CN112433035A - 污染物在土柱淋溶中土壤采集与淋溶液收集的模拟装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种污染物在土柱淋溶中土壤采集与淋溶液收集的模拟装置及方法。该装置包括支撑架、储液罐、蠕动泵、导流管、嵌入式顶端盖、淋溶管、出水口阀门、样品接收瓶，所述储液罐、蠕动泵和各土层淋溶管通过蠕动泵软管连接；淋溶管从上到下依次为滞水层淋溶管、配水层、人工配制污染土壤、表土层淋溶管及滤土层、中土层淋溶管及滤土层、底土层淋溶管及滤土层、出水口阀门、样品接收瓶；在表土层淋溶管、中土层淋溶管、底土层淋溶管的侧面分别设有土样取样口，在各滤土层的底部设有渗滤液收集槽阀门及对应的渗滤液收集槽；各层土壤中的淋溶液通过滤土层进入对应的渗滤液收集槽；底土层渗滤液通过导流管进入样品接收瓶。
Description
技术领域
本发明属于污染物土壤淋溶模拟实验技术领域，涉及一种污染物在土柱淋溶过程中土壤采集与淋溶液收集的实验模拟装置，具体是用于四环素类抗生素或其他种类有机物的土柱淋溶装置及土壤采集与淋溶液收集装置。
背景技术
自从上世纪30年代青霉素被发现以来，抗生素就作为一种新型抗菌药物广泛应用于医学、畜牧以及水产等领域。四环素类抗生素是目前世界各国使用最广泛、用量最大的抗生素种类之一。土壤可谓四环素类抗生素在土壤中的最终归宿，这类物质通过地表径流、淋溶等作用进行横向与纵向迁移，进而污染地下水。因而明确这类物质或其他有机物在土壤中淋溶以及迁移转化机制，可为合理使用抗生素以及治理受污染土壤提供理论基础，并具有一定的指导意义。
目前，研究污染物在土壤中的淋溶主要分为实验室模拟与田间试验，由于田间试验具有耗时、各方面试验条件不容易控制，需要投入大量的人力、物力。而且取样不方便，渗滤液不好收集等缺点，因而利用最接近实际情况的垂直土柱进行室内模拟。因而对模拟土壤淋溶装置提出了更高的要求。
然而，目前实验室所用的淋溶土柱都是一个整体，只能通过最下端来收集渗滤液，在进行完一批实验后，才可进行土样的采集。
发明内容
本发明克服了上述缺点，提供了一种取样方便、拆卸容易、便于收集每个土层渗滤液的装置。本发明提供的装置是一种可用于模拟不同剖面土层的淋溶行为装置，且提供了可实时取土样与不同土层渗滤液收集的方法，解决了目前实验室模拟淋溶行为装置的取样不便、误差范围大、渗滤液收集困难等缺点，
本发明提供了一种污染物在土柱淋溶中土壤采集与淋溶液收集的模拟装置，该装置包括支撑架、储液罐、蠕动泵、导流管、嵌入式顶端盖、滞水层淋溶管、配水层、表土层淋溶管、土样取样口、渗滤液收集槽阀门、中土层淋溶管、底土层淋溶管、出水口阀门、样品接收瓶，所述储液罐、蠕动泵和各土层淋溶管通过蠕动泵软管连接；淋溶管从上到下依次为滞水层淋溶管、配水层、人工配制污染土壤、表土层淋溶管及滤土层、中土层淋溶管及滤土层、底土层淋溶管及滤土层、出水口阀门、样品接收瓶；
在表土层淋溶管、中土层淋溶管、底土层淋溶管的侧面分别设有土样取样口，在每个滤土层的底部设有渗滤液收集槽阀门及对应的渗滤液收集槽；各层土壤中的淋溶液通过滤土层进入对应的渗滤液收集槽；底土层渗滤液通过导流管进入样品接收瓶。
上述装置中，所述的滞水层淋溶管、表土层淋溶管、中土层淋溶管、底土层淋溶管为有机玻璃制成，各淋溶管的尺寸相同，为：内径15-30cm，高度85-120cm，壁厚0.5-1.0cm。
上述装置中，滞水层淋溶管的高度为5-8cm，配水层的厚度为3-5cm，主要填充物为细石英砂。
上述装置中，表土层淋溶管、中土层淋溶管、底土层淋溶管的高度均为20-25cm。
