一种模拟修复土壤污染的微宇宙实验装置

本申请涉及土壤微宇宙模拟技术领域，具体涉及一种模拟修复土壤污染的微宇宙实验装置。

背景技术：

微宇宙是将单一实验结果外推到复杂的自然生态系统的、能够通过实验室对生态系统进行深度分析的模拟性实验方法。随着科技的进步，微宇宙实验已经在各个学科领域中应用，特别是环境生态学。例如，代威等人通过构建人工微宇宙体系，分析粘细菌对微环境中猎物菌的捕食作用；崔嵩等人研究发现土壤垂直分层温度的变化与α－hch的迁移扩散通量系数呈显著正相关等。微宇宙实验具有真实、易操作、无环境危害、重复性高、高效率的优点，在了解污染物在土壤中归趋过程的同时，对微生物修复技术有预测效果和推进实施的作用，因此具有重要的实际意义。

现有技术中如公开号为cn104991594a的专利文献提出的一种模拟土壤污染并修复污染实验过程的装置，涉及一种模拟实验装置，所述装置包括箱体、负压发生器、模拟饱和带水流速装置、水箱、蠕动泵、plc控制柜；箱体的一个侧面为可透视玻璃，箱体的另三个侧面为不可透视的箱板，其中与可透视玻璃相对的箱板上设有数排小孔；箱体上面为可拆卸式上盖，上盖与箱体之间采用若干搭扣连接；箱体内腔的底板上面设有温控装置；该装置利用传感器对土壤的温度、湿度及电导率进行测量，利用测量仪完成土壤ph值和氧化还原电位的测量。对实验所用土壤进行温度控制，具有调节土壤中氧气含量、完成土壤样品提取等功能。

又如公开号为cn105445438a的专利文献提出的一种模拟土壤污染物迁移及土壤修复的实验装置及实验方法，该装置包括箱体、液体输入装置、垂直取样装置、水平取样装置，所述垂直取样装置为分布在箱体外壁上并贯穿箱体伸入至其内部的取样管，取样管的取样口位于箱体内不同的垂直高度；所述水平取样装置为多根抽提水套管；该发明实验装置及实验方法可实现水平流和垂直流土壤污染淋滤实验的综合模拟，此外，可实现在一台实验装置上实现土壤污染物迁移的模拟及土壤修复的模拟。

在实验环境中，温度对污染物的迁移及环境微生物的影响巨大。崔嵩等人研究冻融期土壤发现土壤垂直分层温度的变化与α－hch的迁移扩散通量系数呈显著正相关。秦璐等人研究发现冻结期土壤微生物数量较低，不同冻融阶段，不同种类微生物数量受到不同土壤理化因子的制约。现有技术中，针对特定温湿度环境下，模拟土壤污染修复的微宇宙系统及装置一般结构复杂，成本高且可靠性低，缺乏一种可靠性、实用性强的低成本装置。

技术实现要素：

本申请提供了一种模拟修复土壤污染的微宇宙实验装置，所述微宇宙装置包括平行加样装置、温度控制箱、参数监控系统、土柱实验装置以及排水结构；所述平行加样装置设于温度控制箱上方，其底部设有若干加样孔，侧面或上面连接有加样管和加样泵；所述温度控制箱内部下方、平行加样装置的加样孔下方设有若干土柱实验装置，所述土柱实验装置为管状体，其中空内部用于设置实验土样，侧面设有不同高度的若干取样孔；所述排水结构连通土柱实验装置底部以及温度控制箱外部；所述参数监控系统至少包括监控实验土样的温度和湿度的监测装置；所述温控控制箱控制内部温度。

可选的，所述温度控制箱为不锈钢材质，外部包覆有保温层；所述温度控制箱底部设有与土柱实验装置底部形状与大小相匹配的凹槽；所述土柱实验装置设于凹槽中。

可选的，所述平行加样装置上部设有可活动的封盖，所述封盖在与平行加样装置接触位置设有缓冲套；所述平行加样装置外部包覆有保温层。

可选的，所述保温层为聚合物保温材料、玻璃棉、毛毯的一种。

可选的，所述平行加样装置底部的加样孔设于土柱实验装置的正上方，其它位置未设有加样孔。

可选的，所述平行加样装置内设有若干加样区，相邻加样区用隔板隔开；不同加样区分别独立连接有加样管和加样泵。

可选的，所述土柱实验装置为不锈钢材质的空心圆柱体，沿轴截面分别设有左右两个主体，所述土柱实验装置由两侧主体通过合页连接构成。

可选的，所述排水结构上部为排水漏斗，其端口大小形状与土柱实验装置底部相匹配；所述排水结构下部为排水管。

可选的，所述监控装置包括设有传感器的探测头以及显示数据的终端设备，所述探测头与终端设备有线连接；所述温度控制箱侧壁设有若干探测孔；所述监测装置的探测头通过探测孔进入到温度控制箱内部，此时，所述探测孔被密封材料封闭。

