CN116593415B - 一种土壤重金属修复动态检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种土壤重金属修复动态检测装置和方法，涉及土壤重金属检测技术领域，包括DGT装置、原子吸收光谱仪和基于微电脑的智能控制器；所述DGT装置包括多层土壤收集组件、钻头和多个结合膜处理装置，多层土壤收集组件内部设置收容腔室，多层土壤收集组件用于收集不同深度的待检测土壤并输送入收容腔室。改变传统的DGT装置由一个开放的底部和一个带有树脂薄膜的收集层组成的结构设计思路，DGT装置采用三个自上而下设置的三个圆筒分别挂载若干刮刀的结构，配合内部收容腔室，以及与DGT监测模块的连接结构设计，实现同时采集深度不同的多处土壤样品，避免了单一位置土壤样本检测带来的不确定性。
Description
技术领域
本发明涉及土壤重金属检测技术领域，尤其是涉及一种土壤重金属修复动态检测装置和方法。
背景技术
土壤重金属污染是指土壤中某些金属元素超过环境质量标准限值或超过一定程度而引起的土壤环境问题。这些重金属包括镉、铬、铅、汞、砷等，它们具有很高的毒性和潜在的生态风险。
土壤重金属污染已成为全球范围内严重的环境问题之一，由于工业化、农药使用以及废弃物处理等原因，土壤重金属含量逐渐积累。土壤重金属污染对生态系统和人类健康造成潜在威胁，因此需要采取有效的土壤重金属检测措施以及时发现土壤重金属污染问题。
目前，土壤重金属检测的采用一般基于DGT装置（沉积物采样装置）实现，传统的DGT装置由一个开放的底部和一个带有树脂薄膜的收集层组成。当DGT装置与环境介质接触时，重金属离子会扩散到树脂结合膜中，并在其中被稳定地捕获。但由于土壤中的重金属离子分布不均衡，传统的DGT装置仅仅依靠与环境介质接触来对单一位置或深度的土壤进行采样，容易导致因为采样位置单一而造成的检测结果不准确；同时对于结合膜的后续监测仅仅停留在重金属的种类判断及浓度测量上，并不会基于上述数据对土壤的修复时间进行预测。
因此如何同时采样多处土壤样品的重金属离子样本，提高土壤重金属污染检测的准确率，同时实现对重金属污染土壤的恢复时间进行预测是当前亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种土壤重金属修复动态检测装置和方法。采用如下的技术方案：
一种土壤重金属修复动态检测装置包括DGT装置、原子吸收光谱仪和基于微电脑的智能控制器；
所述DGT装置包括多层土壤收集组件、钻头和多个结合膜处理装置，多层土壤收集组件内部设置收容腔室，多层土壤收集组件用于收集不同深度的待检测土壤并输送入收容腔室；
所述多层土壤收集组件包括自上而下依次垂直堆叠的第一圆筒、第二圆筒、第三圆筒和钻头，所述第一圆筒、第二圆筒、第三圆筒各自分割形成三个收容腔室，外壁分别设置第一开窗，内壁分别设置第二开窗，收容腔室的收容腔室外壳设置有若干刮刀，若干刮刀的刀口方向相同，向外延伸，若干刮刀固定安装在收容腔室外壳的第一开窗上，用于刮蹭待测土壤，并填满收容腔室，所述钻头设置在多层土壤收集组件的底部，用于钻入待检测土壤；
所述结合膜处理装置设置在收容腔室内，用于承载结合膜，并将结合膜输送到收容腔室内与待检测土壤接触；
所述原子吸收光谱仪通过检测进行处理后结合膜与HF-HNO3的混合溶液，实现对待检测土壤的重金属浓度检测；
所述智能控制器架构环境土壤物理模型，智能控制器与原子吸收光谱仪的数据输出端口通信连接，采集原子吸收光谱仪的检测数据，并基于环境土壤物理模型对检测数据进行分析，模拟采用土壤化学钝化修复方法进行土壤修复，并输出进行土壤修复所需时长数据。
通过采用上述技术方案，具体在使用过程中，改变传统的DGT装置由一个开放的底部和一个带有树脂薄膜的收集层组成的结构。
采用自上而下三个圆筒的设计思路，第一圆筒、第二圆筒和第三圆筒各自分割形成三个收容腔室，最底部的是钻头，三个收容腔室负责收集土壤样本，每个收容腔室外壳都设有若干刮刀，在土壤样本采集过程中，可以采用采样平台来对接土壤重金属修复动态检测装置，采样平台上的电机等动力装置驱动土壤重金属修复动态检测装置旋转，由于重力原因，钻头会向下钻，将第一圆筒、第二圆筒和第三圆筒带动到设定的取样深度，同时由于第一圆筒、第二圆筒和第三圆筒的旋转，带动其上设置刮刀转动将土壤样本刮入到收容腔室；
第一圆筒、第二圆筒、第三圆筒同时转动，就可以实现不同深度的三个位置处土壤样本的采集，通过调节刮刀在垂直方向上的位置还可以实现采集深度的微调；解决了传统的DGT装置采用单一位置或深度的土壤进行采样的设计思路导致检测结果不准确的技术问题；
结合膜处理装置的作用是承载结合膜，并将结合膜送入到各个收容腔室中与待检测土壤进行充分接触；