上述装置中，所述支撑架为可调节高度的钢结构四棱柱框架，包括若干平行设置的水平杆和竖直杆，淋溶管能固定在水平杆上，竖直杆分别通过搭扣垂直连接，支撑架能打开成平面状，便于拆卸淋溶管。
上述装置中，表土层淋溶管内填充土壤0-30cm表层土，中土层淋溶管内填充30-60cm土壤中层土，底土层淋溶管内填充60-90cm土壤底层土，石英砂层为0.5-2mm的细石英砂。所用土壤过2mm土壤筛，自然阴干土壤，不可以有阳光照射。
上述装置中，渗滤液收集槽的高度为5cm，渗滤液收集槽上方滤网层中的滤网目数为（260-300）目，内圆柱的直径为19cm。每个土层下方都设有（260-300）目纱网的滤土层，在滤土层下方设有渗滤液收集槽，渗滤液收集槽为一个套管结构，内部有一个内径为19cm的圆柱，渗滤液收集槽的上方开很多小孔，下端是完全封闭的，取水样时，将阀门打开，使用一次性针管取水样。
上述装置中，表土层淋溶管、中土层淋溶管、底土层淋溶管中间部位设有直径为3cm的圆形取样口，可通过取土器实现取样。
上述装置中，各土层下方的渗滤液收集槽两边设有阀门，可通过针管实时收集每层土壤的渗滤液。
上述装置中，各土层淋溶管通过法兰环进行连接，法兰环的外径比淋溶管的外径大60mm，各法兰环通过螺丝和螺母固定。
本发明提供了一种污染物在土柱淋溶中土壤采集与淋溶液收集的模拟装置的使用方法，包括以下步骤：
（1）采集土壤；
（2）人工配制淋溶土壤：所用土壤过2mm土壤筛，自然阴干土壤，不能有阳光照射；配制好的标准储备液用移液管或者其他容器量取一定体积加入到一定质量的土壤中，搅拌均匀直至完全混合，在黑暗处自然风干18-24h；
所述标准储备液指的是配制好的金霉素与强力霉素的混标溶液，浓度为100mg/L；
（3）首先在淋溶装置最低端铺一到两层（260-300）目的滤网，然后覆盖（3cm-5cm）厚的酸洗石英砂（1-2mm），之后在石英砂层上面填充过2mm土壤筛的深层土（60-90cm），每填充5cm厚时，慢慢摇晃并敲打土柱，使土柱均匀密实。然后将底层土柱与中层土柱的法兰环用螺丝固定，在这一层土柱中，首先在渗滤液收集槽上方铺一或两层（260-300）目的滤网，以便截留槽上方土壤。接下来开始填充30-60cm的土壤，填充时候同样边填充边摇晃与敲打，以使土柱均匀密实。然后填充0-30cm的表层土，填充过程与填充中层土的操作一样。淋溶实验前，为达到土壤离子平衡，用一定量的蒸馏水（含0.01mol/L的CaCl2溶液）从土柱顶部缓慢加入，使其从顶部慢慢渗透土柱，直到有水从柱的底部流出为止。且流出速率与流入速率相当即土柱达到饱和。静置两天后，在表层土上方铺入500克配制好并且混合均匀的污染土壤，为了防止土壤扰动及林溶液的飞溅，在表层土壤上方覆一层（3-5cm）厚的酸洗石英砂，再盖直径为24cm的滤网（260-300目）。使用蠕动泵供淋溶液，直到达到设计淋溶量为止。淋溶量与每天淋溶时间需根据自己的实验来设定，不同的实验有所不同。
本发明的有益效果：
（1）结构简单，操作方便，整个淋溶装置安装简单；淋溶土柱各层都已按所需土壤厚度设计，可精确准备填充土壤；
（2）可在不分割装置的情况下，对土壤进行分层取样；
（3）在每一土壤层下端设置有渗滤液收集槽，能实现各层土壤层的渗滤液的回收，便于实验分析；
（4）实验结束后可将淋溶装置通过支架带有折叶的支架打开，以便下一批实验的进行。
附图说明
图1为淋溶装置的整体图；
图2为淋溶装置表土层淋溶管、中土层淋溶管、底土层淋溶管的立体图；
图3为淋溶装置的主视图；
图4为淋溶装置的左视图；
图5为淋溶装置的俯视图；
图6为各土层渗滤液收集槽上端的放大图。
