CN114280277A - 一种为微生物提供生长环境的淋滤装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种为微生物提供生长环境的淋滤装置及使用方法，属于尾砂试验设备技术领域，包括进水系统、出水系统、水浴室、试样腔、浸入系统、浸出系统和温度控制系统；水浴室顶部分别连接有进水系统、浸入系统及温度控制系统，底部分别连接有浸出系统及出水系统，水浴室内设置有试样腔。本发明装置通过水浴恒温系统，将温度维持在可以为微生物提供适宜存活的温度，并且不受外界温度变化的影响，同时避免因温度变化导致微生物对尾砂的胶结程度，以便在长时间的淋滤过程中，延长微生物的存活时间，使试验结果更准确。
Description
技术领域
本发明属于尾砂试验设备技术领域，具体涉及一种为微生物提供生长环境的淋滤装置及使用方法。
背景技术
我国因矿山开采形成的尾矿库或废石堆分布广泛，尾矿中多含铬、镉、铅、锌、铜、镍、砷等重金属及其它各类污染物质，在大气降雨的淋滤作用下尾矿中的重金属元素会随之向下迁移进而污染下层尾砂甚至地下水。大量矿山开采产生的尾矿不仅占用了其周围大片的土地，而且尾矿中的大量有害元素也会在淋滤等的作用下释放出来造成持久的环境污染。矿山开采后产生的尾矿废渣、选矿尾砂、矿山废石长期暴露于地表环境中，这些含有重金属的矿物在地表径流、降水下渗等的作用下，不断向水体和土壤中释放锑等有害元素，对环境和人体造成危害。为了解各类污染物在尾砂中的迁移变化规律，模拟污染元素在尾砂中的转化过程尤为重要。柱淋滤试验是研究在降雨条件下尾砂中污染元素垂向迁移的重要方法，对尾砂和地下水安全评价有重要的指导作用，同时也为尾砂与地下水的修复及治理提供科学的依据。
微生物诱导生成碳酸盐沉淀(MICP)是自然界普遍存在的一种生物诱导矿化作用，其中，碳酸盐的析出主要依赖于微生物新陈代谢活动产生的碳酸根离子、碱性条件以及环境中存在的金属离子。尿素水解的MICP作用作为其中一种矿化类型，反应机制简单，过程容易控制，且在短时间内能产生大量的碳酸根，因此，基于尿素水解的MICP技术是目前研究最多、应用最广泛的生物矿化技术。巴氏芽孢杆菌是一种能促进尿素水解的高产脲酶菌，该细菌无毒无害，在岩土中广泛存在，在酸碱及高盐等恶劣土壤环境中也具有较强的生物活性。脲酶菌能以环境中的尿素提供氮源，通过自身新陈代谢活动产生大量高活性脲酶分解，脲酶水解溶液中的尿素生成CO2和NH3，溶液中碳酸根离子含量随溶液pH值升高而升高。脲酶催化作用的本质是脲酶破坏尿素的共价键，其活性中心与尿素底物分子之间通过氢键、离子键、疏水键等短程非共价力作用形成脲酶尿素反应中间物。脲酶菌诱导碳酸盐结晶的主要反应方程式(以碳酸钙为例)如式(1)-(4)所示。
H2NCOOH——→NH3+CO2 (2)
CO2+H2O——→H++HCO3 -——→2H++CO3 2- (3)
Ca2++CO3 2-——→CaCO3 (4)
微生物的生长受到温度、营养液(脲素、钙离子)和pH的影响。但是温度对微生物生长影响十分明显，尤其是在我国东北地区的室外试验中，不适宜的温度可能直接造成微生物的死亡。
目前，已有的微生物淋滤装置存在的缺陷：
(1)加入微生物的尾砂放置到淋滤装置中，由于外界的温度不断在变化，使装置内的微生物生存环境不佳，影响微生物对尾砂的胶结程度，导致试验结果不准确。
