CN102268364A - 一种输水管道微生物生长模拟反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟管道微生物生长的试验装置。它包括带有顶盖的圆筒形容器本体、电机驱动的搅拌器、进水口和出水口，在容器本体内部搅拌器的上方设置有载板，载板上均匀分布有插孔，有供微生物附着生长的垂直挂片穿过插孔悬挂在载板上，所述挂片在载板下方围成一个筒状空间。本发明不仅能模拟实际输水管道中水力条件，培育生物膜，而且挂片固定得更加稳定，取样也更加方便，同时反应器内无死角，提高了分析结果的准确性、可靠性。

Description

一种输水管道微生物生长模拟反应器

技术领域

本发明涉及一种模拟管道微生物生长的试验装置，属于环境技术和水处理技术领域。

背景技术

在输水管道中，水中的悬浮菌容易附着到营养相对丰富的管壁表面，形成生物膜。在城市供水管道中，管壁的生物膜中存在着各种致病菌，生物膜在水流剪切力的冲击作用下老化脱落，细菌进入水体中，导致水体变浊，色度及细菌总数增加，使水质恶化，严重时会引起饮用水的微生物风险。在工业循环冷却水输水管道中，如化工业，石油工业中的循环冷却水输送管道中，管壁生物膜的形成严重影响了管道的输水功能，隐藏着不安全因素。

评价生物膜引起的微生物学风险，研究生物膜的生长特性，实现对输水管道中微生物再生长的控制已经成为各国研究人员共同关注的问题。由于实际管网是一个封闭系统，在实际管网中很难控制微生物再生长的条件及对生物膜形成过程进行实时监测，因此建立一种模拟输水管道中微生物再生长的试验装置是首要解决的问题。

目前的模拟系统主要有两种：管道模拟系统和反应器模拟系统。管道模拟系统是一种简化了的实际管网，长度比实际管网短很多，在实验室中可以实现模拟实际管网中的水力条件，管道模拟系统又分为循环式和非循环式两种。非循环式管道模拟系统占地面积大，且用水量大，试验成本高，循环式管道模拟系统虽然可节约用水和占地面积，但水力条件与实际管网存在较大的区别，严重影响研究和控制试验结果。

反应器模拟系统中比较有代表性的是AR(Annular Reactor)反应器，该反应器主要由反应罐、转子、电机、挂片、进出水口和取样口组成，转子上挂有挂片以提供生物膜附着生长的表面，转子在电机的驱动下旋转，挂片亦随之旋转，挂片起了搅拌反应器中水的作用，使得挂片与水体的交界面之间产生剪切力，既可模拟管网中的水力条件，剪切力的大小可通过调节电机转速控制。反应器运行一段时间后，可从取样口将挂片取出并对挂片表面附着的生物膜进行分析。该反应器模拟系统占地小，用水量少，设备费用及运行费用比较低，但是，该反应器模拟系统具有以下缺点：1、由于挂片设置在转子上，挂片表面形成的生物膜随着转子的旋转容易被冲刷甩掉，2、挂片在旋转过程中，承受离心力的作用，使得生物膜的生长条件与实际管网内的生长条件发生改变，影响模拟研究结果。

中国专利CN201003052Y公告了一种模拟管道生物膜试验反应器，该容器包括带有顶盖的筒形容器本体，环绕筒形容器内壁竖直加工有若干条用于插装插片的导槽，作为生物膜生长面的条板形插片分别插装在各导槽内，但该装置存在如下缺陷，1、作为生物膜生长面的条板形插片不容易取出，导致取样不便，2、插槽在反应器内部属于死角区域，这种区域容易营造一个营养相对丰富的环境，极易造成微生物过度滋生，使得插片表面的生物膜分析准确度降低。

