学校编码：10384 分类号密级学号：200127005UDC
厦门大学
硕 士 学 位 论 文
多通道营养盐自动分析系统的研制
Development of an Automatic Multi-channel
System for Nutrients Analysis
温裕云
指导教师姓名：弓振斌 教授
专 业 名 称：海 洋 化 学
论文提交日期：2004 年10 月
论文答辩时间：2004 年10 月
学位授予日期：2004 年 月
答辩委员会主席：胡明辉
评阅人：胡明辉
许昆灿
2004 年 10 月
厦门大学学位论文原创性声明
兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文而产生的权利和责任。
声明人（签名）：
年月
目 录
摘要....................................................................................................................I ABSTRACT......................................................................................................III 第一章 绪 论. (1)
1.1海洋水体营养盐分析的意义 (1)
1.1.1 海洋生态系统及营养盐 (1)
1.1.2水体富营养化、赤潮防治与海洋调查 (2)
1.2水体中营养盐的分析 (3)
1.2.1 营养盐分析方法 (3)
1.2.2 紫外－可见分光光度法及相关进样技术 (3)
1.2.3 海水营养盐分析的难点与瓶颈 (6)
1.2.4 国内外营养盐分析仪器 (7)
1.3本论文的研究意义及设想 (9)
第二章 设计思路与方案 (11)
2.1现代分析仪器的设计理念 (11)
2.1.1 模块化仪器设计 (11)
2.1.2 虚拟仪器设计 (12)
2.1.3 小型化、固态化仪器设计 (13)
2.1.4 专用化分析仪器 (13)
2.1.5 现场和在线分析仪器设计 (14)
2.2营养盐分析仪总体设计及各模块可行方案 (15)
2.2.1 总体设计 (15)
2.2.2 各模块可行性分析 (16)
2.2.2.1 光源及分光系统 (16)
2.2.2.2 进样系统 (18)
2.2.2.3 信号检测系统 (20)
2.2.2.4 数据采集与控制系统 (22)
第三章 分析系统的研制 (23)
3.1光学系统 (23)
3.1.1 光源供电电路及卤钨灯参数 (24)
3.1.2 一进六出光纤参数 (24)
3.1.3 光学干涉滤光片参数 (25)
3.2进样系统 (29)
3.2.1 反应器和流路连接 (29)
3.2.2 反应器温度控制模块 (32)
3.2.3 流通式比色池 (32)
3.3信号检测系统 (32)
3.3.1 硅光电二极管S1337-66BQ特性 (34)
3.3.2 运算放大器AD549JH特性 (35)
3.4数据采集与控制系统 (38)
3.4.1 数据采集模块USBDAQ 9100ms (38)
3.4.2 LabVIEW软件简介 (39)
3.4.3 工作站软件 (40)
第四章 系统分析性能 (47)
4.1实验材料与方法 (47)
4.1.1 主要仪器 (47)
4.1.2 主要试剂 (47)
4.1.2.1 显色试剂的配制 (47)
4.1.2.2 标准溶液的配制 (49)
4.1.3 实验方法原理 (49)
4.2实验步骤与方法 (50)
4.2.1 仪器硬件静态稳定性测试 (50)
4.2.2 各通道分析性能测试 (51)
4.2.3 实际海水样品测定 (51)
4.3实验结果与讨论 (52)
4.3.1 仪器硬件静态稳定性测试结果 (52)
4.3.2 仪器分析性能测试结果 (52)
4.3.2.1 亚硝酸盐氮（NO2-）通道 (54)
4.3.2.2 硝酸盐氮（NO3-）通道 (55)
4.3.2.3 活性磷酸盐（PO43-）通道 (56)
4.3.2.4 硅酸盐810（Si-810）通道 (56)
4.3.2.5 硅酸盐410（Si-410）通道 (57)
4.3.2.6 分析效率 (58)
4.3.2.6 研制的仪器与国内外相似仪器分析性能比较 (59)
4.3.2.7 实际样品测试结果 (61)
4.3.2.8 整体性能测试小结 (61)
第五章结语 (65)
5.1本研究取得的成果 (65)
5.2本研究的不足之处 (66)
5.3研究展望 (66)
参考文献 (68)
攻读硕士期间所发表的论文及参加的科研项目 (75)
致谢 (77)
附录 (78)
图目录
图2-1系统设计方案框图 (15)
图2-1 检测器接收放大电路 (21)
图3-1 单通道的光学系统示意图 (23)
图3-2 光源供电电路图 (24)
图3-3 一进六出光纤成品图 (25)
图3-4 Chl_NO2- 滤光片透过率对入射波长曲线 (26)
图3-5 Chl_NO3- 滤光片透过率对入射波长曲线 (27)
图3-6 Chl_PO43- 滤光片透过率对入射波长曲线 (27)
图3-7 Chl_Si-810 滤光片透过率对入射波长曲线 (28)
图3-8 Chl_Si-410 滤光片透过率对入射波长曲线 (28)
图3-9 流路连接整体配置（三个通道同时测定） (31)
图3-10 流通池流路形状 (32)
图3-11 检测器供电电路 (33)
图3-12 检测器接收放大电路 (34)
图3-13 硅光电二极管S1337-66BQ的光谱响应曲线 (35)
图3-14 S1337-66BQ暗电流与反向电压关系图 (36)
图3-15 硅光电二极管S1337-66BQ的光敏温度特性曲线 (36)
图3-16 AD549JH典型参数 (37)
图3-17 工作站软件程序流程图 (42)
图3-18 工作站软件界面（前面板） (43)
图3-19 数据采集、处理、结果显示和存贮主程序的框图程序 (44)
图3-20 Continuous Analog Vscale.vi的框图程序 (45)
图3-21 蠕动泵控制的框图程序 (46)
图4-1 Chl_NO2-通道的标准校正曲线 (54)
图4-2 Chl_NO3-通道的标准校正曲线 (55)
图4-3 Chl_PO43-通道的标准校正曲线 (56)
图4-4 Chl_Si-810通道的标准校正曲线 (57)
图4-5 Chl_Si-410通道的标准校正曲线 (58)
附图1 整套分析系统（在船上实验室，运行中） (78)
附图2 多通道营养盐专用检测器 (79)
附图3 多通道营养盐专用检测器内部构造 (79)
附图4 多通道营养盐专用检测器光路构造 (80)
附图5 单个通道光学组件（入射部分） (80)
附图6 单个通道光学组件（出射部分） (81)
附图7 Si-810通道的反应器 (81)
附图8 检测电路PCB板正面 (82)
附图9 检测电路PCB板反面 (82)
表目录
表3-1 各通道光学干涉滤光片的主要参数 (26)
表3-2 各通道所采用反馈电阻R f及输出电压 (34)
表4-1 仪器硬件静态稳定性测试结果 (52)
表4-2 Chl_NO2-通道的分析性能 (54)
表4-3 Chl_NO3- 通道的分析性能 (55)
表4-4 Chl_PO43- 通道的分析性能 (56)
表4-5 Chl_Si-810通道的分析性能 (57)
表4-6 Chl_Si-410通道的分析性能 (58)
表4-7 研制仪器与Flow Solution IV分析性能比较（NO2-） (59)
表4-8 研制的仪器与Flow Solution IV分析性能比较（PO43-） (60)
表4-9 研制的仪器与Flow Solution IV分析性能比较（Si-810） (60)
表4-10 实际海水样品采样站位信息及采样时间 (61)
表4-10 B1站不同深度NO2-、PO43-、Si含量 (62)
表4-11 B2站不同深度NO2-、PO43-、Si含量 (62)
表4-12 三个工作日各通道工作曲线的斜率 (63)
摘 要
运用模块化仪器设计思想以及小型化、专用化、固态化等当今最新的仪器设计理念，设计并研制了一套用于海水中多种营养盐组分同时分析的实验系统，该系统采用卤钨灯为光源、一进六出光纤为光传输介质、光学干涉滤光片为单色器、光电二极管为检测器，结合流动注射（FI）等自动进样技术，全部装置由微型计算机及相应软硬件接口控制。研制的系统是一套多通道同时检测、集成化、小型化的营养盐专用自动分析设备，具有准确、快速、灵敏、稳定等优点。
全文共分五章。论文首先综述了海水营养盐分析的意义、分析方法的历史与现状，在此基础上提出了本论文的研究意义及设想。论文第二章根据研究工作的设想提出了多通道营养盐自动分析系统的设计思路与可行的设计方案。论文第三章论述了多通道营养盐自动分析系统的研制过程；详细说明了光学系统、进样系统、信号检测系统、数据采集与控制系统等各个模块中主要部件的具体设计参数。论文第四章论述了研制系统的整体分析性能（包括定量检出下限、线性范围、稳定性等参数），讨论了分析性能测试结果，并与相似仪器的主要分析性能进行了比较。论文最后对研究工作进行了总结，指出了本研究的不足之处，并展望了研究工作的发展方向和趋势。
通过对多通道营养盐自动分析系统的研制，取得了以下主要成果： （1）从研制的营养盐分析系统的分析性能测试数据可知，各个通道的分析性能（定量检出下限、线性范围、稳定性等）完全满足常规营养盐分析的需要，可适用于近岸和河口地区营养盐分析的要求。
（2）设计营养盐专用检测系统时运用了集成化、专用化、小型化的设计思想，采用了一进六出光纤，把营养盐四个组分（NO2-、NO3-、PO43-、Si）的分析集成在一起，且五个通道可以同时检测，极大地提高了分析速度，这对常规的海洋环境监测来说有重要的意义；仪器的体积也实现了小型化，这对营养盐的野外现场分析也带来了很大的方便。
（3）营养盐专用检测系统的光学系统采用了卤钨灯、一进六出光纤、光学干涉滤光片的设计后，由于没有传统分光光度计单色器的机械传动部件，其稳定性和抗震性能有很大的改善，能很好适应现场及船上等较恶劣的分析环境。
（4）设计营养盐分析系统时运用了虚拟仪器设计理念，其数据采集与控制系统采用了USB接口的多功能数据采集模块USBDAQ 9100ms和为此专门开发的应用软件系统，使得微型计算机能够控制整套分析系统，仪器的自动化程度较高。
关键词：多通道；营养盐；海水；自动分析；
Abstract
An automatic multi-channel system for nutrients analysis has been developed with the ideas of modularization, virtual instrument, miniaturization and customization. The system can be used to simultaneously measure NO2-, NO3-, NH4+, PO43- and Si in seawater and estuarine water. Several special techniques have been applied in the system, such as one-in-six-out optical fiber as light transmission medium, optical interference filter as monochromator, photodiode as detector, flow injection as sample introduction device, and laboratory-built software and hardware interfaces as control system.