(2)淋滤时间过长，例如超过30天，使得微生物在长时间的低温下无法正常生存，影响试验结果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种为微生物提供生长环境的淋滤装置及使用方法，通过水浴恒温加热方式，且在不扰动试验试样的情况下，使淋滤装置内部的微生物处于适宜生存的温度，已达到预期的试验效果。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种为微生物提供生长环境的淋滤装置，包括进水系统、出水系统、水浴室、试样腔、浸入系统、浸出系统和温度控制系统；水浴室顶部分别连接有进水系统、浸入系统及温度控制系统，底部分别连接有浸出系统及出水系统，水浴室内设置有试样腔。
所述水浴室包括外围板、内围板、底板、外围顶板、橡胶垫和排气管；所述底板与外围板一端连接，外围板另一端与外围顶板连接，且外围板与外围顶板之间设置有橡胶垫，形成密闭环境，使水能充满水浴室已达到水浴加热的效果，橡胶垫的目的在于提高水浴室的密闭性，防止水溢出；所述外围顶板上设置有排气管，且在排气管上安装有排气阀，其目的在于实验结束时，打开排气阀，使水浴室内外的气压一致，可让水浴室中的水流出；底板下表面四角处安装有带有底座的支撑杆，底板中心处开设有供浸出系统穿过的通孔。
所述试样腔包括透水底板、内围板和内围顶板，所述内围板内腔底端连接有透水底板，内围板顶端连接有内围顶板，内围板、内围顶板及透水底板形成试样腔，试样腔内放置有实验试样，内围板底端连接在底板上表面处，且内围板轴线与底板上的通孔轴线重合。
所述浸出系统包括过滤漏斗、浸出管、浸出阀和烧杯，所述浸出阀安装于浸出管上，浸出管一端与过滤漏斗底端连接，另一端延伸至烧杯内，烧杯用于接收浸出液，浸出管另一端与罩住底板中心的通孔且与底板连接。
所述进水系统包括进水管、进水阀和水箱，所述进水阀安装于进水管上，以便控制进水速率，所述进水管连接水箱和外围顶板，将水导入水浴室。
所述出水系统包括出水管、出水阀和废水收集箱，所述出水阀安装于出水管上，出水管一端穿过底板延伸至水浴室内，另一端与废水收集箱连接。
所述浸入系统包括浸入管、恒速蠕动泵和淋滤液箱，所述浸入管一端依次连接蠕动泵和淋滤液箱，另一端连接与内围顶板连通，使淋滤液流入试样腔内。
所述温度控制系统包括温度传感器、温度调节器、加热棒及计算机，所述温度传感器输出端依次连接温度调节器和计算机，计算机的输出端与加热棒连接；当水浴室内的水温低于设定值时，温度传感器将检测到的温度信号通过温度调节器反馈给计算机，通过计算机控制加热棒工作，对水浴室内的介质加热至设定值。
所述外围板、内围板、进水管及出水管均为亚克力材料，其优点在于透明可视，在外部可以肉眼观察到内部试样的淋滤情况，当观察到试样发生严重变形或其他异常情况时，可及时采取补救措施。
一种为微生物提供生长环境的淋滤装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤1：导线连接；把温度传感器、温度调节器、计算机及加热棒通过导线连接起来，并确保为安全通电状态；
步骤2：将试样放置于试样腔；首先按照所需的配比进行微生物尾砂试样的制作；为防止微生物尾砂试样下渗，先将过滤漏斗下面的浸出阀关闭，再将混合好的微生物尾砂试样分层加入到淋滤入试样腔中，每次倒入微生物尾砂试样后，轻轻震荡装置本身，尽可能的在微生物尾砂试样中少留孔隙，以确保试验数据的准确性和真实性；倒完试样后，在微生物尾砂试样上放入一层滤纸，防止淋滤液和上方的微生物尾砂试样混合成为浑浊液；随后将内围顶板盖在内围板顶部；
步骤3：水浴室加水；通过计算机设定水浴室内水的温度，打开进水阀将水箱中的水加进水浴室中，待水位达到橡胶垫底部时，关闭进水阀，使水浴室形成密闭环境；通过温度传感器实时检测水浴室内水的温度，并反馈给温度检测及调节系统，若水浴室内水的温度低于设定值，温度传感器将低温信号通过温度调节器反馈到计算机，计算机收到低温信号后发送升温信号给加热棒，加热棒工作将水浴室内水的温度加热至设定值；