图中：1为储液罐；2为蠕动泵；3为导流管；4为嵌入式顶端盖；5为滞水层淋溶管；6为石英砂配水层；7为人工配制污染土壤；8为表土层淋溶管；9为土样取样口；10为渗滤液收集槽阀门；11为中土层淋溶管；12为底土层淋溶管；13为出水口阀门；14为样品接收瓶；15为蠕动泵软管；16为滤土层；17为渗滤液收集槽；18为石英砂层，19为支撑架。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
本发明提供了一种污染物在土柱淋溶中土壤采集与淋溶液收集的模拟装置，该装置包括储液罐1、蠕动泵2、导流管3、嵌入式顶端盖4、滞水层淋溶管5、配水层6、表土层淋溶管8、渗滤液收集槽阀门10、中土层淋溶管11、底土层淋溶管12、出水口阀门13、样品接收瓶14，所述储液罐、蠕动泵和各土层淋溶管通过蠕动泵软管15连接；
淋溶管从上到下依次为滞水层淋溶管5、配水层6、人工配制污染土壤7、表土层淋溶管8、滤土层16、中土层淋溶管11、滤土层16、底土层淋溶管12、滤土层16、出水口阀门13、样品接收瓶14；
在表土层淋溶管8、中土层淋溶管11、底土层淋溶管12的侧面分别设有土样取样口9，在各滤土层的底部设有渗滤液收集槽阀门10及对应的渗滤液收集槽17；各层土壤中的淋溶液通过滤土层进入对应的渗滤液收集槽；底土层渗滤液通过导流管进入样品接收瓶14。
上述装置中，所述的滞水层淋溶管、表土层淋溶管、中土层淋溶管、底土层淋溶管为有机玻璃制成，各淋溶管的尺寸相同，为：内径15-30cm，高度85-120cm，壁厚0.5-1.0cm。
上述装置中，滞水层淋溶管5的高度为5-8cm，配水层6的厚度为3-5cm，主要填充物为细石英砂。
上述装置中，表土层淋溶管8、中土层淋溶管11、底土层淋溶管12的高度均为20-25cm。
上述装置中，所述支撑架19为可调节高度的钢结构四棱柱框架，包括若干平行设置的水平杆和竖直杆，淋溶管能固定在水平杆上，竖直杆分别通过搭扣垂直连接，支撑架能打开成平面状，便于拆卸淋溶管。
上述装置中，表土层淋溶管内填充土壤0-30cm表层土，中土层淋溶管内填充30-60cm土壤中层土，底土层淋溶管内填充60-90cm土壤底层土，石英砂层18为0.5-2mm的细石英砂。
上述装置中，渗滤液收集槽的高度为5cm，渗滤液收集槽上方滤网层中的滤网目数为（260-300）目，渗滤液收集槽为一个套管结构，内部有一个内径为19cm的圆柱，渗滤液收集槽的上方开很多小孔，下端是完全封闭的，取水样时，把阀门打开，用一次性针管取水样。
上述装置中，表土层淋溶管、中土层淋溶管、底土层淋溶管的中间部位设有直径3cm的圆形的土样取样口9，可通过取土器实现取样。
上述装置中，各土层下方的渗滤液收集槽的高度为5cm，厚度为2cm，两边设有阀门，可通过针管实时收集每层土壤的渗滤液。
上述装置中，各土层淋溶管通过法兰环进行连接，法兰环的外径比淋溶管的外径大60mm，各法兰环通过螺丝和螺母固定。
如图1所示，污染物在土柱淋溶中土壤采集与淋溶液收集的实验模拟装置，主要包括储液罐1、蠕动泵2、滞水层淋溶管5、表土层淋溶管8、中土层淋溶管11、底土层淋溶管12、样品接收瓶14。各土层淋溶管直径为25厘米，总高度85厘米；淋溶管从上到下依次为滞水层、配水层、土壤层、滤土层。配水层高度为5㎝，主要填充物为细石英砂。土壤层高度为60㎝，填充物为所用研究土壤，每层土壤为20㎝。滤土层主要为（260-300）目纱网。各层土壤中的淋溶液通过滤土层进入对应的渗滤液收集槽；底土层渗滤液通过长6cm的导流管进入样品接收瓶14。
