CN106734174A - 电动修复污染土壤显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动修复污染土壤显示系统，该系统包含：检测子系统、实时采样子系统、传输子系统、处理子系统、显示子系统、记录存储子系统、反馈子系统。该发明通过对多种传感器的有效集成，实现对电动修复处理箱中任意位置电场强度、pH、Eh、含水率、温度和土壤间隙水重金属浓度的检测、显示和存储，便于后期数据处理。对实时了解土壤修复情况、提高电动修复效率、降低监控土壤修复的人工工作量、降低维护成本有重要意义。

Description

电动修复污染土壤显示系统

技术领域

本发明属于重金属污染土壤修复技术领域。具体而言，涉及一种电动修复污染土壤的显示系统。

背景技术

研究表明，我国土壤污染主要以重金属污染为主，其中镉、汞、铅、砷等污染最为突出，例如，我国目前约有数万公顷的土地受到镉、汞等污染。目前造成土壤重金属污染的因素主要有：采矿活动、含重金属废物的堆放、含重金属烟尘的干湿沉降、含重金属废水的排放、农田污水灌溉和污泥施肥等。由于重金属进入土壤后不易分解、转化和富集，以及土壤系统本身的结构的复杂性，使得土壤重金属污染的治理十分困难。

电动力修复污染土壤技术是20世纪80年代初美国路易斯安那州大学研究出来的一种净化土壤污染的原位修复技术。其原理主要是通过在污染土壤两侧施加直流电压，形成电场梯度，使污染物质在电场作用下以电迁移、电渗流和电泳的方式迁移到电极两端，集中收集从而去除污染物。目前，该方法已经用于重金属的治理，并且显示出了巨大的应用前景，现已成为土壤修复的重要发展方向。电动修复的优点主要有：(1)可以处理低渗透性土壤(由于水力传导性问题，传统的技术应用受到限制)的修复；(2)可以进行原位修复，污染修复过程对现场的污染最小；(3)修复时间短，实验室研究表明修复时间不会超过一个月；(4)处理每吨或每立方米土壤的成本比其它传统技术要少得多。

在土壤电动力学修复中，电场强度、电导率、pH值、温度、含水率和土壤间隙水重金属浓度等参数对修复具有重要影响。重金属污染物主要以带电状态（例如离子、离子配合物等）形式存在，因为污染物的电迁移速度及其有效的电泳速度与电场强度成正比，电场强度一定程度上决定了修复效率，电场强度可通过电压值与距离计算得出；电势变化可以反映土壤区某点导电能力的变化，即反映该点的离子强度的变化。电动修复过程中温度上升会加快氧化和重金属解吸速率，一般土壤温度升高至35-45℃有利于土壤修复进行，温度过高会损伤修复设备；电解槽中阳极呈酸性，酸浓度过高易腐蚀修复设备，阴极呈碱性，易产生碱性带会阻碍修复进行。含水率高易于重金属离子迁移，含水率很低时待修复土壤表面干裂会增加电阻。因此，实时监测电动修复过程中的电场强度、电导率、pH值、温度、含水率和土壤间隙水重金属浓度等参数变化，可降低不必要的功耗，提高重金属离子迁移速率，加速电动修复效率。

以往电动修复污染土壤的检测、采样多为人工采样、读数并记录数据，既易发生触电危险又费时费力，而应用于其他领域上的显示系统和检测系统的研发尚不能满足电动修复污染土壤的实际需求。

例如申请号为“201310164736.8” 的一种原位全自动污染土壤修复装置。该装置设置于运载工具上，包括土壤中金属离子螯合剂及酸碱中和剂注射装置、金属离子电动修复装置、土壤修复微生物喷淋装置、旋耕翻土装置及微电脑控制系统，其中土壤中金属离子螯合剂及酸碱中和剂注射装置、土壤修复微生物喷淋装置、金属离子电动修复装置与微电脑控制系统电连接，所述土壤中金属离子螯合剂及酸碱中和剂注射装置、土壤修复微生物喷淋装置分别对污染土壤进行化学螯合修复和微生物原位修复，所述金属离子电动修复装置对污染土壤进行电动学修复，所述旋耕翻土装置通过旋耕翻土传动装置与运载工具的动力装置连接，所述旋耕翻土装置对污染土壤进行通气氧化修复。