本申请提供了一种模拟土壤污染修复过程的微宇宙实验装置，所述微宇宙实验装置包括有平行加样装置、温度控制箱、参数监控系统、土柱实验装置以及排水结构。所述温度控制箱为主体结构，并为实验过程提供稳定的恒温环境。所述平行加样装置设于温度控制箱的上端，其外接有加样泵和加样管。所述平行加样装置通过模拟下雨环境，将各实验物料同步加入到各个土柱实验装置中。所述土柱实验装置位于温度控制箱底部，中间设置实验土样，并设有不同高度的取样孔，便于随时抽取土样测试。所述排水结构和参数监控系统用于排除装置废液以及监控参数。通过上述设置，所述微宇宙实验装置可以灵活地控制微宇宙体系的环境温度，并且可以在不破坏实验过程的情况下进行取样测试，具有很好的实用性。因此，我们通过多次连续取样测试可以了解土壤修复的连续过程，而对修复过程本身的影响降到最低。

本申请所述微宇宙实验装置具有如下有益效果：

1)整体结构较为简单，成本显著降低，并且通过设置不同的温度控制箱可以模拟低温、常温或者高温条件的土壤污染修复过程，实用性较强；

2)通过平行加样装置以及多个土柱实验装置的设置，我们可以同步进行多组实验，并且各实验组具有高度一致的加料条件，从而可以降低加料因素的影响，提升实验的准确性；

3)通过对任意时间，不同高度的取样孔对实验土样取样测试，可以了解土壤修复过程中不同深度的土壤在任意时间的修复状态，通过连续取样测试即可形成动态的修复过程，具有较高的参考价值。

附图说明

图1为所述微宇宙实验装置的结构示意图；

图2为所述土柱实验装置的结构示意图。

标号说明：

100-微宇宙实验装置，1-封盖、2-缓冲套、3-平行加样装置、4-加样孔、5-加样管、6-监测装置、7-探测孔、8-土柱实验装置、9-排水管、10-凹槽、11-排水漏斗、12-加样泵、13-实验土样、15-取样孔、16-温度控制箱。

具体实施方式

本申请提供了一种模拟修复土壤污染的微宇宙实验装置100，所述微宇宙装置针对土壤的污染修复实验而设计，并且针对性地设计了模拟各温度下环境的修复条件，可以弥补现有微宇宙模拟实验装置的不足。

本申请所述微宇宙实验装置100至少包括有平行加样装置3、温度控制箱16、参数监控系统、土柱实验装置8以及排水结构。所述温度控制箱16为微宇宙实验装置100的主体结构，为其他结构提供支撑和连接。所述温度控制箱16控制其内部温度以模拟各温度下的土壤污染修复情况。所述平行加样装置3设于温度控制箱16的上方，其底部设有若干加样孔4，所述加样孔4模拟降雨从而将实验物料加入到实验土样13中。即所述平行加样装置3为污染物、水、营养液、菌液等实验物料的添加装置。所述平行加样装置3的侧面或者上面连接有加样管5和加样泵12。在加样泵12动力作用下，经加样管5将实验物料输送到平行加样装置3中；再由平行加样装置3底部的加样孔4加入到土柱实验装置8中。

所述温度控制箱16内部的下方以及平行加样装置3的加样孔4下方设有若干土柱实验装置8。所述土柱实验装置8为管状体，即其为内部中空的圆柱体或其它柱体结构。所述土柱实验装置8主要是作为承装实验土样13的容器使用。所述平行加样装置3将实验物料经加样孔4滴落加入到土柱实验装置8中的实验土样13中。为了便于取样，所述平行加样装置3的侧面设有若干取样孔15。进一步的，为了解析不同土壤深度下的土壤修复过程，我们设置所述取样孔15设有多个并位于土柱实验装置8侧面的不同高度处。

另外，所述排水结构主要用于排出土柱实验装置8内部的废液，即其连通土柱实验装置8底部以及温度控制箱16外部。考虑到模拟土壤修复过程的一般实验要素，我们设置所述参数监控系统应至少包括监控实验土样13的温度和湿度的监测装置6，当然，考虑到不同的实验设计需求，我们同样可以直接设置监控其它参数的监控装置。需要说明的是，诸如排水结构和参数监控系统等设置，虽然此处未具体说明，但是本领域普通技术人员结合公知常识应当知晓其具体实施方式。尤其是在参考附图和具体实施例后，应当容易根据实施情况对其进行实施。也就是说，虽然此处未做具体说明，但是其应当属于本领域普通技术人员可以直接实施的技术特征，即整个技术方案是清楚完整的。

