一種新型地表水石油類采樣器的設計應用

王 婷，吳 旸，趙嬌嬌，薛 林

（山東省濟南生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，山東濟南 250014）

地表水中石油類是目前我國相關部門評價地表水、飲用水水質狀況和控制水體污染的重要指標。石油類中含有的烷烴類和芳烴類物質具有較大的毒性，在我國已被列入國家危險廢物名錄[1]。了解其在水體中的擴散和變換規(guī)律，對地表水中石油類的研究、監(jiān)測和環(huán)境管理具有重要的意義和作用。由于石油類物質的特性，使其在水中賦存形式復雜且含量較低[2]，樣品采集的方式、采樣深度、樣品體積等多種因素均會影響石油類的測定結果，因此，能否采集到有代表性的樣品對石油類測定結果的準確性尤為重要。

目前我國關于石油類樣品采樣相關規(guī)范主要有：《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）[3]、《地表水和污水監(jiān)測技術規(guī)范》（HJ 91—2002）[4]、《水質 采樣技術指導》（HJ 494—2009）[5]、《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》（SL219—2013）[6]等，上述標準規(guī)范對石油類樣品如何采集都給出了具體要求。由于對石油類采樣規(guī)范的認識不足和采樣器具設計的差異，導致在實際工作中采集方式多樣，樣品不符合規(guī)范要求，因此選擇符合監(jiān)測規(guī)范要求的石油類采樣器十分必要。本文設計了一種新型地表水石油類采樣器，通過浮球和繩線長度控制采樣深度，排氣管氣水分流控制采樣體積，能夠實現(xiàn)定深下自動采樣、自動定容功能，該采樣器具結構簡單，安裝便捷，方便使用，可完全滿足地表水石油類采樣規(guī)范要求。

1 現(xiàn)有石油類采樣器及存在的問題

水中石油類是各種烴類物質組成的混合物，按沸點可分為汽油餾分（小于170℃）、煤油餾分（170~230℃）、輕柴油餾分（230~270℃）、重柴油餾分（270~350℃）和潤滑油餾分（350~500℃）[7]，按成分可分為鏈烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴、烯烴和含有少量氧、氮、硫等元素的烴類衍生物[8]。地表水中石油類含量高時，上述碳氫化合物會漂浮于水體表面，形成油膜，阻礙空氣中氧氣與水體中氧氣的交換，使水生生物處于嚴重缺氧狀態(tài)；同時分散于水中的吸附于懸浮微粒上或以乳化狀態(tài)存在于水中的油，它們被微生物氧化分解，消耗水中溶解氧，使水質惡化[3]。

油類在水體中的存在形式主要有漂浮態(tài)、乳化態(tài)和溶解態(tài)，水體中石油類分析是測定水中乳化狀態(tài)和溶解性油類物質，需單獨采集樣品，不允許在實驗室內再分樣。《水和廢水監(jiān)測分析方法》要求采樣時避開水體表面的油膜層，在水面下20~50cm處取樣?！兜乇硭臀鬯O(jiān)測技術規(guī)范》《水質 采樣技術指導》及《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》要求測定油類的水樣時，應在水面至300mm處采集柱狀水樣，單獨采樣并全部用于測定，采樣瓶（容器）不能用采集的水樣沖洗。目前市場上石油類采樣器種類較多，也在現(xiàn)有不同采樣器具基礎上做出了諸多改進[9-11]，根據(jù)樣品采集原理基本可分為瞬時樣品采集器、雙繩采樣器、浮球采樣器三大類。

1.1 瞬時樣品采集器

目前監(jiān)測機構大多采用瞬時采樣的方式，即將采樣瓶（樣品瓶）固定于采樣器框架上，采樣時框架快速沉于水面下并快速提起，該方式在樣品的采集量、采樣深度方面都不可控制，同時表層浮油也會混入瓶內；若采樣時間控制不當，水樣采滿達到瓶口，樣品充滿整個玻璃瓶又不可倒掉部分樣品，更不可完全倒掉樣品重新用該瓶繼續(xù)采樣，因此，該采集方式無法實現(xiàn)石油類采樣規(guī)范及質控要求的定深定容采樣。