例如申请号为“201510745273.3”一种用于电动力学修复的实验设备和使用方法，实验设备包括实验测试单元、流量-气体检测单元和电源供能单元，实验测试单元包括测试本体、电位测量探针和电极组件，其中一个电极组件的阳极与电源供能单元的正极电连，另一个电极组件的阴极与所述的电源供能单元的负极电连；流量-气体检测单元包括用于测量液体流量的第一测试件和用于测试气体流量的第二测试件；使用方法包括：对细沙进行预处理；在模拟土壤填装室内部装填洁净的细沙颗粒；灌注饱和NaCl溶液；通过控制变量，测定电位测量探针之间的电压变化。该发明能够将海水入侵的盐碱化土地实验室模拟化。

例如申请号为“2013105373672” 的一种区域水环境重金属监测系统及运行方法。该发明为一种区域水环境重金属监测系统及运行方法，本系统包括监测管理系统和经GPRS与之相联的多个监测终端。监测管理系统中心处理器连接数据收发、数据分析处理和数据库管理模块，还连接显示器/用户终端，数据收发模块连接存储各监测终端的GPS、GIS以及相关重金属浓度的数据库。各监测终端的主控模块包括嵌入式处理器及时钟和GPRS子模块，检测模块包括温度传感器和重金属电化学传感器阵列。运行方法为监测终端所测水环境的温度和重金属浓度发送到监测管理系统存储并显示。数据分析处理模块将其与标准值和历史数据对比，当为污染水质或某种重金属浓度突升跳级则报警。

例如申请号为“201310164736.8”的一种自动检测并控制pH的土壤电动修复装置。该实用新型涉及一种用于重金属污染物净化和处理装置，具体涉及一种自动检测并控制pH的土壤电动修复装置，包括电动修复模块、土壤pH值传感器，湿度传感器，ZigBee模块和处理器模块；电动修复模块包括阴极、阳极两个电极、土壤pH计、储液装置、电源和ZigBee模块，土壤pH计通过探针与阴极、阳极两个电极连接，土壤pH计与进水管上的控制阀门相连接；电动修复模块，土壤pH传感器，湿度传感器分别与处理器模块连接；处理器模块通过ZigBee模块与外界监控电脑连接，结构简单，使用方便，可实现电动过程中pH的自动控制，进而调控土壤体系的pH值，通过加入ZigBee模块，实现了数据的实时网上保存，方便了实验人员随时进行查看，提高了整个修复工作的效率。

然而，上述现有技术依然没有解决土壤修复过程中由于相关参数监控、判定修复效果取样、测定重金属含量而导致的人工体力、时间消耗和经济成本增加等问题。

发明内容

为了克服电动修复过程中由相关参数监控、判定修复效果取样、测定重金属含量而导致的人工体力、时间消耗和经济成本增加等问题，本发明公开了一种电动修复重金属污染土壤显示系统，该系统可实现电动修复的可视化，动态连续监测电动修复过程中的多项技术参数，能够实现对电场强度、电导率、pH值、氧化还原电势、温度、含水率和土壤间隙水重金属浓度等的检测、处理、显示和存储，并根据客户需要采样。

本发明为解决上述技术问题采取以下技术方案：

一种电动修复污染土壤显示系统，该系统包含：检测子系统、实时采样子系统、传输子系统、处理子系统、显示子系统、记录存储子系统、反馈子系统；所述检测子系统，用于在电动修复过程中对电流、电场强度、电导率、pH值、氧化还原电势、温度、含水率、土壤间隙水重金属浓度的数据测定；所述实时采样子系统，用于电动修复过程中的自动采样，根据客户预先设定的采样时间间隔和采样量完成定时采样工作；所述传输子系统将检测子系统、采样子系统与处理子系统连接，并将检测子系统和采样系统的电信号传输给处理子系统；所述处理子系统可将信号转换为可视性信息，并对修复结果进行验证并发送反馈信号；所述显示子系统用于显示客户选择的数据信息；所述记录存储子系统负责对现场采集数据进行数据存储；所述反馈子系统用于反馈电动修复过程的数据信息。

