CN112142207A - 一种用于模拟自然环境条件下微塑料老化的人工湿地系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于模拟自然环境条件下微塑料老化的人工湿地系统，用于模拟微塑料在自然环境下的迁移，从而探究自然环境下微塑料与环境污染物之间的相互作用。从左至右依次包括湿地装置和出水装置，两个装置之间用水管或管道相连接。湿地装置从左至右依次为浇筑的防渗层、配水槽（进水口）、连接装置、小砾石层（鹅卵石颗粒层、沙子层、营养土层）、集水槽以及出水装置（出水管），其中土壤层种植有净水植物；所述湿地装置主体由玻璃材料构成，湿地装置底板和侧边均浇筑防渗层；所述湿地装置底部一侧边外侧设有出水阀门，连接出水管；出水管下方连接一个蓄水箱，蓄水箱连上带开关的水泵，可以使出水装置的水重新流回湿地装置。

Description

一种用于模拟自然环境条件下微塑料老化的人工湿地系统
技术领域
本发明涉及人工湿地领域，具体涉及一种用于模拟自然环境条件下微塑料老化的人工湿地系统，用于模拟微塑料在自然环境下的迁移，从而探究自然环境下微塑料与环境污染物之间的相互作用。
背景技术
微塑料，被定义为直径小于5mm的塑料碎片。微塑料的低粒径使其具有更高的比表面积，在经过海洋环境中的各种腐蚀行为后，其比表面积进一步增加，从而使微塑料更易于吸附环境中持久性的有机污染物(POPs)以及重金属污染物等。由于微塑料粒径与很多海洋生物的食物相似，因此极易被海洋捕食者误食，产生一系列的危害和毒性效应。除微塑料自身的毒性(塑化剂类)外，其结合的有毒物质会在生物体内富集，对海洋生物产生毒害作用。这些受污染的底端生物，经过食物链的富集，最终威胁人类健康。研究微塑料变得炙手可热。
而人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，由于其具有投资少、能耗低、工艺设备简单、运转维护管理方便、系统配置可塑性强、运行费用低、生态环境效益显著等诸多优点，该技术在世界各地广泛使用。它主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术。其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物的作用。
有研究表明湿地可以有效的去除径流中的农药，达到净化水质的效果。当停留时间从8d增加到30d时，阿特拉津的去除率可以从26%提高到84%。Hinman等人研究了黑藻对阿特拉津、林丹和氯丹等的吸收动态，结果表明，黑藻对多氯苯类化合物有较强的吸附能力。而环境中的绝大多数微塑料是一个老化状态的微塑料，或者说是存在一定停留时间的微塑料，这些微塑料会会经历光照、水侵蚀、风化、植物的吸收、微生物的分解、黑暗等不同条件，我们因此设计了一种用于模拟自然环境条件下微塑料老化的人工湿地系统，一方面可以利用人工湿地来模拟自然环境的再现，从而模拟塑料在环境中的迁移转化；另一方面可以利用此装置来探究自然环境下微塑料与环境污染物之间的相互作用，为微塑料与污染物之间的联系提供更好的实验基础。此外，该人工湿地系统在现有人工湿地上做出了改进，也能较好的解决在长时间使用后，营养土层逐步团聚、板结等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于模拟自然环境条件下微塑料老化的人工湿地系统，该人工湿地箱系统能有效避免土壤层在长期使用后出现板结，保障人工湿地对污水的持续处理能力，应用于模拟微塑料在自然环境下的迁移，从而探究自然环境下微塑料与环境污染物之间的相互作用。
本发明通过下述技术方案实现：
一种用于模拟自然环境条件下微塑料老化的人工湿地系统，从左至右依次包括湿地装置和出水装置，所述的湿地装置包括湿地箱体，其特征在于，在湿地箱体内从左到右安排有进水槽、连接装置、种植区、另一连接装置和集水槽，在湿地箱体内的种植区中自下而上依次为砾石层、鹅卵石颗粒层、沙子层，在湿地箱体内，在沙子层上从左到右安排有进水槽和营养土层，集水槽通过另一连接装置与相邻的砾石层、鹅卵石颗粒层、沙子层和营养土层相连接，并且砾石层、鹅卵石颗粒层、沙子层和营养土层的水能单向进入集水槽中，进水槽通过连接装置与相邻的营养土层连接，水能单向从进水槽进入营养土层中；进水槽有进水口，集水槽底部有出水口，出水口经过阀门、储水箱、水泵、另一阀门后接入进水槽的进水口到进水槽，蓄水箱能连上带开关的水泵，这样集水槽内的水能经出水口进入储水箱中，而储水箱中的水能经水泵、另一阀门后接入到进水槽的进水口并流入到进水槽中；在湿地箱体上方安装有灯架，灯架安装有灯。