1.2 雙繩采樣器

此類采樣器框架上設有兩根繩子，一根固定于框架上用于控制采樣器在水中的升降，另一根連接瓶塞用于人工控制采樣器瓶塞的開合。采樣時將采樣瓶固定放置于框架內，將框架放入水中并到達一定深度后，提拉瓶塞控制繩開啟瓶塞，樣品進入瓶中，一定時間后放松瓶塞控制繩，瓶塞與瓶口閉合，水不再進入瓶中，上提深度控制繩將框架提出水面，取下樣品瓶即可完成采樣過程。該樣品采集方式易受水體流動的影響，采樣框架容易旋轉晃動，兩根控制繩極易纏繞，影響通過人工方式對瓶塞的及時開啟關閉控制；該型采樣器雖然能實現(xiàn)水面下可定深度樣品的采集要求，但無法控制樣品流入量，提拉操作不及時也會出現(xiàn)滿瓶現(xiàn)象，更無法實現(xiàn)定容采樣。

1.3 浮球采樣器

浮球采樣器是將雙繩采樣器的手工控制繩控制瓶塞開啟變?yōu)楦∏蜷_啟，依靠浮球與定深繩的長度控制采樣水深，當采樣器下沉深度超過設定的采樣水深時，依靠水中浮球的浮力自動拉開瓶塞，水從瓶塞和瓶口間縫隙流入樣品瓶，一定時間后上拉吊繩，浮球浮力減小，瓶塞回落，堵住采樣瓶瓶口，上提過程不再有樣品流入瓶內。該方法實現(xiàn)了定深自動采樣，但仍然解決不了樣品定容及滿瓶問題。

2 新型地表水石油類采樣器設計方案

2.1 設計方案

采樣器主要部件包括：浮球、定深繩、吊鏈、框架、瓶塞、固定架、排氣管組件（控制定容）、壓簧、柱塞、甁箍、底座（配重）、采樣瓶等部件。結構件圖1

圖1 采樣器結構圖

框架的頂部連接有固定板，框架的底部連接有底座，框架內通過緊固夾固定與采樣瓶瓶口相配的瓶塞，框架內在底座與瓶塞間形成用于容納采樣瓶的容置空間，瓶塞上開設有貫穿瓶塞的采樣口和排氣口，采樣口內設置有相配的封塞，封塞與固定板之間通過壓簧連接，封塞還通過貫穿固定板的定深繩連接位于框架外的浮球。

采樣瓶通過底座設置在容置空間內，在下沉采樣時，利用浮球的浮力大于壓簧的彈力和封塞重力時，封塞與瓶塞脫離，水會由采樣口進入采樣瓶內，并利用排氣口經(jīng)瓶內空氣排出，實現(xiàn)自動采樣，在結束采樣時，可上提框架，利用浮球的浮力減小，壓簧在自身彈力作用下，將封塞壓入瓶塞內，實現(xiàn)采樣瓶的自動封裝。

排氣口內密封固定有貫穿瓶塞的排氣管，排氣管位于容置空間內的端部螺紋連接有用于設定取樣體積的測量管，測量管上設有體積刻度。設置排氣管和測量管，可以利用測量管在排氣管上位置來調節(jié)采樣瓶的量，并通過測量管上的刻度實現(xiàn)對采樣體積的精確控制，提高采樣體積的準確度。瓶塞在采樣口處連接有伸入容置空間內的進水管，進水管管口距離底座的高度低于排氣管管口距離底座的高度。進水管與排氣管相互配合，可便于調整設定采樣瓶的采樣體積。

封塞與定深繩之間還設有連桿，連桿的一端與封塞固定，連桿的另一端貫穿固定板與定深繩固定。封塞與定深繩之間設置剛性的連桿，利用連桿的剛性，可以在封塞對瓶塞進行封堵時，起到定位作用，使得封塞可以順利與瓶塞結合。固定板在連桿貫穿處固定有用于對連桿導向且長度小于連桿長度的護套管。護套管對連桿的移動起導向作用，用于保證連桿保持豎向移動，確保連桿上下移動不出現(xiàn)左右位置偏移，便于帶動封塞順利封堵瓶塞。連桿和護套管位于壓簧內且均位于壓簧的軸線上。連桿、護套管和壓簧處于同一軸線上，使得壓簧在發(fā)生形變，帶動封塞移動時，封塞可在連桿的作用下配合護套管呈豎向位移，使其可以實現(xiàn)對瓶塞的封堵與打開。