步骤4：淋滤液的流入；将浸入管插入内围顶板孔中并延伸至试样腔，再将浸入管、恒速蠕动泵及淋滤液箱依次连接；把所需的淋滤液放入淋滤液箱中，确保恒速蠕动泵充满电的情况下，打开恒速蠕动泵的开关，调节恒速蠕动泵的水流速率至试验所需的速率，设置好流速后，待淋滤液流入试样腔中，待淋滤液充满微生物尾砂试样的内部孔隙后，打开下方的浸出阀，此时试验正式开始计时；
步骤5：淋滤液的流出；流出的淋滤液被称为浸出液，浸出液穿过透水底板，流入到过滤漏斗中，再从过滤漏斗中流入烧杯中，可以测得烧杯中的浸出液的重金属的浓度大小，对比浸出液中的重金属浓度和原微生物尾砂试样中的浓度，从而评测淋滤效果；
步骤6：待试验结束后，切断淋滤装置电源；为保持内外气压一致，先将排气阀打开，再打开出水阀，让水浴室中的水流入废水处理系统中；待水流完毕，将内围顶板取出，将试样腔内剩余微生物尾砂试样倒入垃圾桶即可，最后用水清洗试样腔至干净即可。
所述淋滤液为纯水、自来水或者人工雨水，根据试验要求自行设定。
与现有的淋滤试验装置相比，本发明具有的优点如下：
目前国内外的淋滤装置均没有恒温系统，它们的温度决定因素取决于外界温度，这也是由于温度因素在常规淋滤试验中可以忽略不计，但是如果要研究微生物对尾砂或土的淋滤影响，就必须考虑温度因素对微生物的影响。因此，本发明装置通过水浴恒温系统，将温度维持在可以为微生物提供适宜存活的温度，并且不受外界温度变化的影响，同时避免因温度变化导致微生物对尾砂的胶结程度，以便在长时间的淋滤过程中，延长微生物的存活时间，使试验结果更准确。
附图说明
图1是本发明为微生物提供适应温度的淋滤装置的正视图；
图2是本发明为微生物提供适应温度的淋滤装置的俯视图；
1-外围板，2-水浴室，3-内围板，4-试样腔，5-透水底板，6-外围顶板，7-橡胶垫，8-进水管，9-进水阀，10-水箱，11-出水管，12-出水阀，13-废水收集箱，14-底板，15-支撑杆，16-过滤漏斗，17-浸出管，18-浸出阀，19-烧杯，20-浸入管，21-恒速蠕动泵，22-淋滤液箱，24-内围顶板，25-温度传感器，26-温度调节器，27-计算机，28-加热棒，29-排气管，30-排气阀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1和图2所示，一种为微生物提供生长环境的淋滤装置，包括进水系统、出水系统、水浴室2、试样腔4、浸入系统、浸出系统和温度控制系统；水浴室2顶部分别连接有进水系统、浸入系统及温度控制系统，底部分别连接有浸出系统及出水系统，水浴室2内设置有试样腔4。
所述水浴室2包括外围板1、内围板3、底板14、外围顶板6、橡胶垫7及排气管29；所述底板14与外围板1一端焊接连接，外围板1另一端与外围顶板6焊接连接，且外围板1与外围顶板6之间设置有橡胶垫7，形成密闭环境，使水能充满水浴室2已达到水浴加热的效果，橡胶垫7的目的在于提高水浴室2的密闭性，防止水溢出，同时橡胶垫7覆盖于外围顶板6的下表面；所述外围顶板6上设置有排气管29，且在排气管29上安装有排气阀30，其目的在于实验结束时，打开排气阀30，使水浴室2内外的气压一致，可让水浴室2中的水流出；底板14下表面四角处焊接有带有底座的支撑杆15，底板14中心处开设有供浸出系统穿过的通孔。
所述试样腔4包括透水底板5、内围板3和内围顶板24，所述内围板3内腔底端一体成型有透水底板5，内围板3顶端安装有内围顶板24，内围顶板24可从内围板3上拆卸下来，内围板3、内围顶板24及透水底板5形成试样腔4，试样腔4内放置有实验试样，内围板3底端与底板14上表面焊接连接，且内围板3轴线与底板14上的通孔轴线重合，所述内围顶板24和透水底板5上钻有若干小孔，其目的在于使试样腔4内保持为一个非密闭环境，利于淋滤液的流入和浸出液的流出。
