一种水体微塑料定深采集与预处理一体化装置及其使用方法

本发明涉及水环境污染物检测，具体涉及一种水体微塑料定深采集与预处理一体化装置及其使用方法。

背景技术：

1、由于塑料具有耐用、质轻、耐腐蚀且可塑性强等优良特性，自被发明以来，于20世纪40年代便开始了大规模的生产，世界塑料年产量从1950年的200万吨飙升至2019年的4.6亿吨，预计到2050年，全球塑料总产值将达到330亿吨。然而由于塑料制品使用量大和管理不善等问题，导致水生环境中大量塑料积累，不断流入生物体内、河流、湖泊、河口、海岸线和海洋生态单元中。在紫外线照射、风力、水流等多种环境因素的影响下，废塑料逐渐降解为较小的尺寸的塑料碎片。其中，微塑料（粒径小于5mm的塑料纤维、碎片、颗粒等）由于其颗粒小、数量多、分布广且易于被水生生物摄食，在环境中较为稳定且易于迁移，会对水环境和水生生物造成难以估量的损伤，已经成为一种对人类健康及生态单元造成重大威胁的持久性有机污染物。

2、为了明确微塑料在水体环境中的赋存水平、迁移机制及其生态环境影响，科学可靠的样品采集、预处理装置及其使用方法仍有待进一步优化改进。首先，水体样品的有效采集是开展后续研究工作的基础，但是现有的采样装置往往仅对水体表层微塑料样品进行收集，例如，公开号为cn111076976a的中国专利申请公开了一种防堵塞的水体中多粒径微塑料同步采集系统，能够对大样本水体中的微塑料进行同步粒径分级并收集，但无法根据需要调整取样深度，降低了装置的实用性和适用范围。其次，对于水体环境微塑料的分离提取一般是将采集的样品运回实验室进行单独处理，因此在样品采集、保存、运输及实验过程中环境潜在的污染源会影响数据的准确性和可靠性。此外，现有的分离微塑料的装置均存在分离不彻底，功能单一操作繁琐和适用范围窄等缺点，例如，公开号为cn112845522a的中国专利申请提出一种沉积物中微塑料高效分离及吸附污染物部分解吸的一体化装置及其使用方法，能够实现微塑料粉碎搅拌、消解解吸、分离收集一体化，但在分离收集部分仅设置一层微塑料过滤网，不能根据需求实现不同粒径的微塑料分离，且粉碎搅拌会使微塑料进一步破碎，不利于后续研究，而通过微塑料定深原位采集与分离提取的预处理一体化操作可有效提高样品的回收率和数据的可靠性。因此，为实现针对不同水体环境中不同水深中大量微塑料的采集及原位分离消解和分级富集，操作简单便捷，提高数据的可靠性和准确度，减少采集、原位分离、消解和分级富集过程中各类环境因素的干扰，亟需一种高效准确、操作简易、功能多用和适用范围广的水体微塑料定深采集与预处理一体化装置。

3、

技术实现思路

1、解决的技术问题：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种水体微塑料定深采集与预处理一体化装置及其使用方法，能够实现水环境不同深度大量微塑料的原位采集及预处理，完成水体微塑料样品采集、原位分离浮选、消解和分级富集的预处理一体化流程，减少采集、分离浮选、消解和分级富集过程中各类环境因素的干扰，提高微塑料预处理过程的效率及可靠性。

2、技术方案：一种水体微塑料定深采集与预处理一体化装置，包括采水单元、沉淀单元、浮选单元、消解单元、富集单元、供气单元和电控单元；

3、所述采水单元包括采水组件和依次设于采水组件出水端的流量计一、水泵一和定时通水水阀，所述采水组件包括水深传感器，水深传感器设于采水组件采水端，水深传感器与电控单元电连接；

4、所述沉淀单元包括沉淀池和设于沉淀池底部的污泥斗，所述沉淀池为竖流式沉淀池，沉淀池包括曝气管和污泥电磁控制阀一，曝气管出气端设于沉淀池的内部，污泥电磁控制阀一设于沉淀池的底端，污泥斗包括排泥口一，所述排泥口一设于污泥斗底部一侧，采水组件出水口与沉淀池顶部连接，所述沉淀单元用于沉淀水样中的大型泥沙颗粒；

