一种污水被动采样装置及其采样方法

摘要

本发明涉及一种污水被动采样装置及其采样方法，其包括采样器外壳和吸附填料；所述采样器外壳包括装填舱体和顶盖，所述顶盖与装填舱体可拆卸连接，所述吸附填料配置于装填舱体内部；所述装填舱体第一端为锥形头，装填舱体的第二端为圆柱部分所述锥形头和圆柱部分一体连接，所述锥形头和圆柱部分内部不连通，所述圆柱部分设置至少一个筛孔；所述锥形头内部设置一重力球，便于采样器浸没水面。

权利要求

1.一种污水被动采样装置，其特征在于，包括：

采样器外壳，包括装填舱体和顶盖，所述顶盖与装填舱体可拆卸连接；

所述装填舱体的第一端为锥形头，装填舱体的第二端为圆柱部分，所述锥形头和圆柱部分一体连接，所述锥形头和圆柱部分内部不连通，所述圆柱部分设置至少一个筛孔；所述锥形头内部设置一重力球；

吸附填料，配置于所述装填舱体的内部；

所述锥形头带动采样器外壳浸没水面，采样器外壳之外的水经过所述筛孔进入采样器外壳内部被所述吸附填料吸收；所述锥形头底面设置一切面，所述锥形头的上表面和侧面由后向前直径不断减小，所述锥形头的前端的形状为一个优弧和一条直线组成；所述锥形头内部为中空，所述锥形头与圆柱部分连接处设置封闭挡板，使得锥形头内部与圆柱部分内部不连通；所述锥形头内设置至少一个连通管，所述封闭挡板上设置与连通管数量相同的开孔，所述连通管连接在封闭挡板的开孔处，所述连通管将锥形头前端外部与圆柱部分内部连通；所述锥形头后端的底部设置一开口，所述开口与圆柱结构内部连通；所述开口不与锥形头内部连通。

2.根据权利要求1所述的污水被动采样装置，其特征在于，所述装填舱体的圆柱部分上部设置矩形开口，所述矩形开口用于安装顶盖；所述圆柱部分长度方向的相对两侧面上分别设置至少一个第一固定件，所述第一固定件用于固定顶盖。

3.根据权利要求2所述的污水被动采样装置，其特征在于，所述圆柱部分底面设置一切面；切面上设置筛孔；所述筛孔方向向圆柱部分后端倾斜；所述圆柱部分后端设置至少一个筛孔，所述圆柱部分后端上部的中间设置半圆形开口。

4.根据权利要求2所述的污水被动采样装置，其特征在于，所述圆柱部分内侧两对称侧面分别设置至少一个加强件，所述加强件的上端水平，所述加强件的上端与矩形开口的下边缘持平；所述圆柱部分内侧底面分别设置至少一个加强件。

5.根据权利要求1所述的污水被动采样装置，其特征在于，所述顶盖的上部设置一个挂耳，所述挂耳上设置通孔；所述挂耳与顶盖的后端之间设置一固定翼。

6.根据权利要求2所述的污水被动采样装置，其特征在于，所述顶盖两侧面设置与第一固定件数量相同的开口，所述开口后端侧面的下部设置第二固定件，所述第二固定件和第一固定件适配。

7.根据权利要求1所述的污水被动采样装置，其特征在于，所述顶盖中部的两侧和前端分别设置筛孔，所述筛孔倾斜向后设置；所述顶盖的底部设置半圆形凹槽，所述半圆形凹槽后端设置一竖直向上的梯形开口，所述梯形开口将顶盖贯穿；所述半圆形凹槽的前端设置一倾斜通孔，所述倾斜通孔连通顶盖的前端底面。

8.根据权利要求1‑7任意一项所述的污水被动采样装置，其特征在于，所述吸附填料包括外包膜和吸附材料；所述吸附材料均匀分布在两个外包膜中间。

说明书

一种污水被动采样装置及其采样方法

技术领域

[0001] 本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及为一种污水被动采样装置及其采样方法。

背景技术

[0002] 近些年，污水流行病学在全球范围内已经成为重要的分析技术被广泛运用在非法药品使用的监测之中，该技术提出，理论的假设基于一定区域内人口通过摄入某种化学物质后，未分解的药物和代谢物通过尿液和粪便排出体外，进入下水道系统，从而进入污水处理厂，通过采集该地区废水作为分析样本，根据代谢率、药物的稳定性、进水流量和污水处理厂服务人口数量等参数计算该类药品的消费总量。