原子吸收光谱仪对于处理后结合膜与HF-HNO3的混合溶液，实现对待检测土壤的重金属浓度检测，得到待检测土壤中重金属种类以及浓度的数据，将这些数据传输给基于微电脑的智能控制器，智能控制器可以模拟土壤修复领域常规的土壤化学钝化修复方法进行土壤修复，并可以通过模拟输出预测的修复时间数据。
可选的，所述结合膜处理装置包括中心旋杆、可调节伸缩组件和若干DGT监测模块，所述中心旋杆连接可调节伸缩组件的一侧，若干所述DGT监测模块固定连接在可调节伸缩组件的另一侧；
所述可调节伸缩组件包括可调节伸缩杆、伸缩弹簧和伸缩支撑件，所述可调节伸缩杆两端分别连接伸缩支撑件及中心旋杆，所述伸缩弹簧设置在可调节伸缩杆的中间段，用于伸缩操作及缓冲调节位移；
三个收容腔室的中心设置一体贯通的通道孔，所述中心旋杆设置在通道孔处，用于调节可调节伸缩组件进行伸缩，将若干DGT监测模块分别伸进第一圆筒、第二圆筒、第三圆筒内壁开设的第二开窗。
可选的，结合膜处理装置还包括可旋转监测模块承载板，若干DGT监测模块分别固定在可旋转监测模块承载板上，所述可旋转监测模块承载板连接可调节伸缩组件，用于承载若干所述DGT监测模块，并调节若干DGT监测模块的旋转角度；
所述DGT监测模块还包括监测模块底座、结合膜、监测模块套筒、滤膜和监测模块顶盖；
所述监测模块底座包括结合膜承接凸台、若干监测模块固定块和监测模块固定套绳，所述结合膜承接凸台用于承载结合膜，若干监测模块固定块分别设置在监测模块底座的四周，监测模块固定套绳套设在监测模块固定块上，监测模块顶盖设置有顶盖固结凸块，监测模块固定块与顶盖固结凸块的位置一一对应；
所述监测模块套筒设置有中空的套筒贯通孔，所述结合膜承接凸台可伸进所述套筒贯通孔，并与套筒斜槽形成扩散膜的收容槽，所述收容槽压接带有滤膜的监测模块顶盖，所述监测模块顶盖的另一侧为中空结构的样品容纳空腔。
通过采用上述技术方案，一个可敞开或闭合的伸缩支撑件对应的可旋转监测模块承载板搭载有三个DGT监测模块，可旋转监测模块承载板旋转90°，将两个DGT监测模块与另一个DGT监测模块相间隔且彼此垂直并列，可敞开或闭合的伸缩支撑件通过可调节伸缩杆及伸缩弹簧将三个DGT监测模块伸进收容腔室内壁的若干第二开窗；
可敞开或闭合的伸缩支撑件与中心旋杆通过可调节伸缩杆、伸缩弹簧进行联动，两根可调节伸缩杆套嵌有伸缩弹簧，通过旋转中心旋杆，实现伸缩支撑件的敞开或闭合，并位移使得三个DGT监测模块伸进收容腔室内壁的第二开窗，从而实现了DGT监测模块上设置的结合膜与待检测土壤的充分接触。
可选的，还包括超声波模块，所述超声波模块设置在第二开窗上，用于对进入收容腔室的待测土壤进行前处理。
通过采用上述技术方案，三个收容腔室的收容腔室内壁上都设置有监测提取区域A，该区域对于设置超声波模块，超声波模块可对第二开窗内的待测土壤进行前处理，使得待测土壤各重金属形态充分分散，有利于提高DGT监测模块监测提取的精度。
可选的，收容腔室的顶部设置有若干固定柱，可调节伸缩组件设置有若干凸块，若干凸块分别等距分布在可调节伸缩组件上，若干固定柱上分别套设有固定套绳。
通过采用上述技术方案，三个收容腔室的顶部分别设置有若干固定柱、若干固定柱套设有固定套绳，可调节伸缩杆等距分布有若干凸块，伸缩支撑件敞开或闭合，位移使得三个DGT监测模块伸进收容腔室内壁的若干第二开窗后，将固定套绳套设在可调节伸缩杆等距分布的某一凸块上，进而固定住收容腔室内已伸入的DGT监测模块。
可选的，智能控制器包括微型电脑、存储器、显示器和数据接口和数据录入模块，所述存储器、显示器和数据接口和数据录入模块分别与微型电脑通信连接，微型电脑与原子吸收光谱仪的数据输出端口通信连接，采集原子吸收光谱仪的检测数据，检测数据包括待测土壤的重金属种类及浓度，通过数据录入模块录入待测土壤的分布区域和待测土壤的深度；
所述微型电脑架构环境土壤物理模型，环境土壤物理模型用于基于所述若干DGT监测模块中的待测土壤的重金属浓度确定土壤修复时长，环境土壤物理模型的输入侧包括待测土壤的重金属种类及浓度、待测土壤的分布区域和待测土壤的深度，所述环境土壤物理模型的输出待测土壤的预测修复时长。
通过采用上述技术方案，微型电脑架构环境土壤物理模型，环境土壤物理模型的修复预测是基于土壤修复领域常见的土壤化学钝化修复方法，该方法具体是指向污染土壤中投加钝化材料，改变重金属污染在土壤中的化学形态和赋存状态，从而降低重金属的生物有效性和迁移性，也称为原位固定技术或原位稳定化技术。这种钝化修复方法从成本和时间上能更好地满足轻微、轻度重金属污染土壤的治理要求，尤其满足重金属复合污染土壤修复的要求。
通过原子吸收光谱仪检测出的重金属种类以及相应的浓度，可以进行土壤化学钝化修复方法的模拟，最终输出重金属污染土壤修复所需要的时间，为土壤的修复提供可靠的数据参考。
一种土壤重金属修复动态检测方法，包括如下的步骤：
