專利名稱：高壓多相界面模擬反應器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種反應器，特別是一種模擬高壓多相界面的反應 器。該反應器可在實驗室條件下實現對自然水體各種條件進行模擬并 可進行實時調控，該反應器適用于大水深水體高水壓條件下的多相界 面模擬研究。
背景技術：
隨著湖泊、水庫等地表水源的外源污染得到有效控制，內源污染 成為影響水源水質的主導因素。內源污染對水源水質的影響日益凸 現。造成內源污染的沉積物和水體物質交換相互作用的最重要過程發 生在水體一沉積物一微生物多相界面上，這一界面是最重要的環境邊 界層。因此對發生在此界面的污染物質遷移轉化過程、機理、影響因 素的研究對于改善水源水質、降低水廠處理負荷具有重要意義。目前 所采用的研究方法主要包括以下兩類 一類是在實驗室內利用反應器
模擬自然條件進行研究；另一類是在湖泊水庫等地表水源地進行實地
實時連續監測或定期取樣監測。但是這兩類方法都存在一定的問題。 現有研究所采用的反應器均未考慮大水深水體所形成的高水壓對多 相界面及底部生態環境產生的影響，忽略了這種高水壓/高滲透壓對 底層水體中的生物過程、物理化學過程的影響。而大水深水體在我國 地表水源中所占比例極高。這種忽略了關鍵影響因素的模擬環境條件 與真實自然條件存在巨大差異，導致所得研究結果存在偏差，難以真 實反映水體中污染物的遷移轉化規律和指導生產實踐。而在水源地實 時連續或間斷取樣監測的方法，雖為真實自然條件，但無法根據研究 需要對實驗條件進行及時調整與控制，因而也就無法對應用水源水質 改善技術或污染底泥修復技術的實施效果進行模擬和預測。此外，實
地實時連續或間斷取樣監測要求較高的野外操作條件，所需儀器昂 貴，并且耗時長久，所需人力物力巨大，事倍功半，不能滿足科學研 究的需要。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種高壓多相界面反應器， 該反應器能考察大水深形成的高滲透壓等關鍵影響因素，最大程度地 接近自然條件，可模擬大水深水體一沉積物一微生物多相界面。
本發明還可以在實驗室內簡單方便地控制研究所需的各種實驗 條件，兼備在線監測與隨時取樣的功能。
為解決上述技術問題，本發明是這樣實現的它包括密閉主體反 應器，所述密閉主體反應器包括上部氣室(1)和下部反應室(2)， 所述上部氣室(1)設置加壓孔(16)，所述上部氣室(1)和下部反 應室(2)連接處設置彈性隔膜(3)。
所述彈性隔膜(3)與水平面的角度為a: 0°C《a《45°C 所述下部反應室(2)設置有在線監測調控系統。 所述在線監測調控系統包括在線監測探頭(7)、空氣壓縮機(6)、 加藥泵(5)和水力攪拌裝置(4);所述在線監測探頭(7)通過控制 裝置(8)與空氣壓縮機(6)、加藥泵(5)和水力攪拌裝置(4)相 連。
所述下部反應室(2)沉積物區設置有泥樣采樣點，該泥樣采樣 通過泥樣采樣機構(IOA， 10B)與下部反應室(2)相連。
所述泥樣采樣機構(10A， 10B)包括相套而成的內螺旋外管(21)、 外螺旋內管(22)和高壓螺旋活塞推進器(11)，所述泥樣采樣機構 (IOA， 10B)上設有控制閥(20)，所述高壓螺旋活塞推進器(11) 的密閉活塞(29)與取樣管(28)相連。
所述下部反應室(2)上覆水體區設置有水樣采樣點，該水樣采
樣通過水樣采樣管(12A， 12B，12C， 12D)與下部反應室(2)相連。 所述水樣采樣管(12A， 12B， 12C， 12D)設有減壓閥(18)和 控制閥(19)。
所述下部反應室(2)接近彈性隔膜(3)下端設置有排氣管(23), 所述排氣管(23)上設有氣體流量計(14)，所述排氣管(23)接有 氣體收集瓶(15)。
所述上部氣室(1)和下部反應室(2)通過法蘭(24)連接。 本發明解決上述問題的設想是將高壓多相界面反應器內部腔體 分為氣室和反應室兩部分，由一彈性隔膜分開，通過對氣室充氣加壓 由彈性隔膜傳遞至下部反應室水體及多相界面上，實現對高水壓/高 滲透壓條件的模擬。由反應室內部設置的在線監測探頭、反應器外部 的加藥系統、溫度/DO自控系統、水力攪拌系統等實現對實驗所需條 件的調控。并可通過巧妙設置的采樣系統在不擾動內部水體及底泥、 不改變內部連續模擬條件的前提下自如取樣。通過氣體計量收集系統 可對化學及生物化學反應產生的氣體進行計量、收集和成分分析。該 反應器可實現對大水深高水壓條件下污染物遷移轉化多相界面過程 的全程模擬研究。
