一种新型地表水石油类采样器的设计应用

王 婷，吴 旸，赵娇娇，薛 林

（山东省济南生态环境监测中心，山东济南 250014）

地表水中石油类是目前我国相关部门评价地表水、饮用水水质状况和控制水体污染的重要指标。石油类中含有的烷烃类和芳烃类物质具有较大的毒性，在我国已被列入国家危险废物名录[1]。了解其在水体中的扩散和变换规律，对地表水中石油类的研究、监测和环境管理具有重要的意义和作用。由于石油类物质的特性，使其在水中赋存形式复杂且含量较低[2]，样品采集的方式、采样深度、样品体积等多种因素均会影响石油类的测定结果，因此，能否采集到有代表性的样品对石油类测定结果的准确性尤为重要。

目前我国关于石油类样品采样相关规范主要有：《水和废水监测分析方法》（第四版）[3]、《地表水和污水监测技术规范》（HJ 91—2002）[4]、《水质 采样技术指导》（HJ 494—2009）[5]、《水环境监测规范》（SL219—2013）[6]等，上述标准规范对石油类样品如何采集都给出了具体要求。由于对石油类采样规范的认识不足和采样器具设计的差异，导致在实际工作中采集方式多样，样品不符合规范要求，因此选择符合监测规范要求的石油类采样器十分必要。本文设计了一种新型地表水石油类采样器，通过浮球和绳线长度控制采样深度，排气管气水分流控制采样体积，能够实现定深下自动采样、自动定容功能，该采样器具结构简单，安装便捷，方便使用，可完全满足地表水石油类采样规范要求。

1 现有石油类采样器及存在的问题

水中石油类是各种烃类物质组成的混合物，按沸点可分为汽油馏分（小于170℃）、煤油馏分（170~230℃）、轻柴油馏分（230~270℃）、重柴油馏分（270~350℃）和润滑油馏分（350~500℃）[7]，按成分可分为链烷烃、环烷烃、芳香烃、烯烃和含有少量氧、氮、硫等元素的烃类衍生物[8]。地表水中石油类含量高时，上述碳氢化合物会漂浮于水体表面，形成油膜，阻碍空气中氧气与水体中氧气的交换，使水生生物处于严重缺氧状态；同时分散于水中的吸附于悬浮微粒上或以乳化状态存在于水中的油，它们被微生物氧化分解，消耗水中溶解氧，使水质恶化[3]。

油类在水体中的存在形式主要有漂浮态、乳化态和溶解态，水体中石油类分析是测定水中乳化状态和溶解性油类物质，需单独采集样品，不允许在实验室内再分样。《水和废水监测分析方法》要求采样时避开水体表面的油膜层，在水面下20~50cm处取样。《地表水和污水监测技术规范》《水质 采样技术指导》及《水环境监测规范》要求测定油类的水样时，应在水面至300mm处采集柱状水样，单独采样并全部用于测定，采样瓶（容器）不能用采集的水样冲洗。目前市场上石油类采样器种类较多，也在现有不同采样器具基础上做出了诸多改进[9-11]，根据样品采集原理基本可分为瞬时样品采集器、双绳采样器、浮球采样器三大类。

1.1 瞬时样品采集器

目前监测机构大多采用瞬时采样的方式，即将采样瓶（样品瓶）固定于采样器框架上，采样时框架快速沉于水面下并快速提起，该方式在样品的采集量、采样深度方面都不可控制，同时表层浮油也会混入瓶内；若采样时间控制不当，水样采满达到瓶口，样品充满整个玻璃瓶又不可倒掉部分样品，更不可完全倒掉样品重新用该瓶继续采样，因此，该采集方式无法实现石油类采样规范及质控要求的定深定容采样。