S100，根据待测重金属种类土壤分布深度，堆叠对应深度的圆筒，第一开窗对应待测重金属种类土壤层分布区域，将土壤重金属修复动态检测装置钻进待测土壤，顺着刮刀的刀口延伸方向旋转，刮蹭待测土壤并填满收容腔室；
使用超声波模块对待测土壤进行超声波前处理-120min；
在前处理操作前，取出中心旋杆及可调节伸缩组件；
S200，在DGT监测模块滴加扩散膜液体，固化后形成结合膜/扩散膜/滤膜梯度扩散薄膜；
根据重金属修复方式及重金属污染方式，调整所述DGT监测模块的旋转方向；
S0: 待测土壤前处理操作结束后，将中心旋杆及可调节伸缩组件安装进圆筒，旋转中心旋杆，驱动调节伸缩组件，将DGT监测模块伸进第二开窗内；
顺着刮刀的刀口延伸方向再次旋转，刮蹭待测土壤并填满所述收容腔室，挤压土壤并填满所述DGT监测模块；
S0: 24小时后监测提取后，取出DGT监测模块，拆解DGT监测模块，剥离出结合膜，低温冷冻结合膜，水分结晶后，用刀片按所需尺寸切割，切割后的结合膜溶解在10-50mL的0.5mol/L HF-HNO3混合溶液中，离心机离心-45min，转速为0-600转/min，将离心溶液送进原子吸收光谱仪进行痕量检测得到DGT监测模块中的待测土壤的重金属浓度；
S500：原子吸收光谱仪将待测土壤的重金属浓度数据传输给智能控制器，并通过数据录入模块录入待测土壤的分布区域和待测土壤的深度，环境土壤物理模型基于上述数据，模拟采用土壤化学钝化修复方法进行土壤修复，预测土壤修复所需时长数据，并通过显示器显示。
可选的，原子吸收光谱仪检测的重金属种类包括Zn、Cd、Co、Ni、Cu、Al、Pb、Cr、Mn、Fe、As和Hg重金属。
可选的，结合膜为Chelex-100或ZrO-Chelex复合膜。
可选的，扩散膜是在琼脂糖溶液、聚丙烯酰胺溶液中的至少一种形成的凝胶。
通过采用上述技术方案，原子吸收光谱仪用于检测DGT监测模块采集的待测土壤样品中的重金属离子。其作用主要包括以下几个方面：离子测定：AAS能够提供高灵敏度和选择性的离子测定能力。通过使用特定的光源（通常是单色的中空阴极灯），AAS可以测量待测土壤样品中特定重金属离子的浓度。当待测样品中的离子通过光束时，特定波长的光被吸收，根据吸收的强度变化可以确定离子的浓度。校正与定量：AAS通常使用标准曲线法进行测定结果的校正和定量。在测定之前，先制备一系列已知浓度的标准溶液，并使用AAS分别测量这些标准溶液，构建出标准曲线。然后，将待测土壤样品中的重金属离子溶解并稀释，根据它们在标准曲线上的吸光度，可以确定相应离子在土壤样品中的浓度。多元素分析：AAS具有多元素分析的能力，可以同时测量多种重金属离子。通过更换不同的中空阴极灯，AAS能够选择检测不同元素的特定波长，从而实现对多种重金属离子的同时检测。快速和准确：AAS具有高分析速度和准确性的特点。它可以在短时间内完成样品的分析，并提供精确的测量结果，使得对待测土壤样品中重金属离子含量的快速评估成为可能，原子吸收光谱仪在DGT监测模块中的作用是进行待测土壤样品中重金属离子的浓度测定和定量分析，以实现对重金属污染程度的评估和监测；并为后续的环境土壤物理模型提供重要数据。
环境土壤物理模型Hydrus，Hydrus是环境土壤物理模拟软件，是模拟一维和多维变饱和多孔介质的水流、溶质(污染物等)运移、根系吸水和溶质吸收、热量传输等方面的强有力工具。该模型具有灵活方便的图形操作界面，深受各国学者推崇，广泛应用于环境、水文地质、农业、水利等领域。
通过HYDRUS来模拟设定重金属污染种类和浓度，模拟采用土壤化学钝化修复方法对土壤修复，并输出模拟结构是高效可行的，可以通过模拟输出重金属在不同的修复时间的变化曲线图，并最终得到修复到正常值所需时间，从而实现对重金属污染土壤修复的时间预测。
综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：
本发明能提供一种土壤重金属修复动态检测装置和方法，改变传统的DGT装置由一个开放的底部和一个带有树脂薄膜的收集层组成的结构设计思路，DGT装置采用三个自上而下设置的三个圆筒分别挂载若干刮刀的结构，配合内部收容腔室，以及与DGT监测模块的连接结构设计，实现同时采集深度不同的多处土壤样品，避免了单一位置土壤样本检测带来的不确定性；
本发明提供的土壤重金属修复动态检测方法，基于土壤重金属修复动态检测装置采集的不同深度土壤样品对结合膜进行作用，基于原子吸收光谱仪来对溶解处理后的结合膜混合溶液进行痕量检测得到待测土壤的重金属浓度数据，检测速度快，准确率高，再对上述检测数据进行模拟分析，可以实现基于土壤化学钝化修复方法下的土壤修复时间的预测，为后续土壤的治理修复提供可靠的预测数据。
附图说明
图1是本发明一种土壤重金属修复动态检测装置的结构示意图；
图2是本发明一种土壤重金属修复动态检测装置的俯视结构示意图；
图3是本发明一种土壤重金属修复动态检测装置的上部圆筒结构示意图；