[0003] 目前采样是在养殖场污水区域/总汇流口中通过舀水的容器进行取样，取样不是平均值，不同时间污水的浓度不同，并且通过容器取样在污水表面取样和在污水底部取样浓度相差较大，目前缺少一种能够在污水区域/总汇流口处悬浮取样的装置，能够长时间悬浮在污水中取污水内污染物的平均值。

[0004] 本发明针对上述问题，提供一种污水被动采样装置及其采样方法。

发明内容

[0005] 为了克服背景技术中提出的问题，本发明采用如下技术方案：

[0006] 一种污水被动采样装置，其包括采样器外壳和吸附填料；所述采样器外壳包括装填舱体和顶盖，所述顶盖与装填舱体可拆卸连接，所述吸附填料配置于装填舱体内部；所述装填舱体第一端为锥形头，装填舱体的第二端为圆柱部分所述锥形头和圆柱部分一体连接，所述锥形头和圆柱部分内部不连通，所述圆柱部分设置至少一个筛孔；所述锥形头内部设置一重力球，便于采样器浸没水面。

[0007] 进一步，所述装填舱体的圆柱部分上部设置矩形开口，所述矩形开口用于安装顶盖，所述矩形开口的宽度小于圆柱部分的直径。

[0008] 进一步，所述圆柱部分长度方向的相对两侧面上分别设置至少一个第一固定件，所述第一固定件用于固定顶盖。

[0009] 进一步，所述圆柱部分底面设置一切面；切面上设置至少一个筛孔。

[0010] 进一步，所述筛孔方向向圆柱部分后端倾斜，有利于污水的流入并且保持采样器外壳保持稳定。

[0011] 进一步，所述圆柱部分后端设置至少一个筛孔，所述圆柱部分后端上部的中间设置半圆形开口；所述筛孔在圆柱部分侧面水平排列，所述圆柱部分侧面设置4‑10列，每列设置10‑30个筛孔。

[0012] 进一步，所述圆柱部分内侧两对称侧面分别设置至少一个加强件，所述加强件的上端水平，所述加强件的上端与矩形开口的下边缘持平，所述加强件的上端能够托举住顶盖，保证顶盖不会在矩形开口内掉下。

[0013] 进一步，所述圆柱部分内侧底面分别设置至少一个加强件，上述设置保证了装填舱体的强度。

[0014] 进一步，所述锥形头底面设置一切面，所述锥形头的上表面和侧面由后向前直径不断减小，所述锥形头的前端的形状为一个优弧和一条直线组成；将前端设计为锥形有助于引导流体在装置内部形成一定的流动模式，从而增强采样效率；锥形设计可以在流体进入采样区域时产生一定程度的速度差异，使得采样更加均匀和全面；此外，锥形前端还可以减少流体涡旋的形成，从而减少可能的混合和扩散，进一步保证采样的准确性。

[0015] 进一步，所述锥形头内部为中空，所述锥形头与圆柱部分连接处设置封闭挡板，使得锥形头部与圆柱部分内部不连通，上述设置可以避免外部环境中的污染物直接进入采样区域，从而确保采样的准确性和可靠性。此外，这种不连通的设计还可以减少流体的混合和干扰，有助于保持采样区域的稳定性，提高采样结果的可比性。

[0016] 进一步，所述锥形头内设置至少一个连通管，所述管将外部与圆柱部分内部连通；优选地，连通管设置8个，中间设置1个，两侧分别设置3个；所述锥形头前端设置1个向内等距的连通管。