所述温度控制箱16可采用市面上常见的控温箱体结构，或者采用控温系统与箱体组装得到。在上述基础上，考虑到温度控制箱16作为支撑主体的需要，作为可选的一种实施方式，所述温度控制箱16采用不锈钢材质。为了减少能源消耗，以及尽量保持温度控制箱16内部的温度稳定，所述温度控制箱16外部包覆有保温层，所述保温层可以采用聚合物保温材料、毛毯、玻璃棉等常见的保温材料。另外，为了稳定并定位温度控制箱16内部的土柱实验装置8，所述温度控制箱16底部设有与土柱实验装置8底部形状与大小相匹配的凹槽10；所述土柱实验装置8设于凹槽10中。在上述基础上，还可以设置扣件等连接结构进一步保持土柱实验装置8的稳定。

所述平行加样装置3为土柱实验装置8添加污染物、水、营养液、菌液实验物料，因此，一般来说，我们只需将加样孔4设于土柱实验装置8的正上方，其他位置无需设置加样孔4。在前述基础上，考虑到使用同一微宇宙实验装置100同时进行多组对照实验的需求的可能性，作为一种优选实施方式的，我们设置所述平行加样装置3内设有若干加样区，相邻加样区用隔板隔开。并且，不同加样区分别独立连接有加样管5和加样泵12。通过该设置，我们可以设置多组不同物料条件的土壤污染模拟修复实验，并且各对比组在同一环境下同步进行实验，可以保证各组对照实验的修复环境的一致性。通过该设置可以增加微宇宙实验装置100的实用性并提升实验结果的准确性。

本申请所述微宇宙实验装置100的使用方法是：首先将土柱实验装置8设于温度控制箱16底部、平行加样装置3的加样孔4下方的凹槽10中；随后将实验土样13加入到土柱实验装置8内部并压实，然后将平行加样装置3置于温度控制箱16内部使得整个微宇宙实验装置100基本封闭，调控温度控制箱16使环境温度达到预设温度并保持稳定；再将监测装置6插入到实验土样13和/或环境中进行数据监测；最后将污染物、水、营养液、菌液等实验物料分次经加样泵12和加样管5送入到平行加样装置3中，然后经加样孔4加入到土柱实验装置8中，在这个过程中，应尽量保持土柱实验装置8以及周边环境的温湿度平衡，在加入一种物料后应等待系统参数稳定后再加另外一种物料。

参照上述说明，本申请提供了一种模拟土壤污染修复过程的微宇宙实验装置100，所述微宇宙实验装置100包括有平行加样装置3、温度控制箱16、参数监控系统、土柱实验装置8以及排水结构。所述温度控制箱16为主体结构，并为实验过程提供稳定的恒温环境。所述平行加样装置3设于温度控制箱16的上端，其外接有加样泵12和加样管5。所述平行加样装置3通过模拟下雨环境，将各实验物料同步加入到各个土柱实验装置8中。所述土柱实验装置8位于温度控制箱16底部，中间设置实验土样13，并设有不同高度的取样孔15，便于随时抽取土样测试。所述排水结构和参数监控系统用于排除装置废液以及监控参数。通过上述设置，所述微宇宙实验装置100可以灵活地控制微宇宙体系的环境温度，并且可以在不破坏实验过程的情况下进行取样测试，具有很好的实用性。因此，我们通过多次连续取样测试可以了解土壤修复的连续过程，而对修复过程本身的影响降到最低。

为了便于本领域普通技术人员理解，下面结合附图与具体实施例对本申请所述技术方案进行进一步地说明。

实施例

如图1、图2所示，本实施例具体提供了一种模拟修复土壤污染的微宇宙实验装置100，用以测试微生物降解土壤污染的修复性能。所述微宇宙实验装置100包括平行加样装置3、温度控制箱16、参数监控系统、土柱实验装置8以及排水结构。

所述温度控制箱16为常规的可控温箱式结构，采用不锈钢材质，其温度控制范围为-30℃-40℃。所述温度控制箱16底部厚度为50mm，侧壁厚度为10mm。所述温度控制箱16底部设有三排三行均匀设置的凹槽10；所述凹槽10为内径100mm、高度30mm的圆柱体结构。所述凹槽10底部设有排水结构，所述排水结构上部为排水漏斗11，其端口大小形状与土柱实验装置8底部相匹配；所述排水结构下部为排水管9，通过该设置，所述排水结构连通土柱实验装置8底部与温度控制箱16的外部，即排除土柱实验装置8渗出的废液。