The dissertation includes five chapters. Chapter one reviews the history and the situation of analytical methods. In chapter two, the design opinions and feasibilities of the analytical system are analyzed according to the design ideas. In chapter three, the developing process for analytical system is discussed and the special design parameters of each module are described in detail. In chapter four, the analytical performance of the system is checked (including quantitative limit of detection, linear range of calibration curve, and the reproducibility). In last chapter, conclusions are made for research work.
In development of the automatic multi-channel system for nutrients analysis, some results are achieved as follow:
1) Analytical merits of performance for developed system can be compared with that of some commercial instruments. The data suggest that developed system can be applied to simultaneously determine NO2-, NO3-, NH4+, PO43-, and Si in seawater and estuarine water.
2) Some new ideas for analytical instrumentation developing, such as
modularization, virtual instruments, miniaturization and customization, have been referred. The utilizing of one-in-six-out optical fiber as light transmission medium, and integrating 5-channel into one device for nutrients analysis have the advantages of saving time for routine monitoring and applying the system for on-boat or in-situ analysis.
3) Some special design was enclosed, such as tungsten halogen lamp, one-in-six-out optical fiber, and optical interference filter, which makes the system simplified and easily maintained.
4) Laboratory-built software and hardware make the system can be controlled by a microcomputer with Microsoft Windows operating system.
Key Words: Multi-channel; Nutrients; Seawater; Estuarine Water; Automatic analysis.
第一章 绪 论
水体中可溶性的无机氮、活性磷酸盐、活性硅酸盐是海洋生态系统中生物生长繁殖不可缺少的化学成分。氮和磷是组成生物细胞原生质的重要元素，是物质代谢的能源，而硅则是硅藻等海洋浮游植物骨架和介壳的主要组成部分。因此在海洋学或生态学上把水体中无机的氮、磷、硅元素称为“生源要素”或“生物制约元素”[1]。
氮化合物在海水中存在形态较多，主要有NH4+（NH3）、NO2-、NO3-三种无机化合氮、有机氮化合物和不溶于海水的颗粒氮。其中有机氮主要为蛋白质、氨基酸、脲和甲胺等一系列含氮有机化合物。这些氮化合物处在不断的相互转化和循环之中，这些转化和循环过程，受到化学、物理和生物等各种因素的影响[1-2]。
海水中磷酸盐是海洋动植物生产量的控制因素之一。研究海洋中磷的存在形态与分布变化规律，不仅对了解海水中磷的海洋化学、生物化学和地球化学行为极为重要，而且对开发海洋水产资源具有重大的实际意义[2]。因此，磷在海洋中的存在形态、迁移规律和地球化学循环方面的问题颇受人们的重视。
海水中硅酸盐对于硅藻类浮游植物、放射虫和有孔虫等原生动物以及硅质海绵等海洋生物，更是构成其有机体不可缺少的组分[2]。
1.1 海洋水体营养盐分析的意义
1.1.1 海洋生态系统及营养盐
营养盐是构成海洋水域生态系统的重要化学物质基础，海洋浮游植物
是海洋生态系统的初级生产者，它们利用光能摄取营养盐，把无机碳转化为有机碳，构成海洋食物链中的基础环节，为海洋中其他生物提供赖以生存的有机物质[3]。在全球各大海域中，初级生产力是能量流动和物质转化的关键环节，也是一切草食、肉食乃至腐食生物赖以生存的物质基础[4]。海洋初级生产力的大小，一方面是受光照、温度的影响；另一方面，也是最重要的方面，是植物光合作用、合成有机物的物质基础，受到海水中N，P，Si，Fe，Mn等营养元素的制约[5]。海洋生物通过代谢（生物尸体及有机物通过降解）向水圈尤其是深海水体提供营养盐参与循环。几乎所有的海洋生态系统问题都与营养盐有关，所以研究营养盐对海洋生态系统的影响及其相互作用对改善人类生存环境、保护自然生态有重要意义，而准确、快速测定海水中营养盐各组分的含量是开展上述研究工作的基础。
1.1.2水体富营养化、赤潮防治与海洋调查
由于近代人类生产和生活活动十分活跃，沿海地区的大量工业废水、生活污水未经处理就通过河流排入海洋之中，有机污染是现在增加最快和情况最严重的污染。大量有机污染物降解，使水中的营养盐含量急剧增高，致使水体出现富营养化，即由于水体中氮、磷、硅等营养物质积累到一定程度引起的水质恶化。富营养化严重时会导致水生植物包括各种藻类的大量繁殖而导致水生动物因缺氧死亡，甚至诱发赤潮致水色变异，赤潮藻类会分泌有毒物质造成海洋生物中毒致死，甚至通过食物链危害人类[6]。早在20世纪三四十年代，西欧一些国家和美国就出现了湖泊的富营养化，我国近年来沿海海域的富营养化程度增加，赤潮出现频率也不断增加。1990年中国沿海和近海发生赤潮34起[8]，比1989年增加22起[7]，为1961-1980年平均值的30倍。近年来，赤潮发生次数更是急剧增加，2000年[9]、2001年[10]、2002年[11]、2003年[12]我国海域发现赤潮的次数分别为28、77、79、
119次。赤潮出现的区域已自近岸扩展到外海，赤潮的面积也在增大。防治海洋水体富营养化和赤潮最基本的工作是监测海洋水体中营养盐的组成与含量，营养盐的组成与含量也是日常海洋调查工作监测的最基本参数之一。
综上所述，建立一套准确、快速、自动化的海洋水体营养盐分析系统，对研究海洋地球化学、海洋生态学、水体富营养化、发展海洋经济、保护海洋环境等方面都有重要的理论与实践意义。
1.2 水体中营养盐的分析
1.2.1 营养盐分析方法
营养盐的分析方法主要有紫外－可见分光光度法[13-38]、化学发光法[39-40]、荧光光谱法[41-44]、离子色谱法[45-48]、毛细管电泳法[49-50]、化学传感器[51-53]等。在以上提到的方法中，紫外－可见分光光度法是海水营养盐分析应用最广泛的方法，它具有仪器简单、稳定性较好、灵敏度高等优点，是我国国家标准[14]和美国EPA[15-17]建议采用的标准方法。离子色谱法和毛细管电泳法是近年来才发展起来的方法，它们都能同时测定多种组分，而且分析速度快，但目前由于仪器设备昂贵，难于在一般的实验室普及，稳定性和重现性也还有待提高，因而应用并不广泛。化学传感器虽然具有仪器设备简单，能进行现场监测等优点，但其灵敏度、重现性和抗干扰能力尚不能很好地满足海水分析的要求。
1.2.2 紫外－可见分光光度法及相关进样技术
紫外－可见分光光度法是国内外普遍采用的海水营养盐分析标准方法[13-17]，为了能准确、快速、高效地进行分析，它通常与气泡间隔式连续流
动[15-17, 23-24]、流动注射 [21, 37, 39-40]、顺序注射[30, 35]等进样技术联用[54]。