圖l是本發明結構示意圖； 圖2是反應室下部沉積物區泥樣采樣機構圖； 圖3是取樣中泥樣采樣機構圖。
具體實施例方式
本發明由上部氣室1 、下部反應室2、在線監測調控系統和水樣、 泥樣采集及氣體計量收集系統組成。由上部氣室1和下部反應室2組 成的主體反應器為圓筒狀密閉容器，上部頂蓋體25通過連接拉桿和 螺栓17與下部底蓋體26錨固連接，上部氣室內充壓縮空氣形成高壓， 下部反應室裝滿水樣和沉積物泥樣，兩室之間采用法蘭24連接，連
接處夾有彈性隔膜3，用于傳遞上部氣室施加的高壓，彈性隔膜3與 水平面成一定傾角以便于密閉反應室2內氣體的匯集與排出，該傾角
為a : (TC《a《45。C;在線監測調控系統由在線監測探頭7、控制系統8、
空氣壓縮機6、加藥泵5和水力攪拌裝置4組成，根據在線監測探頭 7所測相關指標數據，由控制裝置8發出控制信號，除模擬自然條件 外，還可根據實驗研究需要啟動空氣壓縮機6、加藥泵5和水力攪拌 裝置4等相關系統，調節反應室內多相界面處的溶解氧濃度DO、 pH 值、壓力和氧化還原電位ORP等參數，使反應室內受試水體與沉積 物及分布于其中的生物相所形成的多相界面體系處于穩定連續的可 控環境中，保證底部生態條件與自然真實情況的一致性；泥樣、水樣 采樣系統由泥樣采樣機構10，水樣取樣管12及設于其上的控制閥20 (泥樣取樣管加裝高壓螺旋活塞推進器11)、減壓閥18、控制閥19 組成。氣體計量收集系統由排氣閥13、氣體流量計14和氣體收集瓶 15組成，其中排氣閥13、氣體流量計14和氣體收集瓶15安裝于排 氣管23上，排氣管23接于彈性隔膜3下端，位于其傾斜上側方，對 于因控制條件(主要是溶解氧濃度DO)所需進入系統的氮氣、壓縮 空氣等對研究分析無意義的氣體由排氣閥直接排出，對于反應室內因 多相界面體系發生化學、生物化學等反應而產生的氣體經氣體流量計 計量后由氣體收集瓶收集做進一步成分分析。水樣、泥樣采樣系統通 過對閥門18、 19、 20及的高壓螺旋活塞推進器11的組合使用實現采 樣，具體采樣辦法下文結合附圖詳細說明。
模擬自然條件時，將原水和原始狀態的柱狀泥樣裝入下部反應室 2內，密封下部反應室2，通過控制系統8開啟空氣壓縮機6使得壓縮空
氣充入上部氣室l內，隨著壓力逐漸增大，彈性隔膜3產生微小變形， 將壓力傳遞至下部水體，控制裝置8根據在多相界面處測得壓力的大 小調控充入上部氣室的氣體量，待界面處壓力達到所需模擬的壓力條
件后，微微打開排氣閥13，保持界面處壓力穩定。由于水體和底泥耗 氧，界面處變為厭氧狀態。此時關閉排氣閥，對反應器內部產生的氣 體量進行計量并收集進行下一步分析。在泥水多相界面上下附近分配 有多個取樣口。保持反應室2內模擬的壓力、溫度、DO等自然條件， 定期通過取樣口取樣進行測試分析。
根據研究目的需要對下部反應室內2的環境條件進行調控時，可 根據在線監測探頭7所監測的數據由控制裝置8發出控制信號調控加 藥泵5、空氣壓縮機6及水體攪拌裝置4的啟閉，通過空氣壓縮機6可對 下部反應室2內的溶解氧濃度進行調控，研究不同充氧條件下各種污 染物遷移轉化的多相界面過程和作用機制。通過加藥泵5可對多相界 面處的其它環境條件如pH值、氧化還原電位等進行調控。此外，下 部反應室2內的溫度可由高壓多相界面反應器外部的自動溫控系統進 行調節和控制。這些調控過程均需配合水力混合系統來實現，同時可 通過改變水力混合系統的混合強度，研究不同混合條件下的多相界面 過程，以期全面把握污染物在多相界面的遷移轉化規律，進而提出切 實可行且經濟適用的水源水質原位改善與沉積物修復技術。
由于本發明采用了彈性隔膜及多種控制系統，不但可以最大程度 地實現對真實自然條件的模擬，而且可根據實驗研究需要調控各種條 件，操作方便，運行可靠，便于進行自動控制。
本發明只需調整壓力調控系統，即可作為模擬一般水深水體一沉 積物一微生物多相界面的反應器。
實施例
如圖1和圖2所示高壓多相界面反應器為圓筒狀封閉結構，由
1、 2和3組成。1為上部氣室，2為下部反應室，兩部分由法蘭24 連接，連接處夾有彈性隔膜3。 4為水力攪拌系統通過泵對下部反應 室2內水體進行混合。5為加藥泵，通過加藥泵可向反應器內投加各