图4是本发明一种土壤重金属修复动态检测装置的下部钻头结构示意图；
图5是本发明一种土壤重金属修复动态检测装置的DGT监测模块爆炸结构示意图；
图6是本发明一种土壤重金属修复动态检测装置的DGT监测模块监测状态示意图；
图7是本发明一种土壤重金属修复动态检测装置的电器件连接原理示意图；
图8是本发明具体实施例的铅浓度在不同处理方式下的变化曲线示意图；
图9是本发明土壤重金属修复动态检测方法流程示意图。
附图标记说明：100、DGT装置；100a、第一圆筒；100b、第二圆筒；100c、第三圆筒；100d、钻头；101、收容腔室；101a、收容腔室外壳；101b、收容腔室内壁；102、伸缩支撑件；103、中心旋杆；104、固定柱；104a、固定套绳；104b、凸块；105、可调节伸缩杆；106、伸缩弹簧；107、刮刀；108a、底座固定凸块；108b、底座固定凹槽；109、钻刀；110、超声波模块；111、可旋转监测模块承载板；20、DGT监测模块；201、监测模块底座；201a、结合膜承接凸台；201b、监测模块固定块；201c、监测模块固定套绳；202、结合膜；203、监测模块套筒；203a、套筒贯通孔；203b、套筒斜槽；204、滤膜；205、监测模块顶盖；205a、样品容纳空腔；205b、顶盖固结凸块；A、监测提取区域；30、原子吸收光谱仪；40、智能控制器；401、微型电脑；402、存储器；403、显示器；404、数据接口；405、数据录入模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例公开一种土壤重金属修复动态检测装置和方法。
参照图1－图9，一种土壤重金属修复动态检测装置包括DGT装置100、原子吸收光谱仪30和基于微电脑的智能控制器40；
DGT装置100包括多层土壤收集组件、钻头100d和多个结合膜处理装置，多层土壤收集组件内部设置收容腔室101，多层土壤收集组件用于收集不同深度的待检测土壤并输送入收容腔室101；
多层土壤收集组件包括自上而下依次垂直堆叠的第一圆筒100a、第二圆筒100b、第三圆筒100c和钻头100d，第一圆筒100a、第二圆筒100b、第三圆筒100c各自分割形成三个收容腔室101，外壁分别设置第一开窗，内壁分别设置第二开窗，收容腔室101的收容腔室外壳101a设置有若干刮刀107，若干刮刀107的刀口方向相同，向外延伸，若干刮刀107固定安装在收容腔室外壳101a的第一开窗上，用于刮蹭待测土壤，并填满收容腔室101，钻头100d设置在多层土壤收集组件的底部，用于钻入待检测土壤；
结合膜处理装置设置在收容腔室101内，用于承载结合膜202，并将结合膜202输送到收容腔室101内与待检测土壤接触；
原子吸收光谱仪30通过检测进行处理后结合膜202与HF-HNO3的混合溶液，实现对待检测土壤的重金属浓度检测；
智能控制器40架构环境土壤物理模型，智能控制器40与原子吸收光谱仪30的数据输出端口通信连接，采集原子吸收光谱仪30的检测数据，并基于环境土壤物理模型对检测数据进行分析，模拟采用土壤化学钝化修复方法进行土壤修复，并输出进行土壤修复时长数据。
具体在使用过程中，改变传统的DGT装置由一个开放的底部和一个带有树脂薄膜的收集层组成的结构。
采用自上而下三个圆筒的设计思路，第一圆筒100a、第二圆筒100b和第三圆筒100c各自分割形成三个收容腔室101，最底部的是钻头100d，三个收容腔室101负责收集土壤样本，每个收容腔室外壳101a都设有若干刮刀107，在土壤样本采集过程中，可以采用采样平台来对接土壤重金属修复动态检测装置，采样平台上的电机等动力装置驱动土壤重金属修复动态检测装置旋转，由于重力原因，钻头100d会向下钻，将第一圆筒100a、第二圆筒100b和第三圆筒100c带动到设定的取样深度，同时由于第一圆筒100a、第二圆筒100b和第三圆筒100c的旋转，带动其上设置刮刀107转动将土壤样本刮入到收容腔室101；
第一圆筒100a、第二圆筒100b、第三圆筒100c同时转动，就可以实现不同深度的三个位置处土壤样本的采集，通过调节刮刀107在垂直方向上的位置还可以实现采集深度的微调；解决了传统的DGT装置采用单一位置或深度的土壤进行采样的设计思路导致检测结果不准确的技术问题；
结合膜处理装置的作用是承载结合膜202，并将结合膜202送入到各个收容腔室101中与待检测土壤进行充分接触；
原子吸收光谱仪30对于处理后结合膜202与HF-HNO3的混合溶液，实现对待检测土壤的重金属浓度检测，得到待检测土壤中重金属种类以及浓度的数据，将这些数据传输给基于微电脑的智能控制器40，智能控制器40可以模拟土壤修复领域常规的土壤化学钝化修复方法进行土壤修复，并可以通过模拟输出预测的修复时间数据。
