CN111545565A - 一种植物仿生原位土壤修复系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种植物仿生原位土壤修复系统，包括管道系统、水动力系统和仿生根系统；管道系统包括主管道、接头、第一支管和若干第二支管，第一支管的一端与主管道连接，第一支管的另一端连接在接头的竖直接口处，接头的其他接口处各连接一根第二支管；水动力系统包括微型水泵，微型水泵的进水口连接抽水管，抽水管伸入主管道内，微型水泵的出水口连接喷头，微型水泵启动后通过抽水管抽取主管道内的土壤溶液；仿生根系统包括若干根仿生根，仿生根包括透水内管、透水外管和吸附剂，透水内管位于透水外管内，透水内管和透水外管均具有吸水性和透水性，透水内管与第二支管一一对应连接，吸附剂填充在透水内管内。

Description

一种植物仿生原位土壤修复系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及环境保护技术领域，尤其涉及一种植物仿生原位土壤修复系统及其使用方法。

背景技术

近年来，伴随人类生产方式的大规模革新，由于长期施用含过量重金属的农药化肥，加之工业矿产资源的不合理开采及冶炼排放，土壤污染日益严重，不仅导致可利用的面积减少，而且严重危害人类健康，土壤的保护与治理受到广泛关注。环保部和自然资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，受污染的耕地约有1.5亿亩，占18亿亩耕地的8.3％，到2020年受污染耕地治理和修复面积达到4220万亩。土壤总的超标率为16.1％，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为11.2％、2.3％、1.5％和1.1％，耕地土壤质量堪忧。

土壤中的有害重金属积累到一定程度，便会产生各种危害。一是会导致区域范围内的土地质量下降，形成大规模不可逆转的土地资源浪费；二是若继续使用受污染的土地耕种，则毒性较大的重金属会被富集到农作物或果物，进而进入人体或牲畜，导致严重的食物中毒事件；三是由于土壤处于全球生态系统物质循环的中心，污染物可通过各种渠道流入水域、大气系统，迅速扩大影响范围，引发更为严重的二次污染。

土壤重金属污染具有毒性强、危害大、分布广、易转化、可富集、难治理的特点。目前修复重金属污染土壤主要有物理、化学以及生物修复方法三大类。物理修复方法主要包括客土换土法、电动力修复法和土壤深耕法等，这些方法普遍存在工程量大、修复不彻底、修复成本高等缺点；化学修复方法主要包括化学钝化法、化学淋洗法和化学氧化还原法等，这些方法存在造成土壤结构改变、易产生二次污染等缺点；生物修复方法主要包括植物修复法、微生物修复法和微生物植物联合修复法，是绿色环保的修复方法，但该方法修复周期长，受环境影响较大，存在修复效率低的缺点。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种用于修复重金属污染土壤的植物仿生原位土壤修复系统，该修复系统模拟自然界中普遍存在的蒸腾作用，利用太阳能供能带动土壤溶液向装置内部移动，将重金属吸附在填充于仿生根内的吸附剂中，从而环保高效的修复重金属污染土壤。本发明还提供了上述植物仿生原位土壤修复系统的使用方法。

本发明提供一种植物仿生原位土壤修复系统，包括管道系统、水动力系统和仿生根系统，所述管道系统用于支撑水动力系统以及连接仿生根系统；所述水动力系统用来模拟植物蒸腾作用；所述仿生根系统用来模拟自然植物根系，吸收土壤溶液；所述管道系统包括主管道、接头、第一支管和若干第二支管，所述第一支管的一端与主管道连接，所述第一支管的另一端连接在接头的竖直接口处，所述接头的其他接口处各连接一根第二支管；所述水动力系统包括微型水泵，所述微型水泵的进水口连接一根抽水管，所述抽水管伸入主管道内，所述微型水泵的出水口连接一个喷头，所述微型水泵启动后通过抽水管抽取主管道内的土壤溶液，并通过喷头喷出实现模拟植物蒸腾作用；所述仿生根系统包括若干根仿生根，所述仿生根包括透水内管、透水外管和吸附剂，所述透水内管位于透水外管内，所述透水内管和透水外管均具有吸水性和透水性，所述透水内管与第二支管一一对应连接，所述吸附剂填充在透水内管内，所述吸附剂吸收土壤溶液并吸附土壤溶液中的重金属。