紫外－可见分光光度法是用某种显色试剂与营养盐的某一组分反应生成一种摩尔吸光系数较大的有色物质，在分光光度计上测定其吸光值，通过朗伯－比尔定律得到被测组分的浓度。紫外－可见分光光度法分析营养盐组分近年来有两个发展方向：一是发展灵敏更高、选择性更好的显色剂；另一个是仪器硬件的改进，如分光光度法与流动注射进样技术结合，开发在线或现场分析方法，发展灵敏度更好、自动化程度更高、分析速度更快的仪器设备。
气泡间隔式连续流动分析（Segmented Continuous Flow Analysis, SCFA）是50年代后期由Skeggs提出的[55]，美国的Technicon公司在此基础上大力发展了名为Auto-Analyzer的溶液处理自动分析仪，第一次把分析试样与试剂从传统的试管、烧杯容器转入管道中。试样与试剂在连续流动中完成物理混合与化学反应。这一技术在20世纪六、七十年代的西方得到一定程度的普及，对化学实验室溶液处理基本操作的变革起到了推动作用[54]。
流动注射分析 (Flow Injection Analysis，FIA)是由丹麦学者Ruzicka与Hansen于1974年首次提出[56]。在他们的第一部专著中将FIA定义为：将一定体积的试样溶液注入到无空气分隔的适当载流溶液中，经过受控的分散过程，形成高度重现的试样带，并输送至流通式检测器，检测其连续变化的物理或化学信号的方法。相对于传统方法，它有诸多的优点[54]：（1）广泛的适应性：FIA可与多种检测手段联用，既可完成简单的进样操作，又可实现诸如在线溶剂萃取、在线柱分离及在线消化等较复杂的溶液操作自动化，是一种理想的自动监测与过程分析手段。（2）高效率：分析速度一
般可达100～300样/小时，包括较复杂的处理，如萃取、吸着柱分离等过程的测定可达40～60样/小时。（3）低消耗：FIA是一种微量分折技术，一般消耗试样为10～100μL/测定。与传统手工操作相比，可节约试剂与试样90%～99%，这对使用贵重试剂的分析有重要意义。（4）高精度：一般FIA测定的相对标准偏差（RSD）可达0.5%～1%，多数优于相应的手工操作。即使是很不稳定的反应产物或经过复杂的在线处理，测定的RSD仍可达1.5%～3%。（5）设备简单、价廉：简单的FIA设备所占工作台面积相当于一台英文打字机，国产的自动化FIA仪器（不包括检测器）的价格仅数千余元。
顺序注射分析（Sequential Injection Analysis, SIA）是1990年由Ruzicka 和Marshall提出的[57]。它的核心部件是一个多通道顺序阀，此阀的各个通道位置分别与检测器、样品、试剂等通道相连，公共通道与一个可以抽吸和推动液体的注射泵相通。通过泵的作用，按顺序从不同的通道吸入一定体积的样品和试剂区带至泵与阀之间的储存管中，然后将这些溶液区带推至反应管和检测器，在这一过程中样品和试剂的区带之间在管道中由于径向和轴向的分散作用而互相渗透引起试剂与样品带的重叠和混合，试剂与样品发生化学反应，形成反应产物，在检测器中可以得到与正常流动注射分析类似的峰型信号。
在流动注射分析中，为完成试样和试剂的充分混合、增加反应的进行程度，需要有足够长的反应管道。这往往引起较大的分散，降低分析的灵敏度，试样和试剂的消耗量也相对较大[54]。Ruzicka和Marshall[58]利用随机行走模型对顺序注射分析进行描述和分析后认为，反应组分的有效混合并不一定要求各组分在系统中必须流过一段长管道。样品和试剂区带通过倒
转流向往复运动可以得到充分的混合，从而使载流的体积远小于由系统几何构型所决定的单方向流动的体积。混合程度和反应时间都可方便地通过控制流动反向的次数与频率达到。这是顺序注射分析通过流向的倒转完成可控混合的理论基础。
SIA除具有FIA的优点外，还具有FIA所不具有的其他一些特点[54]：（1）系统硬件简单可靠，计算机控制方便，真正实现单道分析，容易实现集成化和微型化，样品和试剂的混合程度、反应时间可完全通过软件控制，最大程度地减少了操作中的人为干预。控制的方便程度和精确程度比流动注射分析有大幅度的提高。（2）可用同一装置完成不同项目的分析而不改变流路设置，特别适用于过程分析等复杂的分析操作。（3）试样和试剂消耗甚少，适用于长时间监测和试剂较贵、样品来源受到限制的分析。可用单标准或多标准自动校正，对样品自动进行稀释，实现真正的自动分析。
综上所述，紫外－可见分光光度法与SCFA、FIA、SIA等方法联用，扩展了分光光度法的分析范围，能提高分析的稳定性，易于实现自动化，加快分析速度，节省试剂用量，是实现海水营养盐自动、快速分析的首选方法。
1.2.3 海水营养盐分析的难点与瓶颈
到目前为止，海水中营养盐成分的测定几乎不能象pH值、温度、盐度、叶绿素a等的测定一样，通过电极、传感器来实现。营养盐成分的测定方法都必须通过一定的化学反应，生成能被定量检测的化学物质（一般为有色化学物质），再通过分光光度计被定量检测出来。中华人民共和国海洋监测规范[14]中的NO3-、NO2-、NH4+、PO43-、Si(OH)4-Si的分析方法全部都是手工操作的分光光度法。分光光度法虽具有较高的灵敏度，但手工操
作的缺点也是显而易见的：
（1）被测营养盐的每个组分是单独测定的，分析时间长，分析一个样耗时在30分钟以上，劳动强度大，很难适应大批量样品的分析；
（2）操作复杂、繁琐，对操作人员的熟练度和操作环境都有较高的要求，特别是在野外或船上等恶劣的现场环境下，良好的稳定性和重现性很难得到保证；
（3）使用传统的通用型分光光度计，体积大、笨重，光学系统的设计采用光栅作分光元件，由于复杂的光学和机械传动等装置，抗震性能差，不能很好适应野外或船上恶劣的分析环境；
（4）耗费大量的化学试剂，测试单个样品的成本较高，而且对环境造成一定的影响。
因此，设计研制出一整套多组分同时检测（高通量）、自动化程度高、体积小、能适应野外或船用分析环境的营养盐分析方法和仪器，对海洋化学研究、海洋环境监测等具有重要的现实意义和实用价值。
1.2.4 国内外营养盐分析仪器
国外有几家仪器厂商生产能用于海水营养盐自动分析的仪器，如美国的O.I. Analytical公司，其自动化学分析系统（Automated Chemistry Analyzer Systems）系列中的Flow Solution IV能进行多通道同时检测，有FIA或SFA 两种操作模式，但它的设计是通用型的，体积大、价格昂贵、不能很好适应野外或船上恶劣的工作环境；它的Flow Solution 3000，虽然体积较小，
但不能进行多个通道同时分析[59]。荷兰Skalar公司的湿化学分析仪（The San++ Automated Wet Chemistry Analyzer）配备四通道的分光光度检测系统，能同时分析多个组分，但它的设计也是通用型的，体积大、价格昂贵[60]。此外还有意大利Systea公司的MICROMAC LAB系列产品，应用了自行研发的回流分析（Loop Flow Analysis, LFA）专利技术，能应用于海洋环境中营养盐的研究[61]。这些产品大多采用FIA或SFA或LFA与分光光度法结合，运用单片机或计算机控制，在某种程度上实现了营养盐的自动分析，但不是专用的或不能适应现场分析或是不能多通道同时检测，有其自身的缺点，不能满足海洋科学考察、海洋环境监测等对现场或船用分析的要求。
为适应海水营养盐现场分析的要求，英国的Eco-Sense公司开发了一系列用于水下现场分析的营养盐分析仪，它们能装在浮标或潜水装置上进行1～2个月的现场自动观测[62]。美国WetLabs公司的Subchem营养盐分析仪[63]、德国ME GRISARD （Meerestechnik Elektronik GRISARD）公司的APP 4004水下分析仪[64]也是相类似的产品。
国内在营养盐自动分析方面也有做一些开拓性的工作，四川大学在“九五”期间研究了用于台站测量NH4+（NH3）、NO2-、NO3-、PO43-、Cr6-的现场营养盐自动分析仪[65]，所采用的工作原理是自动参比流动比色法。国家海洋技术中心在“863”的支持下，研制了用于浮标平台作业的硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐自动分析仪[18]，工作原理采用顺序注射吸光光度法。此分析仪由单片机控制，可完成自动采样、计量，完成各种试剂的加入和吸光度的测定，对测量数据进行处理和存贮，并通过软硬件接口将结果传到计算机。
1.3 本论文的研究意义及设想
传统的分光光度计主要是为满足实验室应用，往往设计成在相当大范围内可适应多种分析检测目的的“通用”型仪器，甚至配套了大量附件以拓宽其应用范围，一般体积庞大，对试样预处理要求严格，使用条件苛刻，不能适应条件复杂（高温，多尘，震动大，电磁干扰）的生产现场，也不适宜在生态环境领域的现场野外使用[67]。而且由于原理、结构、精密度等本身特点决定了其使用条件和维护要求高。
近年来集光、机、电、算技术成果为一体的尖端光谱仪器不断涌现，这也是分光光度计的发展方向[67]。今后科技的发展不但对小型化、专门化、集成化、简单化分光光度计的需求会增加，而且开发这些仪器的硬件软件会更加齐备，这为分光光度计的发展提供了现实的可行性[68]。与此同时，新时代光谱仪器小型化、专门化、集成化、简单化发展并不意味着低水平，其技术指标、功能水平都应符合分析检测技术发展要求的[67]。研制这类仪器对研究海洋地球化学、海洋生态学、水体富营养化、发展海洋经济、保护海洋环境等方面都有重要的理论与实践意义，也能填补国内市场的空白。