1.2 双绳采样器

此类采样器框架上设有两根绳子，一根固定于框架上用于控制采样器在水中的升降，另一根连接瓶塞用于人工控制采样器瓶塞的开合。采样时将采样瓶固定放置于框架内，将框架放入水中并到达一定深度后，提拉瓶塞控制绳开启瓶塞，样品进入瓶中，一定时间后放松瓶塞控制绳，瓶塞与瓶口闭合，水不再进入瓶中，上提深度控制绳将框架提出水面，取下样品瓶即可完成采样过程。该样品采集方式易受水体流动的影响，采样框架容易旋转晃动，两根控制绳极易缠绕，影响通过人工方式对瓶塞的及时开启关闭控制；该型采样器虽然能实现水面下可定深度样品的采集要求，但无法控制样品流入量，提拉操作不及时也会出现满瓶现象，更无法实现定容采样。

1.3 浮球采样器

浮球采样器是将双绳采样器的手工控制绳控制瓶塞开启变为浮球开启，依靠浮球与定深绳的长度控制采样水深，当采样器下沉深度超过设定的采样水深时，依靠水中浮球的浮力自动拉开瓶塞，水从瓶塞和瓶口间缝隙流入样品瓶，一定时间后上拉吊绳，浮球浮力减小，瓶塞回落，堵住采样瓶瓶口，上提过程不再有样品流入瓶内。该方法实现了定深自动采样，但仍然解决不了样品定容及满瓶问题。

2 新型地表水石油类采样器设计方案

2.1 设计方案

采样器主要部件包括：浮球、定深绳、吊链、框架、瓶塞、固定架、排气管组件（控制定容）、压簧、柱塞、甁箍、底座（配重）、采样瓶等部件。结构件图1

图1 采样器结构图

框架的顶部连接有固定板，框架的底部连接有底座，框架内通过紧固夹固定与采样瓶瓶口相配的瓶塞，框架内在底座与瓶塞间形成用于容纳采样瓶的容置空间，瓶塞上开设有贯穿瓶塞的采样口和排气口，采样口内设置有相配的封塞，封塞与固定板之间通过压簧连接，封塞还通过贯穿固定板的定深绳连接位于框架外的浮球。

采样瓶通过底座设置在容置空间内，在下沉采样时，利用浮球的浮力大于压簧的弹力和封塞重力时，封塞与瓶塞脱离，水会由采样口进入采样瓶内，并利用排气口经瓶内空气排出，实现自动采样，在结束采样时，可上提框架，利用浮球的浮力减小，压簧在自身弹力作用下，将封塞压入瓶塞内，实现采样瓶的自动封装。

排气口内密封固定有贯穿瓶塞的排气管，排气管位于容置空间内的端部螺纹连接有用于设定取样体积的测量管，测量管上设有体积刻度。设置排气管和测量管，可以利用测量管在排气管上位置来调节采样瓶的量，并通过测量管上的刻度实现对采样体积的精确控制，提高采样体积的准确度。瓶塞在采样口处连接有伸入容置空间内的进水管，进水管管口距离底座的高度低于排气管管口距离底座的高度。进水管与排气管相互配合，可便于调整设定采样瓶的采样体积。

封塞与定深绳之间还设有连杆，连杆的一端与封塞固定，连杆的另一端贯穿固定板与定深绳固定。封塞与定深绳之间设置刚性的连杆，利用连杆的刚性，可以在封塞对瓶塞进行封堵时，起到定位作用，使得封塞可以顺利与瓶塞结合。固定板在连杆贯穿处固定有用于对连杆导向且长度小于连杆长度的护套管。护套管对连杆的移动起导向作用，用于保证连杆保持竖向移动，确保连杆上下移动不出现左右位置偏移，便于带动封塞顺利封堵瓶塞。连杆和护套管位于压簧内且均位于压簧的轴线上。连杆、护套管和压簧处于同一轴线上，使得压簧在发生形变，带动封塞移动时，封塞可在连杆的作用下配合护套管呈竖向位移，使其可以实现对瓶塞的封堵与打开。