进一步的，所述湿地装置呈矩形，长宽比为1：1~5：1，最少应均大于1m，高度在40~160 cm。
进一步的，所述连接装置、另一连接装置为采用穿孔墙、并联管道或穿孔管的方式连接的连接装置。且穿孔墙/穿孔管的透水孔直径为2~5mm，利于控制渗水量，避免大量水积聚在营养层内，影响其通气功能。进水槽内通入需要浓度的溶液，溶液从穿孔墙、并联管道或穿孔管渗入营养土层内，并逐步渗入湿地箱体其他层（沙子层、鹅卵石层以及砾石层）。
进一步的，所述湿地箱体可以是钢化玻璃、有机玻璃或亚力克玻璃等结实玻璃中的一种，所述箱体湿地装置底板和侧边均浇筑防渗层，所述湿地箱体底部自下而上依次为小砾石层(5~60 cm)、鹅卵石层(5~60 cm)、沙子层(5~60 cm)和营养土层(10~60 cm)。湿地箱体用于种植湿地植物，营养土层用于植物根系、微生物、有机质的附着，为其代谢活动提供载体，沙子层、鹅卵石层和砾石层用于储水、储存空气。
进一步的，所述层种植有净水植物，这些净水植物可以是狐尾藻、美人蕉、风车草等一种或多种。
进一步的，所述湿地装置一侧边外侧设有出水管；相邻两根出水管间的间距为10~60 cm，出水管管道可以是不锈钢管、钢塑复合管或塑料管中的任何一种。
进一步的，所述灯架为可调控灯架，可以用于调节灯与湿地装置的距离，可调控距离为50~120 cm。
进一步的，所述灯可以为普通日光灯、氙灯、紫外灯以及植物专用补光灯的一种，可选择瓦数为15~200 W。
本发明的有益效果为：本发明的人工湿地箱系统能有效避免土壤层在长期使用后出现板结，保障人工湿地对污水的持续处理能力，应用于模拟微塑料在自然环境下的迁移，从而探究自然环境下微塑料与环境污染物之间的相互作用。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的湿地装置的主视图；
图2为图1的俯视图；
图3为图1的A-A剖面图；
图4为本发明的结构示意图；
图5为图1的立体图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1为防渗层， 2为进水槽，3为连接装置，4为营养土层，5为沙子层，6为鹅卵石颗粒层，7为砾石层，8为出水口， 9为另一连接装置，10为集水槽，11为净水植物，12为阀门，13为储水箱，14为水泵， 15为另一阀门，16为灯架，17为灯。
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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明为一种用于模拟自然环境条件下微塑料老化的人工湿地系统，从左至右依次包括湿地装置和出水装置，两个装置之间用水管或管道相连接。湿地装置包括湿地箱体，优选矩形箱体，湿地箱体的底板和四周的侧板均浇筑的防渗层1，在湿地箱体内从左到右安排有进水槽2、连接装置3、种植区、另一连接装置9和集水槽10，在湿地箱体内的种植区中自下而上依次为砾石层7(厚度10 cm)、鹅卵石颗粒层6(厚度10 cm)、沙子层5(厚度10 cm)，在湿地箱体内，在沙子层5上从左到右安排有进水槽2和营养土层4，在营养土层4上种植有净水植物11，集水槽10通过另一连接装置9与相邻的砾石层7、鹅卵石颗粒层6、沙子层5和营养土层4相连接，并且砾石层7、鹅卵石颗粒层6、沙子层5和营养土层4的水能优选单向进入集水槽10中（当然不是单向也是可行的，只是会有些浑浊物质扩散到集水槽10中，当然可以增加过滤网来排除此现象），进水槽2通过连接装置3与相邻的营养土层4连接，水能优选单向从进水槽2进入营养土层4中（当然不是单向也是可行的，只是会有些浑浊物质从营养土层4扩散到进水槽2中，当然可以增加过滤网来排除此现象）；进水槽2有进水口，集水槽10底部有出水口8，出水口8经过阀门12、储水箱13、水泵14、另一阀门15后接入进水槽2的进水口到进水槽2，蓄水箱可以连上带开关的水泵13，这样集水槽10内的水能经出水口8进入储水箱13中，而储水箱13中的水能经水泵14、另一阀门15后接入到进水槽2的进水口并流入到进水槽2中。此外，在湿地箱体上方安装有灯架16，灯架安装有灯17。