所述浸出系统包括过滤漏斗16、浸出管17、浸出阀18和烧杯19，所述浸出阀18安装于浸出管17上，浸出管17一端与过滤漏斗16底端连接，另一端延伸至烧杯19内，烧杯19用于接收浸出液，浸出管17另一端与罩住底板14中心的通孔且与底板14连接；烧杯19的容积为1L，根据淋滤时间为14天或1-2个月，每天浸出量约为30-50mL，选择1L容积的烧杯19足够用于接收相应的总浸出溶液。
所述进水系统包括进水管8、进水阀9和水箱10，所述进水阀9安装于进水管8上，以便控制进水速率，所述进水管8连接水箱10和外围顶板6，将水导入水浴室2。
所述出水系统包括出水管11、出水阀12和废水收集箱13，所述出水阀12安装于出水管11上，出水管11一端穿过底板14延伸至水浴室2内，另一端与废水收集箱13连接。
所述浸入系统包括浸入管20、恒速蠕动泵21和淋滤液箱22，所述浸入管20一端依次连接蠕动泵和淋滤液箱22，另一端连接与内围顶板24连通，使淋滤液流入试样腔4内，恒速蠕动泵21用于将淋滤液的浸入速度调节为一个稳定值，其型号为Kamoer微型蠕动泵，优点在于所需电压低(24V)，体型小(185g)，流速可达到2.6-65mL/min。
所述温度控制系统包括温度传感器25、温度调节器26、加热棒28及计算机27，所述温度传感器25输出端通过温度调节器26与计算机27输入端连接，计算机27的输出端与加热棒28的控制端连接；温度传感器25选择型号为DS18B20 TO-92，该型号的温度传感器25温度采集精确度高，工作温度可达-55-125℃，传输信号稳定，运行稳定不受外界信号干扰；温度调节器26的型号为KSD301，该型号的温度调节器26的优点在于采用优质温感探头，探头耐高温，加热速率快，温度控制稳定；加热棒型号为BST-S2。
所述外围板1、内围板3、进水管8及出水管11均为亚克力材料，其优点在于透明可视，在外部可以肉眼观察到内部试样的淋滤情况，当观察到试样发生严重变形或其他异常情况时，可及时采取补救措施。
一种为微生物提供生长环境的淋滤装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤1：导线连接；把温度传感器25、温度调节器26、加热棒28及计算机27通过导线27连接起来，并确保为安全通电状态；
步骤2：将试样放置于试样腔4；首先按照所需的配比进行微生物尾砂试样的制作；为防止微生物尾砂试样下渗，先将过滤漏斗16下面的浸出阀18关闭，再将混合好的微生物尾砂试样分层加入到试样腔4中，分5次倒入，每次倒入20mm，共计100mm；每次倒入微生物尾砂试样后，轻轻震荡装置本身，尽可能的在微生物尾砂试样中少留孔隙，以确保试验数据的准确性和真实性；倒完100mm试样后，在微生物尾砂试样上放入一层滤纸，防止淋滤液和上方的微生物尾砂试样混合成为浑浊液；随后将内围顶板24盖在内围板3顶部；
步骤3：水浴室2加水；通过计算机27设定水浴室2内水的温度为30℃，打开进水阀9将水箱10中温度为30℃的水加到进水浴室2中，待水位达到橡胶垫7底部时，关闭进水阀9，使水浴室2形成密闭环境；此时水浴室2内水的温度为低于30℃，通过温度传感器25实时检测水浴室2内水的温度，并通过温度调节器26反馈给计算机27，若水浴室2内水的温度低于设定值，温度传感器25将低温信号通过温度调节器26反馈到计算机27，计算机27收到低温信号后发送升温信号给加热棒28，加热棒28工作将水浴室2内水的温度加热至设定值后，计算机27控制加热棒28停止加热；