结合膜处理装置包括中心旋杆103、可调节伸缩组件和若干DGT监测模块20，中心旋杆103连接可调节伸缩组件的一侧，若干DGT监测模块20固定连接在可调节伸缩组件的另一侧；
可调节伸缩组件包括可调节伸缩杆105、伸缩弹簧106和伸缩支撑件102，可调节伸缩杆105两端分别连接伸缩支撑件102及中心旋杆103，伸缩弹簧106设置在可调节伸缩杆105的中间段，用于伸缩操作及缓冲调节位移；
三个收容腔室101的中心设置一体贯通的通道孔，中心旋杆103设置在通道孔处，用于调节可调节伸缩组件进行伸缩，将若干DGT监测模块20分别伸进第一圆筒100a、第二圆筒100b、第三圆筒100c内壁开设的第二开窗。
结合膜处理装置还包括可旋转监测模块承载板111，若干DGT监测模块20分别固定在可旋转监测模块承载板111上，可旋转监测模块承载板111连接可调节伸缩组件，用于承载若干DGT监测模块，并调节若干DGT监测模块20的旋转角度；
DGT监测模块20还包括监测模块底座201、结合膜202、监测模块套筒203、滤膜204和监测模块顶盖205；
监测模块底座201包括结合膜承接凸台201a、若干监测模块固定块201b和监测模块固定套绳201c，结合膜承接凸台201a用于承载结合膜202，若干监测模块固定块201b分别设置在监测模块底座201的四周，监测模块固定套绳201c套设在监测模块固定块201b上，监测模块顶盖205设置有顶盖固结凸块205b，监测模块固定块201b与顶盖固结凸块205b的位置一一对应；
监测模块套筒203设置有中空的套筒贯通孔203a，结合膜承接凸台201a可伸进套筒贯通孔203a，并与套筒斜槽203b形成扩散膜的收容槽，收容槽压接带有滤膜204的监测模块顶盖205，监测模块顶盖205的另一侧为中空结构的样品容纳空腔205a。
一个可敞开或闭合的伸缩支撑件102对应的可旋转监测模块承载板111搭载有三个DGT监测模块20，可旋转监测模块承载板111旋转90°，将两个DGT监测模块20与另一个DGT监测模块20相间隔且彼此垂直并列，可敞开或闭合的伸缩支撑件102通过可调节伸缩杆105及伸缩弹簧106将三个DGT监测模块20伸进收容腔室内壁101b的若干第二开窗；
可敞开或闭合的伸缩支撑件102与中心旋杆103通过可调节伸缩杆105、伸缩弹簧106进行联动，两根可调节伸缩杆105套嵌有伸缩弹簧106，通过旋转中心旋杆103，实现伸缩支撑件102的敞开或闭合，并位移使得三个DGT监测模块20伸进收容腔室内壁101b的第二开窗，从而实现了DGT监测模块20上设置的结合膜202与待检测土壤的充分接触。
还包括超声波模块110，超声波模块110设置在第二开窗上，用于对进入收容腔室101的待测土壤进行前处理。
三个收容腔室101的收容腔室内壁101b上都设置有监测提取区域A，该区域对于设置超声波模块110，超声波模块110可对第二开窗内的待测土壤进行前处理，使得待测土壤各重金属形态充分分散，有利于提高DGT监测模块20监测提取的精度。
收容腔室101的顶部设置有若干固定柱104，可调节伸缩组件设置有若干凸块104b，若干凸块104b分别等距分布在可调节伸缩组件上，若干固定柱104上分别套设有固定套绳104a。
三个收容腔室101的顶部分别设置有若干固定柱104、若干固定柱104套设有固定套绳104a，可调节伸缩杆105等距分布有若干凸块104b，伸缩支撑件102敞开或闭合，位移使得三个DGT监测模块20伸进收容腔室内壁101b的若干第二开窗后，将固定套绳104a套设在可调节伸缩杆105等距分布的某一凸块104b上，进而固定住收容腔室101内已伸入的DGT监测模块20。
智能控制器40包括微型电脑401、存储器402、显示器403和数据接口404和数据录入模块405，存储器402、显示器403和数据接口404和数据录入模块405分别与微型电脑401通信连接，微型电脑401与原子吸收光谱仪30的数据输出端口通信连接，采集原子吸收光谱仪30的检测数据，检测数据包括待测土壤的重金属种类及浓度，通过数据录入模块405录入待测土壤的分布区域和待测土壤的深度；
微型电脑401架构环境土壤物理模型，环境土壤物理模型用于基于若干DGT监测模块中的待测土壤的重金属浓度确定土壤修复时长，环境土壤物理模型的输入侧包括待测土壤的重金属种类及浓度、待测土壤的分布区域和待测土壤的深度，环境土壤物理模型的输出待测土壤的预测修复时长。
微型电脑401架构环境土壤物理模型，环境土壤物理模型的修复预测是基于土壤修复领域常见的土壤化学钝化修复方法，该方法具体是指向污染土壤中投加钝化材料，改变重金属污染在土壤中的化学形态和赋存状态，从而降低重金属的生物有效性和迁移性，也称为原位固定技术或原位稳定化技术。这种钝化修复方法从成本和时间上能更好地满足轻微、轻度重金属污染土壤的治理要求，尤其满足重金属复合污染土壤修复的要求。