参照图2，根据淋溶装置的实际长、宽、高设计一个可调节、安装简便、承受压力大的角钢支架，储液罐、蠕动泵、淋溶装置通过蠕动泵软管相连接，将连接蠕动泵输入端的蠕动泵软管的端头放入储液罐液面下，把连接蠕动泵输出端的蠕动泵软管的另一端头***土壤采集与淋溶液收集的模拟装置上端进水口。开启蠕动泵后，使储液罐中的淋溶液在蠕动泵的作用下流入淋溶土柱管。分别对三个土样取样口进行取样，用一次性针管（10mL或者20mL）收集各层土样渗滤液。
下面通过具体的实施过程来进一步说明本发明的使用方法。
采集实验土壤：首先将土壤表层的杂草、碎石去除，然后垂直挖一个长70cm，宽60cm，深90cm的坑，然后用30cm的尺子测定所需采集土壤的深度，根据分布做好标记，然后从自下而上逐层采集土壤，一般采集各层土壤典型的中部位的土壤，以克服层次之间的过度现象。然后将样品装入样品袋中，注明采集地点、层次、土层深度、采集时间。本实施例使用的是从中北大学周边采集回来的不同剖面土壤，自然风干并且过2mm土壤筛后，表层土（0-30cm）、中层土（30-60cm）、底层土（60-90cm），各土层均填充20cm，共60cm。）
人工配制污染土壤的过程：配制20~60mg/Kg的污染土壤，步骤如下：称取5g±0.05g过2mm筛的土壤，用移液管吸取1~3ml标准储备液（100mg/L）加入到土壤中，这样就配制成20~60mg/Kg的土壤样品。根据实验需要吸取不同体积的标准储备液。
本实施例要配制20mg/Kg的污染土壤，步骤就是：称取5g±0.05g过2mm筛的土壤，吸取1ml标准储备液（100mg/L）加入到5g土壤中，这样就配制成20mg/Kg的土壤样品。
所述标准储备液指的是配制好的金霉素与强力霉素的混标溶液，浓度为100mg/L；
在进行土壤淋溶实验之前，首先在各层土壤淋溶管中放入实验土壤。调整蠕动泵，使其以合适的速率流入土柱管中，当最底层淋溶管的流出速率与蠕动泵的流速相等或者几乎接近时，停止供水（此目的是为了排除土柱中的空气）。然后静止2天。然后以同样的操作进行实验，并在淋溶过程中观察土柱变化情况，隔几小时在取样口1、取样口2、取样口3分别取表层土、中层土、底层土进行污染物浓度测试，同时用针管取各土层的渗滤液进行污染物浓度的测试。待第一批淋溶实验结束后，将土柱架的螺丝拧开，取出土柱，将这一批土壤倒掉，洗净装置，风干后进行下一批实验。
以上只是本装置的简要实施方案。本装置对于测定四环素类抗生素或者其他有机污染物在土柱中的淋溶特征快速、简便、准确且效果直观。
Claims (10)
1.一种污染物在土柱淋溶中土壤采集与淋溶液收集的模拟装置，其特征在于：包括支撑架、储液罐、蠕动泵、导流管、嵌入式顶端盖、滞水层淋溶管、配水层、表土层淋溶管、土样取样口、渗滤液收集槽阀门、中土层淋溶管、底土层淋溶管、出水口阀门、样品接收瓶，所述储液罐、蠕动泵和各土层淋溶管通过蠕动泵软管连接；淋溶管从上到下依次为滞水层淋溶管、配水层、人工配制污染土壤、表土层淋溶管、滤土层、中土层淋溶管、滤土层、底土层淋溶管、滤土层、出水口阀门、样品接收瓶；
在表土层淋溶管、中土层淋溶管、底土层淋溶管的侧面分别设有土样取样口，在各滤土层的底部设有渗滤液收集槽阀门及对应的渗滤液收集槽；各层土壤中的淋溶液通过滤土层进入对应的渗滤液收集槽；底土层渗滤液通过导流管进入样品接收瓶。
2.根据权利要求1所述的污染物在土柱淋溶中土壤采集与淋溶液收集的模拟装置，其特征在于：所述的滞水层淋溶管、表土层淋溶管、中土层淋溶管、底土层淋溶管为有机玻璃制成，各淋溶管的尺寸相同，为：内径15-30cm，高度85-120cm，壁厚0.5-1.0cm。