步骤4：淋滤液的流入；将浸入管20插入内围顶板24孔中并延伸至试样腔4，再将浸入管20、恒速蠕动泵21及淋滤液箱22依次连接；把所需的淋滤液放入淋滤液箱22中，本实施例中林滤液为纯水，纯水即为去离子水，确保恒速蠕动泵21充满电的情况下，打开恒速蠕动泵21的开关，调节恒速蠕动泵21的水流速率至试验所需的速率，这一速率可以根据当地的降雨量或者实际工程需求设定；设置好流速后，待淋滤液流入试样腔4中，待淋滤液充满微生物尾砂试样的内部孔隙后，打开下方的浸出阀18，此时试验正式开始计时，由实验者手动记录试验开始的日期和时间；
步骤5：淋滤液的流出；流出的淋滤液被称为浸出液，浸出液穿过透水底板5，流入到过滤漏斗16中，再从过滤漏斗16中流入烧杯19中，可以测得烧杯19中的浸出液的重金属的浓度大小，对比浸出液中的重金属浓度和原微生物尾砂试样中的浓度，从而评测淋滤效果；
步骤6：待试验结束后，切断淋滤装置电源；为保持内外气压一致，先将排气阀30打开，再打开出水阀12，让水浴室2中的水流入废水处理系统13中；待水流完毕，将内围顶板24取出，将试样腔4内剩余微生物尾砂试样倒入垃圾桶即可，最后用水清洗试样腔4至干净即可。
Claims (10)
1.一种为微生物提供生长环境的淋滤装置，其特征在于，包括进水系统、出水系统、水浴室、试样腔、浸入系统、浸出系统和温度控制系统，水浴室顶部分别连接有进水系统、浸入系统及温度控制系统，底部分别连接有浸出系统及出水系统，水浴室内设置有试样腔。
2.根据权利要求1所述的一种为微生物提供生长环境的淋滤装置，其特征在于：所述水浴室包括外围板、内围板、底板、外围顶板、橡胶垫和排气管；所述底板与外围板一端连接，外围板另一端与外围顶板连接，且外围板与外围顶板之间设置有橡胶垫，形成密闭环境，使水能充满水浴室已达到水浴加热的效果，橡胶垫的目的在于提高水浴室的密闭性，防止水溢出；所述外围顶板上设置有排气管，且在排气管上安装有排气阀，其目的在于实验结束时，打开排气阀，使水浴室内外的气压一致，可让水浴室中的水流出；底板下表面四角处安装有带有底座的支撑杆，底板中心处开设有供浸出系统穿过的通孔。
3.根据权利要求1所述的一种为微生物提供生长环境的淋滤装置，其特征在于：所述试样腔包括透水底板、内围板和内围顶板，所述内围板内腔底端连接有透水底板，内围板顶端连接有内围顶板，内围板、内围顶板及透水底板形成试样腔，试样腔内放置有实验试样，内围板底端连接在底板上表面处，且内围板轴线与底板上的通孔轴线重合。
4.根据权利要求1所述的一种为微生物提供生长环境的淋滤装置，其特征在于：所述浸出系统包括过滤漏斗、浸出管、浸出阀和烧杯，所述浸出阀安装于浸出管上，浸出管一端与过滤漏斗底端连接，另一端延伸至烧杯内，烧杯用于接收浸出液，浸出管另一端与罩住底板中心的通孔且与底板连接。
5.根据权利要求1所述的一种为微生物提供生长环境的淋滤装置，其特征在于：所述进水系统包括进水管、进水阀和水箱，所述进水阀安装于进水管上，以便控制进水速率，所述进水管连接水箱和外围顶板，将水导入水浴室。
6.根据权利要求1所述的一种为微生物提供生长环境的淋滤装置，其特征在于：所述出水系统包括出水管、出水阀和废水收集箱，所述出水阀安装于出水管上，出水管一端穿过底板延伸至水浴室内，另一端与废水收集箱连接。
7.根据权利要求1所述的一种为微生物提供生长环境的淋滤装置，其特征在于：所述浸入系统包括浸入管、恒速蠕动泵和淋滤液箱，所述浸入管一端依次连接蠕动泵和淋滤液箱，另一端连接与内围顶板连通，使淋滤液流入试样腔内。