优选的，所述处理子系统处理的信号包括检测信号和采样信号，所述可视性信息包括数值、图表和文字，可根据客户需求选择显示内容。

优选的，所述处理子系统对修复结果进行验证的过程包括：1）处理检测信号和采样信号并将这些信号转换为数值、图表和文字，根据客户需求显示在显示屏上；2）将当前的水溶液中重金属浓度数据与存储的数据库中相关重金属浓度级别进行对比，当电动修复过程中水溶液中重金属离子浓度低于设定浓度标准时，发送信号在显示屏上，提示修复成功；3）设定土壤温度、含水率、pH值的范围，当超出阈值时，发送信号至反馈装置和显示装置完成自动断电和/或警报、信息显示。

优选的，所述检测子系统通过电流传感器和电流互感器测定直流电和交流电电流；通过电压传感器测定直流电和交流电电压；通过电压与距离值换算得到电场强度；通过土壤电导率传感器测定电导率；通过PT1000温度传感器测定温度；通过土壤水分传感器测定含水率；通过pH/Eh传感器测定土壤pH和氧化还原电位；通过重金属电化学传感器阵列测定土壤间隙水重金属离子浓度。

优选的，所pH/Eh传感器由不锈钢材料探针和内置场效应晶体管离子感应硅芯片组成。

优选的，所述重金属电化学传感器阵列是包括铅、镉、汞、铜离子电极的重金属电化学传感器阵列。

优选的，所述pH/Eh传感器、土壤电导率传感器、PT1000温度传感器、土壤水分传感器、电压传感器、重金属电化学传感器阵列、电流传感器、电流互感器均匀分布在土壤修复处理箱中；在电动修复污染土壤显示系统断电情况下，所述pH/Eh传感器、土壤电导率传感器、PT1000温度传感器、土壤水分传感器和重金属电化学传感器阵列开始运行工作；在电动修复污染土壤显示系统通电情况下，所述电压传感器、电流传感器、电流互感器运行工作；每隔一定时间测定电场强度、电导率、pH值、氧化还原电势、温度、含水率和土壤间隙水重金属浓度值。

优选的，所述的实时采样子系统采样时间为10min-2h，采样量为10g-200g。

优选的，所述处理子系统包括数据接收模块和发送模块、数据整合处理模块、数据库模块。检测数据和采样数据接入数据接收模块后，数据整合处理模块会进行处理并与数据库模块对接，处理结果由数据发送模块输出至显示子系统和反馈子系统。数据库中既包含历史测定的重金属浓度值也存储有标准号为GB38382002 的中国国家标准《地表水环境质量标准》中相关重金属允许的浓度值。

优选的，所述显示子系统采用的显示单位为触摸显示屏，显示子系统用于显示电场强度、电压、电流、电导率、pH值、氧化还原电势、温度、含水率数据及其他分析数据并解析为图型信息，可实现不同显示参数界面切换功能。

优选的，所述反馈子系统包含开关和报警装置，采用交流电220V进行供电。

所述反馈子系统在显示子系统配合下完成工作，用于反馈电动修复过程的信息，主要包括：土壤温度、土壤含水率、土壤pH值、重金属离子浓度等。

本发明的技术效果体现在：

（1）首次提出一种检测和显示装置，为污染土壤电动力学修复提供了一种便于实时监测和自动记录不同水平和垂直位置土壤的修复情况，对于实时了解土壤修复情况、提高电动修复效率、降低监控土壤修复的人工工作量、降低维护成本有重要意义。

（2）本发明能够通过探针实现对电动修复处理箱中任意位置电场强度、pH值、Eh值、含水率、温度和土壤间隙水重金属浓度的检测，显示和存储，便于后期数据处理；自动采样系统实现了修复过程中的实时采样，便于后期测试分析。