进一步地，所述吸附剂为改性聚氨酯泡沫塑料，具有疏松多孔、富有弹性、吸水性强的特点，具体制备过程为：按重量份计，向单口烧瓶中加入10～20份聚乙烯亚胺和一定体积的甲醇，置于冰水浴中，然后加入15～25份氢氧化钠，缓慢滴加35～45份二硫化碳，反应1h后升温至40℃反应6h，溶液变为黄色，之后升温到70℃，去除多余的甲醇，得到橘黄色产物直链聚乙烯亚胺基二硫代氨基甲酸盐；向塑料烧杯中加入直链聚乙烯亚胺基二硫代氨基甲酸盐45～55份、聚醚二醇45～55份、聚醚三醇30～40份、聚醚多元醇6～8.5份、吐温801.0～2.0份、二月桂酸二丁基锡3～5份、开孔剂0.1～0.3份、多异氰酸酯120～130份，调节转速，先以400～800r/min的转速搅拌5-10s，然后以1000～2000r/min的转速搅拌15-60s，静置发泡，自然熟化3天，即得到改性聚氨酯泡沫塑料；改性聚氨酯泡沫塑料中含有的二硫代氨基官能团能够为重金属离子提供空轨道，与土壤溶液中的重金属离子如镉离子、汞离子、铅离子等配位络合形成络合物，从而实现土壤溶液中重金属离子的去除。

进一步地，所述水动力系统还包括太阳能板，所述太阳能板放置在主管道的上方，所述太阳能板与微型水泵电连接，所述太阳能板吸收光能并将光能转换为电能后给微型水泵供电。

进一步地，所述微型水泵可以选用潜水泵、隔膜泵或蠕动泵。

进一步地，所述接头可以选用三通管接头、四通管接头或五通管接头。

进一步地，所述透水内管为PET尼龙伸缩编织套管，具有防火阻燃、环保无毒、加密耐磨的特点，便于快速更换吸附剂。

进一步地，所述透水外管包括弹簧钢丝、无纺布和聚酯纤维丝，所述弹簧钢丝间隔缠绕在透水内管的外侧，起支撑作用，形成高抗压软式结构；所述无纺布包裹在弹簧钢丝的外侧，避免泥沙进入透水内管；所述聚酯纤维丝缠绕在无纺布的外侧，聚酯纤维丝具有优良吸水性，能迅速收集土壤中多余的水分。

本发明还提供了上述植物仿生原位土壤修复系统的使用方法，包括以下步骤：

步骤S1，向污染土壤中加入柠檬酸进行活化，利用搅拌器将污染土壤和柠檬酸搅拌均匀；柠檬酸作为活化剂不仅对目标污染物溶解度高，而且有较好的环境安全性，无二次污染，可避免使用螯合剂对作物生长带来的负面影响，比如叶面坏死、叶子萎蔫和断裂、生物量降低等；

步骤S2，将仿生根和主管道埋设在活化后的污染土壤中，所述仿生根的埋深距离地表10～20cm，所述主管道的埋设位置低于仿生根的埋设位置，便于土壤溶液向主管道内移动；

步骤S3，向污染土壤中添加河水至水面高出地表10～20cm，进行污染土壤的修复，定期取样，测试污染土壤中的重金属含量，直至污染土壤中的重金属含量达标。

进一步地，所述柠檬酸的添加量为污染土壤质量的0.5％～2％。

本发明提供的修复系统利用水动力系统模拟植物蒸腾作用，通过太阳能板进行光电转换带动微型水泵工作抽取主管道内的土壤溶液，促进其他位置的土壤溶液向主管道内移动；仿生根系统利用毛细现象和虹吸原理达到吸水、透水和排水的目的，模拟植物根系对土壤溶液的吸收和运移，达到去除污染土壤中重金属的目的。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的修复系统成本低、结构简单，可以实现原位修复，单个装置修复面积大，工程量小，大大节约了人力和物力成本；

2、本发明提供的修复系统适用性广，该修复系统利用太阳能供能，更加适用于野外环境，同时基于植物仿生原理，受气候条件影响小，突破了传统植物修复技术中存在的植物生长缓慢、修复周期长、气候依赖强、以及需要相关条件控制等局限；

3、本发明提供的修复系统修复效率高，周期短，与目前市场上农田土壤修复周期长达数年相比，本发明提供的装置六个月左右即可完成农田土壤修复；

4、本发明提供的修复系统施工简单，使用过程中对装置的损耗较小，运转维护费用较低，可多次循环利用；

5、本发明提供的修复系统通过吸附剂富集重金属离子，彻底将重金属离子带出土壤，无二次污染，修复效果好，使用过的吸附剂经过解吸工艺能够循环使用，解吸出来的重金属可富集利用；

