本發(fā)明屬于土壤重金屬修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種用于土壤重金屬污染修復(fù)的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)智能仿生植物。

背景技術(shù)：

2005年4月至2013年12月，環(huán)保部與國(guó)土資源部首次開展了全國(guó)范圍內(nèi)的土壤調(diào)查。結(jié)果顯示，全國(guó)土壤總點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1％，其中輕微污染占11.2％，輕度污染占2.3％，中度污染1.5％，重度污染1.1％。污染類型以無(wú)機(jī)型為主，有機(jī)型次之，復(fù)合型污染比重較小，無(wú)機(jī)污染物超標(biāo)點(diǎn)位數(shù)占全部超標(biāo)點(diǎn)位的82.8％。從污染分布情況看，南方土壤污染重于北方；長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲、東北老工業(yè)基地等部分區(qū)域土壤污染問(wèn)題較為突出，西南、中南地區(qū)土壤重金屬超標(biāo)范圍較大。鎘、汞、砷、鉛4種無(wú)機(jī)污染物含量分布呈現(xiàn)從西北到東南、從東北到西南方向逐漸升高的態(tài)勢(shì)。鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅、鎳8種無(wú)機(jī)污染物點(diǎn)位超標(biāo)率分別為7.0％、1.6％、2.7％、2.1％、1.5％、1.1％、0.9％、4.8％。

傳統(tǒng)的植物修復(fù)是利用植物根系的吸收作用把土壤中的重金屬吸收到植物體內(nèi)，然后部分的重金屬?gòu)牡叵虏糠?根部)轉(zhuǎn)移至地上部分(葉片)，最后可通過(guò)“收割、采集、焚燒”的方法，將富集在植物地上部分的重金屬回收。其局限在于：(1)對(duì)污染程度過(guò)高、或重金屬分布為植物根系所達(dá)不到的污染土壤，植物修復(fù)技術(shù)都不太適用；(2)對(duì)于復(fù)合污染的土壤，采用單一植物或多種植物相結(jié)合的修復(fù)方式往往也難以達(dá)到修復(fù)要求；(3)修復(fù)周期通常較長(zhǎng)，難以滿足快速修復(fù)污染環(huán)境的需求；(4)修復(fù)區(qū)域受限，修復(fù)范圍僅為植物根部所觸及的范圍；(5)由于植物吸收污染物的能力有限，在一些情況下會(huì)形成高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的殘留濃度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種用于土壤重金屬污染修復(fù)的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)智能仿生植物，將其應(yīng)用于土壤重金屬污染修復(fù)系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤污染的修復(fù)，此設(shè)備修復(fù)效率高，修復(fù)周期短，可以對(duì)深層土壤進(jìn)行修復(fù)且無(wú)二次污染。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，用于土壤重金屬污染修復(fù)的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)智能仿生植物，包括仿生植物系統(tǒng)，所述仿生植物系統(tǒng)包括太陽(yáng)能系統(tǒng)、重金屬提取系統(tǒng)與重金屬吸收系統(tǒng)；所述太陽(yáng)能系統(tǒng)、重金屬提取系統(tǒng)設(shè)置在地面上，所述重金屬吸收系統(tǒng)設(shè)置在地面下；所述太陽(yáng)能系統(tǒng)通過(guò)仿生物植物莖與重金屬提取系統(tǒng)連接；所述重金屬提取系統(tǒng)的下端與仿生植物主根連接，仿生植物主根的側(cè)面通過(guò)螺旋口設(shè)置仿生植物須根，仿生植物主根與仿生植物須根構(gòu)成了重金屬吸收系統(tǒng)。

進(jìn)一步的，所述仿生植物主根的外側(cè)設(shè)置有固定保護(hù)套；所述仿生植物主根為2-3節(jié)，每節(jié)之間通過(guò)仿生根變徑連接；所述仿生植物須根與仿生植物主根之間夾角為30度。

進(jìn)一步的，所述太陽(yáng)能系統(tǒng)，包括控制器、逆變器、太陽(yáng)能板、直流負(fù)載且分別與蓄電池組連接，所述逆變器與重金屬提取系統(tǒng)連接。