本论文为满足野外海水营养盐多通道自动分析的要求，运用模块化仪器设计思想以及小型化、专用化、固态化等当今最新仪器设计理念，完成以下设计和研制工作：
（1）系统具有多通道同时分析功能，以进行多种营养盐组分（NO2-、NO3-、PO43-、Si）的同时分析；
（2）系统具有稳定的光学、检测和控制系统，以适用于野外/船用等恶劣工作环境下进行营养盐的自动分析；
（3）系统具有自动化程度高，劳动强度低等优点，以区别传统的手工操作；
水体富营养化的成因及危害分析 摘要：地球上98%的面积被水体覆盖着，水是人类赖以生存的自然条件之一。这本该是蓝色晶莹的液体，现在被我们破坏的变质了,清晰的水源难找，到处是黑色的难闻的河流、湖泊。这里，我主要分析的是水体富营养化的成因和危害。水体富营养化本是个缓慢的自然过程，但是人为富营养化极大加速了水体由贫营养转化为富营养，致使水质恶化，带来一系列的危害。 关键词：水体富营养化藻类溶解氧健康 水体富营养化(eutrophication)是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。水体出现富营养化现象时，浮游藻类大量繁殖，形成水华。因占优势的浮游藻类的颜色不同，水面往往呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等。这种现象在海洋中则叫做赤潮或红潮。 一、水体富营养化的成因 水体富营养化可分为自然富营养化和人为富营养化。 （一）天然富营养化的成因 湖泊一方面从天然降水中接纳氮、磷等营养物质；一方面湖泊水体的肥力增加，大量的浮游植物和其他水生植物生长繁殖，为草食性的甲壳纲动物、昆虫和鱼类提供了丰富的食料。当这些动植物死亡后，它们的机体沉积在湖底，不断分解，释放出的营养物质又被新的生物体所吸收。湖泊营养物质的这种天然富集，湖水营养物质浓度逐渐增高而发生水质营养变化的过程就是通常所称的天然富营养化。 （二）人为富营养化的成因 天然富营养化的过程非常缓慢，而人为排放含营养物质的工业废水和生活污水所引起的水体富营养化则可以在短时间内出现。 人口集中的城市排放出的大量含有氮、磷营养物质的生活污水和工业污废水流入湖泊、河流和水库，增加了这些水体的营养物质的负荷量。同时，在农村，化学肥料和牲畜粪，经过雨水冲刷和渗透，使一定数量的植物营养物质最终输送到水体中。天然水体中营养物质增多，促使自养型生物旺盛生长，特别是蓝藻和红藻的个体数量迅速增加，从以硅藻和绿藻等为主，最后变为以不适合做鱼类饵料的蓝藻为主，鱼类缺乏食物死亡。另一方面，藻类繁殖迅速，生长周期短。藻类及其他浮游生物死亡后被需氧微生物分解，不断消耗水中的溶解氧，或被厌氧微生物分解，不断产生硫化氢等气体，更促使水质恶化，造成鱼类和其他水生生物大量死亡。营养物质不断循环，因此，富营养化的水体即
收稿日期:2008-03-10 基金项目:江西省自然科学基金项目(2007GZC084),江西省教育厅自然科学研究项目(赣教技字[2007]193号)作者简介:李忠卫(1985-),男,江西吉安人,在读硕士. 文章编号:1005-0523(2008)03-0040-05 垂直流人工湿地工艺设计概述 李忠卫,王全金,李 丽 (华东交通大学土木建筑学院,江西南昌330013) 摘要:简单介绍了人工湿地的定义、类型及其运行的影响因素.阐述了垂直流人工湿地系统的主要设计内容,包括湿地床体设计、植物群落的构建、基质的选择和铺设、自动增氧系统的建设等方面,并给出了相关的设计参数.关 键 词:人工湿地;垂直流;工艺设计中图分类号:X703.1 文献标识码:A 人工湿地是一种由人工建造和监督控制的、与沼泽地类似的地面,它是利用自然生态系统中的物 理、化学和生物的三重协同作用来实现对污水的净化.湿地系统主要由各种具有透水性的基质、水生植物、水体、湿地中低等动物和好氧或厌氧微生物种群五部分组成[1].人工湿地系统运行情况是否良好取决于进水水质、湿地的设计以及出水水质要求等因素[2].Miklas Scholz 通过相关性分析得出湿地的去除率与电导率、温度、溶解氧和总悬浮物有密切关系[3].人工湿地根据水流方式的差异可分为三种:①自由表面流人工湿地(SFW ),②水平潜流人工湿地(SSFW ),③垂直流人工湿地(VFW ).为了使出水水质达到指定的排放标准,必须对湿地进行合理的设计,针对不同类型的湿地其设计方法和构建过程在某些方面会有所不同.垂直流人工湿地在净化污水方面有较好的效果,尤其是脱氮除磷方面.但人工湿地系统较传统污水处理工艺占地较大,与其他类型人工湿地相比,其基建费用相对较高.设计参考公式方面各地均有差异,相关参数不全或者较少.因此,垂直流人工湿地的设计在整个系统的建设过程中占据重要作用.本文较为全面地介绍了垂直流人工湿地系统设计方法和相应的强化措施. 1 垂直流人工湿地的设计 垂直流人工湿地系统的设计中包括选址、系统工艺、核心设施、水力负荷、植物、基质、床体结构的 设计等,其中较为重要的为人工湿地床体设计与参数的选定、湿地基质的构建、植物群落的构建三个方面. 1.1 湿地床体设计 垂直流人工湿地中水的流态满足一级推流动力学,可采用一级动力学方程计算湿地所需表面积[4]. A s =[Q (ln C 0-ln C e )]/(K T Dn ) (1) 式中:C e —出流BOD 5(mg /L ); C 0—入流B O D 5(mg /L ); K T —与温度有关的一级反应速率常数(d -1);Q —系统平均流量(m 3/d );D —床层深度(m );n —床层孔隙率;A S —系统表面积(m 2) K T 与温度的关系为K T =K 20(1.1)T -20.据有关 文献报道和实际试验,某一特定潜流湿地系统的K 20与床体填料的孔隙率n 有关,关系式为K 20=K 0 (37.3n 4.172 ),对典型城市污水取K 0=1.893d -1,高 第25卷第3期2008年6月 华 东 交 通 大 学 学 报 Journal of East China Jiaotong University Vol .25 No .3Jun .,2008
复合垂直流人工湿地对氮的净化效果 贺 锋, 吴振斌, 成水平, 付贵萍 (中国科学院水生生物研究所淡水生态与生物技术国家重点实验室,湖北 武汉430072) 摘 要: 采用复合垂直流人工湿地处理武汉东湖污染水的中试结果表明,出水中NH +4-N 、NO -2-N 和凯氏氮(K N )浓度均显著降低,而NO -3-N 含量有所上升;系统最佳运行水力负荷为800mm/d ,超过此负荷后系统净化效果随负荷增加而下降;在东湖现有的污染负荷下,处理系统仍呈现 ;就基质中K N 的分布而言,水平方向为下行流池含量高于上行流池,垂直方向为上层>中层>下层,而在植物体内的分布则为叶片中含量最高。 关键词: 污染湖水; 复合垂直流人工湿地; 氮的积累与分布 中图分类号:X703.1 文献标识码:A 文章编号:1000-4602(2004)10-0018-04 基金项目:“十五”国家科技攻关课题(2002AA601021); 中国科学院知识创新工程重要方向项目(K SCX 2-SW -102);武 汉市晨光计划资助项目(20025001035) E ffect of I ntegrated V ertical 2flow Constructed Wetland on Nitrogen R emoval HE Feng , WU Zhen 2bin , CHE NG Shui 2ping , FU G ui 2ping (State K ey Lab.o f Freshwater Ecology and Biotechnology ,Institute o f Hydrobiology ,China Academy o f Sciences ,Wuhan 430072,China ) Abstract : A pilot test was conducted with integrated vertical 2flow constructed wetland to treat polluted water from East Lake in Wuhan.Result shows that the concentrations of NH +4-N ,NO -2-N ,K jeldahi nitrogen (K N )in the effluent is reduced remarkably while NO -3-N is increased slightly.The system optimal hydraulic load is 800mm/d.When this optimal value is overloaded ,the purification effectiveness decreases with the in 2crease of hydraulic load.Under the present pollution load in East Lake ,the system still has the potential of bearing pollution.From the K N plane distributing in substrates ,the nitrogen content of down 2flow chamber is higher than that of up 2flow chamber.From the K N vertical distribution ,the nitrogen content of top layer is high 2er than that of medium layer ,bottom layer has the minimum content.The highest concentration is in leafage based on the K N distributing in the plants. K ey w ords : polluted lake water ; integrated vertical 2flow constructed wetland ; nitrogen accumula 2 tion and distribution 1 材料与方法111 系统的构建 复合垂直流人工湿地中试系统建于武汉东湖湖畔,面积为162m 2,由下行流和上行流两池串联而 中国给水排水 2004V ol.20 CHI NA W ATER &W ASTEW ATER N o.10