发明内容

为解决以上技术上的不足，本发明提供一种输水管道微生物再生长模拟反应器，节约用水和占地面积，降低实验成本。该反应器不仅能模拟实际输水管道中水力条件，培育生物膜，而且挂片不随转子旋转，挂片受到水的剪切力更近似于实际输水管道的管壁所受到剪切力，提高了模拟实验的准确性、可靠性，同时反应器内无死角，取样也更加方便。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种输水管道微生物生长模拟反应器，包括带有顶盖的圆筒形容器本体，其特征在于，在顶盖上设有加药口和取样口，贯通顶盖的中心轴孔垂直设置有驱动轴，驱动轴的下端连接有搅拌器，驱动轴的上端与电机相连，容器本体的侧壁上设置有进水口和出水口，进水口与进水管相连通，进水管的管路上设置有流量计，在容器本体内、搅拌器的上方设有圆形载板，载板的中心穿过驱动轴，载板上均匀分布有环形排列的插孔，有供微生物附着生长的垂直挂片穿过插孔悬挂在载板上，所述挂片在载板下方围成一个筒状空间。

根据本发明，所述的挂片为长方形，挂片上端有凸台，凸台长度大于插孔的长度或者宽度大于插孔宽度。挂片下部穿过插孔、挂片上端的凸台卡在载板插孔上，使得挂片悬挂在载板上。

根据本发明，在环绕容器本体的内壁上，均匀分布设置有一圈3-5个凸起，所述载板安放在所述凸起上。便于载板拆卸，易于将载板取下进行清洗。

根据本发明，优选的，所述插孔为长方形孔，长度为17-20mm，宽度为5-10mm。

根据本发明，优选的，所述插孔的数量为12-18个。

根据本发明，优选的，所述插孔距离载板边缘为5-10mm。

根据本发明，优选的，所述的载板距顶盖的距离为40-50mm。优选该距离能更方便从采样口采样。

根据本发明，所述的挂片宽度小于插孔长度即可。优选的，所述的挂片宽度为15-19mm。

根据本发明，所述的挂片长度小于载板距容器底部的距离，挂片的底边位于进水口上方。优选的，所述的挂片的长度为100-120mm。

所述的取样口为3-5个，优选的，转动顶盖后可使取样口位于载板插孔的正上方。优选的，所述的加药口和取样口均配有橡胶塞。取下橡胶塞即可取样，取样口所在的顶盖是可转动的，无需取下顶盖，转动顶盖将取样口对准载板插孔便可将一圈的挂片取出，通过加药口进行加药可以模拟不同水质参数及消毒剂对微生物生长的影响。

所述的搅拌器为桨板式叶轮搅拌器。桨板式叶轮搅拌器的转速通过电机可以控制，调节转速可以使容器中旋转水流与挂片之间的剪切力改变。直至模拟反应器中的水流剪切力与实际管道中的相等时，即可模拟水流在实际管道中的水力条件，可以模拟不同输水管道中的水力条件。

所述挂片的材料选自聚乙烯、硬质聚氯乙烯、铸铁或不锈钢。挂片可由不同材料制成，根据实际管网中管材情况的不同可选自不同材质。

所述的流量计为LZB-10玻璃转子流量计，购自沈阳市北星流量仪表厂。流量计可以调节控制反应器的进水流量，以模拟实际输水管道中水流与单位长度管壁的接触时间或停留时间。

本发明模拟管道微生物生长反应器的设计原理如下：

水力停留时间(HRT)是指水在反应器内平均停留时间；实验时模拟反应器的进水流量设为q，反应器的有效容积为V，

水力停留时间(HRT)为HRT＝V/q    式(1)

其中，HRT单位：h；V单位：L；q单位：L/h。

反应器中水流剪切力(τ)的计算公式为：

$\mathrm{\τ}=\frac{1}{4}\·f_a\·\mathrm{\ρ}\·{\left(2\mathrm{\π\ω}\right)}^2\·r\·{(1/60)}^2$ 式(2)

其中，τ为剪切力，N/m²；r＝转子半径，cm；ω为转速，单位：r/min；ρ为液体密度，单位：10³kg/m³；f_a为摩擦系数。

公式(2)引自论文：鲁巍.给水管网细菌生长特性及其控制的研究[D].北京：清华大学环境工程系，2005.