進(jìn)一步的，還包括淋洗劑投加系統(tǒng)，所述淋洗劑投加系統(tǒng)與淋洗劑投加系統(tǒng)管道連接；淋洗劑投加系統(tǒng)管道設(shè)置在待處理的土壤表面。

進(jìn)一步的，所述重金屬提取系統(tǒng)通過(guò)提取系統(tǒng)通道與重金屬處理系統(tǒng)連接。

進(jìn)一步的，所述重金屬處理系統(tǒng)包括依次連接的洗脫液沉淀與雜質(zhì)過(guò)濾系統(tǒng)、多效強(qiáng)制循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)、水熱反應(yīng)釜、堿液尾氣吸收系統(tǒng)；所述洗脫液沉淀與雜質(zhì)過(guò)濾系統(tǒng)、多效強(qiáng)制循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)、水熱反應(yīng)釜、堿液尾氣吸收系統(tǒng)分別與土壤管家系統(tǒng)連接。

進(jìn)一步的，還包括土壤管家系統(tǒng)，所述土壤管家系統(tǒng)包括在線檢測(cè)與控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)、用戶分析系統(tǒng)；所述在線檢測(cè)與控制系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)蓄電池組的電量、洗脫液沉淀與雜質(zhì)過(guò)濾系統(tǒng)中洗脫液用量、整個(gè)系統(tǒng)用電量以及土壤重金屬濃度分析；所述遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)傳輸和接收；所述用戶分析系統(tǒng)用于對(duì)天氣、降水、電力(含太陽(yáng)能)、土壤二次污染、土壤重金屬濃度、修復(fù)周期的分析。

進(jìn)一步的，所述仿生物植物莖為不銹鋼管，長(zhǎng)度為400mm，內(nèi)徑為50mm；仿生植物主根的內(nèi)徑為25mm，仿生植物須根內(nèi)徑為10mm，固定保護(hù)套的內(nèi)徑為300mm。

進(jìn)一步的，所述重金屬提取系統(tǒng)為dp-60隔膜泵。

進(jìn)一步的，所述仿生植物主根與仿生植物須根為相通的pvc管。

本發(fā)明的有益效果：太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的智能仿生植物土壤重金屬污染修復(fù)系統(tǒng)是基于“植物修復(fù)“理論和“互聯(lián)網(wǎng)+”背景而設(shè)計(jì)的一套具有“節(jié)能、環(huán)保、快速、有效、徹底”清除土壤中重金屬污染的修復(fù)系統(tǒng)。此修復(fù)系統(tǒng)采用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等通訊技術(shù)，利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)智能仿生植物來(lái)修復(fù)土壤重金屬污染的技術(shù)，同時(shí)提出對(duì)重金屬污染土壤的在線智能監(jiān)測(cè)和在線預(yù)警系統(tǒng)。并且解決了：

1、傳統(tǒng)植物修復(fù)修復(fù)效率低、修復(fù)周期長(zhǎng)、管理難度大的問(wèn)題；

2、化學(xué)淋洗法帶來(lái)的二次污染問(wèn)題；

3、土壤重金屬回收處理難度大的問(wèn)題；

4、傳統(tǒng)植物修復(fù)對(duì)深層重金屬污染(即植物根無(wú)法深達(dá)的區(qū)域)無(wú)法解決的問(wèn)題；

5、解決重金屬殘留問(wèn)題；

6、修復(fù)不同種類的重金屬污染。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的修復(fù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例中仿生植物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中太陽(yáng)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例中壓降模擬圖。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例中不同重金屬去除時(shí)間圖。其中a為cd離子去除時(shí)間圖；b為cu離子去除時(shí)間圖；圖c為pb離子去除時(shí)間圖；圖d為hg離子去除時(shí)間圖。

圖中，1.仿生植物系統(tǒng)，2.重金屬處理系統(tǒng)，3.淋洗劑投加系統(tǒng)，4.土壤管家系統(tǒng)，5.在線檢測(cè)與控制系統(tǒng)，6.遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，7.用戶分析系統(tǒng)，8.洗脫液沉淀與雜質(zhì)過(guò)濾系統(tǒng)，9.多效強(qiáng)制循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)，10.水熱反應(yīng)釜，11.堿液尾氣吸收系統(tǒng)；