（3）本发明能够设置修复过程中参数阈值，超过阈值给予反馈，降低了电能的损耗，延长了电动修复装置寿命。

附图说明

图1 是本发明所述电动修复污染土壤显示系统的结构原理图；

图2（a） 是电动修复装置立体示意图；

图2（b） 是电动修复污染土壤显示系统传感器分布正视示意图；

图2（c） 是电动修复污染土壤显示系统传感器分布俯视示意图；

图2（d） 是电动修复污染土壤显示系统传感器分布侧视示意图；

图3电动修复污染土壤显示系统的检测子系统示意图；

图4是所述触摸显示屏的显示方式。

其中，图3 中1为聚四氟乙烯壳；2为内衬；3为重金属电化学传感器阵列。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明特征作进一步详细说明：

如图1所示，本发明设置于电动修复装置上，该发明包含检测子系统；实时采样子系统；传输子系统；处理子系统；显示子系统；记录存储子系统；反馈子系统。

检测子系统，用于电动修复过程中电场强度、电导率、pH值、氧化还原电势、温度、含水率和土壤间隙水重金属浓度等数据测定。

检测子系统包括：检测箱、pH/Eh传感器、土壤电导率传感器、PT1000温度传感器、土壤水分传感器、电压传感器、重金属电化学传感器阵列、电流传感器和电流互感器。检测箱包括聚四氟乙烯外壳和内衬，四氟乙烯外壳上开设有若干直径为3mm的通孔，便于水自由出入；内衬贴合于四氟乙烯外壳的内壁上，内衬为滤孔直径为0.45微米的滤膜，用于过滤水。pH/Eh传感器、PT1000温度传感器、重金属电化学传感器阵列的传感器探针插入至检测箱中进行检测。土壤电导率传感器、土壤水分传感器、电压传感器、电流传感器和电流互感器传感器探针直接插入土壤中进行检测。

通过电流传感器和电流互感器测定直流电和交流电电流；通过电压传感器测定直流电和交流电电压；通过电压与距离值换算得到电场强度；通过土壤电导率传感器测定电导率；通过PT1000温度传感器测定温度；通过土壤水分传感器测定含水率；通过pH/Eh传感器测定土壤pH和氧化还原电位，该传感器是由不锈钢材料探针和内置场效应晶体管离子感应硅芯片组成；通过重金属电化学传感器阵列测定土壤间隙水重金属离子浓度，重金属电化学传感器阵列包括信号调理模块、数据接收模块以及铅、镉、汞、铜离子电极的重金属电化学传感器阵列。重金属电化学传感器阵列中铅、镉、汞、铜离子电极的电信号输出端接入信号调理电路，该信号经信号调理电路滤波和调理后，接入数据接收模块。

检测子系统各个传感器的运行过程如下：在电动修复装置断电情况下，所述pH/Eh传感器、土壤电导率传感器、PT1000温度传感器、土壤水分传感器和重金属电化学传感器阵列开始运行工作；在电动修复装置通电情况下，所述电压传感器、电流传感器、电流互感器运行工作；每隔一定时间测定电场强度、电导率、pH值、氧化还原电势、温度、含水率和土壤间隙水重金属浓度值。

实时采样子系统包括定时器、定位装置、重量称量装置和采样装置，其根据客户设定的采样时间和采样量定时采样。其中一种采样点设置方式为均匀分布在土壤修复处理箱中，采样时间间隔设置为30min-2h，采样量设置为50-100g。

传输子系统将检测子系统、采样子系统与处理子系统连接，将检测子系统和采样子系统的电信号传输给处理子系统。

处理子系统包括数据收发模块、数据整合处理模块、数据库模块和数据发送模块；数据接收模块分别连接传输单元和数据整合处理模块，数据整合处理模块分别连接数据库模块和数据发送模块，数据发送模块分别连接显示子系统和反馈子系统。数据分析处理模块对收集的数据集中处理。数据库中既包含历史测定的重金属浓度值也存储有标准号为GB38382002 的中国国家标准《地表水环境质量标准》中相关重金属允许的浓度值。处理子系统用于处理检测信号和采样信号，将这些信号转换为数值、图表和文字，并根据客户需求显示在显示屏上；将当前的水溶液中重金属浓度数据与存储的数据库中相关重金属浓度级别进行对比，当电动修复过程中水溶液中重金属离子浓度低于设定浓度标准时，发送信号在显示屏上，提示修复成功；设定土壤温度、含水率、pH值的范围，当超出阈值时，发送信号至反馈子系统和显示子系统完成自动断电、警报和信息提示。