6、本发明提供的使用方法简单可行、便于操作，有利于实现污染土壤的原位修复。

附图说明

图1是本发明一种植物仿生原位土壤修复系统的结构示意图。

图2是本发明一种植物仿生原位土壤修复系统的仿生根的结构示意图。

图3是本发明制得的改性聚氨酯泡沫塑料的实物图。

图4是本发明一种植物仿生原位土壤修复系统的布置示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种植物仿生原位土壤修复系统，包括管道系统1、水动力系统2和仿生根系统3，管道系统1用于支撑水动力系统2以及连接仿生根系统3，水动力系统2用来模拟植物蒸腾作用，仿生根系统3用来模拟自然植物根系，吸收土壤溶液。

管道系统1包括主管道11、五通管接头12、第一支管13和若干第二支管14，第一支管13的一端通过异径管15与主管道11套设连接，第一支管13的另一端套设连接在五通管接头12的竖直接口处，五通管接头12的剩余四个接口处各套设连接一根第二支管14；主管道11、五通管接头12、第一支管13和第二支管14均为PVC材质，主管道11的直径为10cm，高为55cm；第一支管13和第二支管14的直径为3.5cm，长为15cm；各连接口处使用密封胶密封，保证气密性。

水动力系统2包括太阳能板21和微型水泵22，太阳能板21放置在主管道11的上方，微型水泵22电连接在太阳能板21的下方，太阳能板21吸收光能将光能转换为电能后给微型水泵22供电，微型水泵22的进水口连接一根抽水管23，抽水管23伸入主管道11内，微型水泵22的出水口连接一个喷头24；太阳能板21的直径为160mm，电压为7V，功率为1.4W。

参考图2，仿生根系统3包括若干根仿生根31，仿生根31包括透水内管311、透水外管312和吸附剂313，透水内管311和透水外管312均具有吸水性和透水性，透水内管311位于透水外管312内，透水内管311与第二支管14一一对应套设连接，吸附剂313填充在透水内管311内，吸附剂313用于吸收土壤溶液并吸附土壤溶液中的重金属，透水外管312包括弹簧钢丝3121、无纺布3122和聚酯纤维丝3123，弹簧钢丝3121间隔缠绕在透水内管311的外侧，起支撑作用，形成高抗压软式结构；无纺布3122包裹在弹簧钢丝3121的外侧，避免泥沙进入透水内管311，聚酯纤维丝3123缠绕在无纺布3122的外侧；本实施例中，透水内管311为PET尼龙伸缩编织套管。

为了避免吸附剂313进入第二支管14内，可以在透水内管311与第二支管14的连接处设置滤网。

为了加强透水内管311与第二支管14连接的稳固性，可以在透水内管311与第二支管14的连接处缠绕固定带314固定。

本实施例使用的吸附剂313的制备过程为：向1L单口烧瓶中加入15g聚乙烯亚胺和250mL甲醇，置于冰水浴中，加入20g(86.8mmol)氢氧化钠，然后缓慢滴加40g二硫化碳，反应1h后升温至40℃反应6h，溶液变为黄色，之后升温到70℃，去除多余的甲醇，得到橘黄色产物直链聚乙烯亚胺基二硫代氨基甲酸盐，接着向5L的塑料烧杯中加入直链聚乙烯亚胺基二硫代氨基甲酸盐50g、聚醚二醇50g、聚醚三醇35g、聚醚多元醇7.5g、吐温80 1.5g、二月桂酸二丁基锡4g、聚氨酯泡沫开孔剂0.2g、多异氰酸酯125g，调节转速，先低速搅拌5s后高速搅拌15s，静置发泡，自然熟化3天后得到改性聚氨酯泡沫塑料约250g；其中每1g为一份；使用的聚氨酯泡沫开孔剂购自百昂化工。

本实施例制得的改性聚氨酯泡沫塑料的实物图如图3所示，从图3可以看出，该改性聚氨酯泡沫塑料的形状像蛋糕，疏松多孔。

本实施例提供的装置通过模拟植物根系对土壤水分的吸收和植物叶片的蒸腾作用来带动迁移土壤溶液中的重金属，将土壤中的活化后的重金属转移至透水内管311中，被透水内管311内填充的吸附剂313吸附，达到去除污染土壤中重金属的目的。

本发明的实施例还提供了上述植物仿生原位土壤修复系统的使用方法，包括以下步骤：

步骤S1，活化污染土壤重金属：根据修复场地的污染土壤质量添加柠檬酸，考虑到柠檬酸在实际修复过程中的生物降解速率，在修复过程中根据实际情况分批次加入柠檬酸，分别为1wt％、0.5wt％、0.25wt％和0.25wt％，保证在实际修复土壤时添加活化剂柠檬酸的总量为2wt％，每次加入柠檬酸后用搅拌器将土壤搅匀(处理深度为20cm)；