101.太陽(yáng)能系統(tǒng)，102.仿生物植物莖，103.重金屬提取系統(tǒng)，104.仿生植物主根，105.仿生植物須根，106.固定保護(hù)套，107.仿生根變徑，108.提取系統(tǒng)通道，109.淋洗劑投加系統(tǒng)管道；

1011.控制器，1012.逆變器，1013.蓄電池組，1014.直流負(fù)載；1015.太陽(yáng)能板；

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

一種用于土壤重金屬污染修復(fù)的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)智能仿生植物，結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括仿生植物系統(tǒng)1、重金屬處理系統(tǒng)2、淋洗劑投加系統(tǒng)3、土壤管家系統(tǒng)4；其中，

仿生植物系統(tǒng)1，包括太陽(yáng)能系統(tǒng)101、重金屬提取系統(tǒng)103與重金屬吸收系統(tǒng)；具體如圖2所示，太陽(yáng)能系統(tǒng)101、重金屬提取系統(tǒng)設(shè)置在地上，重金屬吸收系統(tǒng)設(shè)置在地下；太陽(yáng)能系統(tǒng)101通過(guò)仿生物植物莖102與重金屬提取系統(tǒng)103連接。

仿生物植物莖102主要起到支撐太陽(yáng)能板1015的作用，可以調(diào)整太陽(yáng)能板1015和光照角度角，達(dá)到最適合光照角度。

重金屬提取系統(tǒng)103的下端與仿生植物主根104連接，仿生植物主根104的側(cè)面設(shè)置仿生植物須根105，仿生植物主根104與仿生植物須根105為相通的pvc管；

仿生植物主根104的直徑較小，由于是pvc材質(zhì)，具有較大的彈性形變，直接埋地非常的危險(xiǎn)，容易折斷，因此需要在仿生植物主根104外側(cè)增加固定保護(hù)套106。

仿生植物主根104為設(shè)計(jì)為2節(jié)或者3節(jié)，主要看土壤污染的深度；每節(jié)之間通過(guò)仿生根變徑107連接。仿生植物主根104多節(jié)的結(jié)構(gòu)類似于可伸縮的魚竿，多節(jié)依次嵌套的，通過(guò)仿生根變徑107連接。置于仿生植物須根105，根據(jù)需要修復(fù)的垂直距離調(diào)整角度后(設(shè)計(jì)為30°)，插入固定保護(hù)套106中，再旋入仿生植物主根104上設(shè)置的螺旋口中。

重金屬提取系統(tǒng)103通過(guò)提取系統(tǒng)通道108與重金屬處理系統(tǒng)2連接；

仿生物植物莖102為不銹鋼管，長(zhǎng)度為400mm，內(nèi)徑為50mm；重金屬提取系統(tǒng)103為dp-60隔膜泵；仿生植物主根104的內(nèi)徑為25mm，仿生植物須根105內(nèi)徑為10mm，固定保護(hù)套106的內(nèi)徑為300mm。

太陽(yáng)能系統(tǒng)101的結(jié)構(gòu)，如圖3所示，包括控制器1011、逆變器1012、蓄電池組1013、直流負(fù)載1014與太陽(yáng)能板1015；控制器1011、逆變器1012、太陽(yáng)能板1015、直流負(fù)載1014分別與蓄電池組1013連接，逆變器1012與重金屬提取系統(tǒng)103連接。太陽(yáng)能系統(tǒng)101屬于現(xiàn)有技術(shù)。

重金屬處理系統(tǒng)2，包括依次連接的洗脫液沉淀與雜質(zhì)過(guò)濾系統(tǒng)8、多效強(qiáng)制循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)9、水熱反應(yīng)釜10、堿液尾氣吸收系統(tǒng)11；

洗脫液沉淀與雜質(zhì)過(guò)濾系統(tǒng)8的作用是：洗脫液中可能含有大量的細(xì)小顆粒物雜志，需要設(shè)置沉淀池和過(guò)濾池對(duì)雜質(zhì)進(jìn)行過(guò)濾，才能進(jìn)入多效強(qiáng)制循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)9。