水体富营养化程度评价 一、实验目的与要求 （1）掌握总磷、叶绿素-a及初级生产率的测定原理及方法。（2）评价水体的富营养化状况。 二、实验方案 1、样品处理 2 、工作曲线绘制 取7支消解管，分别加入磷的标准使用液0.00、0.25、0.50、1.50、2.50、5.00、7.50mL以比色管中，加水至15ml。然后按测定步聚进行测定，扣除空白试验的吸光度后，和对应磷的含量绘制工作曲线。 3、计算 总磷含量以C(mg/L)表示，按下式计算： 式中： M 试样测得含磷量，μg V 测定用水样体积，ml
注意：每个小组做空白2-3个，标线5个，样品3-4个。 图1 采样布点分布 三、实验结果与数据处理 1、工作曲线绘制 根据上表数据，绘制工作曲线如图2所示： 图2 标准工作曲线 从标准工作曲线图可以看出，其相关系数R2 = 0.9969,高于实验室最低要求R2=0.995，可见其相关度较好，可用以求解水样中总磷的浓度。
2、八个水样数据结果与处理 根据上表数据作水中磷质量浓度柱形图，如图2所示： 图2 各组水中总磷质量柱形图 四、实验结果 1、实验结果分析 从实验数据和图2可以看出，第一、三、四、五、八组数据比较准确，因为
这几组平行样数据比较接近，而且跟稀释后所测的浓度也大约呈5倍关系，可以保留作为水中磷质量浓度评价，而其他组数据误差较大，故舍去。根据各组原水样总磷质量浓度求评均整理下表。 从上表数据可以看出，第五组所测的水中总磷浓度较高，根据图1可知第五组采样点为第四饭堂附近，可能是由于饭堂平时清洁所用的洗涤剂含磷较高，排放入河涌的污水导致河水受污染。 2、污染程度分析 表4 总磷与水体富营养化程度的关系 本实验是以水体磷平均浓度平均参数，本次实验所得的监测采样点数据的平均浓度是0.205mg/L，测得的最小浓度为0.142mg/L，测得的最高浓度为0.311mg/L，由表1可知超过0.1mg/L就为水体富营养化，本次实验测得的最低浓度也超出0.1mg/L，本次实验所得数据均说明该水体富营养化。 3、解决措施 该河涌地处大学城内，不受工业排放污染，所以造成该河涌富营养化的主要原因是生活污染，比如饭堂、学生公寓、商业区等，要治理河涌首先还是得从源头抓起，特别是饭堂、学生公寓和商业区，必须监控从这三个地方流出的污水，须进行处理达标后才能排入河涌；其次就是要严格审查各类洗涤剂等，含磷超标的不能进入市场；最后就是要树立环保意识，大家环保觉悟高了，从自己做起，自然就有绿水青山。 五、思考题 (1)查资料说明评价水体富营养化程度的指标有哪些? 答：水体富营养化程度的评价指标分为物理指标、化学指标和生物学指标。物理指标主要是透明度，化学指标包括溶解氧和氮、磷等营养物质浓度等，生物
水体富营养化的测定与分析 1、实验目的： 通过本实验使学生了解周边水体的污染状况，进一步认识水体富营养化的形成原因和对动植物生长的危害，熟悉和掌握水体富营养化的几个测定指标和测定技术。 2、实验要求： 1. 分析不同取样地水质的富营养化程度及形成原因。 2. 比较不同富营养化程度水体对动植物生长的影响。 3. 分析水体富营养化的形成机制，并探讨其解决办法。 3、主要仪器设备及试剂： 仪器和材料：量筒，鱼缸，采样容器（瓶、桶等），塑料板，量杯，手表，水藻，小金鱼（或小蝌蚪），分光光度计及10nm石英比色皿，压力为1.1~1.4kg/cm2压力锅，50ml具塞（磨口）刻度管，25ml具玻璃磨口塞比色管，溶解氧测定仪（或250ml溶解氧瓶，250ml锥形瓶，25ml酸式滴定管，50m1移液管和吸球），化学需氧量测定仪（或沸水浴装置，250ml碘量瓶， 25ml棕色酸式滴定管，定时钟，G-3玻璃砂芯漏斗） 药品和试剂：ρ=1.84g/ml硫酸，1.4g/ml硝酸，1.68g/ml高氯酸，1+1硫酸，1mol/L硫酸，1mol/L氢氧化钠，6mol/L氢氧化钠，50g/L过硫酸钾，钼酸铵溶液，酒石酸锑钾溶液，100g/L抗坏血酸溶液，磷酸盐标准储备液，10g/L 酚酞溶液，无氨水，200g/L氢氧化钠溶液，20/L氢氧化钠溶液，碱性过硫酸钾溶液，1+9盐酸溶液，硝酸钾标准溶液，1+35硫酸溶液，硫酸锰溶液，碱性碘化钾溶液，浓硫酸，1％淀粉溶液，0.025mol／L硫代硫酸钠溶液，不含有机物蒸馏水，ρ=1.84g/ml硫酸，50%氢氧化钠溶液，1+5硫酸溶液，0.05mol/L高锰酸钾溶液，10%碘化钾溶液，0.0250mol/L重铬酸钾标准溶液，1%淀粉溶液， 0.025mol/L硫代硫酸钠溶液，30%氟化钾溶液，4%叠氮化钠溶液。 4、实验内容：
目录 摘要 1 引言…………………………………………………… 2 绪论………………………………………… 2.1 湖泊富营养化的概念及分类………………………… 2.2 国内外水体富营养化污染概况…………………… 3 湖泊富营养化的研究内容……………………………… 3.1 富营养化预测………………………… 3.1.1 预测的目的及内容……………… 3.1.2 预测模型进展概况……………… 3.2 富营养化评价…………………… 3.2.1 评价的目的及意义……………………… 3.2.2 评价的基本步骤………………………… 3.2.3 评价模型进展概况…………………… 3.3 湖泊富营养化模型………………………… 3.3.1 评分模型………… 3.3.2 营养状态指数模型………… 3.3.3 改进的营养状态指数模型……………… 3.3.4 生物多样性评价………… 3.3.5 灰色理论评价模型…………………… 3.3.6 浮游植物与营养盐相关模型………………………… 3.3.7 生态动力学模型……………… 4 结论及展望…………………………………… 4.1 结论………………………… 4.2 展望……………………………… 参考文献…………………………
摘要 本文主要讲述了湖泊富营养化的几种模型，分别有：评分模型、营养状态指数模型、改进的营养状态指数模型、生物多样性评价、灰色理论评价模型、浮游植物与营养盐相关模型、生态动力学模型，针对不同模型分别进行相应介绍，并且对国内外水体富营养化污染做出一定概况，对未来湖泊水体进行了一定程度的展望。 1 引言 水资源是人类赖以生存的基础物质，随着人口增长和社会经济飞速发展，水的需求量急剧增加，而水资源污染也日益严重。我国自20世纪80年代以来，由于经济的急速发展和环保的相对滞后，许多湖泊、水库已经进入富营养化，甚至严重富营养化状态，如滇池、太湖、西湖、东湖、南湖、玄武湖、渤海湾、莱州湾、九龙江、黄浦江等。2000年对我国18个主要湖泊调查研究表明，其中14个已经进入富营养化状态。 2 绪论 2.1 湖泊富营养化的概念及分类 通常，湖泊水库等水体的富营养化[1]是指湖泊水库等水体接纳过量的氮、磷等营养物质，使藻类和其它水生生物大量繁殖，水体透明度和溶解氧发生变化，造成水体水质恶化，加速湖泊水库等水体的老化，从而使水体的生态系统和水功能受到损害。严重的会发生水华和赤潮，给水资源的利用如：饮用，工农业供水，水产养殖、旅游等带来巨大的压力。另一种定义方法[2]（Cooke等提出）是由于过量的营养物质、有机物质和淤泥的进入，导致的湖泊水库生物产量增加而体积缩小的过程。该定义除了营养盐以外，还强调了有机物质和底泥的输入。因为有机物质也可以导致水体体积缩小，溶解氧消耗，并通过矿化作用从沉积物中释放营养物质；淤泥的输入也可使水体面积缩小，深度降低，并能吸附营养盐和有机物质沉积到水底部，成为潜在污染源。释放后必然会促进水体生物的大量繁殖，当水体内大量的植物（沉水植物和漂浮植物）以及大量藻类死亡后，释放的有机物和营养物会进一步加剧水体的营养程度。 根据水体营养物质的污染程度，通常分成贫营养、中营养和富营养三种水平。实际上，湖泊水库等水体的富营养化自然条件下也是存在的，不过进程非常缓慢，这就是地理学意义上的富营养化。然而一旦水体接受人类活动的影响，这种转变的速度会大大加快，特别是在平原区域，人口密集，工农业发达，大量污水进入水体，带入大量的营养物质，极大的加速水体富营养化进程。人们通常所说的富营养化是指这种在人为条件的影响下，大量营养盐输入湖泊水库，出现水体有生产能力低的贫营养状态向生产能力高的富营养状态转变的现象。这种富营养化通常称为人为富营养化。 水体富营养化的发生也是逐步进行的。水体在营养盐浓度较低，藻类和其它浮游植物的生物量随着营养盐浓度的增加而相应增加的时期，称为响应阶段，这