步骤S2，装置布置：将主管道11竖直埋设在活化后的土壤中，将仿生根31平行埋设在活化后的土壤中，仿生根31的埋深距离地表10～20cm，主管道11的埋深距离地表20～40cm，在仿生根31与主管道11之间设置一定坡度，保证主管道11的埋设位置低于仿生根31的埋设位置；

步骤S3，按照水土体积比1:1向污染土壤中添加河水至水面高出地表10～20cm，在毛细现象和虹吸原理的作用下，聚酯纤维丝3123和透水内管311吸收土壤溶液，土壤溶液进入透水内管311后其含有的重金属被吸附剂313吸附，由于仿生根31与主管道11之间存在液位差，被净化后的土壤溶液流入主管道11内，微型水泵22启动后通过抽水管23抽取主管道11内的土壤溶液，并通过喷头24喷出实现模拟植物蒸腾作用，在微型水泵22的动力作用下，其他位置的含有重金属的土壤溶液不断进入透水内管311，修复期间每隔一段时间可以更换吸附剂同时根据实际情况向污染土壤中添加适量活化剂柠檬酸，确保修复过程高效运行，定期取样，测试污染土壤中的重金属含量，直至污染土壤中的重金属含量达标。

本实施例的单个装置的处理面积为4m²，布设多个装置时，相邻的装置间隔4m，装置的布置示意图见图4。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种植物仿生原位土壤修复系统，其特征在于，包括管道系统、水动力系统和仿生根系统；所述管道系统包括主管道、接头、第一支管和若干第二支管，所述第一支管的一端与主管道连接，所述第一支管的另一端连接在接头的竖直接口处，所述接头的其他接口处各连接一根第二支管；所述水动力系统包括微型水泵，所述微型水泵的进水口连接抽水管，所述抽水管伸入主管道内，所述微型水泵的出水口连接喷头，所述微型水泵启动后通过抽水管抽取主管道内的土壤溶液，并通过喷头喷出实现模拟植物蒸腾作用；所述仿生根系统包括若干根仿生根，所述仿生根包括透水内管、透水外管和吸附剂，所述透水内管位于透水外管内，所述透水内管和透水外管均具有吸水性和透水性，所述透水内管与第二支管一一对应连接，所述吸附剂填充在透水内管内，所述吸附剂吸收土壤溶液并吸附土壤溶液中的重金属。

2.根据权利要求1所述的植物仿生原位土壤修复系统，其特征在于，所述吸附剂为改性聚氨酯泡沫塑料，其具体制备过程为：按重量份计，向烧瓶中加入甲醇和10～20份聚乙烯亚胺，置于冰水浴中，然后加入15～25份氢氧化钠，缓慢滴加35～45份二硫化碳，反应1h后升温至40℃反应6h，之后升温到70℃，去除多余的甲醇，得到直链聚乙烯亚胺基二硫代氨基甲酸盐；向烧杯中加入45～55份直链聚乙烯亚胺基二硫代氨基甲酸盐、45～55份聚醚二醇、30～40份聚醚三醇、6～8.5份聚醚多元醇、1.0～2.0份吐温80、3～5份二月桂酸二丁基锡、0.1～0.3份开孔剂、120～130份多异氰酸酯，搅拌，静置发泡，自然熟化3天，即得到改性聚氨酯泡沫塑料。

3.根据权利要求1所述的植物仿生原位土壤修复系统，其特征在于，所述水动力系统还包括太阳能板，所述太阳能板放置在主管道的上方，所述太阳能板与微型水泵电连接，所述太阳能板吸收光能并将光能转换为电能后给微型水泵供电。

4.根据权利要求1所述的植物仿生原位土壤修复系统，其特征在于，所述透水内管为PET尼龙伸缩编织套管。

5.根据权利要求1所述的植物仿生原位土壤修复系统，其特征在于，所述透水外管包括弹簧钢丝、无纺布和聚酯纤维丝，所述弹簧钢丝间隔缠绕在透水内管的外侧，所述无纺布包裹在弹簧钢丝的外侧，所述聚酯纤维丝缠绕在无纺布的外侧。

6.权利要求1所述植物仿生原位土壤修复系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，向污染土壤中加入柠檬酸进行活化，利用搅拌器将污染土壤和柠檬酸搅拌均匀；

S2，将仿生根和主管道埋设在活化后的污染土壤中，所述仿生根的埋深距离地表10～20cm，所述主管道的埋设位置低于仿生根的埋设位置；

S3，向污染土壤中添加河水至水面高出地表10～20cm，进行污染土壤的修复，直至污染土壤中的重金属含量达标。

7.根据权利要求6所述的植物仿生原位土壤修复系统的使用方法，其特征在于，所述柠檬酸的添加量为污染土壤质量的0.5％～2％。

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