显示子系统用于显示客户所需的数据信息。其显示装置为触摸显示屏，用于显示电场强度、电压、电流、电导率、pH值、氧化还原电势、温度、含水率数据、时间、水中重金属离子浓度及其他分析数据、图像或图型信息，如图4所示，可实现不同显示参数界面切换功能。

记录存储子系统用于将现场检测采集的大量数据存储在移动硬盘或移动工作站中，供拷贝和后期处理。

反馈子系统包含开关和报警装置，用于反馈电动修复过程的信息，其采用交流电220V进行供电。反馈子系统与显示子系统共同完成电动修复过程的信息反馈工作，主要包括以下几种反馈信息：

1）土壤温度最佳变化范围为0-80℃，当温度≥95℃时，处理子系统分别发出信号至显示子系统和反馈子系统，电动修复装置自动断电、发出“滴滴滴”警报声并在显示屏上呈现“温度过高”字样。

2）土壤含水率最佳变化范围为30-80%，当土壤含水率≤20%时，处理子系统分别发出信号至显示子系统和反馈子系统，电动修复装置自动断电、发出“滴滴滴”警报声并在显示屏上呈现“土壤干燥，请加水”字样。

3）靠近阴极附近的0-1/3电解槽长度范围内的土壤pH值最佳变化范围为4-8，当土壤pH≥12.5时，处理子系统分别发出信号至显示子系统和反馈子系统，电动修复装置自动断电、发出“滴滴滴”警报声并在显示屏上呈现“阴极附近pH过碱”字样。

4）靠近阴极附近的0-1/5电解槽长度范围内土壤间隙水的重金属离子浓度达到已设定的修复阈值，处理子系统分别发出信号至显示子系统和反馈子系统，发出“滴滴”提示音并在显示屏上呈现“修复完成，请检测土壤重金属浓度”。其中土壤间隙水的重金属离子浓度修复阈值可参考《地表水环境质量标准GB3838-2002》或用户已存储的历史数据。

所述电动修复污染土壤显示系统工作过程如下：

1）根据用户需求，将定性修复污染土壤显示系统设定为：电动修复系统运行工作4小时后，检测子系统每隔30分钟测定电场强度、电导率、pH值、氧化还原电势、温度、含水率和土壤间隙水重金属浓度等数据，实时采样子系统每隔1小时采集样品50g。

2）将检测子系统和采样系统的电信号传输给处理子系统。处理子系统对电场强度、电导率、pH值、氧化还原电势、温度、含水率、土壤间隙水重金属浓度数据和采样信息进行处理，并将当前的水溶液中重金属浓度数据与存储的数据库中相关重金属浓度级别进行对比。

3）当电动修复过程中水溶液中重金属离子浓度低于设定浓度标准时（其中一种预先设定值为：砷0.05mg/L，汞0.00005mg/L，镉0.005mg/L，铅0.01mg/L），发送信号在显示屏上显示修复成功。同时，记录存储子系统将现场检测采集的大量数据存储在移动工作站中。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (10)

1.一种电动修复污染土壤显示系统，其特征在于，该系统包含：检测子系统、实时采样子系统、传输子系统、处理子系统、显示子系统、记录存储子系统、反馈子系统；所述电动修复污染土壤显示系统安装于电动修复装置上；

所述检测子系统，用于在电动修复过程中对电流、电场强度、电导率、pH值、氧化还原电势、温度、含水率、土壤间隙水重金属浓度的数据测定；所述实时采样子系统，用于电动修复过程中的自动采样；所述传输子系统将检测子系统、采样子系统与处理子系统连接，并将检测子系统和采样系统的电信号传输给处理子系统；所述处理子系统可将信号转换为可视性信息，并将相关信息发送至反馈子系统和显示子系统；所述显示子系统用于显示客户选择的数据信息；所述记录存储子系统负责对现场采集数据进行数据存储；所述反馈子系统对处理子系统发出电信号给予自动断电、警报等反馈。