種化學藥劑，27為儲藥罐，可用于配置各種藥劑。6為空氣壓縮機， 既可向上部氣室1充氣加壓，又可向反應室2內充氣調節溶解氧濃度。 7為在線監測探頭，與控制裝置8相連，可實時監測反應器中DO、 pH值、壓力、溫度、氧化還原電位(ORP)及多種水質參數，控制 裝置8根據此數據發出控制指令。9為氣壓計，測氣室內壓力。10為 泥樣采樣機構，泥樣采樣操作通過內螺旋外管21、外螺旋內管22、 控制閥20聯合高壓螺旋活塞推進器11進行取樣，具體操作如下不 采集樣品時，控制閥20為關閉狀態。進行取樣操作前先將閥門20打 開，旋動內螺旋外管21，使高壓螺旋活塞推進器11中與采樣管28 相連的密閉活塞29將采樣管28緩慢推入反應室內受試底泥中，迫使 底泥充滿采樣管后再慢慢反方向旋動內螺旋外管21拉出至原位，關 閉閥門20，將采樣管28抽出，對所采泥樣進行分析。12為水樣采樣 管，設有減壓閥18和控制閥19，取樣時先打開減壓閥18使水體壓 力降低，再打開控制閥19進行取樣。13為排氣閥，用以排出反應器 內的廢氣，保持內部壓力平衡。14為氣體流量計，對反應內反應產 生的N2、 C02、 CH4、 H2及02等進行體積計量，為研究分析提供依 據。15為氣體收集瓶，收集經過計量后的氣體做進一步成分分析。 16為上部氣室加壓孔，所充壓縮氣體由此進入氣室。17為連接拉桿 與螺栓，上部頂蓋體25通過連接拉桿和螺栓17與下部底蓋體26錨 固連接。
權利要求
1、一種高壓多相界面模擬反應器，包括密閉主體反應器，其特征是所述密閉主體反應器包括上部氣室(1)和下部反應室(2)，所述上部氣室(1)設置加壓孔(16)，所述上部氣室(1)和下部反應室(2)連接處設置彈性隔膜(3)。
2、 根據權利要求l所述的高壓多相界面模擬反應器，其特征是所述 彈性隔膜(3)與水平面的角度為a: 0°C《a《45°C
3、 根據權利要求l所述的高壓多相界面模擬反應器，其特征是所述 下部反應室(2)設置有在線監測調控系統。
4、 根據權利要求3所述的高壓多相界面模擬反應器，其特征是所述 在線監測調控系統包括在線監測探頭(7)、空氣壓縮機(6)、加藥泵(5)和水力攪拌裝置(4);所述在線監測探頭(7)通過控制裝置(8) 與空氣壓縮機(6)加藥泵(5)和水力攪拌裝置(4)相連。
5、 根據權利要求l所述的高壓多相界面模擬反應器，其特征是所述 下部反應室(2)沉積物區設置有泥樣采樣點，該泥樣采樣通過采樣 機構(IOA， 10B)與下部反應室(2)相連。
6、 根據權利要求5所述的高壓多相界面模擬反應器，其特征是所述 泥樣采樣機構(IOA， 10B)包括相套而成的內螺旋外管(21)、外螺 旋內管(22)和高壓螺旋活塞推進器(11)，所述泥樣采樣機構(10A, 10B)上設有控制閥(20)，所述高壓螺旋活塞推進器(11)的密閉活 塞(29)與取樣管(28)相連。
7、 根據權利要求l所述的高壓多相界面模擬反應器，其特征是所述 下部反應室(2)上覆水體區設置有水樣采樣點，該水樣采樣通過采 樣管(12A， 12B, 12C， 12D)與下部反應室(2)相連。
8、 根據權利要求7所述的高壓多相界面模擬反應器，其特征是所述 水樣采樣管(12A， 12B， 12C， 12D)設有減壓閥(18)和控制閥(19)。
9、 根據權利要求l所述的高壓多相界面模擬反應器，其特征是所述下部反應室(2)接近彈性隔膜(3)下端設置有排氣管(23),所述 排氣管(23)上設有氣體流量計(14)，所述排氣管(23)接有氣體 收集瓶(15)。
10、 根據權利要求l所述的高壓多相界面模擬反應器，其特征是所 述所述上部氣室(1)和下部反應室(2)通過法蘭(24)連接。
全文摘要
本發明公開了一種高壓多相界面反應器，它包括密閉主體反應器，所述密閉主體反應器包括上部氣室(1)和下部反應室(2)，所述上部氣室(1)設置加壓孔(16)，所述上部氣室(1)和下部反應室(2)連接處設置彈性隔膜(3)。該反應器能考察大水深形成的高滲透壓等關鍵影響因素，最大程度地接近自然條件，可模擬大水深水體-沉積物-微生物多相界面。本發明還可以在實驗室內簡單方便地控制研究所需的各種實驗條件，兼備在線監測與隨時取樣的功能。
文檔編號C02F3/00GK101357787SQ200810150300
公開日2009年2月4日 申請日期2008年7月10日 優先權日2008年7月10日
發明者柴蓓蓓, 黃廷林 申請人:西安建筑科技大學