8.根据权利要求1所述的一种为微生物提供生长环境的淋滤装置，其特征在于：所述温度控制系统包括温度传感器、温度调节器、加热棒及计算机，所述温度传感器输出端依次连接温度调节器和计算机，计算机的输出端与加热棒连接；当水浴室内的水温低于设定值时，温度传感器将检测到的温度信号通过温度调节器反馈给计算机，通过计算机控制加热棒工作，对水浴室内的介质加热至设定值。
9.根据权利要求1所述的一种为微生物提供生长环境的淋滤装置，其特征在于：所述外围板、内围板、进水管及出水管均为亚克力材料，其优点在于透明可视，在外部可以肉眼观察到内部试样的淋滤情况，当观察到试样发生严重变形或其他异常情况时，可及时采取补救措施。
10.根据权利要求1所述的一种为微生物提供适宜温度的淋滤装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：导线连接；把温度传感器、温度调节器、计算机及加热棒通过导线连接起来，并确保为安全通电状态；
步骤2：将试样放置于试样腔；首先按照所需的配比进行微生物尾砂试样的制作；为防止微生物尾砂试样下渗，先将过滤漏斗下面的浸出阀关闭，再将混合好的微生物尾砂试样分层加入到淋滤入试样腔中，每次倒入微生物尾砂试样后，轻轻震荡装置本身，尽可能的在微生物尾砂试样中少留孔隙，以确保试验数据的准确性和真实性；倒完试样后，在微生物尾砂试样上放入一层滤纸，防止淋滤液和上方的微生物尾砂试样混合成为浑浊液；随后将内围顶板盖在内围板顶部；
步骤3：水浴室加水；通过计算机设定水浴室内水的温度，打开进水阀将水箱中的水加进水浴室中，待水位达到橡胶垫底部时，关闭进水阀，使水浴室形成密闭环境；通过温度传感器实时检测水浴室内水的温度，并反馈给温度检测及调节系统，若水浴室内水的温度低于设定值，温度传感器将低温信号通过温度调节器反馈到计算机，计算机收到低温信号后发送升温信号给加热棒，加热棒工作将水浴室内水的温度加热至设定值；
步骤4：淋滤液的流入；将浸入管插入内围顶板孔中并延伸至试样腔，再将浸入管、恒速蠕动泵及淋滤液箱依次连接；把所需的淋滤液放入淋滤液箱中，所述淋滤液为纯水、自来水或者人工雨水，根据试验要求自行设定，确保恒速蠕动泵充满电的情况下，打开恒速蠕动泵的开关，调节恒速蠕动泵的水流速率至试验所需的速率，设置好流速后，待淋滤液流入试样腔中，待淋滤液充满微生物尾砂试样的内部孔隙后，打开下方的浸出阀，此时试验正式开始计时；
步骤5：淋滤液的流出；流出的淋滤液被称为浸出液，浸出液穿过透水底板，流入到过滤漏斗中，再从过滤漏斗中流入烧杯中，可以测得烧杯中的浸出液的重金属的浓度大小，对比浸出液中的重金属浓度和原微生物尾砂试样中的浓度，从而评测淋滤效果；
步骤6：待试验结束后，切断淋滤装置电源；为保持内外气压一致，先将排气阀打开，再打开出水阀，让水浴室中的水流入废水处理系统中；待水流完毕，将内围顶板取出，将试样腔内剩余微生物尾砂试样倒入垃圾桶即可，最后用水清洗试样腔至干净即可。
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| CN202111630588.5A CN114280277A (zh) | 2021-12-28 | 2021-12-28 | 一种为微生物提供生长环境的淋滤装置及使用方法 |
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- 2021-12-28 CN CN202111630588.5A patent/CN114280277A/zh active Pending
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