3.根据权利要求2所述的污染物在土柱淋溶中土壤采集与淋溶液收集的模拟装置，其特征在于：滞水层淋溶管的高度为5-8cm，配水层的厚度为3-5cm，主要填充物为细石英砂；表土层淋溶管、中土层淋溶管、底土层淋溶管的高度均为20-25cm。
4.根据权利要求1所述的污染物在土柱淋溶中土壤采集与淋溶液收集的模拟装置，其特征在于：所述支撑架为可调节高度的钢结构四棱柱框架，包括若干平行设置的水平杆和竖直杆，淋溶管能固定在水平杆上，竖直杆分别通过搭扣垂直连接，支撑架能打开成平面状，便于拆卸淋溶管。
5.根据权利要求1所述的污染物在土柱淋溶中土壤采集与淋溶液收集的模拟装置，其特征在于：表土层淋溶管内填充土壤0-30cm表层土，中土层淋溶管内填充30-60cm土壤中层土，底土层淋溶管内填充60-90cm土壤底层土，石英砂层为0.5-2mm的细石英砂。
6.根据权利要求1所述的污染物在土柱淋溶中土壤采集与淋溶液收集的模拟装置，其特征在于：渗滤液收集槽的高度为5cm，渗滤液收集槽上方滤网层中的滤网目数为260-300目，渗滤液收集槽内圆柱的直径为19cm。
7.根据权利要求1所述的污染物在土柱淋溶中土壤采集与淋溶液收集的模拟装置，其特征在于：表土层淋溶管、中土层淋溶管、底土层淋溶管的中间部位设有直径为3cm的圆形取样口，通过取土器实现取样。
8.根据权利要求1所述的污染物在土柱淋溶中土壤采集与淋溶液收集的模拟装置，其特征在于：各土层下方的渗滤液收集槽的高度为5cm，厚度为2cm，两边设有阀门，通过针管实时收集每层土壤的渗滤液。
9.根据权利要求1所述的污染物在土柱淋溶中土壤采集与淋溶液收集的模拟装置，其特征在于：各土层淋溶管通过法兰环进行连接，法兰环的外径比淋溶管的外径大60mm，各法兰环通过螺丝和螺母固定。
10.一种权利要求1~9任一项所述的污染物在土柱淋溶中土壤采集与淋溶液收集的模拟装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）采集土壤；
（2）人工配制淋溶土壤：所用土壤过2mm土壤筛，自然阴干土壤，不能有阳光照射；配制好的标准储备液用移液管或者其他容器量取加入到土壤中，搅拌均匀直至完全混合，在黑暗处自然风干18-24h；
所述标准储备液指的是配制好的金霉素与强力霉素的混标溶液，浓度为100mg/L；
（3）安装实验模拟装置：
首先在淋溶装置最低端铺一到两层260-300目的滤网，然后覆盖3cm-5cm厚的酸洗石英砂1-2mm，之后在石英砂层上面填充过2mm土壤筛的深层土60-90cm，每填充5cm厚时，慢慢摇晃并敲打土柱，使土柱均匀密实；然后将底层土柱与中层土柱的法兰环用螺丝固定紧，在这一层土柱中，首先在渗滤液收集槽上方铺一或两层260-300目的滤网，以便截留槽上方土壤；接下来开始填充30-60cm的中土层土壤，填充时候同样边填充边摇晃与敲打，以使土柱均匀密实；然后填充0-30cm的表层土土壤，与填充中层土的操作一样；
（4）淋溶实验前，为达到土壤离子平衡，用含0.01mol/L的CaCl2溶液的蒸馏水从土柱顶部缓慢加入，使其从顶部慢慢渗透土柱，直到有水从柱的底部流出为止；且流出速率与流入速率相当即土柱达到饱和；静置两天后，在表层土上方铺入500克配制好并且混合均匀的污染土壤，为了防止土壤扰动及淋溶液的飞溅，在表层土壤上方覆一层3-5cm厚的酸洗石英砂，再盖直径为24cm的260-300目滤网；
（5）使用蠕动泵供淋溶液，直到达到设计淋溶量为止；淋溶量与每天淋溶时间需根据自己的实验来设定，不同的实验有所不同。
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