框架在固定板上连接有吊链。吊链可便于牵引和控制整个采样器在水下的行程以及用于回收采样器。底座上设有配重块且底座通过限位螺栓与框架活动连接。底座上的配重块具有一定重量，确保采样时框架能够克服采样瓶水中浮力后下沉，底座与框架之间通过限位螺栓连接，可以根据采样瓶的大小，调整底座在框架内的位置并利用限位螺栓进行锁定，实现不同体积采样瓶的安装与固定。框架内在容置空间内固定有用于夹紧采样瓶的环形甁箍，甁箍设有用于采样瓶进出的缺口。环形甁箍用于对采样瓶进行固定，甁箍上的缺口方便采样瓶进出框架内，提高使用的便利性。

2.2 操作方式

浮球通过定深绳与封塞连杆连接，连杆穿过定向护套管连接封塞，护套管可确保连杆的上下移动，使封塞与瓶口不出现平行位置偏移；导气管上端出口用软管引出，系挂于采样吊绳高处，不能打折系紧，软管内不要有液体，确保排气管路顺畅，排气管下端设有样品瓶液面位置调节旋钮，可通过螺旋方式调节排气管下端位置高低，实现采集样品的定容；压簧确保封塞与进水管口之间始终处于密合状态；一端“开口”的弹性甁箍方便采样瓶进出采样框架，采用可上下调节式底座，使底座可沿框架移动，便于连接、安装、固定采样瓶，底座位置由框架外侧螺栓固定，底座具有一定的重量，确保采样时框架能够克服采样瓶在水中的浮力后下沉。

2.3 采样过程

按照采集样品量和水深度需求，按照刻度调节好排气管下端高度（排气管管口高度要高于进水管管口）、定深拉绳长度，取下广口瓶玻璃瓶盖，玻璃瓶穿过甁箍与固定架上的瓶塞密合相连，调节底座上下位置使其托住样品瓶，紧固框架侧面螺栓使其不再移动。

将采样器直立放入水中，由于柱塞处于闭合状态，样品进入不了瓶中，至一定深度后，浮球漂浮力通过定深绳拉动栓塞，浮力大于压簧弹力和封塞重力后自动拉开封塞，水通过压力差由封塞与喇叭口间缝隙流入进水管，水则自然进入样品瓶中，水的进入使瓶中液面上升，水样压缩了瓶中气体空间，瓶中气体通过排气管导出，瓶内气水分流；当瓶中样品量达到调节刻度设定的定量体积高度后，液面封住排气管口，瓶中气体不再排出，由于进水管口在样品瓶水面下，瓶中剩余空间的气体压力阻止水不再通过进水管流入样品瓶。收提采样器，由于浮力减小，封塞依靠压簧力量与喇叭口自动闭合（即使不闭合，水样也已进入不了瓶中），采样器离开水面至安全位置后，放松侧面螺栓卸下采样瓶，盖上瓶盖，即可完成一次采样工作。

若要收集一定深度区间的水质样品时，器具在达到初始要求深度后，可手工控制采样器的下沉速度至要求水深，完成所需的深度区间柱状样品采集。

3 新型地表水石油类采样器设计特点

①实现特定深度自动采集样品。②采样器在经过表层浮油时为封闭状态不采样，可有效避开表层浮油，适于收集水面表层下预设深度水中溶解性或乳化状态油。③可垂直下沉采集柱状水样。④利用排气管端部设置的测量管并配置体积刻度，设置采集水样体积的定容操作调节便捷，样品自动定量，实现批次样品体积基本一致；采集到的样品直接在样品瓶中保存，不需二次转移；⑤采样器结构简单，使用灵活，简单调整亦可与固定杆联合组装，适应性更加广泛。

根据该采样器装置的结构特点和使用情况，采样过程和样品代表性完全符合地表水石油类采样规范要求，不仅用于不同水体样品和含油柱状样品的自动采集，还适用于水体特定深度、定容要求的其他分析项目水质样品的自动采集，以用于研究不同水深层次下的水质状况和水质变化情况。