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Abstract

本发明涉及一种有机污染土壤电动修复可视化系统，系统包括参数监测模块、信息处理模块、可视化模块。本发明设计了多因素在线监测‑同频数值转换‑空间位置关联‑点阵数据显示的技术流程，实现了有机污染土壤电动修复的二维可视化，有利于修复过程的时空调控与总修复效率的提高。

Description

一种有机污染土壤电动修复可视化系统
技术领域
本发明涉及有机污染土壤电动修复的技术领域，具体说是一种有机污染土壤电动修复可视化系统。
背景技术
电动修复是污染土壤治理的一种新兴技术。与重金属污染土壤的电动定向迁移/富集原理不同，有机污染土壤电动修复过程更为复杂。有机污染物的降解受到电动的化学氧化与微生物的降解作用共同影响，且受土壤环境因素制约。
已有对有机污染土壤电动技术的研发，主要集中在三个方面：(1)电极开发及布设方式优化(ZL201110203862.0、ZL201310595675.0、ZL 201110439187.1、201610562782.7)，(2)适应电动条件下的不同有机污染物的功能降解菌株/菌剂(ZL201110415635.4、ZL201110302755.3、)，(3)改善土壤环境、调控电动与生物反应过程的电解质(201610570633.5)。从这三个方面，在工艺优化的基础上(ZL201510025609.9)，进一步提升电动修复效率。但是，在有机污染土壤的电动修复过程中，电场、土壤理化性质，及受两者胁迫的微生物均发生动态变化。所以，对电动修复的全过程监控，才可保障有机污染土壤修复效率的最大化。而对电场强度检测的实现(ZL201410827089.4)，使得有机污染土壤电动修复过程中电场与土壤环境参数的在线监测成为可能。同时，研究结果表明，微生物数量变化及其对有机污染物的降解速率可以采用模型量化模拟。
因此，在已有技术研发基础上，实现电动修复的可视化显示，有助于全过程监测有机污染土壤的修复效率，便于在适合的时间和空间，通过电场、微生物与土壤理化性质调控，来提高有机污染土壤电动修复的总体效率。
发明内容
本发明目的在于提供一种有机污染土壤电动修复可视化系统。
为实现上述目的本发明采用的技术方案为：一种有机污染土壤电动修复可视化系统，包括参数监测模块、信息处理模块、可视化模块；
所述参数监测模块，用于电场和土壤理化性质参数信息的监测与存储，并发送给所述信息处理模块；
所述信息处理模块，用于将接收的参数信息，转换为与空间坐标关联的数值，结合预设污染物与微生物空间分布信息，生成同频率点阵数据，并发送给所述可视化模块；
所述可视化模块，用于将接收的点阵数据，在二维坐标系上进行可视化展示。
所述参数监测模块包括信息采集单元、频率设置单元、信息储存单元；
所述信息采集单元，用于通过传感器采集电场和土壤理化性质参数信息；
所述频率设置单元，用于设置不同参数信息的采集频率；
所述信息储存单元，用于储存参数信息，发送给信息处理块。
所述信息处理模块包括数值转换单元、空间关联单元、模型计算单元；
所述数值转换单元，用于将参数信息转换为同频率数值；
所述空间关联单元，用于将转换后的同频数据与监测的空间位置进行关联；
所述模型计算单元，用于将与空间位置关联的同频数据代入设定降解模型，结合预设污染物与微生物空间分布信息，生成点阵数据发送给可视化模块。
所述可视化模块包括点阵储存单元、二维展示单元、过程调控单元；
所述点阵储存单元，用于分类储存模型计算单元生成的点阵数据；
所述二维展示单元，用于在二维坐标系上，对点阵数据进行显示；
所述过程调控单元，用于对频率设置单元和模型计算单元进行反馈。
所述参数信息包括：场强、电流、电压、土壤pH、土壤含水率、土壤温度。
一种有机污染土壤电动修复可视化方法，其特征在于，包括以下步骤；
参数监测模块进行电场和土壤理化性质参数信息的监测与存储，并发送给所述信息处理模块；
信息处理模块将接收的参数信息，转换为与空间坐标关联的数值，结合预设污染物与微生物空间分布信息，生成同频率点阵数据，并发送给所述可视化模块；
可视化模块将接收的点阵数据，在二维坐标系上进行可视化展示。
所述参数监测模块执行以下步骤：
信息采集单元通过传感器采集电场和土壤理化性质参数信息；
通过频率设置单元设置不同参数信息的采集频率；