[0017] 进一步，所述锥形头后端的底部设置一开口，所述开口与圆柱结构内部连通。

[0018] 进一步，所述顶盖的俯视图为矩形，顶盖的侧视图为劣弧和直线组成的形状，所述劣弧的直径与圆柱部分的直径相同。

[0019] 进一步，所述顶盖的上部设置一个挂耳，所述挂耳上设置通孔，便于采样器的悬挂与回收。

[0020] 进一步，所述挂耳与顶盖的后端之间设置一固定翼，能够在水流通过时保持整个装置的稳定，始终保持对着水流的悬浮状态。

[0021] 进一步，所述顶盖两侧面设置与第一固定件数量相同的开口，所述开口后端侧面的下部设置第二固定件，所述第二固定件和第一固定件适配；所述顶盖放置在装填舱体上，所述开口的前端放置于第一卡扣处，此时向前端推动顶盖，第一卡扣和第二卡扣可配合锁紧顶盖与装填舱体；优选地，第一固定件和第二固定件每个侧面分别设置两个。

[0022] 进一步，所述顶盖中部的两侧和前端分别设置筛孔，所述筛孔倾斜向后设置。

[0023] 进一步，所述顶盖的底部设置一半圆形凹槽，所述半圆形凹槽后端设置一竖直向上的梯形开口，所述梯形开口将顶盖贯穿。

[0024] 进一步，所述半圆形凹槽的前端设置一倾斜通孔，所述倾斜通孔连通顶盖的前端底面，有利于保持流体的稳定性。

[0025] 进一步，所述吸附填料包括外包膜和吸附材料；所述吸附材料均匀分布在两个外包膜中间，所述外包膜卷为筒状置于装填舱体内，所述外包膜可有效避免污水中的杂质影响和干扰填料的吸附作用。

[0026] 进一步，所述吸附材料为粉末状。

[0027] 进一步，所述采样器外壳的材质为耐用型尼龙，耐磨耐腐蚀。

[0028] 进一步，所述外包膜为PES聚醚砜微孔滤膜。

[0029] 进一步，所述吸附材料为HLB反相层析填料，其基架为大小均一的坚硬的聚苯乙烯分子。

[0030] 一种污水被动采样的采样方法，包括以下步骤：

[0031] S1：称取2.0g的HLB聚苯乙烯吸附填料；

[0032] S2：先依次使用甲醇、超纯水进行浸泡；

[0033] S3：保持湿润状态的吸附剂使用填料外包膜覆盖卷为筒状置于装填舱体中间[0034] S4：将制作完成的被动采样器外壳从挂耳处系绳，放置于养殖场污水区域/总汇流口中，通过控制绳子保证被动采样器位于液面以下但不可沉底，根据检测任务需要，在污水中停留（3‑7天），使被动采样器充分吸附目标污染物；

[0035] S5：采样结束后，投放新采样器，将原被动采样器取回实验室，用超纯水对采样器进行冲洗干净，晾干后打开采样器，取出吸附填料置于洁净的漏斗中，对可能吸附有目标物质的吸附材料进行洗脱。

[0036] 洗脱方法：将玻璃漏斗放置在漏斗架上，下面接一个离心管。向玻璃漏斗中缓慢加入20%甲醇水溶液10mL淋洗吸附填料，再加入缓慢加入1.2mL浓度为5%氨的甲醇溶液，洗脱时间10min；将洗脱的液体过滤，获得洗脱液，对洗脱液进行实验分析。

[0037] 本发明的有益效果：本发明结构合理；本发明的被动采样器改变了以往主动抽检的方式，显著减低了随机抽样的局限性与偶然性；该被动采样器外壳设计为中间布有筛网的筒状耐用型尼龙材料，小巧便携的整体利于应用于包括但不限于养殖场的污水管网中；整体装置易拆装，有利于回收更换吸附材料，循环利用、降低成本；吸附填料的特异性吸附能力极大程度减少了污水中其他物质的干扰，使得目标物质的回收效率得到显著提高。