海水中硅酸盐的测定 一、实验目的 掌握硅钼黄法测定海水中硅酸盐的基本原理，熟悉样品的采集和保存，测定的操作过程和注意事项，如试剂的配制，分光光度计或营养盐自动分析仪的使用等。 二、方法原理 在弱酸性条件下，水样中的活性硅酸盐与钼酸铵反应生成黄色硅钼酸盐缝合物，于380nm波长处进行分光光度测定。 三、试剂及其配制 1. 硅酸盐标准溶液 （1）硅酸盐标准贮备溶液：c（SiO32--Si）=10000μmol/L （2）硅酸盐标准使用溶液：c（SiO32--Si）=500μmol/L 在100 ml容量瓶中加入5.00 ml硅酸盐标准使用液，用水稀释至标线，混匀。使用前配制，不得存放。 2. 钼酸铵溶液：=100g/L 称取20g钼酸铵[(HN4)6Mo7O244H2O], 溶于200 ml水中，置于聚乙烯瓶中，避光存放。若容器壁出现大量沉淀物，应弃之不用。 3. 硫酸溶液：体积分数为20% 在搅拌和水浴冷却下，将50 ml硫酸（H SO4, =1.84g/ml）缓慢地加入200 ml 水中，冷却后贮于聚乙烯瓶中。 4. 钼酸铵-硫酸显色试剂 将100ml硫酸溶液和200ml钼酸铵溶液混匀，贮于聚乙烯瓶中，有效期7天。 四、仪器及设备 分光光度计；100mL容量瓶若干；50 mL螺口玻璃瓶；500-1000mL棕色试
剂瓶若干；250 mL和500 mL聚乙烯瓶；1 mL，5 mL移液管；2 mL和10 mL 刻度吸管；玻璃棒；实验室常备仪器及设备。 五、分析步骤 1. 绘制工作曲线 （1）取六个50 ml容量瓶，分别移入硅酸盐标准使用溶液0 ml，1.00 ml，2.00 ml，3.00 ml，4.00 ml，5.00 ml，用与水样盐度接近的人工海水（盐度28或35）稀释至标线，混匀，即得硅酸盐浓度依次为0μmol/L，10.0μmol/L，20.0μmol/L，30.0μmol/L，40.0μmol/L，50.0μmol/L的标准系列。 （2）将上述标准溶液系列分别转移入六个10ml具塞玻璃瓶中，各加入0.4ml 钼酸铵-硫酸显色试剂，混匀。在20度以上时，显色10min。 （3）在分光光度计上，用1cm比色池，以超纯水为参照液，于380nm波长处测定吸光值An。 （4）将测定数据记录于标准曲线数据表（参见表1）中。以扣除空白吸光值Ab后的吸光值为纵坐标，相应的硅酸盐-硅浓度Cn为横坐标绘制标准工作曲线，用线性回归法求得标准工作曲线的截距a和斜率b。 表1 硅酸盐标准曲线测定记录表
高效垂直流人工湿地村镇污水处理典型实例简介 时间：2008-06-12 来源：深圳市环境科学研究所作者：莫凤鸾，彭立新，雷志洪 资料来源：深圳市环境科学研究所 摘要：通过介绍几个典型人工湿地城镇污水处理工程，论述人工湿地在城镇污水处理中的实用价值与前景。 Abstract： 关键字：城镇污水处理；高效垂直流人工湿地工艺 1前言 随着改革的深入，农村城镇化的推进，人口也不断增加，因人类生活所产生的污水日益增加并集中，在这些中小城镇需建设相应的污水处理厂，但受经济发展的制约，污水运行费用投入受到很大限制，很难正常运行。结合这些城市征地相对容易，而运行费用难筹集的具体特点，采用具有工艺技术先进、工艺成熟可靠、运行管理简单方便、投资省、运行费用低的生态节能的人工湿地污水处理系统，具有很大的实用价值和应用前景。 人工湿地是污水处理新型实用技术，具有投资较低、出水水质好、操作简单、运行费低和美化生态环境等优点，特别适用于土地资源丰富的中小城镇和广大农村。深圳环科所采用以人工湿地为核心的处理工艺建立了多例人工湿地城镇污水处理工程，系统运行效果稳定。2工程实例 2.1 铙平县城镇水资源保护人工湿地工程 2.1.1工程概况 黄冈河是广东省饶平县主要的淡水资源，全县主要的工农业生产用水和饮用水约80％来自黄冈河，县城水厂的取水点位于黄冈河的下游。随着人口的增长、农业生产方式的改变和工业的发展，黄冈河水质逐年恶化。对此省环境保护局、地方政府等相当重视，保护黄冈河饮用水源已刻不容缓。三饶镇位于黄冈河上游地区，目前镇内尚未修建任何污水处理设施，镇内生活污水及工业废水未经处理直接进入了黄冈河，黄冈河水质受到一定程度的污染。为了改善黄冈河水质，保护人民身体健康，三饶镇人民政府委托我所采用高效垂直流人工湿地就新丰镇及三饶镇生活污水进行处理。 三饶镇污水处理设计规模为5000m3/d，工程已于2006年8月竣工验收，系统运行稳定。 工程投资200万元，运行费用0.5元/吨。。 本工程针对近期削减黄冈河污染负荷，改善黄冈水库水质，同时考虑饶平县经济欠发达，因此近期工程设计中以考虑最有效地削减污染负荷为日的，系统出水水质执行DB44/26-2001中的二级标准。 表2-1 饶平县三饶镇人工湿地系统处理效果
实验五水体富营养化程度的评价 富营养化(eutrophication)是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。在自然条件下，湖泊也会从贫营养状态过渡到富营养状态，沉积物不断增多，先变为沼泽，后变为陆地。这种自然过程非常缓慢，常需几千年甚至上万年。而人为排放含营养物质的工业废水和生活污水所引起的水体富营养化现象，可以在短期内出现。水体富营养化后，即使切断外界营养物质的来源，也很难自净和恢复到正常水平。水体富养化严重时，湖泊可被某些繁生植物及其残骸淤塞，成为沼泽甚至干地。局部海区可变成“死海”，或出现“赤潮”现象。 植物营养物质的来源广、数量大，有生活污水、农业面源、工业废水、垃圾等。每人每天带进污水中的氮约50 g。生活污水中的磷主要来源于洗涤废水，而施入农田的化肥有50%～80%流入江河、湖海和地下水体中。 许多参数可用作水体富营养化的指标， 常用的是总磷、叶绿素-a含量和初级生产率的大小（见表7-1 ）。
1. 掌握总磷、叶绿素-a及初级生产率的测定原理及方法。 2. 评价水体的富营养化状况。 1. 仪器 (1) 可见分光光度计。 (2) 移液管：1 mL、2 mL、10 mL。 (3) 容量瓶：100 mL、250 mL。 (4) 锥型瓶：250 mL。 (5) 比色管：25 mL。 (6) BOD瓶：250 mL。 (7) 具塞小试管：10 mL。 (8) 玻璃纤维滤膜、剪刀、玻棒、夹子。 (9) 多功能水质检测仪。 2. 试剂 (1) 过硫酸铵（固体）。 (2) 浓硫酸。 (3) 1 mol/L 硫酸溶液。 (4) 2 mol/L 盐酸溶液。 (5) 6 mol/L氢氧化钠溶液。 (6) 1%酚酞：1 g酚酞溶于90 mL乙醇中，加水至100 mL。 (7) 丙酮:水（9:1）溶液。
中国环境科学 2009,29(8)：828~832 China Environmental Science 垂直流人工湿地配水均匀性的研究 谢小龙1,2,贺 锋1,徐 栋1,吴振斌1*(1.中国科学院水生生物研究所,淡水生态与生物技术国家重点实验室,湖北武汉 430072；2.中国科学院研究生院,北京 100049) 摘要：从能量分配和压力水头分布出发,阐述了垂直流人工湿地穿孔管配水系统能量分布及压力水头分布状况.在此基础上,提出了影响垂直流人工湿地配水均匀性的2个关键影响因子—最不利2点流量关系及穿孔管布水系统内部配水间隔时间,得出了垂直流人工湿地配水系统中最不利2点的孔口出流流量关系式及垂直流人工湿地穿孔管布水系统内部配水间隔时间,为采用穿孔管配水的垂直流人工湿地提供了理论研究资料. 关键词：垂直流人工湿地；配水均匀性；配水时间；能量分配；穿孔管 中图分类号：X171.4文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2009)08-0828-05 Uniformity of water distribution system in vertical constructed wetland. XIE Xiao-long1,2, HE Feng1, XU Dong1, WU Zhen-bin1* (1.State Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China；2.Graduate Unviversity of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China). China Environmental Science, 2009,29(8)：828~832 Abstract：Energy distribution and pressure head distribution of porous pipe in the vertical-flow constructed wetland were analyzed. And then two key influencing factors most two disadvantageous points and the distributing water time that affect the uniformity in the vertical-flow constructed wetland were put forward. From pressure head analysis, discharge relationship in the distribution system of porous pipe about most two disadvantageous points (a, c) was got. Finally, the distributing water time has been set up. Key words：vertical flow constructed wetland；uniformity；distributing water time；energy distribution；porous pipe 人工湿地污水处理系统具有建造、运行费用低廉、处理效果稳定、适用面广等优点,得到国内外众多专家和学者的认可[1-7].