CN106269826A - 一种土壤的自动化生态修复系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于环境修复技术领域，公开了一种土壤的自动化生态修复技术，该技术通过自动化系统实现。检测系统获取土壤组成和结构，及污染物种类和数量，评估系统对快检结果进行运算，输出土壤的污染状况；修复系统针对不同污染状况的土壤进行分类修复工作。本技术把土壤污染调查和评估与修复有机结合在一起，节省修复时间并避免过度修复或修复不足，完全不添加任何额外物质，依靠系统自身的降解能力实现污染修复，无次生污染及其他诸如生物入侵等问题的产生，修复效果具有可持续性，能够广泛应用于多种土地利用类型的土壤修复。
Description
技术领域
本发明涉及环境修复技术领域，具体地说是一种土壤的自动化生态修复系统及方法。
背景技术
土壤污染是指由人类活动产生的各种污染物通过多种途径输入土壤，其数量和速度超过了土壤的净化能力，导致土壤的组成、结构和功能等发生变化，从而使土壤的生态平衡受到破坏，正常功能失调，导致土壤环境质量下降，影响作物的正常生长发育，并产生一定的水和大气次生污染的环境效应，最终将危及人体健康以及人类生存和发展的现象。
我国土壤污染的总体形势非常严峻，并且土壤污染物的种类和数量及被污染的土壤地域和规模有逐渐扩大的趋势。我国土壤污染出现了有毒化工和重金属污染由工业向农业转移、由城区向农村转移、由地表向地下转移、由上游向下游转移、由水土污染向食品链转移的趋势，逐步积累的污染正在演变成污染事故的频繁爆发。严峻的土壤污染现状对耕地、经济、人体和生态环境造成巨大的危害。
在以往环境修复中，土壤污染调查和评估与修复工程之间间隔时间较长，有些修复需要辅助化学手段，同时在修复过程中存在过度修复。
发明内容
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案实现：
本发明提供了一种土壤的自动化生态修复系统，包括检测系统、评估系统和修复系统，所述检测系统包括红外线探测器、传感器、光谱解译装置，所述评估系统包括运算装置、植物库及控制装置，所述修复系统包括耕耘器、播种器、水箱、洒水器、采样器和研磨器。所述检测系统与所述评估系统连接且可以实现数据信息的传递，所述评估系统与所述修复系统集成安装在一容器内，容器被物理间隔为四个腔室，由控制与运算中心发出指令，由耕种中心、水管理中心及样品采集研磨中心分别操作执行。修复系统通过评估系统内嵌的植物库，选择用于修复的植物种类及其对应的育苗方法和管理方法。植物库是根据已有文献中记录的关于富集植物的名录，并根据植物志和相关文献搜集其发芽、出苗等生长史的水温条件，配以系统内的时间及水温探测器，确定不同污染物对应的富集植物，以及管理方式(包括不同季节下的浇水量和频率，及在一定湿度下的浇水量)。
评估系统通过污染评价模型对快检结果进行运算，并综合各模型评估结果，输出重金属、农残和多环芳烃不同种类污染物的状况，归类为中轻度污染和重度污染。污染评价模型综合考虑了土壤组成和结构对各污染物的钝化能力，然后根据污染物含量估算出活性污染物的数量及其随时间变化的释放速率，及已有文献中显示的相关富集植物的存活临界点，对污染程度进行分类。对于中轻度污染，由修复系统的耕耘器、播种器、洒水器等执行对应的育苗方法和管理方法；对于重度污染，由控制系统发出指令，由修复装置的采样器采集修复终止后的中轻度污染土壤，超声粉碎成10μm颗粒，混合到重度污染土壤中；然后进行植物修复，期间通过快速检测系统监测的土壤污染状况、通过评估系统评价修复效果，进行修复工程的调整，直到修复效果合转为中轻度污染后，执行中轻度污染修复工程。
一种土壤的自动化生态修复方法，包括以下步骤：
S1通过检测系统获取土壤组成、结构及污染物种类和数量；
S2评估系统对检测结果进行运算，输出土壤的污染状况；
S3修复系统针对不同污染状况的土壤进行分类生态修复工作。
