬酸:0. 22 1. 321mg/L，不同濃度的 Cu2+，水流速度為lOm/min ；2周後進行著生藻類的觀察，結果參見表1，表1為本實用新型提供的水體重金屬監測系統對含Cu2+廢水的監測結果。表1本實用新型提供的水體重金屬監測系統對含Cu2+廢水的監測結果
權利要求1.一種水體重金屬現場監測系統，包括 可富集水體內重金屬的功能載體層；附著於所述功能載體層上、對重金屬具有響應的第一重金屬響應層。
2.根據權利要求1所述的水體重金屬現場監測系統，其特徵在於，所述功能載體層包括生態基層；複合在所述生態基層表面、可富集水體內重金屬的功能層。
3.根據權利要求2所述的水體重金屬現場監測系統，其特徵在於，所述功能層為冠醚類樹脂層、硫脲類樹脂層或巰基樹脂層。
4.根據權利要求1所述的水體重金屬現場監測系統，其特徵在於，所述第一重金屬響應層為著生藻類層。
5.根據權利要求1所述的水體重金屬現場監測系統，其特徵在於，還包括與所述功能載體層對照設置的載體層，所述載體層上附著有對重金屬具有響應的第二重金屬響應層。
6.根據權利要求5所述的水體重金屬現場監測系統，其特徵在於，所述載體層為生態基層ο
7.根據權利要求5所述的水體重金屬現場監測系統，其特徵在於，所述第二重金屬響應層為著生藻類層。
8.根據權利要求5 7任意一項所述的水體重金屬現場監測系統，其特徵在於，所述功能載體層與所述載體層設置在同一個水平面上。
9.根據權利要求5 7任意一項所述的水體重金屬現場檢測系統，其特徵在於，所述功能載體層與所述載體層疊置。
10.根據權利要求5 7任意一項所述的水體重金屬現場監測系統，其特徵在於，還包括固定所述功能載體層的載體固定支架。
專利摘要本實用新型提供的水體重金屬現場監測系統包括可富集水體內重金屬的功能載體層；附著於所述功能載體層上、對重金屬具有響應的第一重金屬響應層。在本實用新型提供的水體重金屬現場監測系統中，功能載體層可選擇性富集水體內的重金屬，區分並放大水體內重金屬汙染物的影響，使附著於所述功能載體層上的第一重金屬響應層對重金屬作出快速響應，從而即時監測水體的汙染狀態並判斷是否是受重金屬汙染。本實用新型提供的水體重金屬現場監測系統可選擇性富集重金屬，因此可對重金屬汙染物作出快速響應，且無需重金屬汙染超出預定程度即可快速響應，實現對水體中重金屬汙染的即時監測，不僅監測速度快，而且具有提前預警的作用。
文檔編號G01N33/18GK202177620SQ20112029561
公開日2012年3月28日 申請日期2011年8月15日 優先權日2011年8月15日
發明者劉德啟, 劉文娟, 張璐鑫, 洪莉萍, 暢如, 陳業琴 申請人:蘇州大學