通过原子吸收光谱仪30检测出的重金属种类以及相应的浓度，可以进行土壤化学钝化修复方法的模拟，最终输出重金属污染土壤修复所需要的时间，为土壤的修复提供可靠的数据参考。
一种土壤重金属修复动态检测方法，包括如下的步骤：
S100，根据待测重金属种类土壤分布深度，堆叠对应深度的圆筒，第一开窗对应待测重金属种类土壤层分布区域，将土壤重金属修复动态检测装置钻进待测土壤，顺着刮刀107的刀口延伸方向旋转，刮蹭待测土壤并填满收容腔室101；
使用超声波模块110对待测土壤进行超声波前处理30-120min；
在前处理操作前，取出中心旋杆103及可调节伸缩组件；
S200，在DGT监测模块20滴加扩散膜液体，固化后形成结合膜/扩散膜/滤膜梯度扩散薄膜；
根据重金属修复方式及重金属污染方式，调整DGT监测模块20的旋转方向；
S300: 待测土壤前处理操作结束后，将中心旋杆103及可调节伸缩组件安装进圆筒，旋转中心旋杆103，驱动调节伸缩组件，将DGT监测模块20伸进第二开窗内；
顺着刮刀107的刀口延伸方向再次旋转，刮蹭待测土壤并填满收容腔室，挤压土壤并填满DGT监测模块20；
S400: 24小时后监测提取后，取出DGT监测模块20，拆解DGT监测模块20，剥离出结合膜202，低温冷冻结合膜202，水分结晶后，用刀片按所需尺寸切割，切割后的结合膜202溶解在10-50mL的0.5mol/L HF-HNO3混合溶液中，离心机离心30-45min，转速为300-600转/min，将离心溶液送进原子吸收光谱仪30进行痕量检测得到DGT监测模块20中的待测土壤的重金属浓度；
S500：原子吸收光谱仪30将待测土壤的重金属浓度数据传输给智能控制器40，并通过数据录入模块405录入待测土壤的分布区域和待测土壤的深度，环境土壤物理模型基于上述数据，模拟采用土壤化学钝化修复方法进行土壤修复，预测土壤修复所需时长数据，并通过显示器403显示。
原子吸收光谱仪30检测的重金属种类包括Zn、Cd、Co、Ni、Cu、Al、Pb、Cr、Mn、Fe、As和Hg重金属。
结合膜202为Chelex-100或ZrO-Chelex复合膜。
扩散膜是在琼脂糖溶液、聚丙烯酰胺溶液中的至少一种形成的凝胶。
原子吸收光谱仪30用于检测DGT监测模块采集的待测土壤样品中的重金属离子。其作用主要包括以下几个方面：离子测定：AAS能够提供高灵敏度和选择性的离子测定能力。通过使用特定的光源（通常是单色的中空阴极灯），AAS可以测量待测土壤样品中特定重金属离子的浓度。当待测样品中的离子通过光束时，特定波长的光被吸收，根据吸收的强度变化可以确定离子的浓度。校正与定量：AAS通常使用标准曲线法进行测定结果的校正和定量。在测定之前，先制备一系列已知浓度的标准溶液，并使用AAS分别测量这些标准溶液，构建出标准曲线。然后，将待测土壤样品中的重金属离子溶解并稀释，根据它们在标准曲线上的吸光度，可以确定相应离子在土壤样品中的浓度。多元素分析：AAS具有多元素分析的能力，可以同时测量多种重金属离子。通过更换不同的中空阴极灯，AAS能够选择检测不同元素的特定波长，从而实现对多种重金属离子的同时检测。快速和准确：AAS具有高分析速度和准确性的特点。它可以在短时间内完成样品的分析，并提供精确的测量结果，使得对待测土壤样品中重金属离子含量的快速评估成为可能，原子吸收光谱仪30在DGT监测模块20中的作用是进行待测土壤样品中重金属离子的浓度测定和定量分析，以实现对重金属污染程度的评估和监测；并为后续的环境土壤物理模型提供重要数据。
环境土壤物理模型Hydrus，Hydrus是环境土壤物理模拟软件，是模拟一维和多维变饱和多孔介质的水流、溶质(污染物等)运移、根系吸水和溶质吸收、热量传输等方面的强有力工具。该模型具有灵活方便的图形操作界面，深受各国学者推崇，广泛应用于环境、水文地质、农业、水利等领域。
通过HYDRUS来模拟设定重金属污染种类和浓度，模拟采用土壤化学钝化修复方法对土壤修复，并输出模拟结构是高效可行的，可以通过模拟输出重金属在不同的修复时间的变化曲线图，并最终得到修复到正常值所需时间，从而实现对重金属污染土壤修复的时间预测。
本发明实施例一种土壤重金属修复动态检测装置和方法的实施原理为：
某地方出现土壤重金属污染，重金属污染物疑似重金属铅Pb，污染判定为浅层污染，深度不超过50cm，采用土壤重金属修复动态检测装置进行污染检测和分析，堆叠三层圆筒，第一开窗对应待测重金属种类土壤层分布区域，将土壤重金属修复动态检测装置钻进待测土壤，顺着刮刀107的刀口延伸方向旋转，刮蹭待测土壤并填满收容腔室101；
使用超声波模块110对待测土壤进行超声波前处理50min；
在前处理操作前，取出中心旋杆103及可调节伸缩组件；
在DGT监测模块20滴加扩散膜液体，固化后形成结合膜/扩散膜/滤膜梯度扩散薄膜；