多效強(qiáng)制循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)9的作用是：由于本系統(tǒng)有較多的洗脫液產(chǎn)生，因此需要蒸發(fā)掉大部分，提高水熱反應(yīng)釜10對(duì)重金屬的消煮效率，節(jié)約消煮成本。多效強(qiáng)制循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)9采用蒸汽噴射技術(shù)，將部分二次蒸汽回到一效加熱器重復(fù)使用，從而大大降低了能耗。該蒸發(fā)器適用于有結(jié)垢性、結(jié)晶性、熱敏性(低溫)、高濃度、高粘度并且含不溶性固形物等化工、食品、生物、環(huán)保工程、廢液蒸發(fā)回收等行業(yè)的蒸發(fā)濃縮。

水熱反應(yīng)釜10的是一種能分解難溶物質(zhì)的密閉容器，此處用來(lái)將多效強(qiáng)制循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)9中含重金屬的濃縮液進(jìn)行溶解，溶解后可進(jìn)行固定化處理。

堿液尾氣吸收系統(tǒng)11的作用是：水熱反應(yīng)釜10在消解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量酸性氣體，引起需要設(shè)置堿性尾氣吸收系統(tǒng)對(duì)酸性氣體進(jìn)行吸收。

土壤管家系統(tǒng)4，包括在線檢測(cè)與控制系統(tǒng)5、遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)6、用戶分析系統(tǒng)7。用于自控投藥，進(jìn)行電力分析、智能監(jiān)測(cè)、評(píng)估和預(yù)警，將土壤重金屬修復(fù)與互聯(lián)網(wǎng)接軌，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤修復(fù)的時(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳監(jiān)控。

在線監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)5包括監(jiān)測(cè)蓄電池組1013的電量、洗脫液沉淀與雜質(zhì)過(guò)濾系統(tǒng)8中洗脫液用量、整個(gè)系統(tǒng)用電量以及土壤重金濃度分析等?？刂七M(jìn)入重金屬處理系統(tǒng)2的淋洗液量(包括進(jìn)入洗脫液沉淀與雜質(zhì)過(guò)濾系統(tǒng)的量、進(jìn)入多效強(qiáng)制循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)的量、進(jìn)入水熱反應(yīng)斧的量、進(jìn)入堿液尾氣吸收系統(tǒng)的量)。

遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)接受系統(tǒng)6包括數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)接收器。

用戶分析系統(tǒng)7用于對(duì)氣候、降水、電力、土壤二次污染、土壤重金屬濃度、修復(fù)周期等的分析。

淋洗劑投加系統(tǒng)3與淋洗劑投加系統(tǒng)管道109連接，用于向土壤噴灑檸檬酸-草酸的混合液，用于清洗土壤中的重金屬。

太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的智能仿生植物土壤重金屬污染修復(fù)系統(tǒng)的工作過(guò)程是，啟動(dòng)淋洗劑投加系統(tǒng)3，淋洗液通過(guò)淋洗劑投加系統(tǒng)管道109進(jìn)入土壤，當(dāng)2-4h后淋洗液投加至土壤含水率達(dá)到基本飽和時(shí)，啟動(dòng)太陽(yáng)能系統(tǒng)101，太陽(yáng)能系統(tǒng)101轉(zhuǎn)化的電能為重金屬提取系統(tǒng)103供電，然后重金屬離子通過(guò)仿生植物須根105進(jìn)入仿生植物主根104然后再通過(guò)提取系統(tǒng)通道108進(jìn)入重金屬處理系統(tǒng)2；

本發(fā)明中的仿生植物主根長(zhǎng)2000mm(包括可最大伸縮長(zhǎng)度)，吸收半徑為1150mm，即一顆仿生植物可修復(fù)2×3.14×1.15×2＝14.4m³。

實(shí)施例

設(shè)計(jì)、計(jì)算與模擬(以北方某電鍍廠土壤污染情況為例)

表1：參數(shù)收集

1.重金屬吸收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隔膜泵選擇型號(hào)dp60，電壓12v，流量6l/s，壓力4.1bar，電力7a，楊程35m，功率85w，規(guī)格265×120×105，質(zhì)量2.4kg，進(jìn)出水口口徑10mm。