[0038] 采样器外壳设置为前端为锥形头的流线型，将装置设计为左端直径大于右端直径的锥形形状有助于引导流体从大直径部分流向小直径部分，从而实现流体的逐渐加速和定向引导；这种设计能够优化流体动力，使流体在装置内部形成更加稳定和有序的流动模式，减少湍流和涡流的产生。子弹形状的顶盖与舱体组合，以及左端大直径的设计，有助于减少流体在装置内部的混合和扩散。相较于均匀直径的设计，流体在逐渐变小的空间中流动会产生更少的涡旋和湍流，从而保持采样区域的稳定性，提高采样结果的可比性和准确性；由于流体在装置内部流动时逐渐加速，流速梯度相对较小，这有助于减少流体与固体表面的摩擦和冲击，从而降低可能的颗粒脱落和颗粒悬浮情况，确保采样的代表性；子弹形状的设计能够在流体通过时形成一定的气动效应，从而进一步提升流体采样效率；流体在快速通过缩小的部分时，会产生较低的压力，促使污水中的微小颗粒更容易进入采样区域；便于重心位于有金属小球的锥形前端沉水时更方便不易受水中悬浮物干扰。应对投放点位为水流加大的管网或者排水口时，流线型的设计减少了水流冲刷造成内部填料外包膜挤压变形的风险。

附图说明

[0039] 图1为本发明第一视角整体的结构示意图；

[0040] 图2为本发明第二视角整体的结构示意图；

[0041] 图3为本发明顶板与装填舱体分开的结构示意图；

[0042] 图4为本发明装填舱体的结构示意图；

[0043] 图5为本发明装填舱体底部的结构示意图；

[0044] 图6为本发明顶盖正面的结构示意图；

[0045] 图7为本发明顶盖背面的结构示意图；

[0046] 图8为本发明装填舱体锥形头处第一视角的剖视结构示意图；

[0047] 图9为本发明装填舱体锥形头处第二视角的剖视结构示意图；

[0048] 图10为本发明吸附填料的结构示意图；

[0049] 图中，1、装填舱体；2、顶盖；3、锥形头；4、圆柱部分；5、筛孔；6、重力球；7、第一固定件；8、第二固定件；9、加强件；10、连通管；11、挂耳；12、固定翼；13、半圆形凹槽；14、外包膜；15、吸附材料；16、矩形开口。

具体实施方式

[0050] 以下通过特定的具体实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0051] 实施例

[0052] 请参照图1‑10，本实施例中的一种污水被动采样装置，其包括采样器外壳和吸附填料；采样器外壳包括装填舱体1和顶盖2，顶盖2与装填舱体1可拆卸连接，吸附填料配置于装填舱体1内部；装填舱体1第一端为锥形头3，装填舱体1的第二端为圆柱部分4，锥形头3和圆柱部分4一体连接，锥形头3和圆柱部分4内部不连通，圆柱部分4设置至少一个筛孔5；锥形头3内部设置一重力球6，便于采样器浸没水面。圆柱部分4与锥形头3一体成型能够减少泄漏风险：一体成型的设计可以有效减少连接部分可能出现的泄漏问题；在传统设计中，连接处可能存在密封不完善的隐患，而本实施例的一体成型能够降低填料包泄漏的风险，从而保障采样过程的准确性和可靠性；并且锥形头3与舱体一体成型可以优化流体的动力特性。传统上下连接的设计可能引起不必要的流动干扰，而一体成型的设计可以减少流体在装置内部的涡流和湍流现象，有利于保持流体的稳定性，从而提高采样的准确性。一体成型的设计可以简化制造过程，减少零部件的数量和加工工艺，降低生产成本。同时，也有助于提高装置的耐用性，减少维护和保养成本，降低制造难度。一体成型的结构通常更加坚固和稳定，能够更好地承受外部环境的影响，增强结构的稳定性。这对于在复杂环境条件下长期运行的污水采样装置来说，尤为重要。一体成型的设计能够降低装置的体积和重量，使操作更加便捷。这对于部署、维护和搬运都是有益的特点；上下连接目的便于拆卸安装，更换内部填料；锥形头3与舱体部分为本发明采样器的固定设计，在正常使用或循环回收过程中无需额外操作，一体成型减少了使用中的装配过程，同时也减少了零件损坏丢失的风险。