由上述水流剪切的计算公式可以看出，剪切力的大小与进水流量、搅拌器的转速呈正比。通过调节进水流量、改变搅拌器的转速，可使水与挂片之间达到不同的水流剪切力，当反应器中的水流剪切力与实际管道中的相等时，即可模拟水流在实际管道中流动的情形。

本发明的特点及优良效果：

1、本发明的输水管道模拟反应器的挂片设置在载板上的插孔中，载板固定在容器本体的内壁上，转轴转动带动搅拌器转动，载板固定不动，避免了挂片随转子旋转承受离心力的作用，使模拟反应器中的水力条件更趋近于实际管网中的水力条件，防止生物膜随着转子旋转被冲甩掉；

2、插孔在载板上呈环形排列，挂片之间组成圆筒状空间使挂片近似于实际中的输水管道管壁，挂片受到的水流剪切力，更近似于实际输水管道的管壁所受到的剪切力，挂片上生物膜的生长条件更接近于实际管道中生物膜的生长条件，有利于培育生物膜。另一方面还保证了挂片能有最大的表面与水流接触供生物膜生长。

3、挂片凸台的长度大于长方形插孔的长度或凸台的宽度大于长方形插孔的宽度，挂片在插孔中固定得更稳定，不容易被水流冲掉，同时取样也更加方便，直接镊子夹持住挂片凸台部将其直接取出，不会破坏附着在挂片下部的生物膜，提高研究和分析结果的准确性、可靠性。

4、插孔距输水管道模拟反应器的容器内壁有一定距离，防止挂片贴在反应器的内壁上，避免插片设置在容器体壁上而造成的死角区域，提高了挂片表面的生物膜分析准确度。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是容器本体的剖面结构示意图；

图3是实施例1的载板、插孔分布结构示意图；

图4是实施例1的挂片的结构示意图；

其中，1、顶盖；2、取样口；3、电机；4、驱动轴；5、搅拌器；6、载板；7、挂片；8、插孔；9、进水口；10、出水口；11、流量计；12、加药口。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做详细地说明，但不限于此。

实施例1

一种输水管道微生物生长模拟反应器，结构如图1、图2所示，包括带有顶盖1的圆筒形容器本体，在顶盖1上设置有加药口12和取样口2，加药口和取样口2处设置有橡胶塞，取样口为3个，取下橡胶塞即可取样，顶盖1可以转动，无需取下顶盖1，便可以将样品逐一取出，通过加药口12进行加药可以模拟不同水质参数及消毒剂对微生物生长的影响。

贯通顶盖1的中心轴孔垂直设置有驱动轴4，驱动轴4的下端位于容器本体的内部，驱动轴4的上端与电机3相连，驱动轴4的下端连接有搅拌器5，搅拌器5为桨板式叶轮搅拌器，通过电机3控制转速，调节转速可以使容器中旋转水流与挂片之间的剪切力改变。

在容器本体内部搅拌器5的上方还设置有半径为75mm的圆形载板6，驱动轴4贯穿载板6的中心，载板6距顶盖1的距离为45mm。环绕容器本体的内壁上设置有处于同一高度的3个凸起，载板6卡放在凸起上，此种设计载板拆卸方便，易于将载板6取下进行清洗。载板6上均匀分布有一圈插孔8，转动顶盖1可使取样口2位于插孔8的正上方，插孔8中插有供微生物附着生长的挂片7，容器本体的侧壁上设置有进水口9和出水口10，进水口9与进水管相连通，进水管的管路上设置有流量计11。流量计11为LZB-10玻璃转子流量计(沈阳市北星流量仪表厂)。流量计11可以调节控制反应器的进水流量，以模拟实际输水管道中水流与单位长度管壁的接触时间或停留时间。