5、所述浮选单元包括浮选池组、曝气盘组、浮选液储存罐、废液回收池、浮块组件和可弯折软管，所述浮选池组中每个浮选池底部为楔形，浮选池组包括并排且依次连通的第一浮选池、第二浮选池、第三浮选池，第一浮选池底部设有污泥电磁控制阀二，第二浮选池底部设有废液阀一，第三浮选池底部设有废液阀二，污泥电磁控制阀二、废液阀一和废液阀二用于控制浮选池中污泥和废液的排出，曝气盘组包括第一曝气盘组、第二曝气盘组、第三曝气盘组，一个曝气盘组对应分布于一个浮选池左侧侧壁，浮选液储存罐设于浮选单元的内部、浮选池顶部，浮选液储存罐包括水位传感器一和柱塞一，水位传感器一设于浮选液储存罐内部一侧，用以监测浮选液余量，柱塞一设于浮选液储存罐顶部，浮选液储存罐与第一浮选池、第二浮选池和第三浮选池分别通过管道连通，连接处分别设有流量控制阀一、流量控制阀二和流量控制阀三，用于控制各自管道浮选液的流速大小和通断，所述废液回收池设于浮选池组底部，废液回收池包括排泥口二、排水管一和设于排水管一上的排水阀一，排泥口二设于废液回收池靠近第一浮选池的底部一侧，排水管一设于废液回收池靠近第三浮选池的底部一侧，浮块组件和可弯折软管设于第三浮选池内部，浮块组件与可弯折软管进液端连接，通过浮块组件吸取第三浮选池中的非沉淀层水样；沉淀池的顶部和第一浮选池的顶部通过通水管一连通，通水管一上设有水泵二和通水阀一，所述浮选单元用于浮选水样中的微塑料；

6、所述消解单元包括反应室、支架、流量控制阀四和设于反应室顶部的消解液储存罐，消解液储存罐通过支架固定于反应室顶部，且消解液储存罐底端和反应室顶端通过管道连通，连接管道处设有流量控制阀四，用于控制消解液的流速大小和通断，消解液储存罐顶部设有柱塞二，内部（底端）设有水位传感器二，反应室包括水位传感器三、电机、转轴、搅拌桨、电热棒和水温传感器，水位传感器三设于反应室内部一侧底部，用于监测水位，防止干烧情况，电机设于反应室外侧，转轴和搅拌桨设于反应室内部，搅拌桨用于使水样和消解液充分混合，提高反应效率，转轴水平放置且设于水位传感器三底部，电热棒设于反应室内部、转轴底部，用于加热反应室内的水样和消解液，电机分别与转轴和电热棒电连接，水温传感器设于反应室内部、与电热棒相对的一侧，反应室顶部与可弯折软管出水端通过管道连通，连接管道上设有水泵三和通水阀二，反应室内部水样可通过通水管二全部排至富集单元；

7、所述富集单元包括过滤桶、旋转分流组件和多级滤网，过滤桶为长方体，内壁设有三层水平安装槽，从上到下分别为第一安装槽、第二安装槽和第三安装槽，多级滤网包括一级滤网、二级滤网和三级滤网，多级滤网以插片形式通过对应安装槽插接于过滤桶内，过滤桶顶部中心通过通水管二与反应室底部连通，通水管二上设有水泵四和通水阀三，旋转分流组件设于过滤桶的内部，与通水管二连接，过滤桶底部一侧设有排水管二，排水管二上设有排水阀二，所述富集单元用于过滤经消解后的水样，实现微塑料的分级富集；

8、所述供气单元分别与曝气管和曝气盘组连接，并在供气单元末端设有阀门控制气流的开闭；

9、所述电控单元与水深传感器、流量计一、水泵一、定时通水水阀、污泥电磁控制阀一、水泵二、通水阀一、水位传感器一、流量控制阀一、流量控制阀二、流量控制阀三、污泥电磁控制阀二、废液阀一、废液阀二、排水阀一、水泵三、通水阀二、水位传感器二、流量控制阀四、水位传感器三、水温传感器、水泵四、通水阀三和排水阀二电连接。