[0053] 重力球6设置为金属材质或除金属以外的其他密度大于水的材质。

[0054] 采样器外壳整体外型为流线型，为子弹状，前端为锥形，后端为圆柱形，底部是平面。

[0055] 请参照图1‑5，8‑9，本实施例增加以下技术特征：（对装填舱体1的结构进行以下具体设置）：装填舱体1的圆柱部分4上部设置矩形开口16，矩形开口16的宽度小于圆柱部分4的直径。

[0056] 圆柱部分4长度方向的相对两侧面上分别设置至少一个第一固定件7，第一固定件7用于固定顶盖2。

[0057] 圆柱部分4底面设置一切面；切面上设置筛孔5；筛孔5方向向圆柱部分4后端倾斜，有利于污水的流入并且保持采样器外壳保持稳定。圆柱部分4后端设置至少一个筛孔5，圆柱部分4上部的中间设置半圆形开口；操作人员能够将手指伸入半圆形开口内，方便顶盖2的拆卸，并且能够供水流通过；所述筛孔5在圆柱部分4侧面水平排列，所述圆柱部分4侧面设置4‑10列，每列设置10‑30个筛孔5。

[0058] 圆柱部分4内侧两对称侧面分别设置至少一个加强件9，加强件9的上端为水平，加强件9的上端与矩形开口16的下边缘持平，加强件9的上端能够托举住顶盖2，保证顶盖2不会在矩形开口16内掉下。

[0059] 圆柱部分4的后端设置托举块，托举块为任意形状，上端为水平，能够与加强件9共同托举住顶盖2。

[0060] 圆柱部分4后端上部两侧分别设置一凸起块，防止顶盖2在水中脱落。

[0061] 圆柱部分4内侧底面分别设置至少一个加强件9，上述设置保证了装填舱体1的强度；加强为弧形板，弧形板的外侧与与圆柱部分4内侧的弧顶相同，弧形板固定连接在装填舱体1内侧；优选地，圆柱部分4两侧面分别设置3个弧形板，圆柱部分4的底部设置两个弧形板。

[0062] 锥形头3底面设置一切面，锥形头3的上表面和侧面由后向前直径不断减小，锥形头3的前端的形状为一个优弧和一条直线组成；将前端设计为锥形有助于引导流体在装置内部形成一定的流动模式，从而增强采样效率；锥形设计可以在流体进入采样区域时产生一定程度的速度差异，使得采样更加均匀和全面。此外，锥形前端还可以减少流体涡旋的形成，从而减少可能的混合和扩散，进一步保证采样的准确性。

[0063] 锥形头3内部为中空，锥形头3与圆柱部分4连接处设置封闭挡板，使得锥形头3部与圆柱部分4内部不连通，上述设置可以避免外部环境中的污染物直接进入采样区域，从而确保采样的准确性和可靠性。此外，这种不连通的设计还可以减少流体的混合和干扰，有助于保持采样区域的稳定性，提高采样结果的可比性。

[0064] 锥形头3内设置至少一个连通管10，管将外部与圆柱部分4内部连通；优选地，连通管10设置8个，中间设置1个，两侧分别设置3个；锥形头3前端设置1个向内等距的连通管10；上述设置有利于水流的通过。

[0065] 锥形头3后端的底部设置一开口，开口与圆柱结构内部连通；有利于增强采样效率。

[0066] 请参照图1‑3，6‑7，本实施例增加以下技术特征（对顶盖2的结构进行以下具体设置）：顶盖2的俯视图为矩形，顶盖2的侧视图为劣弧和直线组成的形状，劣弧的直径与圆柱部分4的直径相同。

[0067] 顶盖2的上部设置一个挂耳11，挂耳11上设置通孔，通孔内可挂上绳子，将其放入污水中，便于采样器的悬挂与回收。挂耳11与顶盖2的后端之间设置一固定翼12，能够在水流通过时保持整个装置的稳定，始终保持对着水流的悬浮状态。