框架在固定板上連接有吊鏈。吊鏈可便于牽引和控制整個采樣器在水下的行程以及用于回收采樣器。底座上設有配重塊且底座通過限位螺栓與框架活動連接。底座上的配重塊具有一定重量，確保采樣時框架能夠克服采樣瓶水中浮力后下沉，底座與框架之間通過限位螺栓連接，可以根據(jù)采樣瓶的大小，調整底座在框架內的位置并利用限位螺栓進行鎖定，實現(xiàn)不同體積采樣瓶的安裝與固定。框架內在容置空間內固定有用于夾緊采樣瓶的環(huán)形甁箍，甁箍設有用于采樣瓶進出的缺口。環(huán)形甁箍用于對采樣瓶進行固定，甁箍上的缺口方便采樣瓶進出框架內，提高使用的便利性。

2.2 操作方式

浮球通過定深繩與封塞連桿連接，連桿穿過定向護套管連接封塞，護套管可確保連桿的上下移動，使封塞與瓶口不出現(xiàn)平行位置偏移；導氣管上端出口用軟管引出，系掛于采樣吊繩高處，不能打折系緊，軟管內不要有液體，確保排氣管路順暢，排氣管下端設有樣品瓶液面位置調節(jié)旋鈕，可通過螺旋方式調節(jié)排氣管下端位置高低，實現(xiàn)采集樣品的定容；壓簧確保封塞與進水管口之間始終處于密合狀態(tài)；一端“開口”的彈性甁箍方便采樣瓶進出采樣框架，采用可上下調節(jié)式底座，使底座可沿框架移動，便于連接、安裝、固定采樣瓶，底座位置由框架外側螺栓固定，底座具有一定的重量，確保采樣時框架能夠克服采樣瓶在水中的浮力后下沉。

2.3 采樣過程

按照采集樣品量和水深度需求，按照刻度調節(jié)好排氣管下端高度（排氣管管口高度要高于進水管管口）、定深拉繩長度，取下廣口瓶玻璃瓶蓋，玻璃瓶穿過甁箍與固定架上的瓶塞密合相連，調節(jié)底座上下位置使其托住樣品瓶，緊固框架側面螺栓使其不再移動。

將采樣器直立放入水中，由于柱塞處于閉合狀態(tài)，樣品進入不了瓶中，至一定深度后，浮球漂浮力通過定深繩拉動栓塞，浮力大于壓簧彈力和封塞重力后自動拉開封塞，水通過壓力差由封塞與喇叭口間縫隙流入進水管，水則自然進入樣品瓶中，水的進入使瓶中液面上升，水樣壓縮了瓶中氣體空間，瓶中氣體通過排氣管導出，瓶內氣水分流；當瓶中樣品量達到調節(jié)刻度設定的定量體積高度后，液面封住排氣管口，瓶中氣體不再排出，由于進水管口在樣品瓶水面下，瓶中剩余空間的氣體壓力阻止水不再通過進水管流入樣品瓶。收提采樣器，由于浮力減小，封塞依靠壓簧力量與喇叭口自動閉合（即使不閉合，水樣也已進入不了瓶中），采樣器離開水面至安全位置后，放松側面螺栓卸下采樣瓶，蓋上瓶蓋，即可完成一次采樣工作。

若要收集一定深度區(qū)間的水質樣品時，器具在達到初始要求深度后，可手工控制采樣器的下沉速度至要求水深，完成所需的深度區(qū)間柱狀樣品采集。

3 新型地表水石油類采樣器設計特點

①實現(xiàn)特定深度自動采集樣品。②采樣器在經(jīng)過表層浮油時為封閉狀態(tài)不采樣，可有效避開表層浮油，適于收集水面表層下預設深度水中溶解性或乳化狀態(tài)油。③可垂直下沉采集柱狀水樣。④利用排氣管端部設置的測量管并配置體積刻度，設置采集水樣體積的定容操作調節(jié)便捷，樣品自動定量，實現(xiàn)批次樣品體積基本一致；采集到的樣品直接在樣品瓶中保存，不需二次轉移；⑤采樣器結構簡單，使用靈活，簡單調整亦可與固定桿聯(lián)合組裝，適應性更加廣泛。

根據(jù)該采樣器裝置的結構特點和使用情況，采樣過程和樣品代表性完全符合地表水石油類采樣規(guī)范要求，不僅用于不同水體樣品和含油柱狀樣品的自動采集，還適用于水體特定深度、定容要求的其他分析項目水質樣品的自動采集，以用于研究不同水深層次下的水質狀況和水質變化情況。