10、作为优选，所述采水组件包括采水水管、沉子、格栅、卡槽、浮子、渔线和挂钩，格栅通过卡槽连接于采水水管底部进液端外侧，格栅的孔径不大于5mm，沉子与格栅的下端连接，水深传感器与采水水管底端外侧固定连接，浮子通过挂钩和渔线与采水水管连接。

11、作为优选，所述第一浮选池还包括导流板，所述导流板设于第一浮选池进液口附近，用于防止水样飞溅，第一浮选池、第二浮选池和第三浮选池连接处设有过水挡板，过水挡板上设有过水口，能够使上一级浮选池中的上层水样流入下一级浮选池，第一浮选池和第二浮选池之间设有过水挡板一和过水口一，第二浮选池和第三浮选池之间设有过水挡板二和过水口二。

12、作为优选，所述浮块组件包括浮块、磁铁块和若干个重力球，所述浮块套设于可弯折软管进液端外表面，可弯折软管进液端位于浮块中部上部，磁铁块嵌接于浮块中部顶端，若干个重力球活动连接于浮块两侧，通过调节其数量控制浮块在水样中的垂直位置；并且第三浮选池侧壁上固定有强电磁块，强电磁块与磁铁块磁吸配合，强电磁块与电控单元电连接，第三浮选池内进行浮选工作之前，将强电磁块通电，把浮块通过铁块吸附到强电磁块上，使整个浮块组件可以固定在第三浮选池的右侧壁上，第三浮选池工作至水样分层时，关闭强电磁块电源，浮块落入上层非沉淀层内，并持续下沉，直至落到下层的沉淀层表面，通过可弯折软管吸取非沉淀层进入消解单元中。

13、作为优选，所述沉淀池还包括压力平衡阀一，压力平衡阀一设于沉淀池顶端；所述反应室还包括压力平衡阀二，压力平衡阀二设于反应室顶端。

14、作为优选，所述旋转分流组件包括连接头、输水管、旋转座、挡水罩、喷头，连接头一端与通水管二出水端连接，另一端通过竖向放置的输水管和旋转座连通，喷头与旋转座底端连通，喷头出水口布设有孔径为2~3mm的喷孔，挡水罩设于旋转座上方，挡水罩用于防止喷头喷射出来的水样外溅，水样通过输水管进入下方的喷头中，在离心作用和反作用力推动下，流入的水样带动旋转座及其上设有的喷头旋转，使非沉淀层水样能够在较大程度上均匀分散的进入下方的多级滤网中，有效提高分离效率。

15、作为优选，所述一级滤网、二级滤网和三级滤网外侧均设有固定框和把手，固定框设于滤网外边缘，把手设于固定框一侧，并且一级滤网的孔径为500~1000μm、二级滤网的孔径为100~200 μm，三级滤网的孔径为10~20 μm。

16、基于上述一种水体微塑料定深采集与预处理一体化装置的使用方法，步骤如下：

17、步骤一. 将浮选液及消解液经由柱塞一和柱塞二注入浮选液储存罐及消解液储存罐，通过电控单元打开水位传感器一、水位传感器二，以监测储存液余量；将多级滤网安置于三级安装槽中；将采水组件的进口端放入位于被采集的水体内，通过电控单元打开水深传感器，基于水深传感器的读数调节采水水管的长度，使其达到预期深度；通过电控单元打开流量计一、水泵一和定时通水水阀，采集水样，可根据预设采样量通过流量计一调节水泵一的流量使其稳定于某一流量，并设置定时通水水阀达到定时开闭的效果；

18、步骤二. 水样首先进入沉淀单元中，通过气控单元向曝气管中供气，对沉淀单元中的水样进行曝气，经沉淀单元初步的曝气和沉淀使水样分层之后，大颗粒杂质沉积于沉淀池中，通过电控单元打开水泵二、通水阀一，使所得上层溶液进入浮选单元，待杂质沉淀至一定量时打开污泥电磁控制阀一，使得沉积的杂质进入污泥斗中；