进一步的，所述湿地装置呈矩形，长宽比为1.5：1，长为3m，宽为2m，高度在60 cm。
进一步的，所述连接装置1和另一连接装置9采用穿孔管的方式连接或穿孔管配合单向阀从而形成单向流水。且穿孔管的透水孔直径为3mm，进水槽内通入特定浓度（100mg/LCr(VI) ）的溶液，溶液从穿孔墙渗入营养土层内，并逐步渗入湿地箱体其他层（沙子层、鹅卵石层以及砾石层）。
进一步的，所述湿地箱体选用钢化玻璃，所述箱体湿地装置底板和侧边均浇筑防渗层，所述湿地箱体底部自下而上依次为砾石层7(厚度10 cm)、鹅卵石颗粒层6(厚度10cm)、沙子层5(厚度10 cm)和营养土层4，厚度20 cm)。湿地箱体用于种植湿地植物，营养土层用于植物根系、微生物、有机质的附着，为其代谢活动提供载体，沙子层、鹅卵石颗粒层和砾石层用于储水、储存空气。
进一步的，所述营养土层种植有净水植物风车草。
进一步的，所述湿地装置一侧边外侧设有出水管；相邻两根出水管间的间距为40cm，出水管管道是PVC塑料管。
进一步的，所述灯架为可调控灯架，可以用于调节灯与湿地装置的距离，可调控距离为60 cm。
进一步的，所述灯可以为氙灯，选择瓦数为60 W。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于模拟自然环境条件下微塑料老化的人工湿地系统，从左至右依次包括湿地装置和出水装置，所述的湿地装置包括湿地箱体，其特征在于，在湿地箱体内从左到右安排有进水槽、连接装置、种植区、另一连接装置和集水槽，在湿地箱体内的种植区中自下而上依次为砾石层、鹅卵石颗粒层、沙子层，在湿地箱体内，在沙子层上从左到右安排有进水槽和营养土层，集水槽通过另一连接装置与相邻的砾石层、鹅卵石颗粒层、沙子层和营养土层相连接，并且砾石层、鹅卵石颗粒层、沙子层和营养土层的水能单向进入集水槽中，进水槽通过连接装置与相邻的营养土层连接，水能单向从进水槽进入营养土层中；进水槽有进水口，集水槽底部有出水口，出水口经过阀门、储水箱、水泵、另一阀门后接入进水槽的进水口到进水槽，蓄水箱能连上带开关的水泵，这样集水槽内的水能经出水口进入储水箱中，而储水箱中的水能经水泵、另一阀门后接入到进水槽的进水口并流入到进水槽中；在湿地箱体上方安装有灯架，灯架安装有灯。
2.根据权利要求1所述的一种用于模拟自然环境条件下微塑料老化的人工湿地系统，其特征在于，所述湿地装置呈矩形，长宽比为1:1~5:1，最少应均大于1m，高度在40~160 cm。
3.根据权利要求1所述的一种用于模拟自然环境条件下微塑料老化的人工湿地系统，其特征在于，所述连接装置、另一连接装置为采用穿孔墙、并联管道或穿孔管的方式连接的连接装置。
4.根据权利要求1所述的一种用于模拟自然环境条件下微塑料老化的人工湿地系统，其特征在于：所述湿地箱体采用钢化玻璃、有机玻璃或亚力克玻璃结实玻璃中的一种，所述湿地箱体的底板和四周的侧板均浇筑的防渗层。
5.根据权利要求1所述的一种用于模拟自然环境条件下微塑料老化的人工湿地系统，其特征在于：所述营养土层种植有净水植物，这些净水植物采用狐尾藻、美人蕉、风车草中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种用于模拟自然环境条件下微塑料老化的人工湿地系统，其特征在于：所述湿地装置一侧边外侧设有出水阀门，紧接出水管，相邻两根出水管间的间距为10~60 cm，出水管管道采用不锈钢管、钢塑复合管或塑料管中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种用于模拟自然环境条件下微塑料老化的人工湿地系统，其特征在于：出水管下方连接一个蓄水箱，蓄水箱连上带开关的水泵，能使出水装置的水重新流回湿地装置。
8.根据权利要求1所述的一种用于模拟自然环境条件下微塑料老化的人工湿地系统，其特征在于：所述灯架为可调控灯架，能用于调节灯与湿地装置的距离，可调控距离为50~120 cm。
9.根据权利要求1所述的一种用于模拟自然环境条件下微塑料老化的人工湿地系统，其特征在于：所述的灯采用普通日光灯、氙灯、紫外灯以及植物专用补光灯的一种，选择瓦数为15~200 W。
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