按照4株仿生植物用一臺(tái)隔膜泵設(shè)計(jì)，仿生植物主根直徑10mm，仿生植物須根設(shè)計(jì)數(shù)量為160根，每根5m。

根據(jù)物料守恒，以上數(shù)據(jù)計(jì)算淋洗劑6l/s時(shí)，根據(jù)水力學(xué)原理，q＝av＝σaivi(i＝1,2,...,40)，即q＝40×a1v1＝40×a1v1＝...＝40×a40v40，通過(guò)計(jì)算隔膜泵入口流速5.6m/s,須根吸收淋洗液的速度為1.33m/s，可以計(jì)算得到須根的吸收壓力大于1bar。

假設(shè)模型修復(fù)場(chǎng)地為等厚度單項(xiàng)液體穩(wěn)定流，仿生植物主根系半徑rw＝0.2m，供給半徑re＝20m，通過(guò)壓力分布公式：

可以得到壓力降公式：

其中：pw—內(nèi)邊界條件；pe—外邊界條件。

通過(guò)模擬得到壓力根部附近至邊緣的能力耗損情況，如圖4所示。選擇合適的吸收半徑作為修復(fù)場(chǎng)地仿生植物數(shù)量的選擇依據(jù)，若以壓力降為50％作為邊界條件，邊緣距離為2m，一株仿生植物可處理2×2×1m³的土壤，500m³的土地需要125株仿生植物。

2、新能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)隔膜泵的功率，設(shè)計(jì)植物仿生葉片：

(1)260w多晶硅正a級(jí)太陽(yáng)能板2塊(單塊尺寸：1640×990mm)；

尺寸：1650×990×40mm

額定功率：260w

工作電壓：30.30v

電壓：37.70v

短路電流：8.69a

(2)太陽(yáng)能專用蓄能蓄電池；

(3)1000w輸出純工頻正弦波逆變控制一體機(jī)1臺(tái)；

(4)電池柜1個(gè)mc4y型三通連接器1對(duì)以及其他所有的連接線；

(5)連接配件。

3、淋洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

表2：設(shè)計(jì)去除率

按照4株仿生植物用一臺(tái)隔膜泵設(shè)計(jì)，所需要的淋洗劑濃度為：草酸1％，檸檬酸1％，淋洗劑用量為6l/s，即1.67m³/h，淋洗處理時(shí)間按照日照時(shí)間8h，一天4株所需要的淋洗劑為13.36m³。

反應(yīng)時(shí)間確定：首次加入淋洗劑時(shí)，設(shè)計(jì)反應(yīng)時(shí)間為4h，之后啟動(dòng)隔膜泵。

模型假設(shè)以一天為一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，記ti(i＝1,2,3...,i)，試驗(yàn)得到每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)土壤不同的重金屬的平均去除率為n＝18.34％。

t1：ct1＝cm(1-n％)

t2：ct2＝ct1(1-n％)＝cm(1-n％)²

...

ti：cti＝cm(1-n％)ⁱ

模擬情況如圖5所示。模擬可知，cd、cu、pb和hg分別在12、11、9和38天達(dá)到《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于環(huán)境重金屬的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，因此設(shè)計(jì)修復(fù)時(shí)間為40d。

4、重金屬處理系統(tǒng)

通過(guò)淋洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可知，125株植物共需要417.5m³淋洗液。

洗脫液沉淀與雜質(zhì)過(guò)濾系統(tǒng)8后加淋洗劑，然后通過(guò)多效強(qiáng)制循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)9、再加入硝酸，再通過(guò)水熱反應(yīng)釜10、堿液尾氣吸收系統(tǒng)11。

本說(shuō)明書中的各個(gè)實(shí)施例均采用相關(guān)的方式描述，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說(shuō)明的都是與其他實(shí)施例的不同之處。尤其，對(duì)于系統(tǒng)實(shí)施例而言，由于其基本相似于方法實(shí)施例，所以描述的比較簡(jiǎn)單，相關(guān)之處參見方法實(shí)施例的部分說(shuō)明即可。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。