信息储存单元储存参数信息，发送给信息处理块。
所述信息处理模块执行以下步骤；
数值转换单元将参数信息转换为同频率数值；
空间关联单元将转换后的同频数据与监测的空间位置进行关联；
模型计算单元将与空间位置关联的同频数据代入设定降解模型，结合预设污染物与微生物空间分布信息，生成点阵数据发送给可视化模块。
所述可视化模块执行以下步骤：
点阵储存单元分类储存模型计算单元生成的点阵数据；
二维展示单元在二维坐标系上，对点阵数据进行显示；
过程调控单元对频率设置单元和模型计算单元进行反馈。
所述参数信息包括：场强、电流、电压、土壤pH、土壤含水率、土壤温度。
本发明具有以下优点及有益效果：
本发明系统由参数监测模块、信息处理模块、可视化模块组成，按照多因素在线监测-同频数值转换-空间位置关联-点阵数据显示的技术流程，实现了有机污染土壤电动修复的二维可视化，有利于修复过程的时空调控与总修复效率的提高。
附图说明
图1是本发明中可视化系统组成与操作流程图；
图2是本发明实施例1中电极布设与极性切换方式；
图3a是本发明实施例1中有机污染土壤电动修复效率的时空变化图一；
图3b是本发明实施例1中有机污染土壤电动修复效率的时空变化图二；
图3c是本发明实施例1中有机污染土壤电动修复效率的时空变化图三。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。
一种有机污染土壤电动修复可视化系统(图1)，包括参数监测模块(M)、信息处理模块(I)、可视化模块(V)，并设计了多因素在线监测-同频数值转换-空间位置关联-点阵数据显示的技术流程，实现了有机污染土壤电动修复的二维可视化。
(1)所述参数监测模块，包括信息采集单元(MA)、频率设置单元(MF)、信息储存单元(MS)。
1)所述信息采集单元，是利用传感器，对场强、电流、电压、土壤pH、土壤含水率、土壤温度信息进行实施采集。其中，场强、电流和电压采用研发的场强检测方法与装置(ZL201410827089.4)，检测范围分别为0V/cm～100V/cm、0mA～500mA、0V～50V。土壤的pH、含水率和温度的检测范围分别为0～14、0％～70％、-20℃～50℃。
2)所述频率设置单元，是用于设置不同参数的信息采集频率；
根据土壤性质对电场影响的实验，场强、电流和电压的信息采集频率分别为0.005Hz～0.5Hz、0.01Hz～0.2Hz、0.01Hz～0.2Hz。根据电动条件下土壤性质的变化速率实验，土壤的pH、含水率和温度的信息采集频率分别为7×10-5Hz～2×10-4Hz、1×10-5Hz～2×10-5Hz、1×10-5Hz～2×10-5Hz。
3)所述信息储存单元，是用于储存参数信息，发送给信息处理块。
按照时间序列，存储采集的信息，时间精确到ms。在同一时间点，未采集参数的字段，储存信息为空。根据信息采集频率的最高值，将采样信息发送给数值转换单元。
(2)所述数值转换模块，包括数值转换单元(IN)、空间关联单元(IS)、模型计算单元(IP)。
1)所述数值转换单元，是用于将参数监测信息转换为可计算的同频率数值；
将不同采样信息的模拟信号，转换为可计算数值。对空信息，采用样条插值，计算并填充空信息为数值。从而，全部参数均转换为同频率、无空信息的数值数据。
2)所述空间关联单元，是用于将转换后数据与监测的空间位置进行关联；
以二维坐标系表征采集信息的位置(x,y)，并与转换后的数值信息进行关联。
3)所述模型计算单元，是用于将与空间位置关联的同频数据代入设定模型，结合预设污染物与微生物空间分布信息(即二维坐标系表征采集信息的位置(x,y))，生成全覆盖的点阵数据(每个点阵数据包括采集信息的位置、以及该位置的污染物降解效率)，发送给可视化模块。
首先，根据对照实验，通过多元数据归回，建立同频数据(包括场强、电流、电压、土壤pH、土壤含水率、土壤温度等)与微生物数量的关系，估算得到修复过程中生物修复与电动修复的贡献率(kE电动氧化系数、kB微生物降解系数)。
其次，在电动条件下，根据微生物生物量与降解能力的批处理实验，建立模型DB＝kx×ex。其中，DB是微生物降解能力、ex是微生物随时间变化的数量、kx是生物量与降解能力的转换系数。
再次，根据有机污染物电动与微生物对照与协同实验结果，建立降解率模型DT＝kE×DE+kB×DB。其中，DT是有机污染物的总降解率、DE是电动有机污染物的降解率、DB是微生物对有机污染物的降解率、kE是电动氧化系数、kB是微生物降解系数。