2.根据权利要求1所述的电动修复污染土壤显示系统，其特征在于：所述检测子系统通过电流传感器和电流互感器测定直流电和交流电电流；通过电压传感器测定直流电和交流电电压；通过电压与距离值换算得到电场强度；通过土壤电导率传感器测定电导率；通过PT1000温度传感器测定温度；通过土壤水分传感器测定含水率；通过pH/Eh传感器测定土壤pH质和氧化还原电位；通过重金属电化学传感器阵列测定土壤间隙水重金属离子浓度；所述的pH/Eh值传感器由不锈钢材料探针和内置场效应晶体管离子感应硅芯片组成；

所述的重金属电化学传感器阵列是包括铅、镉、汞、铜离子电极的重金属电化学传感器阵列；

所述pH/Eh值传感器、土壤电导率传感器、PT1000温度传感器、土壤水分传感器、电压传感器、重金属电化学传感器阵列、电流传感器、电流互感器呈棋盘状均匀分布在土壤修复处理箱中；在电动修复污染土壤显示系统断电情况下，pH/Eh传感器、土壤电导率传感器、PT1000温度传感器、土壤水分传感器和重金属电化学传感器阵列开始运行工作；在电动修复污染土壤显示系统通电情况下，电压传感器、电流传感器、电流互感器运行工作；每隔一定时间测定电场强度、电导率、pH值、氧化还原电势、温度、含水率和土壤间隙水重金属浓度值。

3.根据权利要求1所述的电动修复污染土壤显示系统，其特征在于：所述的实时采样子系统采样时间为10min-2h，采样量为10g-200g。

4.根据权利要求1所述的电动修复污染土壤显示系统，其特征在于：所述处理子系统包括数据接收模块和发送模块、数据整合处理模块、数据库模块；所述的数据接收模块用来接收包括检测信号、采样信号、检测时间、采样时间在内的数据；所述检测信号和采样信号接入数据接收模块后，数据整合处理模块会进行处理并与数据库模块对接，处理结果由数据发送模块输出至显示子系统和反馈子系统；数据库中既包含历史测定的重金属浓度值，也存储有标准号为GB38382002的中国国家标准《地表水环境质量标准》中相关重金属允许的浓度值。

5.根据权利要求1所述的电动修复污染土壤显示系统，其特征在于：所述处理子系统处理的信号包括检测信号和采样信号，所述可视性信息包括数值、图表和文字，可根据客户需求选择显示内容。

6.根据权利要求1所述的电动修复污染土壤显示系统，其特征在于：所述处理子系统对修复结果进行验证的过程包括：

1）处理检测信号和采样信号并将这些信号转换为数值、图表和文字，根据客户需求显示在显示屏上；

2）将当前的水溶液中重金属浓度数据与存储的数据库中相关重金属浓度级别进行对比，当电动修复过程中水溶液中重金属离子浓度低于设定浓度标准时，发送信号在显示屏上，提示修复成功；

3）设定土壤温度、含水率、pH值的范围，当超出阈值时，发送信号至反馈装置7和显示装置5完成自动断电、警报和信息显示。

7.根据权利要求1所述的电动修复污染土壤显示系统，其特征在于：所述显示子系统采用的显示装置为触摸显示屏，显示子系统用于显示电场强度、电压、电流、电导率、pH值、氧化还原电势、温度、含水率数据及其他分析数据并解析为图型信息，可实现不同显示参数界面切换功能。

8.根据权利要求1所述的电动修复污染土壤显示系统，其特征在于：所述反馈子系统包含开关和警报装置，采用交流电220V进行供电。

9.根据权利要求11所述的电动修复污染土壤显示系统，其特征在于：所述反馈子系统在显示子系统配合下完成工作，反馈的信息包括：土壤温度、土壤含水率、土壤pH值、重金属离子浓度。

10.一种污染土壤的电动修复装置，其特征在于，该装置包括权利要求1-9中所述的电动修复污染土壤显示系统。