修复系统是通过评估系统内嵌的植物库，选择用于修复的植物种类及其对应的育苗方法和管理方法。评估系统通过符合快检方法的污染评价模型对快检结果进行运算，并综合各模型评估结果，输出重金属、农残和多环芳烃不同种类污染物的状况，归类为中轻度污染和重度污染。对于中轻度污染土壤，进行植物修复，并通过检测系统监测土壤污染状况、通过评估系统评价修复效果，进行修复工作的调整，直到修复效果合格便终止修复工作；对于重度污染土壤，采集修复终止后的中轻度污染土壤，超声粉碎成10μm颗粒，混合到重度污染土壤中，进行植物修复，期间通过检测系统监测的土壤污染状况、通过评估系统评价修复效果，进行修复工作的调整，直到修复效果合转为中轻度污染后，执行中轻度污染修复工作。
本发明的有益效果是：
本发明把检测、评估和修复三个过程有机的结合在一起，快速检测，节省修复时间并避免过度修复或修复不足，本生态修复完全不添加任何额外物质，有效利用生物与环境的作用关系，最大限度激活生态系统的自净功能，恢复生态系统的原有服务功能，依靠系统自身的降解能力实现污染修复，无次生污染及其他诸如生物入侵等问题的产生，修复效果具有可持续性，并且能够广泛应用于多种土地利用类型的土壤修复。
附图说明
图1是本发明所采用一种土壤的自动化生态修复系统的结构示意图。
图2是本发明所采用一种土壤的自动化生态修复方法的流程示意图。
图3土壤组成与结构
图4修复过程中的污染物变化
图中：1.探测器；2.传感器；3.采样器；4.样品出口；5.洒水器；6.注水口；7.进种口；8.播种器；9.耕耘器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
首先，通过快速检测系统获取土壤组成和结构，及污染物种类和数量；
然后，评估系统通过污染评价模型对快检结果进行运算，并综合各模型评估结果，输出重金属、农残和多环芳烃等不同种类污染物的状况，归类为中轻度污染和重度污染；
最后，修复系统针对不同污染状况的土壤进行分类修复工程：
对于中轻度污染土壤，通过评估系统内嵌的植物库，选择用于修复的植物种类及其对应的育苗方法和管理方法，进行植物修复；期间通过检测系统监测土壤污染状况、通过评估系统评价修复效果，进行修复工程的调整，直到修复效果合格便终止修复工程；
对于重度污染土壤，首先采集修复终止后的中轻度污染土壤，超声粉碎成10μm颗粒，混合到重度污染土壤中；然后通过内嵌的植物库，选择用于修复的植物种类及其对应的育苗方法和管理方法，进行植物修复，期间通过快速检测系统监测的土壤污染状况、通过评估系统评价修复效果，进行修复工程的调整，直到修复效果合转为中轻度污染后，执行中轻度污染修复工程。
其中，污染评价模型综合考虑了土壤组成和结构对各污染物的钝化能力，然后根据污染物含量估算出活性污染物的数量及其随时间变化的释放速率，及已有文献中显示的相关富集植物的存活临界点，对污染程度进行分类。
植物库是根据已有文献中记录的关于富集植物的名录，并根据植物志和相关文献搜集其发芽、出苗等生长史的水温条件，配以系统内的时间及水温探测器，确定不同污染物对应的富集植物，以及管理方式(包括不同季节下的浇水量和频率，及在一定湿度下的浇水量)。
试验举例：2015年3月，在青岛市崂山某茶园，面积10m×10m的地块上，试用该土壤自动化生态修复系统及方法。
探测器分别在2m×2m的方格中间，插入土壤10cm处，测定土壤组成与结构，及污染物的种类和数量。结果显示土壤富含氮磷钾(表1)，有机质组成属于软硬碳兼半，如图3所示；As轻度污染，Cd、Pb中度污染，如表2所示。
表1土壤养分状况
表2土壤污染状况
| 污染参数 | 样本数 | 背景值 | 最小值 | 最大值 | 均值 | 污染指数 |
| Cd(ng/g) | 25 | 200 | 102 | 611 | 305 | 中度(2.1) |
| Pb(μg/g) | 25 | 150 | 150 | 315 | 221 | 中度(2.3) |
| As(μg/g) | 25 | 35 | 15 | 55 | 43 | 轻度(1.2) |
通过内嵌的植物库，调出狗尾草(Setaria viridis(L.)Beauv.)、马唐(Digitariasanguinalis(L.)Scop.)、龙葵(Solanum nigrum L.)、碱蓬(Suaeda glauca(Bunge)Bunge)，都能不同程度的富集或降解中轻度污染的重金属。