根据重金属修复方式及重金属污染方式，调整DGT监测模块20的旋转方向；
待测土壤前处理操作结束后，将中心旋杆103及可调节伸缩组件安装进圆筒，旋转中心旋杆103，驱动调节伸缩组件，将DGT监测模块20伸进第二开窗内；
顺着刮刀107的刀口延伸方向再次旋转，刮蹭待测土壤并填满收容腔室，挤压土壤并填满DGT监测模块20；
24小时后监测提取后，取出DGT监测模块20，拆解DGT监测模块20，剥离出结合膜202，低温冷冻结合膜202，水分结晶后，用刀片按所需尺寸切割，切割后的结合膜202溶解在50mL的0.5mol/L HF-HNO3混合溶液中，离心机离心45min，转速为600转/min，将离心溶液送进原子吸收光谱仪30进行痕量检测得到DGT监测模块20中的待测土壤的重金属浓度，检测结果为土壤中重金属铅Pb的污染浓度为800mgkg-1，污染范围为0-20cm的表层土壤，原子吸收光谱仪30将待测土壤的重金属浓度数据传输给智能控制器40，并通过数据录入模块405录入待测土壤的分布区域和待测土壤的深度，环境土壤物理模型基于上述数据，模拟采用土壤化学钝化修复方法进行土壤修复，预测土壤修复所需时长数据，并通过显示器403显示。
环境土壤物理模型模拟具体模拟采用磷灰石基材的钝化材料对于铅污染的土壤进行修复模拟（附图中简称PT），与不进行处理的污染土壤自然衰减（附图中简称OT）进行对比如图8所示，由此可见1200小时过后，受铅污染的土壤中的铅浓度降到接近0，输出预估的土壤修复时间为1200小时。
以上均为本发明的较佳实施例，并非以此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种土壤重金属修复动态检测装置，其特征在于：包括DGT装置（100）、原子吸收光谱仪（30）和基于微电脑的智能控制器（40）；
所述DGT装置（100）包括多层土壤收集组件、钻头（100d）和多个结合膜处理装置，多层土壤收集组件内部设置收容腔室（101），多层土壤收集组件用于收集不同深度的待检测土壤并输送入收容腔室（101）；
所述多层土壤收集组件包括自上而下依次垂直堆叠的第一圆筒（100a）、第二圆筒（100b）、第三圆筒（100c）和钻头（100d），所述第一圆筒（100a）、第二圆筒（100b）、第三圆筒（100c）各自分割形成三个收容腔室（101），外壁分别设置第一开窗，内壁分别设置第二开窗，收容腔室（101）的收容腔室外壳（101a）设置有若干刮刀（107），若干刮刀（107）的刀口方向相同，向外延伸，若干刮刀（107）固定安装在收容腔室外壳（101a）的第一开窗上，用于刮蹭待测土壤，并填满收容腔室（101），所述钻头（100d）设置在多层土壤收集组件的底部，用于钻入待检测土壤；
所述结合膜处理装置设置在收容腔室（101）内，用于承载结合膜（202），并将结合膜（202）输送到收容腔室（101）内与待检测土壤接触；所述结合膜处理装置包括中心旋杆（103）、可调节伸缩组件和若干DGT监测模块（20），所述中心旋杆（103）连接可调节伸缩组件的一侧，若干所述DGT监测模块（20）固定连接在可调节伸缩组件的另一侧；所述可调节伸缩组件包括可调节伸缩杆（105）、伸缩弹簧（106）和伸缩支撑件（102），所述可调节伸缩杆（105）两端分别连接伸缩支撑件（102）及中心旋杆（103），所述伸缩弹簧（106）设置在可调节伸缩杆（105）的中间段，用于伸缩操作及缓冲调节位移；三个收容腔室（101）的中心设置一体贯通的通道孔，所述中心旋杆（103）设置在通道孔处，用于调节可调节伸缩组件进行伸缩，将若干DGT监测模块（20）分别伸进第一圆筒（100a）、第二圆筒（100b）、第三圆筒（100c）内壁开设的第二开窗；
结合膜处理装置还包括可旋转监测模块承载板（111），若干DGT监测模块（20）分别固定在可旋转监测模块承载板（111）上，所述可旋转监测模块承载板（111）连接可调节伸缩组件，用于承载若干所述DGT监测模块，并调节若干DGT监测模块（20）的旋转角度；
所述DGT监测模块（20）还包括监测模块底座（201）、结合膜（202）、监测模块套筒（203）、滤膜（204）和监测模块顶盖（205）；所述监测模块底座（201）包括结合膜承接凸台（201a）、若干监测模块固定块（201b）和监测模块固定套绳（201c），所述结合膜承接凸台（201a）用于承载结合膜（202），若干监测模块固定块（201b）分别设置在监测模块底座（201）的四周，监测模块固定套绳（201c）套设在监测模块固定块（201b）上，监测模块顶盖（205）设置有顶盖固结凸块（205b），监测模块固定块（201b）与顶盖固结凸块（205b）的位置一一对应；所述监测模块套筒（203）设置有中空的套筒贯通孔（203a），所述结合膜承接凸台（201a）可伸进所述套筒贯通孔（203a），并与套筒斜槽（203b）形成扩散膜的收容槽，所述收容槽压接带有滤膜（204）的监测模块顶盖（205），所述监测模块顶盖（205）的另一侧为中空结构的样品容纳空腔（205a）；