人工湿地分为表面流和潜流人工湿地,而潜流湿地又可分为水平流和垂直流湿地.其中,垂直流湿地由于其占地面积较小,对有机物和氮有更高的净化效果,成为湿地应用中的首选[7].除了基质、植物和微生物是其基本组成外,配水系统也是其重要组成部分.为了实现高质量、低能耗、稳定可靠的工程运行,可编程逻辑控制器(PLC)已被大量应用到各种各样的污水处理工程中, PLC的应用显著降低了该类工程的运行和维护成本,但也给污水处理系统提出了新的问题,即怎样合理而高效地安排PLC 的运行工况[8]. 良好的配水系统能合理地分配PLC的运行参数、最大化地利用人工湿地净化功能及能实现来水快速均匀地分布到整个人工湿地表面,保证湿地高效运行.因此,垂直流人工湿地配水系统的均匀性问题是关系到该类型湿地能否成功发挥其应有功效和安全推广应用的重要问题.目前国内外对此方面的研究鲜见报道.本研究主要从水力学角度来探讨垂直流人工湿地中配水均匀性问题. 1 湿地配水系统管道能量分配和作用水头分布 在已报道的垂直流人工湿地中,其配水系统一般采用“丰”型或半“丰”型布水形式[6],如图1所示.图1中“丰”型的各个分支管路穿孔大小 收稿日期：2008-12-29 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50808172);国家“十一五”水专项(2008ZX07106-2-4);湖北省科技攻关重大项目(2006AA305A03) * 责任作者, 研究员, wuzb@https://www.doczj.com/doc/7212545839.html,
湖泊（水库）富营养化评价方法及分级技术规定 2004-08-11 1、湖泊（水库）富营养化状况评价方法：综合营养状态指数法 综合营养状态指数计算公式为： 式中：—综合营养状态指数； Wj—第j种参数的营养状态指数的相关权重。 TLI（j）—代表第j种参数的营养状态指数。 以chla作为基准参数，则第j种参数的归一化的相关权重计算公式为： 式中：rij—第j种参数与基准参数chla的相关系数； m—评价参数的个数。 中国湖泊（水库）的chla与其它参数之间的相关关系rij及rij2见下表。 ※：引自金相灿等著《中国湖泊环境》，表中rij来源于中国26个主要湖泊调查数据的计算结果。 营养状态指数计算公式为： ⑴ TLI（chl）=10（2.5+1.086lnchl） ⑵ TLI（TP）=10（9.436+1.624lnTP）
⑶ TLI（TN）=10（5.453+1.694lnTN） ⑷ TLI（SD）=10（5.118-1.94lnSD） ⑸ TLI（CODMn）=10（0.109+2.661lnCOD） 式中：叶绿素a chl单位为mg/m3，透明度SD单位为m；其它指标单位均为mg/L。 2、湖泊（水库）富营养化状况评价指标： 叶绿素a（chla）、总磷（TP）、总氮（TN）、透明度（SD）、高锰酸盐指数（CODMn） 3、湖泊（水库）营养状态分级： 采用0～100的一系列连续数字对湖泊（水库）营养状态进行分级： TLI（∑）＜30贫营养（Oligotropher） 30≤TLI（∑）≤50中营养（Mesotropher） TLI（∑）>50富营养 (Eutropher) 50＜TLI（∑）≤60轻度富营养(light eutropher) 60＜TLI（∑）≤70中度富营养(Middle eutropher) TLI（∑）>70重度富营养(Hyper eutropher) 在同一营养状态下，指数值越高，其营养程度越重。 注：此规定由中国环境监测总站生态室负责解释
河流富营养化评价标准 能够反映湖泊水库营养状态的变量很多 ,但只部分指标可被用于湖库营养状态的评价 ,而且不同国家和地区所选取的指标各不相同 ,其中总磷(TP)、总氮(TN)和叶绿素 a均为必选指标 ,虽然 TP和 TN中只有部分形式能够为藻类所吸收利用 ,但目前国际上大多是采用 TP和 TN指标 ,而不是选用可利用性总磷或者可利用性总氮等指标 ,这是由于营养盐的可利用态与不可利用态之间存在着复杂的转化关系。而其它指标如透明度、溶解氧 (DO)、化学需氧量 (COD)和 pH 等只是在一些国家和地区被应用。 河道型水库营养状态评价指标的选取应遵循以下几个原则: ( 1)是水库富营养化控制的关键性因素; (2)与藻类生长具有明确的机理性关系; (3)指标相对稳定 ,不易受到其它因素的影响; (4)具有富营养化的早期预警功能 ,为水库富营养化控制提供支持。 基于上述原则 ,对现有指标在河道型水库的适用性进行分析.认为总磷是我国大部分河道型水库的限制性要素 ,是水库富营养化控制的关键因子. 氮不仅是某些水库富营养化的控制性要素,而且是河口以及海岸带水体藻类的关键限制因子,为了体现水库对河口的影响及控制作用 ,在制定河道型水库的营养状态标准时应考虑氮元素.叶绿素a能够反映水库中藻类生物量的大小 ,虽然含量受到藻类种类的影响 ,容易在评价时造成一定的偏差 ,仍然是水体富营养化程度的一个重要表征指标. 因此 ,认为总磷、总氮和叶绿素 a仍然是河道型水库的 营养状态评价的关键指标。 透明度也是一个常用的湖泊水库营养状态评价指标 ,这是因为在一般的湖泊水库中 ,透明度变化主要源于水体中悬浮的藻类数量的差异 ,因此 ,它能够很好表征湖库的富营养化程度 ,甚至有人认为透明度是识别湖泊、水库营养状态趋势的最好变量. 但河道型水库与一般的湖泊水库不一样 ,其透明度指标受河流流速、泥沙含量的影响较大 ,与真正意义上的湖泊水库中的透明度不同.以三峡水库为例 , 1年中出现富营养化敏感时期分别是 3～6月和 9～10月 ,而两个时期的透明度存在显著差异 , 9～10月为汛后期 ,平均透明度为0.54 m, 3～6月为汛前期 ,平均透明度为1.76m,原因在于汛期泥沙含量的影响作用 ,使得透明度作为河道型水库的营养状态评价指标中具有一定局限性.因此 ,作者认
（29-3）QUAATRO简单操作规程 （邱想得上海宝中盈仪器仪表有限公司） 一、检查管路连接是否正确，流通池废液管是否放入废液槽中。将泵管下端卡条压入蠕动泵相应卡口，空气胶管压入空气阀，盖上蠕动泵压盘。 二、依次打开电脑，进样器和主机开关，开启软件，激活检测方法。 三、根据方法要求按顺序将试剂管放入相应试剂瓶中，进样器清洗管放入去离子水中或人工海水中。注意：氨氮模块先放入苯酚试剂，等待2分钟后再放入其它试剂。 四、在软件中编辑运行文件，输入标准及样品位置和编号。其它参数根据需要修改。按照顺序将标准溶液和样品放入样品架上。 五、如有必要调整基线和增益。待基线稳定后点击运行开始测定。 六、测定完毕，根据方法要求将试剂管放入系统清洗溶液中。注意：硝酸盐模块在测定完毕后，使镉圈内充满咪唑缓冲液（可以将空气管压住不使气泡进入流路）然后将四通阀旋转90°关闭镉圈流路。镉圈一定要在咪唑缓冲液中保存，不能排空暴露在空气中，否则极易损坏。四通阀关闭后，可以将硝酸盐模块所有试剂管路放入相应系统清洗液中清洗系统。 七、根据方法要求，使用系统清洗溶液或特殊清洗溶液清洁管路。 八、依次关闭主机，进样器开关。打开泵压盘，将所有泵管下端卡条取出，以使泵管放松恢复弹性，将空气胶管从空气阀中取出。 系统操作 日常手动启动步骤 使用日常手动启动或者诊断步骤检查，以便尽早的确认可能存在的问题。确定进入下一步前，每一步都是正常的。 如果要自动开始，请参考AACE软件说明书。 1. 开启QuAAtro，泵入去离子水和润湿试剂。 润湿试剂是用来润湿塑料管的，以便形成一层薄的液膜，使开气泡能与管壁隔。 进样器冲洗液一般是不加润湿试剂的。 润湿试剂的加入量在各个方法里都有规定。一般的润湿试剂有Brij-35，Triton X-100，SDS 。 2. 检查所有管子里的气泡情况，特别是流通池出来的废液管。 气泡必须完全充满管子，长度大概是管子内径的1.5倍。