根据系统程序，翻耕土壤后，先播种狗尾草和马唐，播种密度为0.1g/m2，喷纯净水，出苗前，保持20-40％的土壤水分，出苗后，保持20-60％的土壤水分。生长60天后，移除所有植物，可以喂养牛羊马或者做绿肥。这个过程能够移除5-10％的重金属，如图4所示。
然后播种龙葵，播种密度为0.05g/m2，喷纯净水，保持20-50％的土壤水分，待开花结果后，全部移除，做药材或者绿肥。这个过程能移除10-15％的重金属，如图4所示。
最后，播种碱蓬，播种密度为0.1g/m2，喷纯净水，保持土壤水分20-60％，待入冬后，全部收割，用做蔬菜或者绿肥。这个过程可以移除5-10％的重金属，如图4所示。
由于快检系统检测的土壤污染数据经评估系统计算后，已经合格，于是修复程序终止。
上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种土壤的自动化生态修复系统，其特征在于：包括检测系统、评估系统和修复系统，所述检测系统包括红外线探测器、传感器、光谱解译装置，所述评估系统包括运算装置、植物库及控制装置，所述修复系统包括耕耘器、播种器、水箱、洒水器、采样器和研磨器。所述检测系统与所述评估系统连接且可以实现数据信息的传递，所述评估系统与所述修复系统集成安装在一容器内，容器被物理间隔为四个腔室，由控制与运算中心发出指令，由耕种中心、水管理中心及样品采集研磨中心分别操作执行。
2.根据权利要求1所述的一种土壤的自动化生态修复系统，其特征在于：所述修复系统中的植物修复是通过评估系统内嵌的植物库，选择用于修复的植物种类及其对应的育苗方法和管理方法。
3.根据权利要求1所述的一种土壤的自动化生态修复系统，其特征在于：所述评估系统通过污染评价模型对检测结果进行运算，并综合各模型评估结果，输出重金属、农残和多环芳烃不同种类污染物的状况，归类为中轻度污染和重度污染。
4.根据权利要求3所述的一种土壤的自动化生态修复系统，其特征在于：对于中轻度污染，由修复系统的耕耘器、播种器、洒水器等执行对应的育苗方法和管理方法。
5.根据权利要求3所述的一种土壤的自动化生态修复系统，其特征在于：对于重度污染，由控制系统发出指令，由修复装置的采样器采集修复终止后的中轻度污染土壤，超声粉碎成颗粒，混合到重度污染土壤中；然后进行植物修复，期间通过快速检测系统监测的土壤污染状况、通过评估系统评价修复效果，进行修复工程的调整，直到修复效果合转为中轻度污染后，执行中轻度污染修复工程。
6.根据权利要求5所述的一种土壤的自动化生态修复系统，其特征在于：所述颗粒大小为10μm。
7.一种土壤的自动化生态修复方法，其特征在于：
S1通过检测系统的红外探测器获取土壤吸收光谱，进行光谱解译，测定土壤组成、结构及污染物种类和数量；
S2评估系统对检测结果进行运算，输出土壤的污染状况；
S3修复系统针对不同污染状况的土壤进行分类生态修复工作。
8.根据权利要求7所述的一种土壤的自动化生态修复方法，其特征在于：所述的修复系统是通过评估系统内嵌的植物库，选择用于修复的植物种类及其对应的育苗方法和管理方法。
9.根据权利要求7所述的一种土壤的自动化生态修复方法，其特征在于：所述的分类生态修复工作分为两类：
对于中轻度污染土壤，进行植物修复，并通过检测系统监测土壤污染状况、通过评估系统评价修复效果，进行修复工作的调整，直到修复效果合格便终止修复工作；
对于重度污染土壤，控制系统发出指令，由修复系统的采样器采集修复终止后的中轻度污染土壤，超声粉碎成颗粒，混合到重度污染土壤中进行植物修复，期间通过检测系统监测的土壤污染状况、通过评估系统评价修复效果，进行修复工作的调整，直到修复效果转为中轻度污染后，执行中轻度污染修复工程。
10.根据权利要求9所述的一种土壤的自动化生态修复方法，其特征在于：所述颗粒大小为10μm。
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