19、步骤三. 待水样进入第一浮选池内时，通过电控单元打开流量控制阀一使浮选液进入第一浮选池，通过气控单元打开第一曝气盘组，对水样进行曝气浮选；待第一浮选池中的上层非沉淀层溶液排入第二浮选池内，通过气控单元打开第二曝气盘组，待水样由第二浮选池溢流至第三浮选池时，通过气控单元打开第三曝气盘组，通过充分的曝气浮选后关闭各级曝气盘组，静置，使水样充分分层；使第三浮选池中的浮块组件落入上层非沉淀层内，并持续下沉，直至落到下层的沉淀层表面；通过电控单元打开水泵三和通水阀二使所得的非沉淀层溶液通过浮块组件进入消解单元；待完成浮选后，可通过电控单元打开污泥电磁控制阀二、废液阀一和废液阀二，使浮选池组中的废液进入废液回收池中；

20、步骤四. 通过电控单元打开流量控制阀四、水位传感器三和水温传感器二，使消解液进入反应室内，当水样及消解液的混合液没过水位传感器三处，开启电机给搅拌桨和电热棒供电，将混合液加热到预定温度并搅拌均匀，关闭电机，静置消解；重复上述步骤，待水样完成消解后，通过电控单元打开水泵四和通水阀三，使水样进入富集单元；

21、步骤五. 水样进入分级富集单元，经旋转分流组件分流后，水样中的不同粒径的微塑料被过滤桶中的一级滤网、二级滤网和三级滤网依次截留并不断富集；通过电控单元打开排水阀二，排出过滤后的水样；

22、步骤六. 达到预设采样量后，通过电控单元关闭水深传感器、流量计一、水泵一、定时通水水阀、污泥电磁控制阀一、水泵二、通水阀一、水泵三、通水阀二、水位传感器一、流量控制阀一、流量控制阀二、流量控制阀三、污泥电磁控制阀二、废液阀一、废液阀二、水位传感器二、流量控制阀四、水位传感器三、水温传感器二、水泵四、通水阀三和排水阀二，拆卸一级滤网、二级滤网和三级滤网，收集滤网上的微塑料；打开排泥口一排出污泥斗中的污泥；通过电控单元打开排水阀一，排出废液回收池中的废液，并打开排泥口二排出其中的沉积杂质。

23、作为优选，所述消解液储存罐内存储的消解液为过氧化氢溶液、酶（蛋白酶k）溶液、酸溶液或碱溶液。

24、作为优选，所述浮选液储存罐内存储的浮选液为饱和氯化钠溶液、饱和氯化锌溶液或饱和碘化钠溶液。

25、有益效果：

26、1）本发明提供的一种水体微塑料定深采集与预处理一体化装置，通过采水单元定深采集水样，通过沉淀单元和浮选单元对水样中的微塑料进行分离，通过消解单元对水样进行原位消解，通过富集单元实现微塑料的分级富集，完成水体微塑料样品定深采集、分离、原位消解和富集的一体化流程，避免在采样、保存、运输及实验室预处理过程中各类环境因素的影响，有效减少实验误差，提高了对大量样品采集和预处理效率，具有重复性高、准确程度高及适用范围广等优点；

27、2）本发明提供的一种水体微塑料定深采集与预处理一体化装置，通过水深传感器调节采水水管的进水端的深度，能够实现对水体中某一水深范围内水样的大量采集，便于探究水体垂直方向上微塑料的赋存水平及迁移规律，通过选用孔径不大于5mm格栅规格可初步筛除不同水体环境中的大颗粒杂质，可适用于各类水体的样品采集，减少环境杂质的干扰；

28、3）本发明提供的一种水体微塑料定深采集与预处理一体化装置，通过浮选单元中的三级浮选池对水样实现多次曝气浮选，更有利于有效分离水样中的微塑料，其中浮块组件位于上层的非沉淀层和下层的沉淀层之间，避免将沉淀层物质吸入软管中，可提高上清液中有效样品的提取分离效率，提高后续分级富集效果。

29、