[0068] 顶盖2两侧面设置与第一固定件7数量相同的开口，开口后端侧面的下部设置第二固定件8，第二固定件8和第一固定件7适配；顶盖2放置在装填舱体1上，开口的前端放置于第一卡扣处，此时向前端推动顶盖2，第一卡扣和第二卡扣可配合锁紧顶盖2与装填舱体1；优选地，第一固定件7和第二固定件8每个侧面分别设置两个。顶盖2中部的两侧和前端分别设置筛孔5，筛孔5倾斜向后设置。顶盖2的底部设置一半圆形凹槽13，半圆形凹槽13后端设置一竖直向上的梯形开口，梯形开口将顶盖2贯穿。半圆形凹槽13的前端设置一倾斜通孔，倾斜通孔连通顶盖2的前端底面，能够对水流的方向进行引导，有利于保持流体的稳定性。

[0069] 第一固定件7和第二固定件8设置为卡扣，所述卡扣为矩形结构，可进行推拉顶盖2进行与装填舱体1的锁紧或打开。

[0070] 请参照图10，本实施例增加以下技术特征（对吸附填料结构进行以下具体设置）：吸附填料包括填料外包膜14和吸附材料15；吸附材料15均匀分布在两个外包膜14中间，外包膜14卷为筒状置于舱体内，外包膜14可有效避免污水中的杂质影响和干扰填料的吸附作用；并且制作方便。

[0071] 吸附材料15为粉末状。

[0072] 采样器外壳的材质为耐用型尼龙，耐磨耐腐蚀。

[0073] 外包膜14为PES聚醚砜微孔滤膜。

[0074] 吸附材料15为HLB反相层析填料，其基架为大小均一的坚硬的聚苯乙烯分子；该聚合物通过优化表面特性，实现对污水中特定化学物质的高效特异性吸附。与传统吸附剂相比，该聚合物是一种可再生、可回收的材料，减少了废弃物产生，符合环保要求。

[0075] 在一些实施例中，对采样器外壳的外形参数进行具体设置，顶盖2长120‑150mm，装填舱体1长150‑250mm含锥形头3长60‑90mm，顶盖2与装填舱体1连接后锥形头3的顶端截面直径为6‑12mm，圆柱部分4的截面直径为20‑40mm，圆柱部分4底部的平面与圆心的垂直距离为10‑15mm；

[0076] 采样器外壳材质为耐用型尼龙，耐磨耐腐蚀。圆柱部分4设有筛孔5结构，孔为圆孔，孔径为2mm；

[0077] 外包膜14为PES聚醚砜微孔滤膜，直径60.0mm，孔径为0.1μm；

[0078] 吸附材料15为HLB反相层析填料，其基架为大小均一的坚硬的聚苯乙烯分子，平均粒径是40μm‑60μm，平均孔径是300A。

[0079] 金属小球直径为3‑7mm，材质为304不锈钢。

[0080] 一种污水被动采样的采样方法，包括以下步骤：

[0081] S1：称取2.0g的HLB聚苯乙烯吸附填料；

[0082] S2：先依次使用甲醇、超纯水进行浸泡；

[0083] S3：保持湿润状态的吸附剂使用填料外包膜14覆盖卷为筒状置于装填舱体1中间；

[0084] S4：将制作完成的被动采样器外壳从挂耳11处系绳，放置于养殖场污水区域/总汇流口中，通过控制绳子长度保证被动采样器位于液面以下但不可沉底，根据检测任务需要，在污水中停留（3‑7天），使被动采样器充分吸附目标污染物；

[0085] S5：采样结束后，投放新采样装置，将原被动采样装置取回实验室，用超纯水对采样器外壳进行冲洗干净，晾干后打开采样器外壳，取出吸附填料置于洁净的漏斗中，对可能吸附有目标物质的吸附材料15进行洗脱。

[0086] 洗脱方法：将玻璃漏斗放置在漏斗架上，下面接一个离心管。向玻璃漏斗中缓慢加入20%甲醇水溶液10mL淋洗吸附填料，再加入缓慢加入1.2mL浓度为5%氨的甲醇溶液，洗脱时间10min；将洗脱的液体过滤，获得洗脱液，对洗脱液进行实验分析。

[0087] 上述实施例的说明只是用于理解本发明。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进，这些改进也将落入本发明权利要求的保护范围内。