垂直流人工湿地 1 引言 垂直流人工湿地因具有较高的水力负荷、污染物去除效率高、占地小等优点，越来越得到大 面积的应用.近年来，垂直流湿地多用于不同污染负荷生活污水的处理，其净化效果主要受湿地 类型构造本身、填料、植物类型、进水C/N比与启动季节等因素的影响，而关于进水C/N比对不 同植物类型处理生活污水效果的影响研究相对较少.污水C/N比是反映湿地系统内部碳氮循环的 主要指标，综合了湿地生态系统功能的变异性，容易测量，是确定废水碳氮平衡特征的一个重要 参数.湿地系统的进水C/N比特征直接影响着微生物的群落结构，从而影响污水处理效果.另外， 不同湿地植物、不同环境条件下及不同生长时期对N、P的需求量也不同.植物对N、P吸收量及 比例的变化，也会间接影响其在不同季节对污水去除效率的贡献. 本研究针对垂直流型人工湿地系统，研究水葱(Scirpus tabernaemontani)，香蒲(Typha orientalis，)菖蒲(Acorus calamus)和千屈菜(Lythrum salicaria)4种植物湿地在不同进水 C/N比条件下的污水净化能力，探讨其可能的影响机制. 2 材料和方法 2.1 人工湿地的构建 人工湿地污水处理系统于2014年1月建于复旦大学生态学实验基地温室大棚内，为垂直潜 流型人工湿地(图 1)，各湿地尺寸均为1.0 m×0.6 m×0.9 m(长×宽×高)，在长边15 cm处分 别用隔板隔开，靠近进水端15 cm的隔板底部以尺寸为0.80 m×0.15 m的矩形开口相通.布水区 填料上层为粒径约12 mm的炉渣，厚度为45 cm，炉渣在使用前经过5次冲洗，以避免其会产生 高碱度的环境，从而危害植物和根系间微生物的生长;下层为粒径约15 mm的砾石，厚度为20 cm，进出水隔板之间10 cm的高度差使得水流可以从布水区自行流入出水端.进水区采用穿孔(15 mm 的孔，间距为100 mm)PVC管均匀布水，试验于2014年1—3月先进行湿地驯化，2014年4月到2015年1月为污水处理正式运行阶段，采用连续进水方式，水力负荷为0.67 m3 · m-2 · d-1，HRT为1.5 d，填料层的孔隙率约为43%.3种不同的C/N比进水条件，每种植物湿地均为4个平 行处理，共计48个湿地单元.
实验八水体富营养化程度的评价 富营养化(Eutrophication)是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量急剧下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。在自然条件下，湖泊也会从贫营养状态过渡到富营养状态，沉积物不断增多，先变为沼泽，后变为陆地。这种自然过程非常缓慢，常需几千年甚至上万年。而人为排放含营养物质的工业废水和生活污水所引起的水体富营养化现象，可在短期内出现。水体富营养化后，即使切断外界营养物质的来源，也很难自净和恢复到正常水平。水体富养化严重时，湖泊可被某些水生植物及其残骸淤塞，成为沼泽甚至干地。局部海区可变成“死海”，或出现“赤潮”。 植物营养物质的来源广、数量大，有生活污水、农业面源、工业废水、垃圾等。每人每天带进污水中的氮约50 g。生活污水中的磷主要来源于洗涤废水，而施入农田的化肥有50～80％流入江河、湖海和地下水体中。 许多参数可用作水体富营养化的指标，常用的有总磷、叶绿素-a含量和初级生产率的大小（见表8-1）。 表8-1 水体富营养化程度划分 富营养化程度初级生产率/mg O2·m·日总磷/ μg·L无机氮/ μg·L 极贫0~136 <0.005 <0.200 贫-中0.005~0.010 0.200~0.400 中137~409 0.010~0.030 0.300~0.650 中-富0.030~0.100 0.500~1.500 富410~547 >0.100 >1.500 一、实验目的 1. 掌握总磷、叶绿素-a及初级生产率的测定原理及方法。 2. 评价水体的富营养化状况。 二、仪器和试剂 1. 仪器
垂直流人工湿地系统工程的污染物净化效率研究 刘家宝 1,2 ,唐晓斌1,莫凤鸾 3 (1.中国地质大学,北京 100083;2.深圳市宝安区环境保护局,广东深圳 518101;3.深圳市环境科学研究所,广东深圳 518001) 摘要:将传统污水处理技术与人工湿地工艺相结合,通过将强化型前处理系统引入到高效垂直流人工湿地水质净化系统,从而提高了人工湿地的处理效率。9个月的实际运行证明,该预处理装置的设置降低了湿地负荷,提高了人工湿地对污水的净化效率,特别是对有机污染物有较好的去除效果。改良后的湿地系统对合流制污水污染物净化具有良好效果,且运行成本低,适用于土地资源比较丰富、资金紧张的地区。关键词:垂直流人工湿地;污水净化效率;净化机理 中图分类号:X 703 文献标识码:A 文章编号:1001-6929(2005)06-0068-04 Study on Wa stewater Purification E fficiency of Vertical Flow Constructed Wetland Systems LI U Jia 2bao 1,2 ,T ANG X iao 2bin 1,M O Feng 2luan 3 (1.China University of G eosciences ,Beijing 100083,China ;2.Environmental Protection Bureau of Baoan ,Shenzhen 518101,China ; 3.Shenzhen Institute of Environmental Science ,Shenzhen 518001,China ) Abstract :Artificial wetland was applied in combination with traditional wastewater treatment technology ,and an intensified pre 2treatment system was introduced to high 2efficiency vertical flow constructed wetland s o as to improve the wetland treatment.Through 9m onths of running ,it had been proved that the pretreatment setting declined the pollutant am ount into the wetland ,and increased the wastewater purification efficiency.The improved wetland system had the satis factory purification effect on con fluence sewage ,and the cost was rather low.S o the treat system is suitable to the areas which have relatively rich land but fewer funds. K ey w ords :vertical flow constructed wetland ;wastewater purification efficiency ;treatment mechanisms 收稿日期:2004-11-21 作者简介:刘家宝(1959-),男,江西南昌人,博士研究生. 人工湿地作为一种低投资、低能耗、低处理成本和具有氮磷去除功能的废水生态处理技术,已逐渐被世界各国所接受。在欧洲和北美,数以千计的天然湿地和人工湿地被广泛应用于处理多种废水,其中包括城市污水、工业废水、农业径流、城市暴雨、填埋场沥滤液 和矿山酸性排水[1-3] 。垂直下行流芦苇床被认为是废水净化的可靠天然处理系统,由于其具有优良的氧转 移特性[4] ,可用于处理氨氮含量较高的污水,如城市污水等。目前,世界各国都投入了大量精力以改良人工湿地技术,并将一些传统污水处理技术引入人工湿地。笔者采用了前处理系统(水解酸化)与深圳市环境科学研究所专有技术“高效垂直流人工湿地”联合使用,经过9个月的运行,对高效垂直流人工湿地的污染物净化效率进行研究。 1 石岩人工湿地工程 111 工程概况 石岩水库是深圳市宝安区的主要饮用水源之一。 随着工业的发展和人口数量的增加,导致大量的生产废水和生活污水排入石岩河并流入石岩水库,使石岩水库的水质日益恶化。黄家庄溪是石岩河下游最大的支流,在旱季该河河水几乎完全是污水。 石岩人工湿地污水处理规模为115×104 t Πd ,可保证该条支流旱季污水全部被截流,经湿地系统处理后再排入石岩水库。湿地占地面积214×104 m 2,湿地系统分为8组,每组湿地池的面积约为3000m 2,湿地池中种有多种湿地植物,填料为不同的砂砾级配和特殊湿地填料,湿地填料高度均为112m 。布水由PVC 穿孔管在填料表面下10cm 处均匀喷洒,填料底部设PVC 穿孔集水管,水流为垂直流,水力停留时间约为12h 。工程总投资为800×104 元,运行管理简单,运行 费用仅0118元Πt ,主要由进水提升所需电费及工人进行相对简单的操作和维护管理费用。设计进水水质:ρ(C OD Cr )≤250mg ΠL ,ρ(BOD 5)≤150mg ΠL ,ρ(TP )≤6mg ΠL ,ρ(NH 4 + -N )≤15mg ΠL 。 设计出水水质:要求达到《城镇污水处理厂污染物 排放标准》(G B18918-2002)中的一级A 类标准,即 第18卷 第6期环 境 科 学 研 究 Research of Environmental Sciences V ol.18,N o.6,2005