考虑到降低功耗以及维持所述温度控制箱16内部的温度稳定，所述温度控制箱16外部包裹有保温层，所述保温层为50mm厚度的玻璃棉保温板。

所述平行加样装置3采用不锈钢材质，其底面形状、大小与温度控制箱16匹配并设于温度控制箱16的上部。所述平行加样装置3高度为20mm，所述平行加样装置3底部设有若干加样孔4，所述加样孔4均设置于土柱实验装置8的正上方，其它位置未设有加样孔4。为了便于清洁平行加样装置3，所述平行加样装置3上部设有可活动的封盖1，即该封盖1可以打开或者关闭；所述封盖1在与平行加样装置3接触位置设有缓冲套2，所述缓冲套2采用橡胶材料。由于所述平行加样装置3与温度控制箱16构成完成的封闭结构，我们设置所述平行加样装置3的外部也包覆有保温层，同样的，所述保温层为50mm厚度的玻璃棉保温板。

考虑到同步进行对比实验的需求，我们设置所述平行加样装置3内设有三个加样区，相邻加样区用隔板隔开，其中，所述隔板的厚度为5mm，所述隔板可以是活动式的，也可以是固定一体式的。不同加样区分别独立连接有加样管5和加样泵12，也就是说，各加样区可以自由设置加入实验物料的种类或者添加量，从而形成多组对比实现。通过该设置，我们可以设置最多3组对比实验，并且每组对比实验中有3个实验样本，不仅可以同时进行3组同步进行的对比实验，还可以降低偶然性，即提升模拟的真实准确性。

需要说明的是，所述凹槽10、加样孔4或者说土柱实验装置8的数量可以根据实际情况可进行任意设置，根据不同数量的土柱实验装置8，所述平行加样装置3可以对应地设置多个加样区，而不限于上述实施方式。本领域普通技术人员参考上述说明后应当理解并清楚其具体实施方式。

所述土柱实验装置8为内径80mm，高300mm的管状体，壁厚为10mm，其中空内部用于设置实验土样13。所述土柱实验装置8侧面设有三个不同高度的若干取样孔15。其中，所述取样孔15为直径30mm的圆孔，各取样孔15之间间隔45mm。为了便于放置以及实验完成后整体取出实验土样13，我们设置所述土柱实验装置8为不锈钢材质的空心圆柱体，沿轴截面分别设有左右两个主体。所述土柱实验装置8由两侧主体通过合页连接构成，即所述土柱实验装置8是可以直接侧面打开的，从而可以方便地完整取出实验土样13。

所述参数监控系统包括监控实验土样13的温度、do、含水率、湿度的监测装置6。其中，所述监控装置包括设有传感器的探测头以及显示数据的终端设备。考虑到金属腔体的屏蔽效应，我们设置所述探测头与终端设备采用有线连接。为了便于设置监测装置6，我们设置所述温度控制箱16侧壁设有若干探测孔7；所述监测装置6的探测头通过探测孔7进入到温度控制箱16内部，此时，所述探测孔7被密封材料封闭。

在上述设置下，本实施例所述微宇宙实验装置100的使用方法为：首先需要将平行加样装置3移开，将实验土样13置于土柱实验装置8中并压实；其次再按照既定的朝向将土柱实验装置8放置于温度控制箱16底部的凹槽10中固定；然后我们将监测装置6的探测头经探测孔7插入到实验土样13中准备进行测量；之后，我们将平行加样装置3设于温度控制箱16的上端并盖上封盖1；最后，待温度控制箱16内部达到预设温度并稳定后，即可同步地通过加样泵12、加样管5向平行加样装置3各加样区中输送实验物料并最终以类似降雨的方式进入到土柱实验装置8的实验土样13中。

在上述过程中，我们可以任意调节实验物料的添加时间、添加量以及添加方式，还可以调节实验环境的温度和湿度。在实验过程中，还可以通过取样孔15随时对不同深度的实验土样13进行采样检测，通过快速得当的方式可以最大程度上降低对实验本身的影响，因此，通过该手段，我们可以详细了解不同深度下土壤污染修复的连续过程情况。

需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本申请未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本申请的技术方案并非是对本申请的限制。本申请仅结合并参照优选的实施方式进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本申请的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本申请的宗旨，也应属于本申请的权利要求保护范围。