最后，生成全覆盖的点阵数据，除了表征参数变化外，还表征了降解率的空间变化，并将数据实时发送给点阵储存单元。
(3)所述可视化模块，包括点阵储存单元(VS)、二维展示单元(VD)、过程调控单元(VC)。
1)所述点阵储存单元，是用于分类储存模型计算单元生成的点阵数据；
接收点阵数据，并按照参数与降解率进行分类储存。
2)所述二维展示单元，是用于在二维坐标系上，对点阵数据进行可视化显示；
选择要展示的信息，固定颜色梯度对应污染物浓度，在二维坐标系上，展示有机污染在电动修复过程中空间变化。
3)所述过程调控单元，是用于对频率设置单元和模型计算单元进行反馈式调控。根据电动修复过程中电场与土壤性质的变化速率，发送修正后采样频率信息至频率设置单元。根据污染物降解速率的空间变化，发送修正后模型参数(包括场强、电流、电压、土壤pH、土壤含水率、土壤温度)至模型计算单元，为修复过程中电场与微生物的调控提供依据。
实施例1
本实施例所修复的污染土壤为实验室配置的石油污染土壤，所采的土壤为壤土，室内自然风干后过2mm筛子，原油采自辽河油田曙光采油厂某油坑，配制成含油量约为35g/kg石油污染土壤。配制土壤自然风干放置7天，用去离子水调节含水率为20％，分成3个处理，即对照、电动修复与补偿场强电动修复，分别装入到修复装置(长20cm×宽20cm×高10cm)。
如图1所示，污染土壤修复装置为2×2的电极布设方式，电极材质为石墨，直径Φ＝1cm，高11cm，外加电压为20V。如图2所示，保持相邻两根电极极性相反，相对两根电极极性相同。电极极性切换时间为4h，修复时间为60d，修复过程中适当补水，保持土壤含水率不低于15％。
具体操作流程包括：
可视化系统包括参数监测模块(M)、信息处理模块(I)、可视化模块(V)。按照多因素在线监测-同频数值转换-空间位置关联-点阵数据显示的技术流程，实现有机污染土壤电动修复的二维可视化。
(1)参数监测模块，包括信息采集单元(MA)、频率设置单元(MF)、信息储存单元(MS)。
1)通过信息采集单元，采集参数得到模拟信号。场强、电流和电压采用研发的场强检测方法与装置(ZL201410827089.4)，检测范围分别为0V/cm～50V/cm、0mA～200mA、0V～25V。土壤的pH、含水率和温度的传感器选择商业化产品，检测范围分别为3～10、0％～50％、0℃～30℃。
2)通过频率设置单元，设置不同参数的信息采集频率。根据土壤性质对电场的影响实验，场强、电流和电压的信息采集频率分别为0.02Hz、0.05Hz、0.05Hz。根据电动条件下实施例1中壤土理化性质的变化速率实验，土壤的pH、含水率和温度的信息采集频率分别为2×10-5Hz、1×10-5Hz、2×10-5Hz。
3)通过信息储存单元，按照时间序列，存储采集的信息，时间精确到ms。在同一时间点，未采集参数的字段，储存信息为空。根据信息采集频率的最高值0.05Hz，将采样信息发送给数值转换单元。
(2)数值转换模块，包括数值转换单元(IN)、空间关联单元(IS)、模型计算单元(IP)。
1)通过所述数值转换单元，将不同采样信息的模拟信号，转换为可计算数值。对空信息，采用样条插值，插值量为空白信息量，计算并填充空信息为数值。从而，全部参数均转换为同频率、无空信息的数值数据。
2)通过空间关联单元，以二维坐标系表征采集信息的位置(x,y)，装置中心为原点(0,0)，并与转换后的数值信息进行关联。
3)通过模型计算单元，生成全覆盖的点阵数据。
首先，在同频数据与微生物数量的多元回归关系基础上，根据电动条件下，根据微生物生物量与降解能力的批处理实验，建立模型DB＝kx×ex。其中，DB是微生物降解能力，单位％；ex是微生物随时间变化的数量，CFU/h；kx是生物量与降解能力的转换系数，h/CFU。本实施例中，kx＝2.37×10-8h/CFU。
其次，根据有机污染物电动与微生物对照与协同实验结果，建立降解率模型DT＝kE×DE+kB×DB。其中，DT是有机污染物的总降解率，单位％；DE是电动有机污染物的降解率，单位％；DB是微生物对有机污染物的降解率，单位％；kE是电动氧化系数，无量纲；kB是微生物降解系数，无量纲。本实施例中，kE＝0.55，kB＝0.45。