所述插孔8在载板6上排列呈圆环形，插孔8为长17mm，宽5mm的长方形孔，插孔8的数量为12个。插孔8距载板6边缘的距离为5mm，如图3所示。所述挂片的材料选自聚氯乙烯(PVC)，挂片7上端有凸台，凸台长度大于插孔的长度或者宽度大于插孔8宽度。挂片7下部穿过插孔、挂片上端的凸台卡在载板插孔8上，使得挂片悬挂在载板上。挂片7呈长方形，宽度为15mm，长度为110mm，挂片7的底边位于进水口9的上方，如图4所示。由于载板固定，挂片插在载板上的插孔中，避免了挂片随转子旋转，使模拟反应器中的水力条件更趋近于实际管网中的水力条件，同时，此种设计取样也更加方便，可用镊子夹持住挂片凸台部将其直接取出，不会破坏附着载片上的生物膜，提高研究和分析结果的准确性、可靠性。

实施例2、

一种输水管道微生物生长模拟反应器，结构如实施例1所述，所不同的是：

在顶盖1上设有5个取样口2，半径为80mm的圆形载板6距顶盖1的距离为50mm；

插孔8呈长方形，该长方形插孔的长度为20mm，宽度为10mm，插孔的数量为18个。插孔8距载板6周边的距离10mm，挂片宽度为18mm，长度为120mm。

环绕容器本体的内壁上设置有处于同一高度的5个凸起，5个凸起处于同一平面上，载板6卡在凸起上。

Claims (10)

1.一种输水管道微生物生长模拟反应器，包括带有顶盖的圆筒形容器本体，其特征在于，在顶盖上设有加药口和取样口，贯通顶盖的中心轴孔垂直设置有驱动轴，驱动轴的下端连接有搅拌器，驱动轴的上端与电机相连，容器本体的侧壁上设置有进水口和出水口，进水口与进水管相连通，进水管的管路上设置有流量计，在容器本体内、搅拌器的上方设有圆形载板，载板的中心穿过驱动轴，载板上均匀分布有环形排列的插孔，有供微生物附着生长的垂直挂片穿过插孔悬挂在载板上，所述挂片在载板下方围成一个筒状空间。

2.根据权利要求1所述的输水管道微生物生长模拟反应器，其特征在于，所述的挂片为长方形，挂片上端有凸台，凸台长度大于插孔的长度或者宽度大于插孔宽度。

3.根据权利要求1所述的输水管道微生物生长模拟反应器，其特征在于，在环绕容器本体的内壁上均匀分布设置有一圈3-5个凸起，所述载板安放在所述凸起上。

4.根据权利要求1所述的输水管道微生物生长模拟反应器，其特征在于，所述载板插孔为长方形孔，长度为17-20mm，宽度为5-10mm。

5.根据权利要求1所述的输水管道微生物生长模拟反应器，其特征在于，所述插孔的数量为12-18个。

6.根据权利要求1所述的输水管道微生物生长模拟反应器，其特征在于，所述插孔距离载板边缘为5-10mm。

7.根据权利要求1所述的输水管道微生物生长模拟反应器，其特征在于，所述的载板距顶盖的距离为40-50mm。

8.根据权利要求1所述的输水管道微生物生长模拟反应器，其特征在于，所述的挂片宽度小于插孔长度，优选的，挂片宽度为15-19mm。

9.根据权利要求1所述的输水管道微生物生长模拟反应器，其特征在于，所述的挂片长度小于载板距容器底部的距离，优选的，挂片的长度为100-120mm。

10.根据权利要求1所述的输水管道微生物生长模拟反应器，其特征在于，所述的取样口为3-5个，转动顶盖取样口位于载板插孔的正上方；优选的，所述的加药口和取样口均配有橡胶塞。

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