所述原子吸收光谱仪（30）通过检测进行处理后结合膜（202）与HF-HNO（3）的混合溶液，实现对待检测土壤的重金属浓度检测；
所述智能控制器（40）架构环境土壤物理模型，智能控制器（40）与原子吸收光谱仪（30）的数据输出端口通信连接，采集原子吸收光谱仪（30）的检测数据，并基于环境土壤物理模型对检测数据进行分析，模拟采用土壤化学钝化修复方法进行土壤修复，并输出进行土壤修复所需时长数据；
智能控制器（40）包括微型电脑（401）、存储器（402）、显示器（403）和数据接口（404）和数据录入模块（405），所述存储器（402）、显示器（403）和数据接口（404）和数据录入模块（405）分别与微型电脑（401）通信连接，微型电脑（401）与原子吸收光谱仪（30）的数据输出端口通信连接，采集原子吸收光谱仪（30）的检测数据，检测数据包括待测土壤的重金属种类及浓度，通过数据录入模块（405）录入待测土壤的分布区域、待测土壤的深度和DGT监测模块（20）的监测角度；
所述微型电脑（401）架构环境土壤物理模型，环境土壤物理模型用于基于所述若干DGT监测模块中的待测土壤的重金属浓度确定土壤修复时长，环境土壤物理模型的输入侧包括待测土壤的重金属种类及浓度、待测土壤的分布区域和待测土壤的深度，所述环境土壤物理模型的输出待测土壤的预测修复时长。
2.根据权利要求1所述的一种土壤重金属修复动态检测装置，其特征在于：还包括超声波模块（110），所述超声波模块（110）设置在第二开窗上，用于对进入收容腔室（101）的待测土壤进行前处理。
3.根据权利要求2所述的一种土壤重金属修复动态检测装置，其特征在于：收容腔室（101）的顶部设置有若干固定柱（104），可调节伸缩组件设置有若干凸块（104b），若干凸块（104b）分别等距分布在可调节伸缩组件上，若干固定柱（104）上分别套设有固定套绳（104a）。
4.一种土壤重金属修复动态检测方法，其特征在于：采用权利要求3所述的一种土壤重金属修复动态检测装置对待检测土壤进行检测，包括如下的步骤：
S100，根据待测重金属种类土壤分布深度，堆叠对应深度的圆筒，第一开窗对应待测重金属种类土壤层分布区域，将土壤重金属修复动态检测装置钻进待测土壤，顺着刮刀（107）的刀口延伸方向旋转，刮蹭待测土壤并填满收容腔室（101）；
使用超声波模块（110）对待测土壤进行超声波前处理30-120min；
在前处理操作前，取出中心旋杆（103）及可调节伸缩组件；
S200，在DGT监测模块（20）滴加扩散膜液体，固化后形成结合膜/扩散膜/滤膜梯度扩散薄膜；
根据重金属修复方式及重金属污染方式，调整所述DGT监测模块（20）的旋转方向；
S300: 待测土壤前处理操作结束后，将中心旋杆（103）及可调节伸缩组件安装进圆筒，旋转中心旋杆（103），驱动调节伸缩组件，将DGT监测模块（20）伸进第二开窗内；
顺着刮刀（107）的刀口延伸方向再次旋转，刮蹭待测土壤并填满所述收容腔室，挤压土壤并填满所述DGT监测模块（20）；
S400： 24小时后监测提取后，取出DGT监测模块（20），拆解DGT监测模块（20），剥离出结合膜（202），低温冷冻结合膜（202），水分结晶后，用刀片按所需尺寸切割，切割后的结合膜（202）溶解在10-50mL的0.5mol/L HF-HNO（3）混合溶液中，离心机离心30-45min，转速为300-600转/min，将离心溶液送进原子吸收光谱仪（30）进行痕量检测得到DGT监测模块（20）中的待测土壤的重金属浓度；
S500：原子吸收光谱仪（30）将待测土壤的重金属浓度数据传输给智能控制器（40），并通过数据录入模块（405）录入待测土壤的分布区域和待测土壤的深度，环境土壤物理模型基于上述数据，模拟采用土壤化学钝化修复方法进行土壤修复，预测土壤修复所需时长数据，并通过显示器（403）显示。
5.根据权利要求4所述的一种土壤重金属修复动态检测方法，其特征在于：原子吸收光谱仪（30）检测的重金属种类包括Zn、Cd、Co、Ni、Cu、Al、Pb、Cr、Mn、Fe、As和Hg重金属。
6.根据权利要求5所述的一种土壤重金属修复动态检测方法，其特征在于：结合膜（202）为Chelex-100或ZrO-Chelex复合膜。
7.根据权利要求6所述的一种土壤重金属修复动态检测方法，其特征在于：扩散膜是在琼脂糖溶液、聚丙烯酰胺溶液中的至少一种形成的凝胶。
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