再次，生成全覆盖的点阵数据，除了表征参数变化外，还表征了降解率的空间变化，并将数据实时发送给点阵储存单元。
(3)可视化模块，包括点阵储存单元(VS)、二维展示单元(VD)、过程调控单元(VC)。
1)通过点阵储存单元，接收点阵数据，并按照参数与降解率进行分类储存。
2)通过二维展示单元，选择要展示的信息，确定蓝-红颜色梯度对应污染物浓度，在二维坐标系上，展示有机污染在电动修复过程中空间变化(图3a～图3c)。
3)通过过程调控单元，根据有机污染物空间降解率的变化，修改不同参数的采样频率，以及计算模型公式，为修复过程中电场与微生物的调控提供依据。
以上内容是结合具体的优先实施案例对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于此。在不脱离本发明构思的前提下，还可做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种有机污染土壤电动修复可视化系统，其特征在于，包括参数监测模块(M)、信息处理模块(I)、可视化模块(V)；
所述参数监测模块，用于电场和土壤理化性质参数信息的监测与存储，并发送给所述信息处理模块；
所述信息处理模块，用于将接收的参数信息，转换为与空间坐标关联的数值，结合预设污染物与微生物空间分布信息，生成同频率点阵数据，并发送给所述可视化模块；
所述信息处理模块(I)包括数值转换单元(IN)、空间关联单元(IS)、模型计算单元(IP)；
所述数值转换单元，用于将参数信息转换为同频率数值；
所述空间关联单元，用于将转换后的同频数据与监测的空间位置进行关联；
所述模型计算单元，用于将与空间位置关联的同频数据代入设定降解模型，结合预设污染物与微生物空间分布信息，生成点阵数据发送给可视化模块；
所述可视化模块，用于将接收的点阵数据，在二维坐标系上进行可视化展示；
所述可视化模块(V)包括点阵储存单元(VS)、二维展示单元(VD)、过程调控单元(VC)；
所述点阵储存单元，用于分类储存模型计算单元生成的点阵数据；
所述二维展示单元，用于在二维坐标系上，对点阵数据进行显示；
所述过程调控单元，用于对频率设置单元和模型计算单元进行反馈。
2.按照权利要求1有机污染土壤电动修复可视化系统，其特征在于，所述参数监测模块(M)包括信息采集单元(MA)、频率设置单元(MF)、信息储存单元(MS)；
所述信息采集单元，用于通过传感器采集电场和土壤理化性质参数信息；
所述频率设置单元，用于设置不同参数信息的采集频率；
所述信息储存单元，用于储存参数信息，发送给信息处理块。
3.按照权利要求1～2中任一项所述的有机污染土壤电动修复可视化系统，其特征在于，所述参数信息包括：场强、电流、电压、土壤pH、土壤含水率、土壤温度。
4.一种有机污染土壤电动修复可视化方法，其特征在于，包括以下步骤；
参数监测模块进行电场和土壤理化性质参数信息的监测与存储，并发送给所述信息处理模块；
信息处理模块将接收的参数信息，转换为与空间坐标关联的数值，结合预设污染物与微生物空间分布信息，生成同频率点阵数据，并发送给所述可视化模块；
所述信息处理模块执行以下步骤；
数值转换单元将参数信息转换为同频率数值；
空间关联单元将转换后的同频数据与监测的空间位置进行关联；
模型计算单元将与空间位置关联的同频数据代入设定降解模型，结合预设污染物与微生物空间分布信息，生成点阵数据发送给可视化模块；
可视化模块将接收的点阵数据，在二维坐标系上进行可视化展示。
5.按照权利要求4有机污染土壤电动修复可视化方法，其特征在于，所述参数监测模块执行以下步骤：
信息采集单元通过传感器采集电场和土壤理化性质参数信息；
通过频率设置单元设置不同参数信息的采集频率；
信息储存单元储存参数信息，发送给信息处理块。
6.按照权利要求4有机污染土壤电动修复可视化方法，其特征在于，所述可视化模块执行以下步骤：
点阵储存单元分类储存模型计算单元生成的点阵数据；
二维展示单元在二维坐标系上，对点阵数据进行显示；
过程调控单元对频率设置单元和模型计算单元进行反馈。
7.按照权利要求4～6中任一项所述的有机污染土壤电动修复可视化方法，其特征在于，所述参数信息包括：场强、电流、电压、土壤pH、土壤含水率、土壤温度。
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